Движение миниатюрного робота в ограниченном пространстве тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.01 ВАК РФ

На правах рукописи Чащухин Владислав Григорьевич

003452501

ДВИЖЕНИЕ МИНИАТЮРНОГО РОБОТА В ОГРАНИЧЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Специальность 01.02.01 - теоретическая механика.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 П Г' г,р Т^П

1 о ^ —1

Москва-2008 г.

003452501

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Градецкий Валерий Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Зенкевич Станислав Леонидович

Защита состоится «27» ноября 2008 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 002.240.01 при Институте проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук по адресу: 119526, г. Москва, проспект Вернадского, 101-1, ИПМех РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук. Автореферат разослан «24» октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д002.240.01 при ИПМех РАН,

кандидат физико-математических наук Буданов Владимир Михайлович

Ведущая организация: Институт машиноведения

им. А. А. Благонравова РАН

кандидат физико-математических наук

Сысоева Е.Я.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в робототехнике наблюдается тенденция к миниатюризации и применению нанотехнологий. Миниатюрные роботы могут проникать в узкие образования (щели, отверстия) и двигаться в них, что позволяет применять их для выполнения различных задач в ограниченных пространствах, например трубах малого диаметра, имеющих размер порядка нескольких миллиметров. Конструкция минироботов зачастую сильно отличается от их макроразмерных аналогов. В качестве маршевых двигателей минироботов обычно используются двигатели, обеспечивающие линейное перемещение без использования трансмиссии, например электромагнитный или пьезоэлектрический. С помощью применения современных нанотехнологий можно улучшить технические характеристики как отдельных узлов миниробота, например устройств сцепления с поверхностью, так и робота в целом.

Миниатюрные роботы для движения в трубах малого диаметра имеют довольно обширную область применения. В основном это техническая диагностика трубопроводов, дефектоскопия внутренних поверхностей труб в авиационной, космической, атомной промышленности и т. д. Кроме того имеется потребность в осуществлении прокладки кабелей в трубах и картографировании трубопроводов.

Несмотря на выполненные ранее исследования, влияние рабочих параметров на функциональные характеристики таких роботов изучено недостаточно, известные методы расчета не обеспечивают достаточно точное соответствие с экспериментом.

Актуальность темы исследования заключается в необходимости выполнения параметрического анализа и нахождения зависимостей мевду

основными параметрами, в разработке адекватных процессам механики математических моделей и в поиске новых конструктивных решений для создания минироботов с целью выяснения способов улучшения их технических характеристик.

Хотя ранее были созданы некоторые модели миниатюрных роботов, предназначенные для движения по вертикальным поверхностям и в ограниченном пространстве, однако процессы взаимодействия с поверхностью, динамика роботов и соотношения между параметрами были изучены недостаточно. В частности, недостаточно изучено движение роботов с электромагнитными приводными системами.

Цель работы заключается в получении данных о взаимовлиянии параметров динамики роботов, в разработке математической модели движения миниатюрного робота, перемещающегося в ограниченном пространстве и в разработке метода расчета наноструктурированного адгезионного материала для применения в устройствах сцепления с поверхностью, выявлении с помощью этих моделей необходимых параметров для достижения нужных функциональных технических характеристик робота. Для достоверности теоретических выводов выполнены экспериментальные исследования.

Методы исследований. В работе использованы методы теоретической, прикладной механики и численного моделирования.

Научная новизна. Разработана математическая модель динамики миниатюрного впутритрубного робота и устройств сцепления робота с поверхностью, которая, в отличие от ранее известных, учитывает анизотропность по трению. На основе проведенного численного решения уравнений динамики выявлены значения частоты и продолжительности управляющих воздействий, обеспечивающие улучшение динамических характеристик робота. Предложено использование ворсистого

адгезионного материала с анизотропным трением в устройствах сцепления робота с внутренней поверхностью трубы, что приводит к увеличению грузоподъемности робота. Выявлены геометрические параметры структуры ворсистого адгезионного материала, при которых он обладает наибольшей анизотропией по трению. Оценены величины предварительного нагружения такого материала для обеспечения его прикрепления к поверхности и момента, необходимого для отрыва материала от поверхности.

Практическая ценность полученных результатов. На основе полученных результатов произведена модернизация внутритрубного робота для улучшения его динамических характеристик. Создан электромагнитный внутритрубный робот с возможностью реверсивного движения. На основе разработанной математической модели создано программное обеспечение для численного моделирования динамики движения робота, с помощью которого можно определять значения параметров управляющих воздействий, обеспечивающих улучшение динамических характеристик робота. Разработаны технические требования, предъявляемые к адгезионному материалу, предназначенному для устройств сцепления миниробота с поверхностью.

Достоверность полученных результатов вытекает из корректности постановок исследуемых задач, использования известных методов численного моделирования, проведения большого объема экспериментов и сопоставления теоретических результатов с полученными экспериментально.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на российских конференциях:

1. Механика, автоматизация, управление 2006, Санкт-Петербург, 10-12 октября 2006 г.

