КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-11-00067

НазваниеВакуумные захватные устройства для роботов, эксплуатируемых в воздушной, жидкой и пограничной средах.

РуководительБолотник Николай Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2025 г. 

Конкурс№80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 01-319 - Механика машин и роботов

Ключевые словаРобототехника, мобильные роботы, роботы вертикального перемещения, вакуумные захватные устройства, воздушная среда, жидкая среда, граница воздушной и жидкой сред

Код ГРНТИ55.30.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект нацелен на разработку научных основ конструирования и эксплуатации мехатронных вакуумных захватных устройств для роботов, эксплуатируемых в воздушной и жидких средах, с возможностью перехода из одной среды в другую. Заявляемое исследование в значительной степени мотивировано созданием роботов вертикального перемещения для обслуживания бассейнов выдержки отработанного топлива на атомных электростанциях (АЭС) и проведения работ по обслуживанию и ремонту морских и речных судов. Такие роботы должны эффективно функционировать на воздухе и под водой, а также на границе этих сред. Один из способов фиксации робота на обслуживаемой вертикальной поверхности – с помощью вакуумных захватных устройств (присосок). Этот способ фиксации имеет ряд преимуществ: вакуумные захваты могут использоваться на поверхностях как из ферромагнитных, так и немагнитных материалов, они не повреждают поверхности контакта и могут обеспечивать большую силу прижима к поверхности, достаточную для предотвращения опрокидывания и соскальзывания робота, в том числе при работе навесного оборудования (например, манипуляторов). Вакуумные захваты хорошо зарекомендовали себя на роботах, эксплуатируемых в сухой воздушной среде. Поведение таких захватов под водой исследовано недостаточно полно, а важная проблема изучения особенностей их функционирования в пограничной зоне, когда часть присоски находится под водой, а часть – на воздухе, насколько известно заявителям, до сих пор не ставилась. Отсутствие публикаций на эту тему в профильных научных журналах свидетельствует о научной новизне исследований, предлагаемых в проекте. Для разработки научных основ конструирования вакуумных захватных устройств, для роботов, работающих в воздушной и водной средах, включая их границу, надо решить следующие проблемы: 1. Детально исследовать механическое поведение вакуумных захватных устройств в жидких средах. 2. Детально исследовать механическое поведение вакуумных захватных устройств на границе воздушной и жидкой сред. 3. Сравнить характеристики одних и тех же устройств в воздушных и жидких средах, а также на их границе. 4. Определить оптимальные способы генерации вакуума в средах обоих типов и на их границе. 5. Выяснить возможности адаптации вакуумных устройств к различным средам за счет изменения режима генерации вакуума с помощью различных алгоритмов управления. 6. Разработать принципы конструирования вакуумных захватных устройств, которые учитывали бы особенности их функционирования в различных средах и допускали бы возможность адаптации к этим средам за счет изменения режима генерации вакуума. Перечисленные исследования позволят получить новые знания, которые инженеры смогут использовать при создании вакуумных захватных устройств для манипуляционных и локомоционных роботов, эксплуатируемых в воздушной среде и под водой, в частности, установить пределы применимости вакуумных захватных устройств в роботах этого типа. Получением этих знаний характеризуется научная значимость решения проблемы, обозначенной в проекте. Основное внимание будет уделено газодинамическим и гидродинамическим процессам в генераторах вакуума в контактных устройствах, работающих в жидкостях, а также на границе раздела воздуха и жидкости. Новые знания о процессах создания и поддержания контакта вакуумных захватных устройств с жесткими поверхностями в жидких средах, а также на границе раздела воздуха и жидкости, позволят определить условия, гарантирующие надежный контакт робота с поверхностью, наклоненной под любым углом, при движении в различных средах. Результаты исследований в рамках заявляемого проекта дадут возможность создать новые математические модели, на основе которых могут быть рассчитаны конструктивные параметры и адаптивные режимы управления для мехатронных вакуумных захватных устройств манипуляционных и локомоционных роботов.

