Шагающий робот для перемещения по вертикальным и произвольно ориентированным в пространстве поверхностям

Рассматриваются вопросы проектирования шагающего робота с захватными устройствами (ЗУ), позволяющими роботу передвигаться по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям. Подобные роботы актуальны прежде всего для осмотра и диагностики состояния различных промышленных конструкций. В рамках данной работы предложена модель двухопорного робота с захватными устройствами на опорах, позволяющими крепиться к опорным поверхностям с небольшой кривизной, произвольно ориентированным в пространстве. Для обеспечения крепления к подобным опорным поверхностям робот спроектирован с пятью степенями свободы. Важным критерием является возможность ловкого передвижения по поверхностям. Кроме того, одна из степеней свободы робота была сделана линейной, что облегчает переступание через преграды и позволяет реализовывать более простые алгоритмы шагания.

При креплении робота сразу двумя ЗУ за опорные поверхности кинематическая цепь замыкается, и без дополнительных мер это может приводить к возникновению нежелательных сил и моментов в звеньях робота. В данной работе предлагается использовать два метода совместно – реализовать импедансное управление за счет введения обратной связи по оценке момента на основе измерения токов двигателя и обеспечить податливость ЗУ за счет собственной упругости. Проведено математическое моделирование робота с учетом кинематики конструкции и детальных моделей исполнительных двигателей и усилителя мощности на полевых транзисторах, показавшее возможность снижения нежелательных усилий в звеньях робота, возникающих в процессе крепления робота за две опорные поверхности одновременно. Наилучшие результаты были достигнуты при управлении вектором тока синхронного двигателя и использовании сигналов тока для реализации импедансного управления.

Также приведены упрощенная схема привода, реализующая векторное управление током исполнительного двигателя, и структурная схема системы управления, позволяющей реализовать различные походки в полуавтоматическом режиме и в режиме управления от оператора.

1. Dethe R. D., Jaju S. B. Developments in wall climbing robots: a review // International journal of engineering research and general science. 2014. Vol. 2, N. 3. P. 33—42.

2. Zhao Z., Shirkoohi G. Climbing robot design for NDT inspection // Human-Centric Robotics: Proceedings of CLAWAR 2017: 20th International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines. 2018. P. 259—266.

3. Kolhalkar N. R., Patil S. M. Wall climbing robots: A review // International Journal of Engineering and Innovative Technology. 2012. Vol. 1, N. 5. P. 227—229.

4. Das A., Patkar U. S., Jain S., Majumder S., Roy D. N., Char S. K. Design principles of the locomotion mechanism of a wall climbing robot // Proceedings of the 2015 Conference on Advances In Robotics. 2015. P. 1—7.

5. Сырых Н. В., Чащухин В. Г. Роботы вертикального перемещения с контактными устройствами на основе постоянных магнитов: конструкции и принципы управления контактными устройствами // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2019. № 5. С. 163—173.

6. Градецкий В. Г., Князьков М. М. Состояние и перспективы развития роботов вертикального перемещения для экстремальных сред // Робототехника и техническая кибернетика. 2014. № 1. С. 9—16.

7. Аверьянов Е. В., Коваленко Б. Б., Костин А. В., Пелепас Е. И., Подураев Ю. В., Яковлев С. Ф. Основные аспекты создания отечественных технологических мобильных роботов вертикального перемещения // Мехатроника, автоматизация, управление. 2013. № . 8. С. 23—27.

8. Товарнов М. С., Быков Н. В. Математическая модель механизма перемещения мобильного гусеничного робота с магнитно-ленточным принципом вертикального перемещения // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2019. № 3. С. 74—84.

9. Градецкий В. Г., Вешников В. Б., Калиниченко С. В., Кравчук Л. Н. Управляемое движение мобильных роботов по произвольно ориентированным в пространстве поверхностям. М: Наука, 2001. 359 с.

10. Zhu H., Guan Y., Wu W., Zhou X., Zhang L., Zhang X., Zhang H. The superior mobility and function of W-Climbot—A bio-inspired modular biped wall-climbing robot // 2011 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. IEEE, 2011. P 509—514.

11. Серебренный В. В., Лапин Д. В., Мокаева А. А. Экспериментальные исследования динамики мобильного робота с механизмом вертикального перемещения на магнитных гусеничных движителях // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2020. № 4. С. 68—75.

12. Юревич Е. И. Сенсорные системы в робототехнике. СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2013. 100 с.

13. Егоров И. Н. Позиционносиловое управление робототехническими и мехатронными устройствами // Изд-во Владим. гос. ун-та, 2010. 192 с.

14. Siciliano B., Villani L. Robot force control. Springer Science & Business Media, 2012. Vol. 540. 146 p.

15. Calanca A., Muradore R., Fiorini P. A review of algorithms for compliant control of stiff and fixed-compliance robots // IEEE/ASME transactions on mechatronics. 2015. Vol. 21, N. 2. P. 613—624.

16. Серебренный В. В., Бошляков А. А., Огородник А. И. Импедансное позиционно-силовое управление в роботах и механизмах с кинематическими замкнутыми цепями // Технологии аддитивного производства. 2019. Т. 1. № 1. С. 24—35.

17. Gradetsky V. G., Knyazkov M. M., Semenov E. A. and Sukhanov A. N. Parametrical analysis of vacuum contact devices for wall climbing robots // CLAWAR 2020: 23rd International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines, Moscow, Russian Federation, 24—26 August 2020. P. 67—74.