2. «НАНО-2007», Новосибирск, 13-16 марта 2007 г. На международных конференциях и симпозиумах:

1. 4-th International Workshop on Computer Science and Information Technologies CSIT-02, Patras, Greece, September 18-20,2002.

2. VR - Mech'01, Brussels, Belgium, November 22-24,2001.

3. IARP Workshop on Adaptive and Intelligent Robots: Present and Future.. Moscow. Russia, November 24-26,2005.

4. IARP Micro and Nano Robotics, Paris, France, October 23-24,2006.

5. The international Workshop on Micro- and Nano Production Technologies and Systems, Moscow, Russia, October, 17-18,2007. Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в

том числе 2 статьи в научных журналах, включенных в перечень научно-технических изданий ВАК России.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Список литературы содержит 64 наименования. Объем диссертации составляет 98 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и поставленные задачи, раскрыты научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе представлен обзор основных типов существующих роботов, предназначенных для движения в ограниченном пространстве. Приведен анализ задач динамики миниатюрных роботов с применением методов теоретической механики. Описаны области применения таких роботов.

Во второй главе описаны конструкции миниатюрных внутритрубных роботов с возможностью реверсивного движения (рис. 16) и без такой возможности (рис. 1а), созданные в Институте проблем механики Российской академии наук. На рис. 1в,г приведены схематические изображения роботов. Основные составляющие конструкции нереверсивного робота - цилиндрический корпус и шток, который совершает периодические движения относительно корпуса. Внутри корпуса расположен соленоид, способный втягивать шток при подаче напряжения на контакты соленоида. На шток надета пружина, которая стремится вытолкнуть его из корпуса, когда снимается напряжение с соленоида. Шток и корпус снабжены упорами, посредством которых робот контактирует с поверхностью трубы. Упоры сконструированы так, что при движении робота вперед (в желаемом направлении) трение о поверхность трубы слабее, чем при движении в обратном направлении. Во время движения на соленоид подается ток в виде прямоугольных импульсов. Движение робота осуществляется

повторением циклов, каждый из которых состоит из двух этапов: втягивание штока и его выталкивание.

Рис. 1. а) Электромагнитный миниатюрный внутритрубный робот способный двигаться только в одном направлении, б) робот, обладающий способностью реверсивного движения, в), г) схематические изображения роботов.

Проведено моделирование динамики внутритрубного робота, снабженного упорами, обладающими анизотропией по трению. Движение робота происходит в прямолинейной трубе, ось которой наклонена к горизонту под углом р. Введем обозначения: х, (/ = 1,2)- координаты штока и корпуса соответственно, отсчитываемые вдоль оси трубы (абсолютные смещения штока и корпуса); т, (¿ = 1,2) - массы штока и корпуса соответственно; к- коэффициент жесткости пружины;

модуль 1

корпус модуль 2

ускорение силы тяжести. Здесь и далее индекс / = 1 соответствует штоку, / = 2 - корпусу. Точки отсчета координат х, и х2 выбраны так, что при X) = х2 пружина не деформирована, а в начальный момент времени х, = 0. Шток втягивается в соленоид под действием электромагнитной силы -Р. Кроме того, на шток и соленоид действуют силы упругости пружины, равные ¿)х2~*1| п0 абсолютной величине и противоположно направленные, сила тяжести и сила реакции опоры И,. Кроме того, на шток и корпус действуют силы сухого трения Ртр1 и силы сопротивления среды Цх, (Б, - коэффициент сопротивления среды). Уравнения движения внутритрубного робота как двухмассовой системы имеют вид:

ЩЪ =-Р+Цх2 -х^-^тр-Р^ -Цхи

ЩЪ. =/?-К*2 -х\)~Щ.ё^-Ртр2

, (х, > 0илих1 = 0 и Ртр1=*-М"^„(х,<0ших1=0 и Я,- (,- = 1;2)

Л, =(-1)'[Г-Нх2-х1)]-т#ат0-О,х1 На соленоид подается питание в виде периодически повторяющихся прямоугольных импульсов. Выражение для электромагнитной силы имеет

„ сО¥ 1 с& ,2 г

следующий вид: ^ = — =--г , где IV - электромагнитная энергия, ь -

сЬс 2 (к

индуктивность, / - ток в обмотке соленоида. На рис. 2 представлена зависимость скорости робота от частоты и продолжительности прямоугольных электромагнитных импульсов. На рис. 3 показано сравнение теоретической зависимости скорости от периода воздействия электромагнитной силы (сплошная линия) с полученными

экспериментально значениями (точки с указанием погрешности). Функция скорости имеет максимум при определенных значениях частоты и продолжительности импульса. При помощи разработанной модели можно рассчитать максимальную скорость движения робота и соответствующие этому значению величины частоты и продолжительности импульса электромагнитной силы. Моделирование проводилось в среде МАТЬАВ.

0,25

Рис. 2. Зависимость скорости робота от частоты и продолжителности импульса электромагнитной силы.

