CC BY
418
Мобильные роботы вертикального перемещения
О.А. Побегайлов, И.В. Кравченко, С.О. Кожуховский Ростовский Государственный Строительный Университет, г. Ростов-на-Дону
Мобильные роботы в наше время применяются в промышленности и сферах не доступных или опасных для человека, например, под водой, а также в условиях высокой температуры и радиации. Одним из относительно новых направлений являются создание технологических роботов вертикального перемещения (ТРВП). Эти роботы доступны для работ в самых опасных и вредных для человека средах.
Экстремальные условия и среды могут отличаться повышенной радиоактивностью, высокими температурами, загазованностью и т. п. Например, необходимо выполнять дезактивацию помещения, включая стены и потолки, производить профилактические и ремонтные работы на атомных электростанциях, производить противопожарные работы, осуществлять строительно-монтажные, покрасочные работы на высоте при строительстве различных зданий и сооружений и многое другое.
Существенных результатов с промышленным применением роботов вертикального перемещения достигли такие фирмы, как «Tokyo Gaze Limited», «Hitachi» (Япония), «International robotic technology» (США), Портсмутский университет и другие.
Японской фирмой «Hitachi» совместно с лабораторией механики научного центра в г. Цукуба разработаны два варианта ТРВП:
- робот с магнитными устройствами фиксации для движения по вертикальным поверхностям из ферримагнитных материалов;
- робот с устройствами фиксации вакуумного типа для движения по неметаллическим и металлическим поверхностям, предназначенный для контрольно-измерительных и инспекционных операций.
Японской фирмой «Tokyo Gaze Limited» совместно с фирмой «Hitachi» разработан диагностический робот для технической диагностики методом ультразвуковой дефектоскопии сварных швов сферических газовых резервуаров. Данный ТРВП имеет автономное управление и следующие параметры: собственный вес 140 кг; грузоподъемность до 60 кг; диаметр 1800 мм; высота 650 мм; количество захватов на каждой из платформ равно восьми.
Английской фирмой «Security» разработан ТРВП с управляемыми магнитными захватами, предназначенными для чистки корпусов судов и их окраски. [1]
Создание таких комплексов связано с выполнением фундаментальных исследований в области механики и машиностроения, с необходимостью разработки механической конструкции, систем управления и приводных систем, методов динамического управления движением с учетом статических и переменных внешних воздействий, которые возникают в результате изменения ориентации корпуса ТРВП или работы технологического оборудования установленного на борту. Дальнейшее развитие этого направления в робототехнике требует выполнения исследований, направленных на повышение маневренности и мобильности роботов, улучшение их интеллектуальных свойств, расширение технологических возможностей и областей эффективного использования.
Повышение интеллектуальных качеств мобильных роботов достигается постановкой соответствующих датчиков (локационных, тактильных, технического зрения и др.), организацией обратной связи, разработкой специальных алгоритмов движения, накопления баз данных о внешней среде и автоматического принятия решений.
Представляет большой практический интерес разработка вариантов ТРВП для операций очистки стеклянных, металлических и бетонных поверхностей, а также применение ТРВП в
составе робототехнического комплекса дезактивации с перемещением технологического оборудования по выбранной траектории, в частности, в условиях неопределенности внешней ситуации при аварийных работах. Производительность выполнения операций дезактивации и очистки может быть повышена за счет совмещения природных систем захвата и технологического инструмента.
В последнее время большое внимание в разных странах уделяется созданию автономных робототехнических систем, способных перемещаться в сложной обстановке при наличии препятствий. При этом организация перемещения по вертикальным и наклонным поверхностям с надежной фиксацией на этих поверхностях представляет собой одну из фундаментальных технических задач, так как такие поверхности являются важнейшей составной частью различных сооружений. Движение по подобным поверхностям требует от робота обеспечения значительных усилий сцепления, которые должны быстро и надежно регулироваться системой управления. В этом плане очень важным направлением работ является усовершенствование захватных устройств, в частности, вакуумных. Для движения по поверхностям сложной конфигурации, включающим горизонтальные и вертикальные участки, большое значение приобретает создание комбинированных мобильных систем, содержащих модули вертикального и горизонтального перемещений с узлами их сопряжения. Разнообразие возможных мобильных систем обуславливается как большим различием поверхностей движения, так и многообразием технологических задач, требующих специфического оборудования. Сочетание этого оборудования, а также необходимых сенсорных устройств с транспортной мобильной системой также представляет серьезную проблему. Из этого следует, что создание мобильных роботов, способных перемещаться по вертикальным и более сложным поверхностям, является фундаментальной механической проблемой, имеющей разнообразные приложения.
