Разработка змееподобного робота, применяемого для диагностикитрубопроводов
Реалиями сегодняшнего дня в России являются устаревшие системымагистральных нефтегазопроводов. В настоящее время общая протяженностьмагистральных трубопроводов превышает 300 тыс. км. При этом около 40%газопроводов и 60% нефтепроводов находится в эксплуатации более 20 лет.Очевидно, что традиционный подход к поддержанию работоспособности трубопроводовпутем проведения капитальных ремонтов отдельных участков труб не можетобеспечить надежность и безопасность магистральных нефтегазопроводов из-за ихбольшой протяженности и различного состояния. Поэтому, основной стратегиейобеспечения высокой надежности магистральных систем становится эксплуатация иремонт «по фактическому состоянию», то есть переход к выборочному «точечному» ремонтуэлементов и участков по результатам 100% диагностического обследованиямногокилометровых трубопроводов. В последние годы всё большее значениеприобретает метод бестраншейной инспекции и ремонта трубопроводов с помощьюроботов, одной из актуальных задач в этом направлении является создание змеевидногомобильного робота. Область возможного применения подобного робота необычайноширока. Это и подвижные управляемые извне макеты змей, используемые вкиноиндустрии и индустрии развлечений, и специализированные роботы,предназначенные для выполнения исследовательских, инспекционных и спасательныхработ в экстремальных условиях и чрезвычайных ситуациях на Земле и впланируемых экспедициях на другие планеты.
Бионический подход в разработке автоматизированных автономныхустройств используется в робототехнике с первых шагов её развития. Можносказать, многообразие живого мира, способности адаптации отдельных организмов ксреде обитания и выполнению специальных операций, энергетическая экономичностьпри локомоциях, оснащенность средствами сенсорики и коммуникации, побуждаютинженеров вступать в соревнование с природой. Одно из интересных направленийразвития робототехники связано с разработкой змееподобных роботов.Биологические змеи распространены по всей планете, а способы передвижения ифизиология этих существ делают их в высшей степени приспособленными к обитаниюв средах с различными климатическими условиями. Змеевидное устройство,способное скользить, плавно передвигаться и перекатываться, перемещаясь поплохо структурированным поверхностям, в подвижных (сыпучих и жидких) средах,перемещаться в ограниченных областях, рассматривается как эффективнаяальтернатива традиционному шагающему или колесному роботу. Для выполнениязмееподобных движений механическая система должна обладать числом степенейсвободы, превосходящих число степеней традиционных манипуляторов, поэтомузмеевидные роботы вместе с хоботообразными манипуляторами относятся к классугиперизбыточных роботов.
В работе было проведено исследование двадцатизвенной бесколесноймодели. Поиск программных движений строился на основе стохастических,генетических и нейронных алгоритмов. Были получены режимы движения, сходные снаблюдаемыми у пресмыкающихся, и новые, не зафиксированные в живой природе.Следует отметить, что трудности организации целенаправленного перемещениябесколесного змеевидного робота в значительной мере были связаны с отсутствиемрациональной механической модели перемещения гибкого змеевидного тела.
После подбора и анализа различной информации удалось:
· выбрать модель исследования (в нашем случае модель робота);
· определить область применения исследуемого робота;
· определить основные модели организации движения робота с помощью виртуальноймодели, и оценить их недостатки и преимущества;
· подобрать систему датчиков, с помощью которых возможна необходимаядиагностика трубопроводов;
· проанализировать механику змеевидного манипулятора.
/>
Рис. 1. Принципиальная конструкция модуля змеевидного робота
На основе виртуальной модели проведено исследование локомоцийзмеевидного робота. Показано, что применение зависимости (1) – (2) дляшарнирных углов позволяет организовать целенаправленное предсказуемое движениедискретной модели.
/>sin/>cos/>,
/>sin/>cos(/>+2/>).
Рассматриваемые роботы с диагностическими датчиками на борту,предназначены для движения внутри труб малых диаметров, в диапазоне отнескольких миллиметров до десятков сантиметров. С целью выполнения техническойдиагностики машин и агрегатов нефтехимической и газовой промышленности,энергетических объектов, проведения регламентных и ремонтных работтрубопроводов малых диаметров, а также применения в технологических процессахвысокоточной обработки изделий для энергетических систем.
Приведенные в работе датчики могут входить в состав системуправления роботами для обеспечения высокоточных движений. Бортовые телекамерынеобходимы для получения визуальной информации о состоянии внутреннихповерхностей труб. Эта информация затем подвергается микропроцессорнойобработке. В качестве диагностических устройств могут применяться микродатчики,построенные на иных принципах, например, ультразвуковые – для выявлениявнутренних трещин, электромагнитные и другие, реализующие методы неразрушающегоконтроля.