Рис. 3. Зависимость скорости робота от длительности действия электромагнитной силы.

Показано, что для увеличения грузоподъемности робота нужно увеличить анизотропность трения его упоров. Исследована зависимость анизотропности трения от характеристик материала упоров, геометрических характеристик упоров, диаметров трубы и корпуса робота.

Упоры робота моделировались набором ворсинок, основание которых прикреплено к роботу, а свободный конец упирается в стенку трубы (см. рис. 4). Длина ворсинок больше разницы радиусов трубы и корпуса робота. Изначально ворсинки сжаты в направлении, перпендикулярном поверхности трубы, на величину А = Ьыпв -Н, где Ь

- длина ворсинки, Я - разность между радиусом трубы и радиусом корпуса робота. Ворсинка представляется упругой балкой, имеющей продольный и поперечный коэффициенты жесткости. Отношение этих коэффициентов 5.

Рис. 4. Изгиб ворсинки упора.

Рис. 5. Зависимость отношения сил трения от геометрических характеристик упора.

На рис. 5 представлена зависимость отношения сил трения при скольжении вдоль наклона ворсинки и против наклона для различных значений Рассмотрено условие потери ворсинкой устойчивости. При потере устойчивости резко возрастает прогиб ворсинки, уменьшается сила давления ворсинки на поверхность, а соответственно и сила трения, поэтому сила трения в обратном направлении не может превышать значения, достигаемого на грани потери устойчивости.

В третьей главе рассмотрены основные требования к материалам для покрытая контактных площадок роботов, приведен краткий обзор различных существующих устройств сцепления роботов с поверхностью. Изучен механизм взаимодействия ворсистых адгезионных материалов (длина ворса порядка 10 мкм) с шероховатой поверхностью.

Схематическое изображение структуры такого адгезива показана на рис. 6.

Считалось, что при контактировании с поверхностью одна ворсинка притягивается с силой 2лЯай, здесь <т0 - работа адгезии, Я - радиус ворсинки. Это выражение соответствует ДМТ модели адгезии (Дерягин, Муллер, Топоров). Ворсинки моделировались как упругие балки, имеющие поперечный и продольный коэффициенты жесткости, равные

, _ ЗЕ1 _лИ2Е

ку ~ ¡з ' к* - ~ I ' где Е - модуль Юнга материала ворсинки, / - момент инерции поперечного сечения ворсинки.

Предпологается, что высоты вершин шероховатостей поверхности распределены по нормальному закону. Сила упругости, возникающая при сжатии ворсинок, отнесенная к произведению количества ворсинок на силу адгезии /0 для одной ворсинки:

Рис. 6. Структура адгезионного материала

\

/

( ку зл2

, в - угол наклона ворсинки к поверхности, п - количество

ворсинок на еденицу площади, - площадь материала), сила адгезионного притяжения материала сложится из сил притяжения контактирующих ворсинок

Л-ЗЛ!'"*!

-Дм)

2

Здесь ег/{х) = —== |ехр(-^2)^ - функция ошибок. Зависимость

л/Л-

безразмерной разности силы упругого отталкивания и силы адгезии, от расстояния I) и шероховатости <1 при

р __ т?

I = 10л«ш, Л = 0.2л/а», 0 = 43°, Сто = 0,049Дж/ г,Е{ =2ГПа

представлена на рис. 7.

Д мкм

<1, мкм

Рис. 7. Зависимость силы взаимодействия адгезионного материала с шероховатой поверхностью.

Рис. 8. Зависимость силы адгезии от предварительной нагрузки.

Чтобы увеличить количество непосредственно контактирующих с поверхностью ворсинок и тем самым увеличить силу адгезионного взаимодействия материала с поверхностью, необходимо предварительно прижать материал к поверхности. Зависимость силы адгезии от предварительного нагружения показана на рис. 8.

Оценены геометрические параметры и характеристики материала, из которого изготовлены ворсинки, исключающие возможность слипания ворсинок между собой, приведены формулы для расчета параметров, при которых будет происходить самоочищение щетинок.

В четвертой главе рассмотрена возможность применения адгезионного ворсистого материала в качестве покрытия контактных поверхностей мобильных роботов. Рассмотрены существующие роботы, использующие адгезионные материалы.

Устройство сцепления, основанное на механизме адгезионного взаимодействия с поверхностью, должно отвечать следующим требованиям.

• Для прикрепления к поверхности адгезионный материал, находящийся на поверхности контакта, должен быть предварительно прижат к ней.

• Площадь контактной поверхности, должна быть достаточной, для того, чтобы создавать силу адгезионного притяжения, необходимую для удержания робота на поверхности.

• Отрыв адгезионного материала от поверхности должен происходить постепенно, наподобие развития трещины.

Выведено выражение для момента, необходимого при отрыве адгезионного материала от поверхности. Приведены технические требования, предъявляемые к адгезионному ворсистому материалу, обладающему анизотропным трением и предназначенному для

использования на контактных поверхностях внутритрубного электромагнитного робота, рассмотренного в главе 2. Схематическое изображение устройства сцепления с адгезионным материалом показано рис. 9.

