Динамика двухсекционного аппарата с тросовым приводом для перемещения по трубопроводным системам

• Автор: Савин, Сергей Игоревич
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Курск
• Количество страниц: 199 с. : ил.

Содержание
Введение
Г лава 1. Анализ состояния проблемы
1.1 Обзор существующих роботов для перемещения по трубопроводам
1.2 Классификация роботов для перемещения по трубопроводам
1.3 Классификации типов трубопроводов
1.4 Классификации задач перемещения по трубопроводу
1.5 Обзор научной литературы по вопросу моделирования движения механизмов с гибкими звеньями
1.6 Цели и задачи диссертации
Глава 2 Разработка математической модели устройства
2.1 Описание исследуемого устройства
2.2 Описание конструкции устройства
2.3 Описание принципа перемещения устройства
2.4 Структурный анализ и описание геометрических параметров секции .
2.5 Кинематический анализ механизма секции
2.6 Определение особых положений механизма секции
2.7 Моделирование движения звеньев секции
2.8 Модель трения в системе «трос - оболочка троса»
2.9 Описание фиксации секции
2.9.1 Математическое описание трубопровода
2.9.2 Условия неподвижности зафиксированной секции
2.10 Выводы по второй главе
Г лава 3 Моделирование движения секций робота с учетом динамики тросов и упругих элементов
3.1. Описание движения троса и упругого элемента
3.2. Выбор подхода к моделированию гибкого троса
3.3 Моделирование движения устройства на стационарном этапе походки при отсутствии контакта секции с трубой

3.3.1 Геометрический и кинематический анализ механизма
3.3.2 Составление уравнений движения механизма в дифференциальной форме
3.4 Описание использованных численных методов решения систем дифференциальных уравнений второго порядка
3.5 Разработка методов подбора механических параметров механизма с использованием экспериментальных данных о поведении и физических характеристиках упругого элемента и троса
3.6 Движение механизма в трубопроводе при наличии точки контакта
3.6.1 Модель прямого участка трубопровода
3.6.2 Описание контактных элементов секции устройства
3.6.3 Определение величины силы трения, действующей в точке контакта механизма и стенки трубы
3.7 Моделирование движения механизма в процессе выпускания троса..
3.8 Выводы по третьей главе
Глава 4 Исследование моделей устройства
4.1 Описание алгоритма нахождения численных зависимостей, характеризующих движение механизма в трубопроводе
4.2 Анализ движения секции на стационарном этапе походки
4.3 Анализ движения механизма в процессе выпускания троса
4.4 Разработка инструментальных средств проектирования роботов для перемещения по трубопроводам
4.5 Описание оборудования, разработанного для проведения экспериментальных исследований
4.6 Результаты экспериментальных исследований
4.7 Выводы по четвёртой главе
Заключение
Список использованных источников
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Введение
Актуальность темы. Мобильная робототехника является одной из динамично развивающихся областей науки и техники, что проявляется во все более широком применении роботов в различных областях человеческой деятельности. При этом сохраняется необходимость проведения дальнейших исследований по изучению движения мобильных аппаратов, пространство функционирования которых ограничено поверхностями, которые в общем случае могут быть как деформируемыми, так и недеформируемыми. Такие ограничения накладываются, например, на устройства, функционирующие в трубопроводах. Особенно сложной является задача организации движения мобильного объекта в трубопроводах малого диаметра (менее 20 мм), так как в этом случае, в силу ограниченности пространства, не удается разместить электроприводы на корпусе аппарата. Для решения задач, связанных с организацией функционирования мобильных роботов в подобных условиях требуется разработка новых технических решений.
Значительный вклад в исследования движения мобильных
многозвенных аппаратов сделали ряд ученых, в том числе Ф.Л. Черноусько,
H.H. Болотник, В.Е. Павловский, Ю.В. Подураев, Ю.Г. Мартыненко, А.М. Формальский. Мобильные роботы, перемещающиеся в трубопроводных сетях, также являются объектами исследований многих ученых, в том числе В.Г. Градецкого, В.Г. Чащухина, С.Ф. Яцуна, Сигео Като и его коллег (Shigeo Kato, Nippon Institute of Technology), Се-Гон-Ро (Se-gon Roh, университет Сонгюнгван) и других. Для расширения технологических возможностей существующих внутритрубных роботов, могут быть использованы конструкции с приводами, вынесенными за пределы области функционирования устройства. Подобный принцип может быть реализован использованием тросового привода, где для связи приводов, находящихся вне трубы, с внедряемой в трубопровод частью устройства используется

• нетривиальность выбора структуры системы автоматического управления для обеспечения робастного управления гибкими механизмами (см. [137]).
В этот период также было опубликовано значительное количество работ, описывающих результаты экспериментальных исследований поведения систем с гибкими элементами [66, 79, 125]. Следует отметить, что описанные здесь и выше работы опирались на некоторые более ранние исследования, например, диссертационную работу Г. Мартина (G.D. Martin) [105]и др.
Дальнейшее развитие данного научного направления можно проследить в работах итальянского ученого Аллесандро Де Люса (Alessandro De Luca, см. [62, 68-74]), шведского ученого Стига Мобега (Stig Moberg, см. [106-111]), немецких ученых Герда Хирзингера (Gerd Hirzinger, см. [58-59]) и Михаэля Рудермана (Michael Ruderman, см. [119]), их коллег др. Подробный анализ этих работ можно найти в диссертационной работе Стига Мобега [111]. В этой работе в частности упоминается, что основными подходами к моделированию динамики гибких упругих звеньев являются использование моделей гибких балок (балка Бернулли-Эйлера [60], балка Тимошенко [64]), методов конечных элементов и замены гибкого звена на многозвенный механизм с упругими связями между звеньями.
1.6 Цели и задачи диссертации
Основываясь на проведённом анализе, сформулируем цель
диссертации: создание научных основ и инструментальных средств
проектирования двухсекционных аппаратов с тросовым приводом, предназначенных для перемещения по трубопроводам. Для достижения указанной цели решаются следующие задачи: