Низкая цена
Всего 249a за скачивание одной диссертации
Скидки
75 диссертаций за 4900a по акции. Подробнее
О проекте

Электронная библиотека диссертаций — нашли диссертацию, посмотрели оглавление или любые страницы за 3 рубля за страницу, пополнили баланс и скачали диссертацию.

Я впервые на сайте

Отзывы о нас

Динамика управляемого движения шестизвенного мобильного внутритрубного робота : диссертация ... кандидата технических наук : 01.02.06

Год: 2013

Номер работы: 769

Автор:

Стоимость работы: 249 e

Без учета скидки. Вы получаете файл формата pdf

Оглавление и несколько страниц
Бесплатно

Вы получаете первые страницы диссертации в формате txt

Читать онлайн
постранично
Платно

Просмотр 1 страницы = 3 руб



Оглавление диссертации:

Актуальность темы. Трубопроводы являются основными элементами систем транспортировки газообразных и жидких веществ, а также твёрдых веществ в виде растворов на большие расстояния. Подобные системы, как правило, устанавливаются под землей или внутри зданий и сооружений, что в свою очередь значительно внутренней усложняет проведение ремонтных и не только внутренних диагностических работ на наружной поверхности трубопроводов. Помимо этого, обследование поверхности позволяет на обнаружить места к

1.1 Классификация устройств для перемещения внутри трубопроводов Использование робототехнических эффективность выполнения многих устройств задач. позволяет повысить сегодня нашли Роботы применение как в промышленности, военной индустрии, так и в сфере обслуживания. Робототехнические комплексы, способные перемещаться внутри замкнутого пространства трубопроводов, разломов, технологических полостей, могут выполнять ряд специфических задач: диагностика состояния трубопровода, нахождение дефекто

В настоящее время существует множество различных конструкций мобильных роботов, способных исследовать и воздействовать на внутреннюю поверхность трубопроводов. При этом наиболее широкое распространение получили различного рода колесные и гусеничные системы. Это может быть объяснено, с одной стороны, простотой конструкций и эксплуатации подобных устройств, высокой надежностью, так и, с другой стороны, слабым развитием «альтернативных» способов движения, например, движения, основанного на измен

перемещения по вертикальным поверхностям Наибольшее влияние на эффективность перемещения внутритрубных роботов, принцип перемещения которых основан на взаимодействии опорных площадок корпуса с поверхностью трубы, оказывает сила трения, возникающая в месте контакта. Существуют перемещения различные подходы к обеспечению и фиксации и вертикальным ползающих роботов по наклонным поверхностям [18, 31, 57, 58, 85, 108]. Приведем классификацию опорных элементов (рис.

1.15) Опорные элементы В

На основе проведенного анализа сформулируем цель данной работы: создание научных основ и инструментальных средств проектирования многозвенных мобильных внутритрубных роботов с изменяемой формой корпуса, оснащенных нелинейно-упругими опорными элементами, выявлении закономерностей движения, анализе динамики и синтезе их параметров. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: 1. Анализ возможностей применения многозвенных механизмов в конструкциях мобильных внутритрубных роботов. 2

Исследование управляемого движения мобильного объекта, принцип перемещения которого, основан на взаимодействии с поверхностью, невозможен без подробного анализа среды, с которой он взаимодействует. В общем случае, трубопровод может иметь сложную разветвленную пространственную структуру и перемещение робота внутри трубы, в таком случае будет затруднено не только наличием препятствий, таких как изгибы, крестовины, В сужения, но и недетерминированностью для задач условий функционирования. случае

Прямолинейный наклонный участок трубы. Большая часть трубопроводов представлена ровными (или близкими к ровным) участками трубы, как правило, расположенными в горизонтальной или вертикальной плоскости (рис.

2.2). Рис.