Рис. 9. Схематическое рис- ю. Структура сухого адгезионного материала

изображение адгезионного с анизотропным трением,

устройства сцепления с поверхностью.

Устройство сцепления представляет собой адгезионный материал, наклеенный на упругую подложку, которая в свою очередь наклеена на контактную площадку робота. На рис. 10 представлена структура сухого адгезионного материала. Он состоит из столбиков, изготовленных из упругого материала, на их торцах, скошенных под определенным углом к центральной линии столбиков, выращены микроворсинки, диаметр которых порядка сотен нанометров.

Е===0 С- =3

ШШШТ ТШШШ шшшх

Рис. 11. Деформирование волосков при движении. Ненагруженное состояние (слева), движение вперед (в середине), движение назад (справа).

На рис. 11 показана схема действия такого устройства. Зависимость отношения сил трения, действующих на одну ворсинку, при движении вперед и назад от угла наклона столбиков показана на рис. 12 (сплошной линией показана зависимость отношения при наличии адгезии при скольжении в обратном направлении, пунктирной - при ее отсутствии). Эта зависимость выражается формулой

(

1+-

Д0 —-1, Д = £зш 8-Н,

£ - длина столбика, Н - разность внз'треннего радиуса трубы и радиуса корпуса робота, в - угол наклона столбиков к образующей трубы.

— "Л V,

/ \ д

1 \ \\

/ „ \\ Л

6.2 0.4 0.6

0.& 1 1.2 1.4 1.0 1.8

Рис. 12. Отношение сил трения при движении вперед и назад от угла наклона

столбиков.

Результаты диссертационной работы и рекомендации по структуре адгезионного материала были переданы генеральному директору концерна «Наноиндустрия».

Основные результаты диссертации.

1. В результате проведенного моделирования динамики внутритрубного робота с электромагнитным приводом показано, что при

неизменной конструкции робота изменением частоты и длительности управляющих воздействий можно увеличить скорость движения робота, обеспечив ему при этом достаточную длину хода штока. Для увеличения грузоподъемности можно применить более совершенные материалы упоров в целях обеспечения максимальной анизотропии по трению.

2. Разработана математическая модель движения электромагнитного робота. В результате проведенного математического моделирования взаимодействия адгезионного ворсистого материала с шероховатой поверхностью, выявлены основные преимущества такого материала для применения в устройствах сцепления роботов с поверхностью.

3. На основе исследования явления анизотропии по трению ворсистого материала получены аналитические выражения для сил трения при скольжении вдоль наклона ворсинок и против него.

4. Создано программное обеспечение, моделирующее динамику движения робота. Проведено сравнение данных, полученных при моделировании, с экспериментальными, при этом погрешность не превышает 6-7 %.

5. На основе данных, полученных при моделировании, осуществлена модернизация внутритрубного миниробота с целью улучшения его динамических характеристик. Создан внутритрубный электромагнитный робот с возможностью реверсивного движения, которое осуществляется за счет изменения угла наклона упоров.

6. Проведены экспериментальные исследования по измерению динамических характеристик робота, обосновывающие достоверность результатов моделирования.

7. На основе проведенных исследований разработаны технические требования к материалу, необходимому для изготовления устройств сцепления с поверхностью.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Чащухин В.Г. Моделирование динамики и определение управляющих параметров внутритрубного миниробота. // Теория и системы управления, 2008, № 5, с. 142-147.

2. В.Г. Градецкий, В.Г. Чащухин, О. Н. Каменева Анализ параметров движения миниатюрных многозвенных роботов с электромагнитными двигателями // Нано- и микросистемная техника, 2007 №11 с. 58-65.

3. Veshnikov V., Gradetsky V., Chaschuhin V. Simulation of the mobile multilink robot with vision virtual reality system. // Proceedings of the VR-Mech'01, Brussels, Belgium, November 22-24,2001.

4. Veshnikov V., Gradetsky V., Chaschuhin V. Computer modeling of the crawling robot motion inside a pipeline. // Proceedings of the 4-th International Workshop on Computer Science and Information Technologies CSIT-02, Patras, Greece, September 18-20,2002.

5. Chaschuhin V. Mechanics of the adaptive biorheological gripper based on mechanism of adhesion in Gecko. // Proceedings of the IARP Workshop on Adaptive and Intelligent Robots: Present and Future. November 24-26, 2005. Moscow. Russia.

6. Chaschuhin V., Gradetsky V. Analysis of the interaction nanomechanism of the gecko mimicking material with the surface microstructure. // Proceedings of IARP Micro and Nano Robotics, Paris, France, October 23-24,2006.

7. Gradetsky V., Knyazkov M., Chaschuhin V., Kameneva O. Micro- and nanotechnologies in robotics. // Proceedings of The international Workshop on Micro- and Nano Production Technologies and Systems, Moscow, Russia, October, 17-18,2007.