Ожидаемые результаты
ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Будет разработана и верифицирована многопараметрическая компьютерная модель для численного моделирования процессов, происходящих во время контакта вакуумного захватного устройства с поверхностью фиксации или объектом манипулирования в воздушной и водной средах. В модели будут учитываться следующие параметры: давление питания (для генератора вакуума эжекторного типа), давление окружающей среды, давление во внутренних полостях вакуумного захватного устройства, расход рабочего тела, параметры движения водовоздушной смеси в рабочей зоне, плотность рабочего тела, плотность окружающей среды, упругие свойства материала вакуумного захватного устройства. По результатам анализа типовых промышленно выпускаемых захватных устройств и сопрягаемых с ними генераторов вакуума будут получены переходные характеристики давления и расходов рабочего тела в каналах вакуумного захватного устройства при его фиксации на поверхности в воздушной и водной среде, а также в пограничной зоне, когда часть захватного устройства расположена под водой, а часть – на воздухе. Будет разработана математическая модель адаптации вакуумных захватных устройств к поверхности контакта благодаря изменению геометрических размеров элементов конструкции. Таким образом, будет улучшена эффективность сцепления вакуумных захватных устройств с произвольно (в том числе, вертикально) ориентированными поверхностями. С помощью этой модели будут исследованы характеристики работы под водой и в пограничной зоне вода-воздух вакуумного захватного устройства эжекторного типа в случае, когда рабочим телом генератора вакуума служит сжатый воздух. На основе экспериментальных исследований будут выявлены закономерности, характеризующие влияние формы и физических параметров контактирующих поверхностей вакуумного захватного устройства и объекта захвата на механические характеристики контакта. Главные механические характеристики контакта – предельные значения внешних сил и моментов сил, приложенных к контактному устройству, превышение которых приводит к нарушению равновесия захватного устройства по отношению к объекту захвата. Нарушение равновесия может проявляться в виде отрыва захватного устройства от поверхности захвата или в виде его скольжения по этой поверхности. Предельные силы и моменты, характеризующие контакт, зависят от способа нагружения захватного устройства (величины и направления главного вектора и главного момента нагружающих сил), формы контактирующих поверхностей, свойств материалов, из которых они изготовлены, внешней среды (воздух или вода). Способ нагружения зависит от операции, выполняемой роботом с вакуумным захватным устройством (удержание объекта манипулирования, его поступательное перемещение или вращение, удержание самого робота на поверхности или движение по этой поверхности). Контакт вакуумного захватного устройства с поверхностью захвата осуществляется за счет избыточного давления внешней среды (воздуха или жидкости) по отношению к давлению среды в полости вакуумного устройства. Избыточное давление возникает вследствие разрежения воздуха в камере вакуумирования. Это разрежение создается генератором вакуума и зависит от типа этого генератора, среды, в которой работает захватное устройство, и режима управления генератором вакуума. Планируется определить зависимость минимального избыточного давления, достаточного для обеспечения надежного (без отрыва и скольжения) контакта захватного устройства с поверхностью захватываемого объекта, от способа нагружения, геометрических и физико-механических свойств контактирующих тел. На основании этой зависимости будут выработаны рекомендации по выбору геометрической формы захватного устройства, материала для его изготовления, типа генератора вакуума и режима управления его работой. Будет разработана методика расчета конструктивных и управляющих параметров вакуумных захватных устройств для работы на поверхностях с различными физико-механическими характеристиками в воздушной и водной средах, а также в пограничной зоне. Расчеты по этой методике позволят увеличить функциональные возможности и расширить область применения робототехнических систем вертикального перемещения и манипуляционных роботов. Будет модифицировано и испытано на экспериментальном стенде вакуумное захватное устройство, предназначенное для робота вертикального перемещения, способного работать в воздушной среде и под водой. Данное устройство будет иметь эжекторный генератор вакуума, рабочим телом которого служит сжатый воздух. Устройство будет иметь возможность адаптироваться к поверхностям контакта и к среде, в которой оно функционирует. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ОЖИДАЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОЕКТА Решение поставленных в проекте задач позволит разработать принципы и алгоритмы автоматического управления устройствами генерации вакуума в захватных устройствах, способных адаптироваться к изменяющимся условиям среды. В настоящее время подобная адаптация реализуется оператором, что сильно ограничивает применение робототехнических систем для выполнения инспекционных, технологических и ремонтных работ с необходимостью переходить из воздушной среды в водную и обратно. Знания о динамике физических процессов, происходящих в вакуумных захватных устройствах, работающих под водой, которые планируется получить в результате выполнения проекта, будут востребованы инженерами, разрабатывающими роботы вертикального перемещения для эксплуатации под водой и в смешанной среде воздух-вода. Методики расчета вакуумных захватных устройств, построенные на базе этих знаний, дадут возможность проектировать захватные устройства для подводных роботов вертикального перемещения, исходя из технических требований к роботу, и характеристик поверхностей, по которым он будет перемещаться. Подводные роботы вертикального перемещения необходимы для автоматизации важных операций, таких, как обслуживание бассейнов выдержки отработанного топлива на атомных электростанциях, очистка и ремонт корпусов речных и морских судов. СОЦИАЛЬНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ОЖИДАЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОЕКТА Новые знания, полученные в результате выполнения проекта, позволят создавать надежные захватные устройства для роботов вертикального перемещения, способных работать под водой и переходить из воздушной среды в водную и обратно. Эти роботы позволят значительно повысить уровень автоматизации операций, выполняемых в средах, недоступных или крайне опасных для человека. В первую очередь, это относится к операциям по обслуживанию бассейнов выдержки отработанного топлива на атомных электростанциях. Во-вторых, использование роботов вертикального перемещения с такими захватными устройствами значительно повысит уровень автоматизации по диагностике, обслуживанию и ремонту корпусов речных и морских судов. Таким образом, техническая реализация результатов проекта значительно повысит безопасность проведения инспекционных и ремонтных работ на атомных электростанциях и уменьшит время простоя судов при регламентных работах по их ремонту и техническому обслуживанию. СОПОСТАВЛЕНИЕ ОЖИДАЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ С МИРОВЫМ УРОВНЕМ Ожидаемые результаты будут находиться на уровне передовых мировых достижений в области разработок захватных устройств для роботов, эксплуатируемых в экстремальных условиях. Насколько нам известно, вакуумные захватные устройства для роботов вертикального перемещения, эксплуатируемых под водой, в настоящее время промышленно не производятся, и их свойства и возможности систематически не исследовались. Поэтому, ожидается получение решений, которые в настоящее время аналогов не имеют.