Реализациямикропроцессорного управления движением миниатюрных роботов внутри труб малыхдиаметров представляет собой сложную научно-техническую задачу в связи с малымиразмерами изделий и ограниченным пространством, в котором происходит движение.Это обуславливает необходимость повышения автономности управления и учетаособенностей миниатюризации конструкции и специфики принципа действиямеханической системы робота. Существует большое многообразие способов движениятел по горизонтальной поверхности. Рассмотрим эти движения в предположении, чтореактивные силы отсутствуют, а из внешних сил, действующих на тело, существеннылишь сила тяжести и сила реакции поверхности. Как известно, в этом случаесущественную роль играют силы трения: при их отсутствии центр тяжести телаостается на месте. Примем, что на тело действуют силы сухого трения,подчиняющиеся закону Кулона.
/>
Рассмотрим сначала плоский трехзвенник О1С1С202(Рис – 1), состоящий из центрального звена С1С2длины 2а и двух звеньев О1С1 и С202длины ℓ каждое. Многозвенник может двигаться по неподвижной шероховатойгоризонтальной плоскости, в которой введена декартова система координат ху. Обозначимчерез х, у декартовы координаты середины корпуса, а через Θ1, Θ,Θ2 углы наклона звеньев О1С1, С1С2,С2О2 соответственно к оси х. Положим Θi= Θ + αi, где αi – углы между корпусом и концевымизвеньями ОiСi соответственно.
Междуточками Оi, Сi, i=1,2 и плоскостью действуют силысухого трения, подчиняющиеся закону Кулона. В состоянии движения сила трениянаправлена против скорости точки и равна тigk, где тi – масса точки, g – ускорение силы тяжести, k – кинематический коэффициенттрения.
В шарнирах С1, C2 действуют управляющие моменты М1и М2, которые могут изменяться произвольным заданным образом.
Чтобы получить любое заданное перемещение многозвенника поплоскости, достаточно построить его движения вдоль самого себя (продольноедвижение), поперек (боковое движение), а также вращение на месте. Эти движениясформируем из более простых движений, которые будем называть элементарными.Каждое элементарное движение начинается и заканчивается в состоянии покоя всегомногозвенника. Элементарные движения делятся на медленные и быстрые. Вмедленных движениях вращается одно или оба концевых звена, а корпус остаетсянеподвижным. Примем, что угловая скорость άi, i=1,2, концевыхзвеньев в медленном движении не меняет знака и справедливы соотношения
/>
Здесь t – время, Т – длительностьмедленного движения, ω0и ε0 — постоянные. Еслив медленном движении участвуют оба концевых звена, то они вращаются синхронно,либо в одном и том же, либо в противоположных направлениях, так что
α2(t) = ±α1(t) + β, t є [0, T], (3.2)
где β – постоянная.
Можно показать [8], что при медленном движении одного или двухконцевых звеньев корпус остаётся неподвижным, если
/>
Если же концевые звенья вращаются в противоположные стороны, т.е.имеет место знак «–» в (3.2), то (3.3) может быть заменено условием
m0ℓ(ω04 + ε02)1/2 ≤ m1gk (3.4)
Если концевые звенья вращаются достаточно медленно, т.е. ω0и ε0в (3.1) достаточно малы, то неравенство (3.4) выполняетсявсегда, а неравенство (3.3) – при т0ℓ
В быстрых движениях угловые скорости и ускорения достаточновелики, а время движения t мало по сравнению с временем T медленных движений.
При этом для трехзвенника, управляющие моменты М1 и М2по величине много больше моментов сил трения, равных μgkL, где μ = тах(т0, т1), L=тах (ℓ, а), и поэтому силы трения можно не учитывать.
Здесь по-прежнему выполняется условие (3.2), причем имеет местоодин из трех случаев: 1) а2(t)=-а1(t)+β и,кроме того, либо а10=0, либо а20=0.2) а2(t) = – а1(t) 3) а2(t)= а1(t). Эти случаибудем называть быстрыми движениями типов 1, 2, 3 соответственно. Законизменения угловых скоростей в быстрых движениях несуществен.
Используя законы сохранения импульса и момента импульса, нетрудноподсчитать приращения за время быстрых движений линейных и угловых координат,определяющих положение и конфигурацию многозвенников.
В случае трехзвенника приращения переменных х, у, Θ для быстрогодвижения типа 1 равны
/>
Здесь верхний и нижний знаки отвечают случаям а10=0и а20=0 соответственно. Для быстрого движения типа 2получим
/>
Для быстрого движения типа 3 имеем Δх=Δу=0, ΔΘ≠0,причем для ΔΘ также получено явное выражение.
Перейдем к формированию продольного, бокового и вращательногодвижений многозвенников из элементарных движений.
Продольное движение. Пусть в начальный момент времени трехзвенникимеет прямолинейную форму (Θ=α1=α2=0) ипокоится.
1) Выполним медленное движение, повернув звено О1C1 на угол β. Остальные звенья остаются неподвижны. Трехзвенникперейдет в состояние 1 на рис. 3, в котором α1 = β, α2=0
2) Выполним быстрое движение типа 1, в результате которого α1изменится от β до 0, а α2 — от 0 до β. Трехзвенникперейдет в состояние 2 на рис. 3.