8. Чащухин В.Г. Исследование устройств сцепления мобильных роботов с поверхностью, имеющих адгезионные материалы на контактных площадках. // Препринт № 861 ИПМех РАН.

9. Gradetsky V., Knyazkov M., Chaschuhin V. Coupling devices interaction with surfaces in the process of miniature mobile robot's motion. // Proceedings of the ICMEN 2008, Kassandra-Chalkidiki, Greece, October, 1-3,2008.

Владислав Григорьевич Чащухин

ДВИЖЕНИЕ МИНИАТЮРНОГО РОБОТА В ОГРАНИЧЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано к печати 21.10.08 Заказ № 3508 Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН 119526, Москва, пр-т Вернадского 101 корп. 1

Оглавление.

Введение.

1. Основные типы механических систем роботов для движения в ограниченном пространстве и их применение.

2. Моделирование динамики внутритрубного миниробота.

2.1. Конструкция робота.

2.2. Динамика движения робота.

2.3. Моделирование динамики движения робота.

2.4. Внутритрубный миниатюрный робот с возможностью реверсивного движения.

2.5. Моделирование упругого упора с анизотропным трением.

3. Наноструктурированные покрытия контактных поверхностей мобильных роботов.

3.1. Требования к материалам для покрытия контактных поверхностей роботов.

3.2. Сухой адгезионный материал для устройств сцепления с поверхностью в робототехнике.

3.2.1. Биологические адгезивы.

3.2.2. Искусственные адгезивы.

4. Применение сухих адгезивов в устройствах сцепления с поверхностью.

4.1. Основные характеристики устройств сцепления на основе адгезионных материалов.

4.2. Повышение анизотропности трения при использовании адгезионных материалов.

4.3. Технические требования к сухим адгезионным материалам для покрытия контактных поверхностей роботов.

Методы механики лежат в основе расчетов систем робототехники. В робототехнике же в настоящее время наблюдается тенденция к миниатюризации и применению нанотехнологий. Миниатюрные роботы могут проникать в узкие образования (щели, отверстия) и двигаться в них, что позволяет применять их для выполнения различных задач в ограниченных пространствах, например трубах малого диаметра, имеющих размер порядка нескольких миллиметров. Конструкция минироботов зачастую сильно отличается от их макроразмерных аналогов. В качестве маршевых двигателей минироботов обычно используются двигатели, обеспечивающие линейное перемещение без использования трансмиссии, например электромагнитный или пьезоэлектрический. С помощью применения современных нанотехнологий можно улучшить технические характеристики как отдельных узлов миниробота, например устройств сцепления с поверхностью, так и робота в целом.

Миниатюрные роботы для движения в трубах малого диаметра имеют довольно обширную область применения. В основном это техническая диагностика трубопроводов, дефектоскопия внутренних поверхностей труб в авиационной, космической, атомной промышленности и т. д. Кроме того имеется потребность в осуществлении прокладки кабелей в трубах и картографировании трубопроводов.

Несмотря на выполненные ранее исследования в области механики роботов, влияние рабочих параметров на функциональные характеристики таких роботов изучено недостаточно, известные методы расчета не обеспечивают достаточно точное соответствие с экспериментом.

Актуальность темы исследования заключается в необходимости выполнения параметрического анализа и нахождения зависимостей между основными параметрами, в разработке адекватных процессам механики математических моделей и в поиске новых конструктивных решений для создания минироботов с целью выяснения способов улучшения их технических характеристик.

Хотя ранее были созданы некоторые модели миниатюрных роботов, предназначенные для движения по вертикальным поверхностям и в ограниченном пространстве, однако процессы взаимодействия с поверхностью, динамика роботов и соотношения между параметрами были изучены недостаточно. В частности, недостаточно изучено движение роботов с электромагнитными приводными системами.

Цель работы заключается в получении данных о взаимовлиянии параметров динамики роботов, в разработке математической модели движения миниатюрного робота, перемещающегося в ограниченном пространстве и в разработке метода расчета наноструктурированного адгезионного материала для применения в устройствах сцепления с поверхностью, выявлении с помощью этих моделей необходимых параметров для достижения нужных функциональных технических характеристик робота. Для достоверности теоретических выводов выполнены экспериментальные исследования.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.

Построить математические модели динамики движения внутритрубного робота и устройства сцепления с поверхностью.

Выявить наилучший набор параметров для достижения нужных технических характеристик робота и устройств сцепления с поверхностью.

Провести сравнение с экспериментально полученными данными для обоснования построенных моделей.

Поставленные задачи решаются с помощью методов теоретической и прикладной механики, теории робототехнических систем и вычислительной техники. Результаты моделирования и теоретические выкладки сверяются с экспериментальными данными, полученными в ходе проведения испытаний и с данными, взятыми из мировых источников. V

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы над диссертацией можно сформулировать следующие выводы.