Все системы приводов (СП) ТРВП можно классифицировать по принципу фиксации на поверхности перемещения, по функциональным возможностям, по виду обслуживаемого технологического объекта и по виду движения следующим образом:
1. По принципу фиксации на поверхности перемещения:
• вакуумные: эжекторные, с вакуумным насосом, вентиляторные;
• магнитные: электромагнитные, с постоянными магнитами;
• реактивные;
• механические: на трении, на промежуточной фиксирующей среде.
2. По функциональным возможностям:
• универсальные;
• специализированные.
3. По виду обслуживаемого технологического объекта:
• для плоских поверхностей;
• для изогнутых поверхностей;
• для труб;
• для перехода с одной поверхности на другую.
4. По виду движения:
• продольно-шаговые;
• колесно-гусеничные;
• циркульные.
Некоторые схемы ТРВП различных типов представлены на рисунке 1.
Рис. 1. Схемы различных мобильных аппаратов
По принципу фиксации на поверхности перемещения наиболее универсальными и компактными системами являются вакуумные эжекторные системы, которые и получают на практике наибольшее распространение.
Магнитные системы могут использоваться только для ферромагнитных поверхностей и чувствительны к степени их загрязнения.
Универсальные системы обеспечивают выполнение широкого круга технологических операций благодаря возможности реализации любой желаемой траектории движения робота. Специализированные системы реализуют заданный вид траекторий для выполнения специфических технологических операций. К ним, в частности, относятся сканирующие системы.
В колесном типе мобильного робота используется вакуумная присоска со скользящим уплотнением, выполненным по периферии вакуумной камеры, либо магнитное устройство фиксации к поверхности.
В гусеничном и шагающем типах ТРВП устройства фиксации выполнены либо в виде вакуумных пластин (гусеничный тип), либо в конечном звене привода ноги (шагающий тип).
Общая схема и алгоритм движения роботов представлены в таблице 1.
Как следует из таблицы, предпочтение отдается ТРВП с вакуумными захватными устройствами по совокупности параметров (мощности приводных систем, нагрузочного коэффициента, возможности автономного управления). [2]
Таблица 1
Общая схема и алгоритм движения______________________________
Тип транспортной механической системы Двуплатформе нная Гусеничн ая Со скользящ им уплотнен ием Многозвенн ая Многоногая "Паук"
Основные параметры вакуу мный магни тный вакуумны й вакуумны й ваку умн ый магн итны й ваку умн ый Маг нитн ый
Вид захватного устройства
Мощность приводов 1,5 кВт 2,5 кВт 1,8 кВт 0,3 кВт 1,0 кВт 2,7 кВт 1,8 кВт 2,0 кВт
Нагрузочный коэффициент п _ Р нагр/Р соб, где Рнагр - усредненная полезная нагрузка, Рсоб - собственный вес 2,5 о,8 1,3 2,0 1,0 0,8 0,6
Максимальная полезная нагрузка (кгс) 120 20 30 20 10 10 10
Воз авт уп їможность ■ономного равления средн яя отсутс твует средняя хорошая возм ожн ая отсу тств ует сред няя Сре дняя
Вибра ционн ые возмо жност и Диапазон частот(при амплитуде вибраций 0,2 мм) о,1 Гц-20 Гц 0, 5 цц 1 3 0
Выдерживае мые ускорения 0,3 м/с2 -10 м/с2 0,2 м/с2 -5 м/с2
Максимальной полезной нагрузкой обладают роботы двухплатформенного типа с вакуумными захватными устройствами. ТРВП с вакуумными присосками в определенном диапазоне частот хорошо противостоят вибрационным нагрузкам при сравнительно небольших амплитудах вибраций.
Общая схема ТРВП (рис. 2) включает систему приводов (СП), систему управления (СУ), блок преобразователей (П), датчики (Д) в цепи обратной связи, блок питания (БП). Система управления представляет собой перепрограммируемый командоаппарат, реализованный на основе управляющей ЭВМ или на специализированном микропроцессоре. Информация об объекте поступает с датчиков ДО.
