Simulation and Evaluation of the Adhesion System Effectiveness for a Miniature Mobile Wall-Climbing Robot with Suction Cups

The mechanisms of a wall-climbing walking robot (WCWR) envisage two functions: "attachment" and "locomotion". There are many factors involved in these processes, and one of them is an adhesion method. In this paper, a miniature mobile WCWR with suction cups and an on-board vacuum pump with an additional vacuum tank is discussed. The paper describes a complex simulation model of the suction cup's adhesion to rough surfaces, which can be used for WCWR's conceptual design. The model is based on statistical characteristics of vertical surfaces, statistical characteristics of cracks and on the analysis of interaction between the adhesion system and the surface. The simulation model is used to select the basic parameters of the adhesion system, such as the pump capacity, and the vacuum tank's volume by the Monte-Carlo method. The effectiveness of the robot adhesion system is evaluated with the help of this model. Application of the simulation model is explained on an example. We evaluated the effectiveness of the vacuum tank by the number of robot steps. The results of adhesion system simulation are presented. Besides, we determined the distribution law of the robot's locomotion before it stops. The simulation results reveal that the distribution of the total number of steps follows the gamma-distribution. If we consider only the subsequent steps after the first successful one, their distribution follows the exponential probability law.

робот вертикального перемещения, термодинамическая модель, вакуумный захват, вакуумный ресивер, метод Монте-Карло, экспоненциальное распределение, внешнее проектирование, эффективность, wall-climbing walking robot, thermodynamic model, suction cup, vacuum tank, the Monte-Carlo method, exponential distribution, conceptual design, effectiveness, simulation, MATLAB

1. Градецкий В. Г., Фомин Л. Ф. Динамические процессы в системах создания вакуума миниатюрных мобильных роботов // Мехатроника, автоматизация и управление. 2013. № 9. С. 10-14.

2. 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.

3. 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 и управление. 2013. № 8. С. 23-27.

4. Li Y., Li M., Sun L. Design and passable ability of transitions analysis of six legged wall-climbing robot // Proc. of the 2007 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, August 5-8, 2007, Harbin, China. P. 800-804.

5. Silva M., Machado J., Tar J. A survey of technologies for climbing robots adhesion to surfaces // Proc. of the 6th IEEE Conference on Computational Cybernetics, November 27-29, 2008, Stara Lesna, Slovakia. P. 127-132.

6. Apostolescu T. C., Udrea C., Duminica D., Ionascu G., Bogatu L., Laurentiu Adrian Cartal Development of a climbing robot with vacuum attachment cups // Proceedings of International Conference MECAHITECH'11, September 22-23, 2011, Bucharest. P. 258-267.

7. Nejadfard A., Schutz S., Schmidt D., Berns K. Design of safe reactional controller for chamber pressure in climbing robot CREA // Proc. of the 11th International Conference on informatics in control, automation and robotics, September 1-3, 2014 Vienna, Austria. P. 82-89.

8. Cernohorsky J., Horak M. Robotul Vertical Climber 2 design and implementation of control algorithm // Proc. of the 15th International Carpthian Control Conference, May, 28-30, 2014 Velke Karlovice, Czech. P. 86-90.

9. Wettach J., Hillenbrand C., Berns K. Thermodynamical modeling and control of an adhesion system for a climbing robot // Proc.s of the 20th International Conference on Robotics and Automation, April 18-22, 2005, Barselona, Spain. P. 2727-2732.

10. Гладышев Н. Н. Гидрогазодинамика: конспект лекций. СПб: СПбГТУРП, 2012. 159 с.

11. Розанов Л. Н. Вакуумная техника: учебник для вузов по специальности "Вакуумная техника". М.: Высшая школа, 1990. 320 с.

12. Schmidt D., Berns K. Development and applications of a simulation framework for a wall-climbing robot // Proc. of the International Conference on Intelligent Robots and Systems, November 3-7, 2013, Tokyo. P. 2321-2326.

13. Тихомиров В. П., Горленко О. А., Измеров М. А., Прокофьев А. Н. Механика контактного взаимодействия плоских волнистых поверхностей // Вестник Брянского государственного технического университета. 2013. № 4 (40). С. 87-94.

14. Чаплыгин С. А. Контактное взаимодействие в уплотнительных устройствах // Механика и физика процессов поверхности и в контакте твердых тел, деталей технологического и энергетического оборудования: межвузовский сбор. науч. трудов. Вып. 6. Тверь: ТвГТУ, 2013. С. 114-124.

15. Демкин Н. Б. Компьютерные модели фрикционного контакта в трибологии // Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел и деталей машин: межвузовский сбор. науч. трудов. Вып. 2. Тверь: ТвГТУ, 2006. С. 4-13.

16. Горленко А. О., Матлахов В. П. Контактное взаимодействие цилиндрических поверхностей при трении скольжения // Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел и деталей машин: межвузовский сбор. науч. трудов. Вып. 2. Тверь: ТвГТУ, 2006. С. 14-20.

17. Брайла Н. В. Расчет математических ожиданий параметров трещин от степени износа элемента на основе статистических данных по аналогичным объектам // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 1. С. 106-112.

18. Карпинтери А., Лачидонья Дж., Пуцци С. Прогноз развития трещин в полномасштабных конструкциях на основе анализа показателя b и статистики Юла // Физическая мезомеханика. 2008. № 3. С. 75-87.

19. Игнатович С. Р., Кучер А. Г., Якушенко А. С., Башта А. В. Моделирование объединения рассеянных поверхностных трещин. Вероятностная модель объединения трещин // Проблемы прочности. 2004. № 2. С. 21-32.

20. Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Высшая школа, 2007. 480 с.

21. Строгалев В. П., Толкачева И. О. Имитационное моделирование: учебное пособие. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. 295 с.