1. В результате проведенного моделирования динамики внутритрубного робота с электромагнитным приводом показано, что при неизменной конструкции робота изменением частоты и длительности управляющих воздействий можно увеличить скорость движения робота, обеспечив ему при этом достаточную длину хода штока. Для увеличения грузоподъемности можно применить более совершенные материалы упоров в целях обеспечения максимальной анизотропии по трению.

2. Разработана математическая модель движения электромагнитного робота. В результате проведенного математического моделирования взаимодействия адгезионного ворсистого материала с шероховатой поверхностью, выявлены основные преимущества такого материала для применения в устройствах сцепления роботов с поверхностью.

3. На основе исследования явления анизотропии по трению ворсистого материала получены аналитические выражения для сил трения при скольжении вдоль наклона ворсинок и против него.

4. Создано программное обеспечение, моделирующее динамику движения робота. Проведено сравнение данных, полученных при моделировании, с экспериментальными, при этом погрешность не превышает 6-7 %.

5. На основе данных, полученных при моделировании, осуществлена модернизация внутритрубного миниробота с целью улучшения его динамических характеристик. Создан внутритрубный электромагнитный робот с возможностью реверсивного движения, которое осуществляется за счет изменения угла наклона упоров.

6. Проведены экспериментальные исследования по измерению динамических характеристик робота, обосновывающие достоверность результатов моделирования.

7. На основе проведенных исследований разработаны технические требования к материалу, необходимому для изготовления устройств сцепления с поверхностью.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Чащухин В.Г. Моделирование динамики и определение управляющих параметров внутритрубного миниробота. // Теория и системы управления, 2008, № 5, с. 142-147.

2. В.Г. Градецкий, В.Г. Чащухин, О. Н. Каменева Анализ параметров движения миниатюрных многозвенных роботов с электромагнитными двигателями // Нано- и микросистемная техника, 2007 №11 с. 58-65.

3. Veshnikov V., Gradetsky V., Chaschuhin V. Simulation of the mobile multilink robot with vision virtual reality system. // Proceedings of the VR -Mech'01, Brussels, Belgium, November 22-24, 2001.

4. Veshnikov V., Gradetsky V., Chaschuhin V. Computer modeling of the crawling robot motion inside a pipeline. // Proceedings of the 4-th International Workshop on Computer Science and Information Technologies CSIT - 02, Patras, Greece, September 18-20, 2002.

5. Chaschuhin V. Mechanics of the adaptive biorheological gripper based on mechanism of adhesion in Gecko. // Proceedings of the IARP Workshop on Adaptive and Intelligent Robots: Present and Future. November 24-26, 2005. Moscow. Russia.

6. Chaschuhin V., Gradetsky V. Analysis of the interaction nanomechanism of the gecko mimicking material with the surface microstructure. // Proceedings of IARP Micro and Nano Robotics, Paris, France, October 2324, 2006.

7. Gradetsky V., Knyazkov M., Chaschuhin V., Kameneva O. Micro- and nanotechnologies in robotics. I I Proceedings of The international Workshop on Micro- and Nano Production Technologies and Systems, Moscow, Russia, October, 17-18, 2007.

8. Чащухин В.Г. Исследование устройств сцепления мобильных роботов с поверхностью, имеющих адгезионные материалы на контактных площадках. // Препринт № 861 ИПМех РАН.

9. Gradetsky V., Knyazkov M., Chaschuhin V. Coupling devices interaction with surfaces in the process of miniature mobile robot's motion. // Proceedings of the ICMEN 2008, Kassandra-Chalkidiki, Greece, October, 13, 2008.

1. Болотник Н. Н., Костин Г. В., Черноусько Ф. Л. Движение шагающего аппарата в тороидальной трубе // Изв. РАН. Механика твердого тела, 1998, №4, с. 86-101

2. Fearing R. S., Sahai R., Hoover A. Rapidly Prototyping Millirobots using Toolkits and Microassembly // Proceedings of the IARP 2006, Paris, France, October 23-24, 2006.

3. Oya Т., Okada T. Development of a steerable, wheel-type, in-pipe robot and its path planning // Advanced Robotics, 2005, Vol. 19, № 6, pp. 635-650

4. Komori M., Suyama K. Inspection robots for gas pipelines of Tokyo Gas // Proceedings of the conference Advanced Robotics, 2001, Vol. 15, № 3, pp. 365370.

5. В. Г. Градецкий, В. Б. Вешников, С. В. Калиниченко, Л. Н. Кравчук «Управляемое движение мобильных роботов по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям» М.: Наука, 2001 г., с. 26-91, 275-294.

6. DOMENICO LONGO AND GIOVANNI MUSCATO "The Alicia3 Climbing Robot A Three-Module Robot for Automatic Wall Inspection" // IEEE Robotics & Automation Magazine, MARCH 2006, 1070-9932, pp. 2-10.7. http://www.uralbc.ru/climber/robot.htm

7. Moghaddaml M., Hadi A. Control and Guidance of a Pipe Inspection Crawler (PIC) // Proceedings of 22nd International Symposium on Automation and Robotics in Construction ISARC 2005, Ferrara, Italy

8. Добролюбов А.И. Бегущие волны деформации//Минск: Наука и техника. 1987. 144с.