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Создана компьютерная модель вакуумного захватного устройства с генератором вакуума эжекторного типа. Модель предназначена для проведения компьютерных экспериментов по исследованию газодинамических и гидродинамических процессов, происходящих в полостях и каналах вакуумных захватных устройствах, эксплуатируемых в воздушной среде, под водой и в смешанной водовоздушной среде. С помощью построенной компьютерной модели проведена серия вычислительных экспериментов для изучения газодинамических и гидродинамических процессов в каналах вакуумных устройств. Разработан и построен стенд для проведения экспериментальных исследований физических процессов, происходящих в генераторах вакуума эжекторного типа, сопряженных с вакуумными захватными устройствами роботов, эксплуатируемых в воздушной и водной средах. В отчетном году на стенде проводились исследования промышленно выпускаемых генераторов вакуума эжекторного типа с целью верификации компьютерной модели генераторов этого типа и определения степени соответствия номинальных характеристик генераторов вакуума, указанных производителем, реальным эксплуатационным данным. Кроме того, эксперименты имели целью исследовать пригодность промышленно выпускаемых генераторов вакуума, которые показали хорошее качество функционирования в составе вакуумных захватных устройств, эксплуатируемых в воздушной среде, для захватных устройств, эксплуатируемых под водой или в смешанной водовоздушной среде. На разработанном стенде были проведены эксперименты по исследованию поведения промышленно выпускаемых генераторов вакуума эжекторного типа в составе вакуумных захватных устройств роботов при эксплуатации в воздушной, водной и водовоздушной средах. Эти эксперименты имели тройственную цель. Во-первых, они нужны для выявления параметров поведения вакуумных генераторов в составе захватных устройств, функционирующих в водной и водовоздушной средах. Такие исследования ранее систематически не проводились, и их результат будет представлять научный интерес. Во-вторых, эти эксперименты позволят верифицировать компьютерную модель вакуумных захватных устройств с генераторами вакуума эжекторного типа. Наконец, в-третьих, эксперименты позволят оценить приемлемость промышленно выпускаемых вакуумных генераторов для захватных устройств, эксплуатируемых в водной или в водовоздушной среде и наметить необходимые конструктивные изменения для адаптации вакуумных генераторов эжекторного типа к данным средам. Проведено три серии испытаний. Первая серия испытаний проводилась в воздухе для определения отсчетных значений параметров переходных процессов при установлении стационарного уровня вакуума в присоске. Варьировались параметры входного давления, питающего эжектор, которое изменялось с помощью регулятора, входящего в испытательный стенд Вторая серия исследований предполагала нахождение половины присоски в воде. Проверялась гипотеза о возникновении высокочастотных колебаний уровня вакуума в вакуумируемой полости. Предположительно такие колебания могут возникать из-за истечения крупных фракций жидкости в газе через выходное сопло эжектора, приводящего к частичному запиранию эжектора вследствие динамического изменения сечения выходного сопла, если его внутренняя поверхность изготовлена из гидрофильного материала. Третья серия экспериментов была направлена на изучение динамики истечения воды из вакуумируемой области присоски при полном погружении присоски в воду. В этом случае также возможны высокочастотные колебания уровня вакуума вследствие попадания рабочего тела в камере смешения в откачиваемую жидкость и перемешивания двух фаз в сопле истечения. Для обработки экспериментальных данных было разработано и зарегистрировано программное обеспечение "Программа визуализации переходных характеристик разрежения в вакуумируемой полости захватного устройства с функцией сохранения результатов эксперимента в отдельный файл." (Номер: 2023666205 Дата получения: 26 июля 2023 г.) Программа позволяет осуществить чтение данных о состоянии работы датчика давления, приходящих в последовательный порт, а также визуализировать динамику изменения данных во времени в отдельном окне с графическим и численным отображением результатов. Программа предусматривает создание файла с именем, в котором отражены временные параметры создания файла для лучшего восприятия и дальнейшей систематизации результатов работы. Программа позволяет создать базу данных, полученных из последовательного порта с привязкой ко времени начала записи и помеченных своим временным штампом. Окончание записи в созданный файл также реализовано отдельной функцией. Также было разработано и зарегистрировано программное обеспечение: "Программа анализа входных сигналов от последовательного порта модуля управления датчика Wika A-10." (Номер: 2023665233 Дата получения: 13 июля 2023 г.) Программа реализует чтение данных из последовательного порта и преобразует их в значения давления, соответствующего показаниям промышленного преобразователя давления Wika A-10. Программа выводит графическую информацию о динамике изменения давления, а также реализует вывод времени эксперимента с привязкой к нажатию функциональных кнопок. В программе реализована функция сохранения результатов в графическом виде. Получены следующие научные результаты: Обнаружены колебания уровня вакуума в камере захватного устройства (присоски) при эксплуатации этого устройства в водной и водовоздушной средах. При эксплуатации в чисто воздушной среде таких колебаний не наблюдалось. Колебания уровня вакуума в камере захватного устройства при функционировании в водовоздушной среде можно объяснить наличием капель воды в выпускном канале эжектора, которые препятствуют движению основной массы водовоздушной смеси. При этом основная масса водовоздушной смеси выталкивает скопившиеся на стенках канала капли, очищая тем самым канал. Это происходит периодически, что и приводит к колебаниям степени разрежения рабочего тела. Исследовано поведение захватного устройства с пневматическим генератором вакуума при эксплуатации полностью в водной среде. В данном случае в связи с тем, что через экстракционное отверстие в вакуумируемой области выходит только вода, усреднённый график переходного процесса выглядит более полого, то есть время переходного процесса увеличивается. Однако на выходе эжектора всё равно образуется водовоздушная смесь, так как в камере смешения встречаются две фазы: рабочее тело – воздух и экстрагируемая жидкость. Поэтому также можно наблюдать колебания уровня вакуума. Кроме того, есть предположение о возникновении кавитации (вскипания жидкости с выделением из неё растворённого воздуха) вследствие резкого падения давления в камере вакуумирования. Как только получившийся объём воздуха доходит до экстракционного отверстия камеры вакуумирования, происходит резкий выброс воздушной смеси через выпускной канал эжектора. Это явление чётко прослеживается при высоком уровне давления питания и сказывается на наблюдаемом в эксперименте переходном процессе.

