Динамика вибрационного мобильного робота для движения по вертикальным ферромагнитным поверхностям тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Черепанов, Андрей Андреевич

• Черепанов, Андрей Андреевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Черепанов, Андрей Андреевич

Введение

Глава 1. Исследование и анализ проблемы.

1.1 Анализ и классификация существующих роботов для движения по вертикальным поверхностям

1.2. Вакуумные прижимающие устройства

1.3. Адгезионные прижимающие устройства

1.4. Магнитные и электромагнитные прижимающие устройства.

1.5. Анализ и классификация существующих вибрационных роботов

1.6. Цель и задачи исследования

Глава 2. Математическая модель виброробота.

2.1. Основные принципы построения расчетной модели

2.2. Описание мобильной вибрационной системы

2.3. Математическая модель движения робота

2.4.Система управления вибрационным роботом 46 Выводы к главе

Глава 3. Моделирование движения вибрационного робота для движения по вертикальным ферромагнитным шероховатым поверхностям и исследование его динамики

3.1. Динамика вибрационного мобильного робота с временным программным управлением

3.2. Влияние управляющих параметров на динамику робота и его среднюю скорость

3.3. Влияние коэффициента трения и массы робота на его динамику и среднюю скорость

3.4. Исследование динамики робота при непрерывном параметрическом управлении

3.5. Исследование динамики робота при логической параметрической системе управления

З.б.Исследование динамики виброробота при разных значениях углов включения-выключения электромагнита для логической параметрической системы управления

3.7. Исследование динамики виброробота при различных значениях переменной составляющей питания электромагнита для логической параметрической системы управления

3.8. Энергетическая эффективность виброробота

3.9. Динамика виброробота при оптимальном энергетическом управлении 100 Выводы к главе

Глава 4. Экспериментальные исследования вибрационного робота для перемещения по вертикальным ферромагнитным шероховатым поверхностям

4.1. Электромагнит переменного тока

4.2. Двигатель постоянного тока

4.3. ШИМ для управления двигателем и электромагнитом

4.4. Датчик Холла

4.5. Микро-ЭВМ Freeduino

4.6. Питающая драйверная схема

4.7. Корпус мобильного робота и материалы корпуса

4.8 Макет робота, использующий временное программное управление

4.9 Макет робота, использующего параметрическое управление 118 Выводы по главе 4 122 5.3аключение 122 Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика вибрационного мобильного робота для движения по вертикальным ферромагнитным поверхностям»

Актуальность работы:

В последнее время получили распространение транспортные устройства, называемые вибрационными роботами, которые способны выполнять технологические операции в агрессивных средах, на труднодоступных малогабаритных поверхностях. В вибророботах движители и их приводы изолированы от агрессивной среды герметичным корпусом. Теоретические основы вибрационного движения получили свое развитие в Институте проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, Юго-Западном государственном университете (г. Курск), Техническом университете Илменау (Германия) и других исследовательских центрах. Такой способ движения исследовался в работах академика Ф.Л. Черноусько, H.H. Болотника, Т.Ю.Фигуриной, К. Циммермана, И. Зейдиса, В.Г Чащухина, П. Вартхоломеуса, С.Ф. Яцуна и других. Особую сложность представляет движение по вертикальным поверхностям. Для движения вибрационного транспортного средства по вертикальной поверхности применяют дополнительные устройства, например вакуумные, в которых перепад атмосферного давления создает прижимающую силу дополнительно с инерционными силами. Однако такие устройства мало приемлемы для работы в агрессивных средах из-за отсутствия герметичности корпуса. Для перемещения по ферромагнитным поверхностям представляет интерес применить электромагнитные устройства, обеспечивающие удерживание корпуса на вертикальной поверхности. Исследование и разработка вибрационных роботов, способных перемещаться и выполнять технологические операции на вертикальных ферромагнитных поверхностях, является актуальной задачей.