9. Добролюбов А.И. О механике движения сухопутной змеи // Биофизика. -1983.-№2.-С.330-335

10. Черноусько Ф. Л., Движение многозвенника по горизонтальной плоскости // Прикладная математика и механика, Т. 64, вып. 1, 2000, с. 8-18

11. Черноусько Ф. Л. Управляемые движения двузвенника по горизонтальной плоскости.

12. Черноусько Ф. Л. Волнообразные движения многозвенника по горизонтальной плоскости. // Прикладная математика и механика, Т. 64, вып. 4, 2000, с. 518-531

13. Suzumori K., Wakimoto S., Takata M. A Miniature inspection robot negotiating pipes of widely varying diameter // Proceedings of the 2003 IEEE Inlernational Conference on Robotics &Automation Taipei, Taiwan, 2003, pp. 2735-2740

14. А.А.Иванов. Волновое движение и бесколесный движитель змеевидного: теория и действующий макет// Конференция "Адаптивные роботы и интеллектуальные роботы: современное состояние и перспективы". Доклады, т.2. М.,2005, сс.65-71

15. Черноусько Ф. Л. Анализ и оптимизация движения тела, управляемого посредством подвижной внутренней массы // Прикладная математика и механика. 2006, т. 70, вып. 6.

16. Wang Z., Appleton Е. The concept and research of a pipe crawling rescue robot // Advanced Robotics, 2003, Vol. 17, No 4, pp. 339-358

17. Unver О., Murphy M., Sitti M. Geckobot and Waalbot: Small-Scale Wall Climbing Robots. // AIAA 5th Aviation, Technology, Integration, and Operations Conference (ATIO). Arlington. Virginia. 2005.

18. Menon C., Murphy M., Shah G., Sitti M., Angrilli F. WaalBots for Space Applications. // 55th IAC Conference, Vancouver, 2004.

19. Sitti M., Fearing R. S. Synthetic gecko foot-hair micro/nano-structures for future wall-climbing robots. // Proceedings of the 2003 IEEEInternational Conference on Robotics and Automation. Taipei. Taiwan. 2003.

20. Gradetsky V., Solovtsov V., Kniazkov M., Rizzotto G., Amato P. Modular design of electro-magnetic mechatronic microrobots // Proceedings of the 6-th International Conference CLAWAR 2003, Catania, Italy, 2003, pp. 651-658

21. Rizzoto G., Velkenko M., Amato P., Gradetsky V., Baskirov S, Knyazkov M., Solovtov V. In-Pipe Microrobot with Inertial Mood of Motion // Climbing and Walking Robots, Springer Berlin Heidelberg, 2005, pp. 1041-1051

22. Antheierens C., Betemps M. Design and control of a pneumatic microrobot for in-pipe inspection of nuclear pipes // Journal of Mechatronics, 2001, Vol. 1, №2, pp. 155-174

23. Sun L., Lu L., Qin X., Gong Z. Micro robot for detecting wall cracks of pipe // Proceedings of the 6-th International Conference CLAWAR 2003, Catania, Italy, 2003, pp. 643-650

24. Dovica M., Gorzas M. Mechatronics aspects of in-pipe minimachine on screw-nut principle design //Recent Advances in Mechatronics, Berlin, Springer Berlin Heidelberg, 2007, pp. 335-339

25. Нейман JI. P., Демирчян К. С. Теоретические основы электротехники. Т. 1. Л.: Энергия, Ленингр. отд-ие, 1967. - 522с.

26. Huajian Gao, Haimin Yao. Shape insensitive optimal adhesion of nanoscale fibrillar structures. //PNAS. 2004. V. 101. № 21. 7851-7856.93

27. Arzt E., Gorb S., Spolenak R. From micro to nano contacts in biological attachment devices. // Proceedings of the National Academy of Science. 2003. V. 100. № 19. P. 10603 10606.

28. Aristotle. Historia Animalium. Book IX (trans. Thompson D. A. W.) 1918. Clarendon. Oxford. (http://clasics.mit.edu/Aristotle/histoiyanim.hyml).

29. Duncan J. Irschick, Christopher C. Austin, Ken Petren, Robert N. Fisher, Jonatan B. Losos, Olaf Ellers. A comparative analysis of clining ability among pad-bearing lizards. // Biological Journal of the Linnean Society. 1996. № 59. 2135.

30. Kellar Autumn, Anne M. Peattie. Mechanisms of adhesion in geckos. //Integr. Comp. Biol. 2002. № 42. 1081-1090.

31. Autumn K., Liang Y., Hsieh T. et al. Adhesive force of a single gecko foot hair. //Nature. 2000. V. 405. 681-685.

32. Israelachvili J. Intermolecular and surface forces.2nd ed. // Academic Press. London. 1992

33. Autumn K., Hsieh S. T., Dudek D. M., Chen J., Chitaphan C., Full R. J. Dynamics of geckos running vertically. // The Journal of Experimental Biology 2006. № 209. P. 260-272.

