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 проекта 23-11-00067
НазваниеВакуумные захватные устройства для роботов, эксплуатируемых в воздушной, жидкой и пограничной средах.
Руководитель Болотник 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
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 слова Робототехника, 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.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
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. Система управления испытательным стендом для исследования переходных процессов в вакуумных присосках в водной среде. МОРСКИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, г. Санкт-Петербург (год публикации - 2024)
6. Бельченко Ф.М., Князьков М.М., Остриков П.П., Семенов Е.А., Суханов А.Н., Чащухин В.Г. Экспериментальные исследования газодинамических и гидродинамических процессов, происходящих в вакуумных захватных устройствах, функционирующих в различных средах Робототехника и техническая кибернетика, г. Санкт-Петербург (год публикации - 2025)
7. Бельченко Ф.М., Князьков М.М., Остриков П.П., Семенов Е.А., Суханов А.Н. Экспериментальные исследования сцепления с поверхностью вакуумных захватных устройств в различных средах МОРСКИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, г. Санкт-Петербург (год публикации - 2024)
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Для расширения разнообразия исследований, проводимых с целью экспериментального изучения газодинамических и гидродинамических процессов, протекающих в вакуумных захватных устройствах, функционирующих в различных средах, и повышения точности измерений был существенно модифицирован испытательный стенд.
Экспериментальный стенд состоит из жёсткой рамы с закреплённым на ней пневмоцилиндром. Пневмоцилиндр формирует усилие отрыва присоски, приложенное через жёсткую штангу. Рейка, закреплённая на горизонтальной части рамы, используется для определения перемещения присоски и имеет потенциометрический датчик для измерения перемещений в реальном времени. Для генерации вакуума в присоске используется воздушный эжектор, а уровень разрежения в ее камере контролируется датчиком вакуума. К стенду подключены несколько магистралей сжатого воздуха. Эжектор питается сжатым воздухом из магистрали и имеет выход в окружающую среду. Давление питания эжектора измеряется датчиком давления. Магистрали подключены к пневмоцилиндру, и на магистрали, питающей штоковую полость на втягивание пневмоцилиндра, установлен цифровой редуктор давления с возможностью программирования уровня давления, что даёт возможность реализовать переменное отрывающее усилие на присоске. Давление в штоковой полости измеряется датчиком давления.
Пневматическая схема стенда состоит из следующих компонентов: источник сжатого воздуха; ресивер; влагопоглотитель; фильтр; манометр, контролирующий входное давление; редуктор входного давления; электропневматический клапан управления движением пневмоцилиндра, формирующего усилие отрыва; электропневматический клапан управления движением пневмоцилиндра, формирующего усилие сдвига; электропневматический клапан подачи питания эжектора; датчик давления с манометром, контролирующий давление питания пневмоцилиндра, формирующего усилие отрыва; редуктор давления питания пневмоцилиндра, формирующего усилие отрыва; редуктор давления питания пневмоцилиндра, формирующего усилие сдвига; редуктор давления питания эжектора; пневмоцилиндр, формирующий усилие отрыва; датчик давления с манометром, контролирующий давление питания пневмоцилиндра; датчик давления с манометром, контролирующий давление питания эжектора; присоска; датчик вакуума с вакуумметром, контролирующий вакуум в присоске; пневмоцилиндр, формирующий усилие сдвига; эжектор генерирующий вакуум в присоске.
Модернизированный стенд оснащен оригинальными устройствами, которые разработаны участниками проекта и позволяют испытывать присоски на нормальный отрыв и касательный сдвиг по отношению к поверхности опоры, как на воздухе, так и под водой. На эти устройства поданы три заявки в Федеральную службу интеллектуальной собственности на получение патентов как на полезные модели. Кроме того, получено 5 свидетельств на программное обеспечение, позволяющее автоматически регистрировать и обрабатывать данные измерений, производимых в ходе эксперимента, и представлять результаты экспериментов в форме диаграмм и графиков.
На модифицированном стенде проведена серия экспериментов по исследованию газодинамических процессов, происходящих в полости вакуумирования присоски при её нагружении и отрыве в разных средах.
Изучены зависимости пороговых сил (по превышении которых присоска отрывается от поверхности контакта или начинает скользить вдоль нее), приложенных к присоске по нормали и по касательной к поверхности опоры, от глубины погружения присоски под воду и от давления воздуха на входе эжектора при квазистатическом нагружении.
Экспериментально показано, что скорость установления желаемого разрежения в полости вакуумной присоски, эксплуатируемой под водой, существенно зависит от глубины погружения. С одной стороны, гидростатическое давление на корпус присоски, которое возрастает с глубиной, способствует более сильному прижиму присоски к поверхности. С другой стороны с увеличением глубины возрастает противодавление потоку рабочего тела на выходе эжектора. Это приводит к значительному увеличению времени установления рабочего уровня вакуума в присоске; кроме того, с увеличением глубины снижается установившийся уровень вакуума в присоске при неизменном давлении питания эжектора. Описанные эффекты исследованы качественно и количественно.
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. Система управления испытательным стендом для исследования переходных процессов в вакуумных присосках в водной среде. МОРСКИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, г. Санкт-Петербург (год публикации - 2024)
6. Бельченко Ф.М., Князьков М.М., Остриков П.П., Семенов Е.А., Суханов А.Н., Чащухин В.Г. Экспериментальные исследования газодинамических и гидродинамических процессов, происходящих в вакуумных захватных устройствах, функционирующих в различных средах Робототехника и техническая кибернетика, г. Санкт-Петербург (год публикации - 2025)
7. Бельченко Ф.М., Князьков М.М., Остриков П.П., Семенов Е.А., Суханов А.Н. Экспериментальные исследования сцепления с поверхностью вакуумных захватных устройств в различных средах МОРСКИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, г. Санкт-Петербург (год публикации - 2024)