3) Выполним медленное движение, при котором α1 изменитсяот 0 до –β, а α2 – от β до 0. Трехзвенник перейдет всостояние 3 на рис. 3.
4) Выполним быстрое движение типа 1, при котором α1изменится от -β до 0, а α2 – от 0 до -β. Трехзвенникперейдет в состояние 4 на рис. 3.
5) Выполниммедленное движение, при котором α1 изменится от 0 до β, а α2– от -β до 0. Трехзвенник перейдет в состояние 5 на рис. 3.
/>
Рис. 3. Продольное движение трехзвенника
Состояние 5 тождественно состоянию 1. Описанный цикл из двухбыстрых и двух медленных движений можно повторить любое число раз. Чтобы вконце движения перевести трехзвенник из состояния 5 в прямолинейное состояние 0,нужно выполнить медленное движение, изменив α1 от β до 0.
Подсчитаем полное перемещение трехзвенника за цикл движения. Таккак для обоих быстрых движений цикла имеем α20 = 0,то в формулах (3.6) нужно брать нижние знаки, причем β для этих движенийимеет разные знаки. Получим для полного смещения
/>
Средняя скорость продольного движения равна υ1 = Δ0х(2Т)-1, где время медленного движения T и угол β должны удовлетворятьнеравенству
/>
вытекающему из (3.1) и (3.3).
Теперь рассмотримбоковое движение. Начинаем движение снова из состояния покоя 0 см. рис. 4.
/>
Рис. 4. Боковое движение трехзвенника
1) Выполним медленное движение, изменив угол α1 от0 до -β, а а2 – от 0 до β. Трехзвенник перейдет всостояние 1 на рис. 4.
2) Выполним быстрое движение типа 2, изменив угол α1от -β до β, а α2 – от β до -β. Трехзвенникперейдет в состояние 2 на рис. 4.
3) Выполним медленное движение, изменив угол α1 отβ до -β, а α2 – от -β до β. Трехзвенникперейдет в состояние 3 на рис. 4.
Состояние 3 идентично состоянию 1. Цикл из быстрого и медленногодвижений можно повторять. Чтобы в конце движения привести трехзвенник изсостояния 3 в исходное состояние 0, достаточно выполнить медленное движение,изменив α1 от -β до 0, а α2 – от β до0.
Полное смещение трехзвенника за цикл определяется при помощиформул (3.7). Имеем
/>
Средняя скорость бокового движения равна υ2=ΔоуТ-1,где время медленного движения Т и угол β должны удовлетворять неравенству
/>
вытекающему из (3.1) и (3.4).
Чтобы повернуть трехзвенник, находящийся первоначально в состоянии0 на рис. 5, выполним следующие движения (здесь всегда α1≡α2).
1) При помощи медленного движения изменим α1= α2от 0 до α°.
Трехзвенник перейдет в состояние 1 на рис. 5.
2) При помощи быстрого движения типа 3 изменим α1=α2 от α0до α1. При этом корпусповернется на угол ΔΘ, трехзвенник перейдет в состояние 2 на рис. 5.
Данныедвижения можно повторять. Чтобы из состояния 2 привести трехзвенник впрямолинейное состояние, нужно выполнить медленное движение, изменив α1=α2 от α1 до 0. В результате трехзвенникповернется на месте на угол ΔΘ.
/>
Рис. 5. Поворот трехзвенника.
Выводы
Как показано, плоский многозвенник может перемещаться пошероховатой горизонтальной плоскости в любом направлении, а такжеповорачиваться под действием внутренних управляющих моментов, приложенных к егошарнирам. Предложены простые конструктивные способы этих движений, даныдостаточные условия их осуществимости, оценены смещения и скорости. Отметимотличительные особенности рассмотренного способа движения по сравнению сдругими способами перемещения аппаратов и животных, использующими колеса, ноги,гусеницы.
Рассматриваемые движения происходят исключительно в горизонтальнойплоскости, тело контактирует с плоскостью все время одними и теми же своимиточками. Все точки тела движутся параллельно этой плоскости, а управляющиемоменты перпендикулярны ей. Поэтому размеры тела по вертикали (высота аппарата)могут быть малыми. Высота же колесного или шагающего аппарата ограничена снизуразмерами колес или ног.
Для реализации произвольных движений достаточно двух или дажеодного двигателя, установленных в шарнирах (для шагающего аппарата требуется неменее двух двигателей для каждой ноги).
Конструкцияаппарата и способ движения весьма просты. Эти особенности могут быть полезны присоздании мобильных роботов малых размеров.
Список источников
1. Зенкевич С.Л., «Моделирование движения мобильного колесногоробота по сложному маршруту», издательство Московского университета, 2000 г.
2. Мартыненко Ю.Г., «Проблема управления и динамика мобильныхроботов», Новости искусственного интеллекта, 2002 г., №4 (52).
3. Сайт: www.robot.com.