Объектом исследования в данной работе являются динамические процессы, протекающие в мехатронной системе вибрационного робота, оснащенного электромагнитом, обеспечивающим управление силой трения на месте контакта корпуса с поверхностью, и электроприводом, обеспечивающим необходимое вращательное движения внутренней пары инерционных масс.

Цель работы. Совершенствование мобильных вибророботов за счет обеспечения возможности их движения по вертикальной ферромагнитной поверхности и создание инструментальных средств проектирования таких устройств.

Основными задачами данной работы являются:

1.Разработка математической модели движения вибрационного-мобильного робота, способного перемещаться по вертикальным ферромагнитным поверхностям посредством управляемого электромагнита и инерционной силы, создаваемой внутренними подвижными массами.

2.Разработка алгоритма решения дифференциальных уравнений, описывающих движение вибрационного мобильного робота для перемещения по вертикальным ферромагнитным поверхностям.

3.Разработка системы автоматического управления вибрационным мобильным роботом, перемещающимся по вертикальным ферромагнитным поверхностям.

4.Исследование влияния конструктивных параметров вибрационного робота, двигающегося по вертикальным ферромагнитным поверхностям, и параметров его системы управления на режим движения и среднюю скорость.

5.Разработка макета виброробота для проведения экспериментальных исследований.

Методы исследования. При выполнении работы использованы методы теоретической механики, теории автоматического управления, вычислительной математики, электротехники, прикладного программирования.

Достоверность научных положений и результатов. Основные научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теоретической механики, теории колебаний, динамики машин, экспериментальных методов исследования. Теоретические результаты подтверждены результатами экспериментальных исследований.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1 .Теоретически обоснованный гибридный принцип перемещения мобильных объектов, заключающийся в синхронной работе двухвального дебалансного вибровозбудителя и управляемого электромагнита, позволяющий вибрационному мобильному роботу двигаться по вертикальным ферромагнитным поверхностям.

2.Математическая модель вибрационного управляемого робота для движения по вертикальным ферромагнитным поверхностям, учитывающая некулонову силы трения, возникающую в месте контакта корпуса и шероховатой ферромагнитной поверхности, отличительной особенностью которой является учет взаимодействия механической системы, электромеханического привода и управляемого электромагнита.

3.В пространстве безразмерных конструктивных параметров виброробота и безразмерных параметров системы управления, выявлены области, в которых происходит движение мобильного объекта вверх, а также наблюдается максимальное значение средней скорости движения.

Практическая ценность. Практическая ценность диссертационной работы заключена в разработке конструкции робота и системы управления, которые позволяют вибрационному мобильному объекту двигаться по вертикальным ферромагнитным поверхностям. Разработана методика проектирования систем подобного рода, позволяющая с помощью математического моделирования динамики движения робота определять оптимальные конструктивные параметры. Результаты работы использованы при выполнении государственных контрактов П2228, П2285 в рамках федеральных целевых программ.

Апробация диссертации: Основные положения диссертации доложены и одобрены на международной конференции «3rd IEEE conference on Mechatronics» (г. Будапешт, 2006г.), XIV Международной научно6 технической конференции. «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (г. Пенза, 2010 г.), IX Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» (г. Курск, 2010 г.), семинаре Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН (г. Москва, 2011 г.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, включая 7 статей, из них по перечню ВАК — 4, 3 свидетельства на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 72 наименования. Текст диссертации изложен на 131 страницах текста, содержит 109 рисунков, 3 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Черепанов, Андрей Андреевич

Выводы по главе 4

1.Разработан и изготовлен стенд для изучения движения робота, на котором проведены экспериментальные исследования! его* динамики-, подтвердившие теоретические результаты при параметрическом управлении. ■

2.Разработаны 2 макета для, экспериментального исследования-динамики вибрационного'робота.

3.Разработана методика экспериментальных исследований поведения виброробота при движении по вертикальной ферромагнитной поверхности, позволившая в результате испытаний определить достаточную степень соответствия математической модели реальному мобильному роботу.

