Исследование статической устойчивости робота вертикального перемещения с вакуумным захватом

Представлена статическая модель оценки минимально необходимого разрежения в вакуумном захвате робота вертикального перемещения при удержании на наклонной поверхности одним опорным захватом. Конфигурацию системы задают углы наклона поверхности β и поворота платформы γ , а также геометрические параметры и положение центра масс. Получена аналитическая зависимость Δ P_min( β , γ ), учитывающая три предельных механизма потери устойчивости: отрыв, скольжение и опрокидывание. Минимальное разрежение определяется как максимум соответствующих ограничений по силам и моментам с введением коэффициента запаса, учитывающего снижение атмосферного давления, вариации коэффициента трения и динамические возмущения. Для учета пространственной ориентации центра масс использован кватернионный аппарат поворотов. Разработан экспериментальный стенд с регулируемым углом наклона поверхности и пневмосистемой, обеспечивающей управляемое изменение разрежения и регистрацию критического момента начала движения. Предложен алгоритм определения критического разрежения по данным давления и угла поворота платформы. Проведено сравнение расчетных и экспериментальных значений Δ P для ряда конфигураций ( β , γ ). Показано, что расхождение не превышает нескольких процентов; средняя абсолютная процентная ошибка для абсолютного давления составила 2,26 %, средняя абсолютная ошибка по разрежению около 2,2 кПа. Полученные результаты подтверждают адекватность модели и позволяют использовать ее при проектировании вакуумных систем удержания, выборе геометрии захватов и синтезе алгоритмов управления роботом вблизи границ статической устойчивости. Предложенный подход обеспечивает единое расчетное выражение для анализа различных конфигураций робота и может быть расширен на многозахватные системы и задачи оптимизации расположения центра масс и параметров вакуумной системы. Модель ориентирована на инженерные расчеты и интеграцию в системы автоматизированного управления роботами вертикального перемещения, что может повысить надежность их функционирования в условиях неопределенных внешних воздействий и нагрузок систем.

1. Рачков М. Ю. Подводный робот вертикального перемещения для контактной дуговой резки // Мехатроника, автоматизация, управление. 2006. № 8. С. 18—24.

2. Рачков М. Ю. Робот вертикального перемещения по сложным поверхностям // Мехатроника, Автоматизация, Управление. 2002. № 6. С. 26—30.

3. Ефимов М. И. Управление движением роботов с тросовыми движителями при перемещении по вертикальным поверхностям: дис. канд. техн. наук. Волгоград, 2023. С. 133.

4. 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.

5. Lou S., Wei Z., Guo J., Ding Y., Liu J., Song А. Current Status and Trends of Wall-Climbing Robots Research // Machines. 2025. Vol. 13, N. 6. Art. 521. DOI: 10.3390/machines13060521.

6. Мингазова И. Н. Обзор различных захватов для промышленных роботов-манипуляторов // Форум молодых ученых. 2018. № 7 (23). С. 644—650.

7. Zhao Q., Li X. Experimental Investigation on Climbing Robot Using Rotation-Flow Adsorption Unit // Robotics and Autonomous Systems. 2018. Vol. 105. P. 112—120. DOI: 10.1016/j.robot.2018.03.008.

8. Bilal Н. Design and Development of Wall-Climbing Robot // arXiv preprint arXiv:2301.05882. 2023. DOI: 10.48550/arXiv.2301.05882.

9. Тачков А. А., Калиниченко С. В., Малыхин А. Ю. Моделирование и оценка эффективности системы удержания малогабаритного автономного робота вертикального перемещения с вакуумными захватами // Мехатроника, автоматизация, управление. 2016. Т. 17, № 3. С. 178—186. DOI: 10.17587/mau/17.178-186.

10. Быков Н. В., Власова Н. С., Губанов М. Ю., Лапин Д. В. Механизм вертикального перемещения мобильного гусеничного робота с гибридным магнитно-ленточным принципом сцепления // Мехатроника, автоматизация, управление. 2020. Т. 21, № 3. С. 158—165. DOI: 10.17587/mau.21.158-166.

11. Ширяев В. А., Рачков М. Ю. Педипуляторный робот вертикального перемещения, патент РФ № 221076, 2023.

12. Груничев П. А., Воротников С. А., Самойлова А. С. Система управления роботом вертикального перемещения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 4. С. 330—338.

13. Ge D., Tang Y., Ma S., Matsuno T. А Pressing Attachment Approach for a Wall-Climbing Robot Utilizing Passive Suction Cups // Robotics. 2020. Vol. 9, N. 2. Art. 26. DOI: 10.3390/robotics9020026.

14. Серебренный В. В., Бошляков А. А., Калиниченко С. В., Огородник А. И., Коновалов К. В. Шагающий робот для перемещения по вертикальным и произвольно ориентированным в пространстве поверхностям // Мехатроника, автоматизация, управление. 2021. Т. 22, № 11. С. 585—593. DOI: 10.17587/mau.22.585-593.

15. Солдатов Е. С., Солдатов А. С. Интеллектуальные робототехнические средства мониторинга состояния промышленного оборудования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2024. № 8. С. 319—323. DOI: 10.24412/2071-6168-2024-8-319-320.

16. Liu J., Tanaka K., Bao L. M., Yamaura I. Analytical Modelling of Suction Cups Used for Window-Cleaning Robots // Vacuum. 2006. Vol. 80, N. 6. P. 593—598. DOI: 10.1016/j.vacuum.2005.10.002.

17. Yeon Taek Oh. Study of Wall Climbing Robot Structure and Driving Torque Analysis // International Journal of Engineering Trends and Technology. 2021. Vol. 69, N. 9. DOI: 10.14445/22315381/IJETT-V69I9P230.

18. Guo B., Zheng X., Fang S., Yang L. Suction Cup Quality Prediction by Digital Image Correlation: SAE Technical Paper 2023-01-0067. 2023. DOI: 10.4271/2023-01-0067.

19. Каныгин А. В. Снижение рисков разрушения робота вертикального перемещения при некоторых сценариях, возникающих во время его функционирования // Политехнический молодежный журнал. 2022. № 4. С. 1—11.

20. Соцков И. А. Основные показатели и требования к захватывающим устройствам промышленных роботов // Comp. nanotechnol. 2018. № 2. С. 49—51.