34. Hansen W. R., Autumn K. Evidence for self-cleaning in gecko setae. // National Academy of Science. 2005. V. 102. № 2. 385-389.

35. Neinhuis C., Barhlott W. Characterization and distribution of water-repellent, self-cleaning plant surfaces//Ann. Bot. 1997. V. 79. 667-677.

36. Кинлок Э. Адгезия и адгезивы: наука технология. Пер. с англ. М.: Мир. 1991.484 с.

37. Qurere P., Lafiima A., Bico J. Slippy and sticky micro-textured solids. // Nanotechnology. 2003. V. 14. P. 1109-1112.

38. Autumn K., Hansen W. Ultrahydrophobicity indicates a non-adhesive default state in gecko setae. // J Comp Physiol A

39. Geim A. K., Dubonos S. V., Grigorieva I. V., Novoselov K. S., Zhukov A. A., Shapoval S. Yu. Microfabricated adhesive mimicking gecko foot-hair. // Nature Materials. 2003. №2. 461-463.

40. Sitti M., Fearing R. S. Synthetic Gecko Foot-Hair Micro/Nano-Structures as Dry Adhesives. // Journal of Adhesion Science and Technology, vol. 18, no. 7, p. 1055-1074,2003.

41. Shah G. J., Sitti M. Modelling and design of biomimetic adhesives inspired by gecko foot-hairs. // IEEE Conference on Robotics and Biomimetics. Shenyang. China. 2004.

42. Zhao Y., Tong Т., Delzeit L., Kashani A., Meyyappan M., Majumdar A. Interfacial energy and strength of multiwalled-carbon-nanotube-based dry adhesive. // J. Vac. Sci. Technol. 2006 В 24(1). 1071-1023

43. Sitti M. High aspect ratio polymer micro/nano-structure manufacturing using nanoembosing, nanomolding and directed self-assembly. // IEEE/ASME Advanced mechatronics conference. Kobe. Japan. 2003

44. Schmitz G. J., Brucker Ch., Jacobs P. Manufacture of high-aspect-ratio micro-hair sensor arrays. // Journal of micromechanics and microengineering. 2005. №15. 1904-1910.

45. Castelino K., Srinath S., Sitti M. Manufacturing of two and three-dimensional micro/nano structures by integrating optical tweezers with chemical assembly. //Robotica. July 2005. V. 23. issue 4. 435-439.95

46. Kim S., Sitti M. Biologically inspired polymer microfibers with spatulate tips as repeatable fibrillar adhesives. //Applied physics letters.№89, 261911, 2006.

47. Derjagin В. V., Muller V. M., Toporov Yu. P. Effect of contact deformations onadhesion of particles. J. Colloid Interface Sci., 53:314-326, 1975.

48. K. L. Johnson, K. Kendall, and A. D. Roberts. Surface energy and contact of elastic solids. Proc. R. Soc. bond. A, 324:301, 1971.

49. Кочетов В. Т., Кочетов М. В., Павленко А. Д. Сопротивление материалов // СПб. БХВ-Петербург, 2004. с. 262 263

50. Тимошенко С. П. Курс теории упругости // Киев, Наукова думка, 1972, с. 262

51. Autumn К., Majidi С., Groff R. Е., Dittmore A., Fearing R. Effective elastic modulus of isolated gecko setal arrays // The Journal of Experimental Biology 2006, 209, 3558 3568

52. Дерягин Б. В. Что такое трение // М.: Изд. Акад наук СССР, 1952, с.176.

53. Wang H., Mei Т., Wang X. Modelling and Rough Surface Compliance Analysis of Biomimetic Micro/Nano Adhesive Array // Proceedings of the 20071.ternational Conference on Information Acquisition, Jeju City, Korea, pp. 168172

54. Kim T. W., Bhusham B. Adhesion analysis of multi-level hierarchical attachment system contacting with a rough surface // J. Adhesion, Sci. Technol., Vol. 21, № 1,2007, pp. 1-20

55. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров) // М.: Наука, 1974, с. 575

56. Мепоп С., Murphy М., Angrilli F., Sitti М. WaalBots for Space Applications // IAC-04-I AF-I.3 .В

57. Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Теоретическая физика. Т. VII. Теория упругости. М.: Наука. Гл. ред. физ. мат. лит., 1987. 248 с.

58. Israelachvili J. Intermolecular and surface forces.2nd ed. // Academic Press. London. 1992

59. Зозуля В. В., Мартыненко А. В., Лукин А. Н. Механика материалов. // Харьков, изд-во Национ. ун-та внутр. дел, 2001. 404 е., с. 133

60. ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО1. КОНЦЕРН1. НАНОИНДУСТРИЯ

61. По результатам проведенного технического анализа в настоящее время проводятся работы по созданию сухих адгезионных материалов с ворсистойструктурой.

62. Генеральный ди д.т.н., академик1. М.А.Ананян