б.Заключение

На основе проведенных исследований и обобщений в диссертации получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработан гибридный способ перемещения, сочетающий в себе применение двухвального дебалансного вибровозбудителя и управляемого электромагнита, позволяющего удерживать корпус робота на вертикальной ферромагнитной поверхности.

2. Разработан оригинальный алгоритм численного решения системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих динамику движения вибрационного робота и учитывающих силу трения покоя, действующую на корпус робота. Предложенный алгоритм отличается тем, что определяет переход скорости корпуса через ноль и корректирует шаг интегрирования, обеспечивая точное определение момента остановки корпуса.

3. Выявлено, что средняя скорость движения зависит от разности фаз между периодическими величинами - углом поворота инерционных масс и управляющим напряжением питания электромагнита. Существует максимум средней скорости, соответствующий величине разности фаз 0,45 (безразмерных единиц), и минимум - 0,95 (безразмерных единиц).

122

4. Определено,, что при временном программном*, управлении увеличение значения:, переменной составляющей» напряжения! питания-электромагнита; приводит к росту средней скорости: При, этом; существует; граничное: значение переменной составляющей; напряжения питания: электромагнита,. при превышении которого средняя скорость корпуса перестает увеличиваться:

5. Определено, что использование параметрической? системы управления) позволяет получать стабильное движение корпуса робота вверх даже при значительных отклонениях скорости вращения двигателя от требуемых величин, что невозможно при программном временном управлении.

6. Установлена связь между значениями углов включения -• выключения электромагнита для логической параметрической системы управления и средней скоростью движения- Выявлено, что уменьшение угла сектора; внутри которого на электромагнит подается минимальное напряжение, ведет к снижению средней скорости движения корпуса.

7. Создан, макет прототипа робота; использующего: для своего перемещения инерционные силы внутренних: подвижных масс и управляемый электромагнит и способного перемещаться по вертикальнымг ферромагнитным поверхностям; Отличительной^ особенностью разработанного- стенда является возможность изменять различные параметры робота, что обеспечивается оригинальной конструкцией и наличием1 в системе управления обратной связи. Экспериментальные исследования движения позволили определить достаточную степень соответствия математической модели реальному мобильному роботу.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Черепанов, Андрей Андреевич, 2011 год

1. Abe, Т. Wall climbing robot for inspection of concrete structure Text." / T. Abe //Journal of Robotics Society of Japan. 1992. 10(5). P. 590-593.

2. Micro climber with piezo thrust and magnetic lock Text. / H. Aoyama [et al.] // Proceedings^ of International Symposium on Theory of Machines and Mechanism. Nagoya, 1992. P. 282-287.

3. Asami, S. Robots in Japan: Present and future (The new generation of service robot) Text. / S. Asami // IEEE Robotics and Automation Magazine. 1994. P. 22- 26.

4. Wall surface mobile robot having multiple suckers on variable structural crawler Text. / T. Fukuda [et. al.] // Proceedings of International Symposium on Theory of Machines and Mechanism. Nogoya, 1992. P. 707-712.

5. Fukuda, T. Autonomous plant maintenance robot Text. / T. Fukuda, H. Hosoki, H. Shimasaka // Proceedings of IEEE International Workshop on Intelligent Robots and Systems. Nagoya, 1990. P. 471-478.

6. A study of wall surface mobile robot Text. / T. Fukuda [et. al.] //. Transaction of Japan Society Mechanical Engineers. Tokyo, 1994. P. 210 217.

7. Яцун, С.Ф. Робот для перемещения по вертикальным поверхностям с произвольным углом наклона Текст. / С. Ф. Яцун, B.C. Дышенко, A.M. Алдохин // Вибрационные машины и технологии: сб. науч. тр. / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2003. С. 95-98.