2.2 Внешний вид прямолинейного участка трубопровода Такие участки, характеризуются только внутренним диаметром и толщиной стенки трубы. В качестве примера, приведены размеры таких участков используемых в бытовых трубопроводах (таблице

2.1). Таблица

2.1

На основе проведенного анализа существующих трубопроводов и выделения отдельных элементов конструкций трубопроводов, разработаем идеализированную математическую модель плоского трубопровода, включающую крестовины, повороты и изменения диаметра трубы Сделаем ряд допущений: • трубопровод рассматриваем как твердое, недеформируемое, неподвижное тело; — • стенки трубопровода рассматриваем как однородные шероховатые поверхности; Введем ограничения на размеры рассматриваемого трубопровода: • диапазо

На основе проведенного анализа существующих стандартов проектирования трубопроводных систем можно выделить ряд свойств, которыми должно обладать устройства для возможности выполнения задач мониторинга и поддержания эксплуатационных свойств трубопроводов: • возможность перемещения в горизонтальном направлении внутри трубы; • • • • возможность перемещения в наклонных и вертикальных фрагментах возможность преодолевать изгибы трубы углом не более 90°; возможность управляемого преодоления скрещив

Адаптивный мобильный многозвенный робот выполнен из шести сочлененных звеньев-корпусов 1 - 6 (рис.

2.15). Между звеньями установлены шарниры 7 - 11 с электроприводами 12-16, обеспечивающими угловое смещение звеньев-корпусов 1 - 6 относительно друг друга. В шарнирах 7 - 1 1 и на концах звеньев 1 и 6 расположены опорные элементы 17 - 23 с встроенными контактными датчиками. Рис.

2.15 Схема конструкции многозвенного робота Контакт опорных элементов 17 - 19 достигается путем поворота

Прежде чем перейти к математическим моделям робота в различных режимах функционирования разработаем математический аппарат для моделирования динамических процессов протекающих в электроприводе ограниченной мощности. Как уже было сказано, управляемое движение звеньев происходит под действием крутящего момента развиваемого электроприводом, включающим двигатель постоянного тока и зубчатый редуктор. Рассмотрим расчетную схему электропривода (рис.

2.18). Двигатель Jde // N> ii Редукто

2.4 Анализ процесса динамической фиксации робота внутри трубопровода В основе процесса удержания шестизвенного робота в вертикально расположенной трубе лежит сила трения, уравновешивающая силу тяжести, а также внешние силы, действующие на робота со стороны окружающей среды. Для создания необходимой силы трения между корпусом робота и поверхностью трубы необходимо наличие значительных сил нормальных реакций, которые могут быть получены при соответствующем крутящем моменте, приложенному к звень

фиксации Рассмотрим расчетную схему адаптивного робота в режиме силового удержания за счет расклинивания звеньев между стенок трубы (рис.

2.19). 42 N Al Рис.

2.19 Расчетная схема змееподобного робота На данной схеме приняты следующие обозначения: F43^ - приведенная сила трения, позволяющая роботу сохранять свое положение под действием силы тяжести. С целью приведения системы к статически определимой, опоры в точках А2 и А] считаем абсолютно гладкими, а в точке А3 будем рассма

2.4.2 Результаты численного моделирования процесса динамической фиксации Условием устойчивости робота в трубе является наличие как минимум трех точек контакта робота с поверхностью трубы, что говорит о том, что силы нормальной реакции NAl, N42, NA3 -должны быть больше нуля. Как видно из приведенных зависимостей значительное влияние на характеристики системы оказывает геометрическое соотношение диаметра трубы d и длины звена робота /. Введем геометрический параметр: 61 I условия расклинив

крутящих моментов между средними звеньями робота Рассмотрим конструкцию робота внутри трубопровода (рис.

2.30). Звенья 1 и 2 осуществляют фиксацию робота внутри трубопровода за счет сил трения. Точку Аз считаем неподвижной. Введем неподвижную систему координат с центром в точке А3, и повернутую на угол С, относительно линии горизонта. Звенья 3 и 4 осуществляют перемещение переднего фиксирующего модуля (звенья 5 и

6) под действием крутящих моментов Мгз и М34. При этом звенья 5 и 6

2.6 Выводы по 2 главе В результате исследований во второй главе: 1. Предложена научно обоснованная методика выбора конструктивной схемы внутритрубного робота по критериям проходимости и быстродействия. 2. Разработана оригинальная конструкция шестизвенного робота, отличающаяся использованием электроприводов перемещения звеньев и фрикционных нелинейно-упругих опорных элементов, установленных на контактирующих с трубой частях корпуса. 3. Предложена методика расчета системы. 4. Предложен принцип