Рис. 2. Общая структура ТРВП
В общем случае, при использовании в структуре системы пневмоприводов, в блоке электропневмопреобразователей П, содержащем пневматические клапаны с электрическим
управлением, электрические сигналы у~1, у~2, ..у~п управления приводами преобразуются
в соответствующие сигналы давления воздуха у1, у2, ...... уп, поступающего в полости
пневмоцилиндров. С помощью датчиков Д в цепи обратной связи измеряются параметры х1,
х2, ...хк рабочих режимов в захватах и в исполнительных механизмах, сигнализирующие,
например, о конце выполнения рабочей операции или о предельно допустимых степенях вакуума в захватах. Кроме того, часть датчиков устанавливается на технологическом оборудовании с целью преобразования и передачи информации о выполнении функциональных операций роботом, например, контрольно-измерительной информации о качестве исследуемой поверхности, о результатах дефектоскопии сварных швов, об окончании и качестве выполнения покрасочных работ и т. п. Блок питания БП обеспечивает питание комплекса в целом.
Приводная система робота (рис. 3) содержит подвижную платформу, жестко скрепленную с транспортным двигателем, например, с двумя пневматическими цилиндрами
1, штоки поршней 2, которые связаны с пневматическими цилиндрами 3 приводных механизмов первой группы захватов.
^ Рв Р 7
Рв Рі Рв
'/ ' ' '
' РбЬРз
07777777777?
Рб Р? Рз
©
Рис. 3. Пример построения приводной системы ТРВП
Эти захваты 4 крепятся на опорах 5, соединенных со штоками поршней 6. К подвижной платформе крепятся пневматические цилиндры 7 второй группы захватов, удерживающих платформу на вертикальной поверхности. Эти захваты 8 крепятся на опорах 9, соединенных со штоками поршней 10. Количество вакуумных захватов первой и второй групп может быть одинаковым или различным в зависимости от технологической задачи.
Для работы робота ТРВП на поверхности необходимо соблюсти ряд условий равновесия.
Рассмотрим ТРВП простейшей конструкции, схема которого представлена на рис. 4.
Робот состоит из корпуса и педипуляторов с захватами. Важной задачей механики, решение которой обеспечивает надежное функционирование робота, является определение условий, гарантирующих надежный контакт педипуляторов с поверхностью при заданных внешних силах, приложенных к роботу. Далее рассмотрим некоторые возможные подходы к решению этой задачи и произведем расчет грузоподъемности робота, т.е. расчет тех усилий, при которых робот удерживается на поверхности.
Свяжем декартову систему координат Охуг с неподвижной плоской поверхностью, по которой перемещается робот. Плоскость Оху совместим с этой поверхностью, а ось ъ направим в ту сторону, где находится робот (рис. 4). Через г; обозначим радиусы-векторы центров стоп, 1=1,...,п. На робота в состоянии равновесия действуют следующие силы:
Рис. 4. Модель ТРВП
1. Внешние активные силы (вес, реакция со стороны коммуникаций и других внешних объектов); главный вектор этих сил обозначим через Я, а их главный момент относительно точки О - через Мо.
2. Нормальные реакции поверхности; силу реакции, приложенную к 1-й стоп, обозначим через Ы1к, где к - орт оси г, а N > О, 1=1,...,п.
3. Касательные реакции поверхности (силы сухого трения); силу трения действующую на г-ю стопу, обозначим через ¥1, 1=1,..,к. Силы трения лежат в плоскости Оху и удовлетворяют закону сухого трения Кулона
|^| </N (¥,, к) = 0.
4. Силы Ф;к, с которыми педипуляторы прижимаются к поверхности из-за наличия вакуум, 1=1,...,п, равны
Ф= (Р -Р1) ^1> 0, г = 1,., п.
Здесь р - атмосферное давление, р, - давление под г-м захватом; 5, - площадь этого захвата. Запишем условия равновесия робота под действием приложенных сил
Я+1 [ N - Ф) к +¥] = 0, Мо + х [ N - Ф) к +¥] = 0 и спроектируем их на оси координат. Суммирование всюду проводится по 1 от 1 до п. Получим две группы уравнений равновесия
Яг + I N - Ф) = 0, Мх + Ту, N - Ф) = 0, Му - - Фг) = 0;
Кх + IX, = 0, Яу + IV, = 0, Мг + 1(х, У, - уг X,) = 0.
Здесь через Ях, Яу, Яг, и Мх, Му, Мг обозначены проекции на оси х, у, г векторов Я и М0 соответственно, а через X,, У, - проекции сил ¥, на оси х, у.
Укажем условия, при которых существует решение Ы, системы, удовлетворяющее неравенствам N > О. Для этого введем в рассмотрение точку К плоскости х,у, относительно которой х,у - компоненты главного момента внешних сил и сил Ф, равны нулю. Радиус-вектор г*точки К равен г* = (х*, у*, 0).
х* = (1хФ + Му) / (1Ф, - Яг), у* = (ІУгФг - Мх) / (1Ф, - Яг).