8. Jatsun, S.F. Two-section climbing robot Text. / S.F. Jatsun, I. S. Zaharov, V.S. Dyshenko // Climbing and Walking- Robots: Proc. of the Fourth International Conference CLAWAR 2003. Cathania, Italy, 2003. P. 975 981.

9. Яцун, С.Ф. Двухсекционный мобильный робот для движения по ступенчатым поверхностям Текст. / С.Ф. Яцун, B.C. Дышенко // Вибрационные машины и технологии: сб. науч. тр. / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2005. С. 95-98.

10. Derriche, О. A cleaning robot for spherical buildings Text. / O. Derriche, K. Kouiss // CLAWAR. Paris, 2002. P. 993- 1001.

11. Fernandez, R. Control algorithms for an underwater climbing robot Text. / R. Fernandez, T. Akinfiev, M. Armada // CLAWAR. Paris, 2002. P. 985 -992.

12. Hillenbrand, A. The force controlled propulsion and adhesion system for a climbing robot Text. / A. Hillenbrand, K. Berns. // CLAWAR. Belgium, 2006. P. 158-161.

13. Rachkov, M. Climbing robots for porous and rough surfaces Text. / M. Rachkov // CLAWAR. Paris, 2002. P. 1013 1020.

14. Рачков, М.Ю. Вакуумные захватные устройства РВП Текст. / М.Ю. Рачков, Е.А. Семенов // Вестник машиностроения. 1992. № 12. С. 13-16.

15. Gradetsky, V. Vacuum pedipulators for climbing robots Text. / V. Gradetsky, M. Rachkov // 23rd Int. Simp, on Industrial Robots, Barcelona, 1992. P. 517-522.

16. Рачков, М.Ю. Экспериментальная оптимизация характеристик комбинированного привода для транспортных роботов Текст. / М.Ю. Рачков, Е.А. Семенов // Техническая кибернетика. 1993. № 3. 1993. С. 32-39.

17. Градецкий, В.Г. Роботы вертикального перемещения Текст. / В.Г. Градецкий, М.Ю. Рачков // Институт проблем механики РАН. М., 1997. С. 1113.

18. Яцун, С.Ф. Математическое моделирование движения вибрационного мобильного робота с внутренней подвижной массой Текст. / С.Ф. Яцун, П.А. Безмен, Ю.Ю. Лосев // Вибрационные машины и технологии: сборник научных трудов. Курск: КурскГТУ, 2008. - С. 241-247.

19. Яцун, С.Ф. Экспериментальное исследование движения вибрационного мобильного робота с внутренней, подвижной'массой Текст.'/ ' С.Ф. Яцун, П.А. Безмен; ЮНО. Лосев // Вибрационные машины и технологии: сб. науч. тр. Курск, 2008. С. 763-770.

20. Безмен, П.А. Стенд для исследования движения мобильного' вибрационного робота с внутренней подвижной массой Текст. / П.А. Безмен; Ю.Ю: Лосев // Образование через науку: матер, науч.-метод. конф. Курск; 2008. С. 145-148.

21. Яцун, С.Ф. Вибрационный мобильный робот для движения по вертикальной ферромагнитной стене Текст. / С.Ф. Яцун, А.А. Черепанов// Естественные и технические науки. 2010. №6(50). С. 400-401.

22. Automatically controlled vibration-driven robots Text.- / N.N. Bolotnik, S.F. Jatsun, A.A. Cherepanov [et. al.] // 3 IEEE Conference on Mechatronics. Budapest, 2006. P. 43 47.

23. Акуленко, Л.Д. Влияние сухого трения на управление движением электромеханических систем Текст. / Л.Д. Акуленко, С.К. Каушинис, Г.В. Костин // Техническая кибернетика. Известия Академии наук. 1994. №1 С. 6574.

24. Болотник, Н.Н. Динамика управляемых движений вибрационных систем Текст. / Н.Н. Болотник [и др.] // Изв.РАН. ТиСУ. 2006. №5. С. 1-11.