Одной из важнейших задач при проектировании и исследовании робототехнических устройств является учет эффектов взаимодействия между средой и устройством. Рассмотрение математической модели движения устройства с учетом взаимодействия устройства с трубой позволяет выявить характер динамических процессов, что в свою очередь позволит создать адекватные методики синтеза конструкции и подбора параметров устройства внутритрубного робота. В данной главе работы рассматриваются алгоритмы перемещения роб

Согласно препятствий.

Параметры движения при прохождении поворота определяются как геометрическим соотношением диаметра трубопровода и длины звена робота, так и текущем положением робота. Геометрические параметры трубопровода могут быть определены с помощью контактных датчиков установленных на опорных элементах, а для определения входящие в состав сервопривода. 90 текущего положения звеньев используются датчики положения выходного вала предложенной классификации секций трубопровода, произведем синтез алгоритмов уп

3.1.2 Алгоритм движения устройства на криволинейном участке Обязательным условием успешного преодоления поворота является определение конфигурации и геометрических параметров трубопровода в месте изгиба, расстояния до начала поворота, а также идентификация положения робота относительно трубы. При этом будем считать, что угол поворота всегда равен 90 градусов, однако диаметр трубопровода может измениться во время поворота. Изобразим схематично необходимые параметры, и конфигурацию робота при и

После осуществления измерений робот приступает непосредственно к преодолению поворота. Здесь можно выделить несколько последовательных этапов. Для наглядности сопоставим каждый этап перемещения с иллюстрацией положения устройства внутри трубопровода (табл.

3.1) Этапы алгоритма перемещения робота 1. Установка робота в начальное положение (начальным считается положение при s =

0) 2. Перемещение передних звеньев через изгиб трубы г ( г ^ Таблица

3.1 г г СЛ , У ^ ^ J l ^=

робота при перемещении внутри трубопроводов Для оценки эффективности использования робота для задач мониторинга движения трубопроводов, произведем оценочный расчет полученных скорости в ходе устройства, основываясь на данных математического моделирования. Как показали результаты математического моделирования процесса динамической фиксации, полная фиксация робота в вертикально направленной трубе происходит в среднем за 300 мс, при условии предварительно поджатых звеньев. Отметим, чт

поверхностью трубопровода Как было сказано ранее, робот дополнительно оснащается опорными элементами, выполняющими несколько функций. Среди них: повышение коэффициента трения в точке контакта за счет использования подобранных материалов имеющих высокие показатели коэффициента трения; компенсация динамических эффектов при взаимодействии корпуса робота с трубой, ударных взаимодействий; компенсация ошибок перерегулирования системы управления приводами; детектирование момента поджатая звена, необ

Конструкция опорного элемента оснащенного встроенными контактными датчиками и упругими элементами показана на рис.

3.4 [51]. Рис.

3.4 Конструкция опорного элемента робота Устройство состоит из подвижной части с контактной поверхностью 1, которая установлена в основании опоры 2. Под действием силы реакции со стороны поверхности трубы 9, подвижная часть опорного элемента перемещается вдоль основания па подшипниковым направляющим 3, что приводит к деформации основной пружины 5. Для

с учетом концевого выключателя опорного элемента Для устранения ударного взаимодействия и колебательного характера поведения системы предлагается заданную величину. использовать концевой выключатель разрывающий цепь питания привода при деформации опорного элемента на /\rW~. \ 0

0.1 02

0.4 0JS Рис

3.13 Моделирование упругого взаимодействия с учетом концевого выключателя: 1 - сила упругости, 2 - угловое перемещение звена Как видно при добавлении концевого выключателя прив

Описанный в предыдущем разделе работы опорный элемент может использоваться не только для стабилизации зафиксированного положения робота в трубе, контроля усилия поджатая и компенсации вибрационного эффекта при импульсном управлении привода, но и с целью определения формы трубы, ее диаметра. Как уже говорилось ранее, углы поворота звеньев фиксируются датчиками, а зная исходное положение робота и углы звеньев, при котором достигнут контакт с поверхностью трубы, можно определить точку контакта в

бурильным модулем Для повышения эффективности фиксации робота внутри трубопровода в точках контакта робота с поверхностью трубы, на концах звеньев, 115 предложено установить активные опорные элементы. Схема предложенной конструкции опорного элемента оснащенного бурильным модулем, состоящего из привода вращательного движения и инструмента (винт, сверло и т. п.), показана на рис.

