Динамические процессы в миниатюрных мобильных роботах с ваккумным контактом к поверхностям перемещения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Общая и прикладная механика Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 104-105

УДК 62-50

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МИНИАТЮРНЫХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТАХ С ВАККУМНЫМ КОНТАКТОМ К ПОВЕРХНОСТЯМ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

© 2011 г. В.Г. Градецкий

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, Москва

gradet@ipmnet.ru

Поступила в редакцию 16.05.2011

Рассматриваются динамические процессы, происходящие в миниатюрных роботах с регулируемым вакуумным контактом к поверхностям, по которым происходит движение. Особенностью таких роботов является противоречивость сил трения на контактных поверхностях скользящего уплотнения и колес приводной системы. Для таких систем получены условия гарантированного сцепления колес и уплотнения для обеспечения движения робота. Установлено, что силы скольжения могут существенно влиять на параметры адаптивного управляемого движения робота. Приводятся оценки критических параметров движений.

Ключевые слова: мобильные роботы, миниатюризация, скользящее уплотнение, параметры движения, адаптация, условия сцепления, управляемое движение.

Исследование происходящих процессов в миниатюрных и микророботах с вакуумным методом контактирования, обеспечивающим движение по сложным поверхностям посредством миниатюрных электромеханических двигателей с возможностью перехода с одной поверхности на другую, привлекает все большее внимание исследователей Японии, США, Франции, Китая и других стран. Повышенный интерес к подобным фундаментальным исследованиям и разработкам связан с необходимостью создания многофункциональных мобильных систем для действий в экстремальных условиях и с выполнением технологических операций в связи с развитием микро- и нанотехнологий. Предыдущие исследования в основном были направлены на развитие конструкций отдельных узлов и изучение процессов в статике или в установившихся режимах. Однако процессы динамики в интегральной системе «робот—скользящее уплотнение» недостаточно изучены, тем более в миниатюрных роботах с микровакуумными системами, к исследованию и созданию которых приступают в настоящее время.

В данной работе приводятся результаты исследований динамических процессов, происходящих в миниатюрных роботах с регулируемым вакуумным контактом к поверхностям, по кото -рым происходит движение. Управляемая генерация вакуума, в том числе в микродозах, осуществляется за счет регулирования оборотов миниатюрного двигателя вентилятора, установленного на роботе.

Особенностью таких роботов является противоречивость сил трения на контактных поверхностях скользящего уплотнения и колес приводной системы. Сила сцепления колес с поверхностью должна быть такой, чтобы обеспечить движение без проскальзывания и в то же время не увеличивать до определенных границ прижим к поверхности скользящего уплотнения, что увеличивает силу сопротивления движению. Одновременно требуется минимизировать зазор между поверхностью и уплотнением для обеспечения надежного прижима к поверхности. Для увеличения сцепления колес и минимизации зазора прижим необходимо увеличивать, а для уменьшения вредного трения скользящего уплотнения прижим нужно уменьшать. Получены условия гарантированного сцепления колес и уплотнения для обеспечения движения робота в результате вакуумирования.

Как было установлено, несмотря на малые величины скольжения, силы скольжения могут существенно влиять на параметры движения робота, даже привести к отсутствию работоспособности. Оценки критических значений этих величин подтверждаются экспериментально.

Построена математическая модель, учитывающая особенности движения миниатюрного мобильного робота с вакуумным контактом к поверхностям перемещения в сложных условиях управляемого движения. Модель учитывает особенности управления посредством электромеханических микродвижителей при изменении баланса сил, вызванном внешними возмущени-

ями, и наличии сил трения, адгезии, поверхностного натяжения. Робот обладает свойствами адаптации к изменению видов поверхностей и режимов движения. Адаптация может быть достигнута за счет образования цепи управления с обратной связью по величине вакуума и подключения датчика вакуума на выходе полости вакуумирования.

Приводятся результаты исследования процесса вакуумирования в сочетании с поступательным движением робота посредством электромеханического миниатюрного движителя. Определены зависимости характеристик движения от функциональных, рабочих и конструктивных параметров. Рассмотрены процессы при тро-гании и торможении на вертикальной стене. Приводятся данные параметрического анализа,

в результате которого выявлены управляемые параметры - зазор между поверхностью колес и уплотнением; степень вакуума внутри камеры корпуса робота в зависимости от свойств поверхности; скорость движения вдоль поверхности; скорость изменения вакуума, определяемая характеристиками генератора; сила отрыва от поверхности в зависимости от уровня разрежения.

Экспериментальные исследования выполнялись на макетах миниатюрных мобильных роботов с вакуумным контактом к поверхности, полости скользящего уплотнения которых имеют различные геометрические размеры.

Сравнение экспериментальных и расчетных характеристик показывает удовлетворительное совпадение.

DYNAMICAL PROCESSES IN MINIATURE MOBILE ROBOTS WITH VACUUM CONTACT

TO SURFACES OF TRANSLATION

V.G. Gradetsky

Dynamical processes in miniature mobile robots with vacuum contact to surfaces are considered. Discrepancy of the friction forces action on the contact surfaces of sliding seal and drive system wheels is a main feature of such robots. Conditions of guaranteed coupling for the seal and the wheels are determined. It was found that sliding forces can significantly affect the parameters of the motion of an adaptively-controlled robot. Estimations of ultimate motion parameters are given.

Keywords: mobile robots, miniaturization, sliding seal, motion parameters, adaptation, coupling conditions, control motion.