25. Герасимов, С.А. Асимметрия внутренних сил и вибрационное перемещение Текст. / С.А. Герасимов // Вопросы прикладной физики. 2003. № 9. С. 92-96.

26. Лупехина, И.В. Математическая модель виброробота с двумя вращающимися массами, движущегося по шероховатой поверхности Текст. / И.В. Лупехина, С.Ф. Яцун // Вибрационные машины и технологии: сб. науч. тр. Курск, 2008. С. 842-857.

27. Рукавицын, А.Н. Вибрационный микроробот Текст. / А.Н. Рукавицын // Вибрационные машины и-технологии: сб. науч. тр. Курск, 2008. С.831-833.

28. Фигурина, Т.Ю. Оптимальное управление движением системы двух тел по прямой Текст. / Т.Ю. Фигурина // Изв. РАН. Теория и системы управления. 2007. №2. С. 65-71.

29. Черноусько, Ф.Л. Анализ и оптимизация движения тела, управляемого посредством подвижной внутренней массы Текст. / Ф.Л. Черноусько // ПММ. 2006. Т. 70. С. 27-33.

30. Черноусько, Ф.Л. О движении тела, содержащего подвижную внутреннюю массу Текст. / Ф.Л. Черноусько // Докл. РАН. 2005. Т. 405. №1. С. 1-5.

31. Черноусько, Ф.Л. Оптимальное прямолинейное движение двухмассовой системы Текст. / Ф.Л. Черноусько // ПММ. 2002. Т. 66. Вып. 1. С. 3-9.

32. Яцун, С. Ф. Исследование движения двухмассового вибрационного робота Текст. / С.Ф. Яцун, В.Я. Мищенко, Д.И. Сафаров^// Известия ВУЗов. Машиностроение. 2006. №5. С. 32-42.

33. Chernousko, F. Vibration Driven Robots Text. / F. Chernousko [et al.] // The Workshop on Adaptive and Intelligent Robots: Present and Future. Proceedings. Vol. 1. The Institute for problem in mechanics RAS. — Moscow, 2005. P. 26-31.

34. Jatsun, S. Modeling of motion of vibrating robots Text. / S. Jatsun [et al.] // Proc. 12 IFTOMM World Congress. 2007. P. 138-145.

35. Jatsun, S. Vibrating engine for robots Text. / S. Jatsun, J. Safarov // Proc. CLAWAR 2000. Madrid, 2000. P.1 1016-1021.

36. Vartholomeos, P. Dynamics, Design and Simulation of< a: Novel Microrobotic Platform Employing Vibration Microactuators Text.' / P. Vartholomeos, E. Papadopoulos // Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control*. 2006: Vol. 128: P. 122-133.

37. Yatsun, S. Vibration-driven1 robots with movable internal*.masses Text. / S. Yatsun [et al.] // ENOC-2008. Saint Petersburg (Russia), 2008:

38. Безмен, П.А. Исследование управления движением робота-змеи Текст. / П.А. Безмен // Вибрационные машины и технологии: сборник научных трудов: в 2 ч. Курск: КурскГТУ, 2005. - Ч. 2. - С. 229-233.

39. Пат. 67541 Российская Федерация: МПК7 В' 62 D 57/00' Ползающий робот-змея Текст. / С.Ф. Яцун, П.А. Безмен; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Курский государственный технический университет» заявл. 08.05.07; опубл. 27.10.07, Бюл. №30.

40. Automatically controlled vibration-driven robots Text. / N.N. Bolotnik, S.F. Jatsun, A.A. Cherepanov [et. al.] // 3 IEEE Conference on Mechatronics. Budapest, 2006. P. 43 47.

41. Яцун, С.Ф. Исследование движения виброробота с электромагнитным приводом Текст. / С.Ф. Яцун, А.В: Разинькова, А.Н. Гранкин // Известия ВУЗов. Машиностроение. — Москва, 2007. №10. — С. 4961.