 

Публикации

1. Бельченко Ф.М., Князьков М.М., Остриков П.П., Семенов Е.А., Суханов А.Н. Сomparative analysis of vacuum generative devices for vacuum suction cups of mobile transport systems designed for underwater operation Proceedings of 2023 International Conference on Ocean Studies (ICOS), - (год публикации - 2023)

2. Бельченко Ф.М., Князьков М.М., Остриков П.П., Семенов Е.А., Суханов А.Н., Чащухин В.Г. ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПОЛОСТЯХ И КАНАЛАХ ВАКУУМНЫХ ЗАХВАТНЫХ УСТРОЙСТВ Известия Волгоградского государственного технического университета, Известия Волгоградского государственного технического университета. — 2023. — № 9. — С. 15–21. (год публикации - 2023)

3. Князьков М.М., Семенов Е.А., Чащухин В.Г., Суханов А.Н., Бельченко Ф.М., Остриков П.П. Численное моделирование влияния водных течений на эффективность устройств сцепления робота вертикального перемещения в сложных средах Волгоградский государственный технический университет, XVI Всероссийская мультиконференция по проблемам управления (МКПУ-2023), том 1, стр. 71-73 (год публикации - 2023)

4. Болотник Н.Н., Князьков М.М., Семенов Е.А., Чащухин В.Г., Суханов А.Н., Бельченко Ф.М., Остриков П.П. Особенности применения пневматических роботов вертикального перемещения с вакуумными устройствами фиксации в водной среде Санкт-Петербург: ООО «Типография Фурсова», Сборник тезисов 34-й Международной научно-технической конференции «ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ РОБОТОТЕХНИКА», С. 85-87., 2023 (год публикации - 2023)

5. Бельченко Ф.М., Князьков М.М., Остриков П.П., Семенов Е.А., Суханов А.Н., Чащухин В.Г. Программа визуализации переходных характеристик разряжения в вакуумируемой полости захватного устройства с функцией сохранения результатов эксперимента в отдельный файл. -, 2023666205 (год публикации - )

6. Бельченко Ф.М., Князьков М.М., Остриков П.П., Семенов Е.А., Суханов А.Н., Чащухин В.Г. Программа анализа входных сигналов от последовательного порта модуля управления датчика Wika A-10 -, 2023665233 (год публикации - )