Известно следующее утверждение. Если выполнены условия
1Ф1 > Яг, К = (х*, у*)еВ,
где Б - область в плоскости ху, являющаяся выпуклой оболочкой всех точек контакта, то система имеет решение, при котором все К1 > 0. Условия являются необходимыми и достаточными для того, чтобы абсолютно жесткий робот не оторвался от плоскости контакта.
Чтобы робот оставался в равновесии, необходимо, помимо выполнения условий, обеспечивающих отсутствие отрыва, еще потребовать, чтобы не было проскальзывания. Это означает, что при вращении вокруг любого возможного мгновенного центра Со (х, у) в плоскости контакта момент внешних активных сил не превышает момента сил трения. Данное условие, с учетом неравенства имеет вид
1Мг - хЯу + уЯх\ <Zpг|Fг\<fZpгNг, р, = [(х - х,)2 + (у - у,)2]]/2, I = 1,...., п.
В левой части записан момент внешних сил относительно оси, проходящей через точку Со параллельно оси г, через р, обозначено расстояние от точки Со, до /-ой точки контакта. Если выполнены условия эти условия, то при известных нормальных реакциях N1 > Q, тогда робот будет находиться в равновесии.
Отметим, однако, что уравнения для определения N образуют совокупность трех уравнений с п неизвестными. Поэтому при п > 3система в общем случае статически неопределима, и реакции Nг определяются неоднозначно. В статически неопределимых случаях в механике для нахождения реакций Nг часто привлекают дополнительные соображения: учитывают упругие деформации и геометрические неидеальности
(погрешности изготовления). При этом распределение нормальных реакций оказывается
существенно зависящим от жесткости тела и опоры, а также от геометрических неидеальностей.
Рассмотрим некоторые возможные способы дальнейшего анализа условий равновесия.
Для абсолютно жесткой модели дополнительная информация о жесткости конструкции робота и о погрешностях изготовления не учитывается, так что система остается статически неопределимой. В этом случае робот считается абсолютно жестким, и распределение реакций К; может быть любым. При этом условие отсутствия проскальзывания представим в виде:
Япрхут ^\ </
Здесь х,у могут принимать любые значения, а N могут быть любыми, удовлетворяющими уравнениям и условиям Nг > О. Если выполнены условия, то робот будет в равновесии при любых допустимых реакциях Nг. Поэтому такие условия естественно называть условиями гарантированного равновесия.
Резюмируя сказанное, изложим алгоритм проверки этих условий.
1. Подсчитываем проекции главного вектора Я и главного момента Мо внешних активных сил на оси Охуг.
2. По формулам определяем силы Ф1.
3. Вычисляем координаты точки К по формулам.
4. Проверяем выполнение условий обеспечивающих отсутствие отрыва. При этом в качестве множества П следует брать выпуклую оболочку всех точек контакта, с учетом размеров захватов. Если же вместо П брать более узкое место, а именно выпуклый многоугольник П' еП с вершинами в центрах захватов р,, то эти условия будут выполнены с некоторым запасом. Если точки контакта захватов не лежат на одной прямой, то для надежности целесообразно использовать многоугольник П, в противном случае П' - отрезок, и здесь нужно учитывать все множество П.
5. Если хотя бы одно из условий нарушено, то робот оторвется от поверхности. Если оба условия, то проверяем условия, в которых Q вычисляется по формуле. Проверка неравенства предполагает вычисление или оценку максимума функции Q, т.е. определение такого числа q, что q > / Это условие гарантирует отсутствие проскальзывания.
Рассмотрим работу робота вертикального перемещения на примере монтажа дюбелей. Монтаж дюбелей является сложной технологической операцией, которая распространена при строительстве и ремонте зданий и сооружений. Данная операция является трудоемкой и дорогостоящей при выполнении вручную на вертикальных поверхностях, особенно на больших высотах. Монтаж дюбелей производится также в условиях опасной радиации во время консервации атомных станций. Кроме этого, операции по вставлению дюбелей со взрывными зарядами при разборке бетонных и стальных конструкций используются для разборки атомных реакторов.
Конструкция ТРВП с широкими силовыми возможностями для монтажа дюбелей представлена на рисунке.
Рис. 5. Схема ТРВП для монтажа дюбелей 1 - платформа; 2 -вертикальные захваты; 3 - горизонтальные захваты; 4 - вертикальный привод; 5 - горизонтальный привод; 6 - привод захватов; 7 - блок сверления; 8 - блок монтажа; 9, 10 - подающие цилиндры; 11 - кронштейн; 12 - магазин дюбелей; 13 -направляющие; Ь - расстояние между блоками сверления и монтажа; А - рабочий ход блока
сверления; В - рабочий ход блока монтажа Транспортный модуль содержит приводную систему с технологическим блоком. Система захватов состоит из В3 вертикального и горизонтального движения. Два цилиндра вертикального движения смонтированы вдоль центральной оси под центральной платформой. Два цилиндра горизонтального движения установлены на противоположных сторонах сверху платформы.