42. Пат. 68199 Российская Федерация: МПК7 H 02 К 7/00. Мобильный робот Текст.* / С.Ф. Яцун, В.Я. Мищенко, A.B. Разинькова; заявитель и4 патентообладатель FOY ВПО «Курский государственный технический* университет»'3аявл. 25.04.07; опубл. 10.11.07, Бюл. №31.

43. Мартыненко, Ю.Г. Аналитическая динамика электромеханических систем Текст./Ю.Г. Мартыненко. М., 1984. С. 62 64.

44. Пановко, Г.Я. Динамика вибрационных технологических процессов Текст. / Г.Я. Пановко. М.-Ижевск, 2006, с 158

45. Пановко, Г.Я. Лекции по основам вибрационных машин и технологий Текст. / Г.Я. Пановко //,-МГТУ им. Н.Э.Баумана, М. 2008, с. 192.57/ Сливинская, А.Г. Электромагниты и постоянные магниты Текст. / А.Г. Сливинская // Энергия, 1972, С. 102 104.

46. Verlet L. Computer experiments on classical fluids. I. Thermodynamic properties of Lennard-Jones molecules Text. / L. Verlet // Phys. Rev. 1967. V.159. P.98-103.

47. Бесекерский, В.А. Теория систем автоматического управления Текст. / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. Изд. 4-е, перераб. и доп. СПб: Профессия, 2004. С. 29 39.

48. Официальный сайт фирмы Honeywell электронный ресурс. Режим доступа: http://www51.honeywell.com/ru, свободный.

49. Официальный сайт микроЭВМ Freeduino электронный ресурс. Режим доступа: http://freeduino.ru/arduino/index.html, свободный.

50. Сайт кафедры «Теоретическая механика и мехатроника» ЮЗГУ электронный ресурс. Режим доступа: http://mechatronics.kursk.ru/index.php?option=comcontent&task=view&id=49&It emid=101 , свободный.

51. Сайт новостей о мобильных устройствах и технологиях электронный ресурс. Режим доступа: http://www.mobiledevice.ru/C-Bot-Niklas-Galler-robot-stena-otvesnaia.aspx, свободный.

52. Сайт роботов и робототехники электронный ресурс. Режим доступа: http://www.micro-system.org/roboty-karabkayushhiesya-po-stenam-plyus-video.php, свободный.

53. Сайт науки и техники электронный ресурс. Режим доступа: http://zhelezyaka.com/news.php?id=609 , свободный.

54. Сайт кафедры «Теоретическая механика и мехатроника» ЮЗГУ электронный ресурс. Режим доступа: http://mechatronics.kursk.ru/index.php?option=comcontent&task=view&id=90&It emid=101, свободный.

55. Сайт кафедры «Теоретическая механика и мехатроника» ЮЗГУ электронный ресурс. Режим доступа: http://mechatronics.kursk.ru/index.php?option=comcontent&task=view&id=51&It emid=101, свободный.

56. Сайт Института Проблем Механики им. А.Ю. Ишлинского РАН электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ipmnet.ru/lab03.htm, свободный.

57. Сайт перспективных видов оружия электронный ресурс. Режим flocTyna:http://fenweapon.org.ru/index.php?option=comcontent&view=article&id =88:2010-03-15-13-01 -46&catid=25:battlerobots&Itemid= 11, свободный.

58. Сайт кафедры «Теоретическая механика и мехатроника» ЮЗГУ электронный ресурс. Режим доступа: http://mechatronics.kursk.ru/index.php?option=comcontent&task=view&id=108«fe Itemid=l01, свободный.

59. Сайт робототехники и автоматики электронный ресурс. Режим доступа: http://www-robot.mes.titech.ac.jp/robot/nuclear/diskrover/diskrovere. htm, свободный.

60. Сайт робототехники электронный ресурс. Режим доступа: http://roboting.ru/l323-okna-v-dome-moet-robot.html, свободный.