3.18. Рис.3 Л 8 Схема конструкции и принцип действия опорного элемента: а опора над поверхностью, б - поджат

Для получения численного решения системы уравнений описывающих взаимодействие опорного элемента с поверхностью трубопровода была использована системы: • глубина опоры Н= 3 мм; • коэффициенты £^ = 0,05, кр- 98; жесткость пружины с = 250 мН/м; коэффициент вязкого сопротивления демпфера и = 2,5; масса бурового модуля т = 50 г; суммарный момент инерции инструмента и двигателя J =

0.5x10"3 кг/м2. В качестве привода инструмента рассматривался двигатель MAXON RE-16 (3,2

Вт) со следу

3.6 Выводы по 3 главе В результате исследований во второй главе: 1. Разработаны алгоритмы перемещения шестизвенного внутритрубного робота на прямолинейных участках, участков переменного диаметра, в угловых секциях трубопровода, контактных датчиков устройства; _ 2. Предложена конструкция фрикционного опорного необходимую элемента, величину оснащенного нелинейно-упругим подвесом подвижной части опоры и концевым выключателем, обеспечивающим поджатая звена к поверхности трубопровода. за счет испо

4.1 Проектирование макета устройства С целью проведения экспериментальных исследований и проверки адекватности построенных математических моделей был разработан опытный образец устройства (рис.

4.1) Рис.

4.1 Внешний вид устройства внутри прозрачной трубы прямоугольного сечения Для проведения исследований также были промакетированы различные конструкции трубопроводных перекрестиями (рис.

4.2). систем, в том числе с изгибами и Рис.

4.2 Макет трубопроводной систе

4.2 Синтез многоконтурной системы управления электроприводами устройства Для создания постоянного момента в данной работе предлагается использовать замкнутую систему автоматического регулирования. Управляющее напряжение, подаваемое на электропривод робота, должно обеспечивать необходимую силу поджатия для фиксации робота в трубе, но при этом токи в обмотках двигателя не должны превышать допустимых значений во избежание перегрева и выхода из строя. Существует несколько подходов к реализации с

4.2.1 Система управления с ООС по усилию поджатия Структурная схема системы управления электроприводом фиксирующего модуля змееподобного робота показана на рисунке

4.7. Задающее воздействие F Управляющее Напряжение регулятор привод Крутяший момент Фиксирующий модуль Сила поджат] 1—1* Компаратор Датчик Рис.

4.7 Система управления с ООС по усилию поджатия Подробно опишем приведенную структурную схему. На данной схеме задающим воздействием является необходимая для удержания р

Структурная схема системы управления электроприводом фиксирующего модуля змееподобного робота показана на рисунке

4.8. Возмущающее воздействие Сила поджатия компаратор — • Регулятор Привод —*• Фиксирующий модуль Модель робота (без движения) Модель робота (при движении) Датчик Скорость робота относительно трубы Рис.

4.8 Следящая система управления по скорости Система работает следующим образом: значение относительной скорости перемещения фиксирующего модуля вдоль трубы подаетс

Наиболее хорошие результаты можно получить, используя комбинированную систему управления, которая будет включать несколько каналов обратной связи. Таким образом, данная система сможет сочетать в себе достоинство обоих описанных выше стратегий регулирования. Покажем структурную схему комбинированной системы регулирования. Возмущающее Модель робота Сила • (без движения) ~ поджатия Д^ ^s \ Y ( S ) F Фиксирующий * ^ < ^ Модель робота модуль / (при движении) или выводу из строя -* Регулятор