Рис. 6. Многоуровневая система питания В3 1 - система питания; 2 - источник вакуума; 3 - вакуумный ресивер; ПУМО -вертикальные захваты; БИМО - горизонтальные захваты; £ - датчик вакуума; N - обратный
клапан; С - управляющий клапан
Для достижения надежности движения используется комбинированная система питания. На рисунке показана схема многоуровневой системы питания В3, обеспечивающей высокую степень безопасности ТРВП.
Первым уровнем является дублирование источника вакуума для двух диагональных захватов вертикального движения и двух диагональных захватов горизонтального движения. В случае падения вакуума в одном из источников робот может удерживаться на поверхности перемещения посредством четырех захватов. Диагональное расположение этих захватов обеспечивает наиболее стабильное положение ТРВП.
Вторым уровнем системы является использование обратных клапанов в питающих линиях захватов. Клапаны автоматически закрывают линию питания при падении вакуума в источнике, сохраняя тем самым уровень вакуума в захвате.
Третий уровень обеспечивает безопасность посредством использования автономного функционирования различных захватов. Это может быть достигнуто применением независимых дополнительных источников вакуума, например, эжекторов, в каждом захвате. При этом падение вакуума в одном из захватов не влияет на уровень вакуума в других захватах.
Четвертый уровень системы состоит из вакуумных ресиверов. Датчик в линии питания дает сигнал при падении давления в основном источнике вакуума и открывает управляющий клапан, соединяющий ресивер с объемом захватов. Этот процесс обеспечивает возможность организации движения робота в аварийной ситуации в исходную позицию.
Система управления приводами ТРВП питается сжатым воздухом через питающий кабель, при этом бортовой распределитель запитывает элементы системы приводов.
Транспортный и технологический движения робота выполняются в программном и ручном режимах в соответствии с иерархической структурой управления.
Главный компьютер используется для графического мониторинга и управления ТРВП.
Монтаж дюбелей и взрывных устройств состоит из последовательности сверления базового отверстия и автоматической вставки болта или заряда в это отверстие. Как сверление, так и вставка требует наличия движения подачи технологического инструмента.
Монтаж дюбелей выполняется после транспортного движения робота в рабочую зону. Блок сверления выполняет свою операцию посредством соединенного с ним цилиндра подачи. Во время сверления все захваты зафиксированы на поверхности. После операции сверления ТРВП перемещается на один шаг таким образом, что блок монтажа оказывается непосредственно над высверленным базовым отверстием. Данный автоматический поиск отверстия обеспечивается тем, что расстояния между блоком сверления и блоком монтажа дюбелей равно рабочему ходу транспортного цилиндра.
Первый дюбель из магазина вводится в базовое отверстие посредством цилиндра, соединенного с блоком монтажа. В этой позиции все педипуляторы находятся в нижнем положении и зафиксированы на поверхности. После монтажа первого дюбеля из магазина поступает следующий дюбель на рабочую позицию блока монтажа.
Алгоритм выполнения технологического движения по монтажу дюбеля состоит из трех циклов. На первом цикле производится сверление, на втором - рабочий ход платформы и на третьем - монтаж дюбеля. Максимальная глубина сверления и ввода дюбелей равна ходу цилиндров соответствующих технологических блоков. Точность операции обеспечивается технологическими направляющими указанных цилиндров и предварительной установкой их рабочих усилий. [3]
Также возможно применение ТРВП в качестве наружных отделочных работ, например, производства навесных вентилируемых фасадов, которые в настоящее время являются весьма перспективным направлением в строительстве. Экономическая эффективность использования ТРВП для монтажа навесных вентилируемых фасадов достигается за счет выполнения работ на больших высотах без специальных строительных лесов, навесов и
других приспособлений, а также за счет экономии времени при выполнении операций. Однако первостепенное значение имеет то, что данные технологии позволяют решить вопрос сохранения здоровья и жизни людей при работе на большой высоте.
Литература
1. Abe T. Wall climbing robot for inspection of concrete structure, 1999.
2. Asami S. Robots in Japan: Present and future, IEEE Robotics and Automatic Magazine, 1994.
3. Nagatsuka K. Vacuum adhering crawler system VACS, Robot JJRA, 2001.
