ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОНТИНУУМ РОБОТА ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

DESIGN AND CONTROL OF WIRE-DRIVEN CONTINUUM ROBOT ARM NUCLEAR REACTOR REPAIRMENT AND INSPECTION WORK
Цитировать:
Павлов Н.В., Ешмухаметов А.Н. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОНТИНУУМ РОБОТА ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2022. 4(97). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/13397 (дата обращения: 06.12.2022).
Прочитать статью:
DOI - 10.32743/UniTech.2022.97.4.13397

 

АННОТАЦИЯ

В данной научной статье был выполнен анализ литературы, содержащей информацию о первых разработках сверх гибкого манипулятора, прогрессе исследований в этом направлении и вариантах применения данного робота.

ABSTRACT

In this scientific article, an analysis of the literature containing information about the first developments of an ultra-flexible manipulator, the progress of research in this direction and the application options of this robot was carried out.

 

Ключевые слова: робототехника, сверхгибкий робот, континуум- манипулятор.

Keywords: robotics, super-flexible robot, continuum manipulator.

 

Предпосылки исследования и обзор связанных научных работ

Как было отмечено выше, традиционные манипуляторы с жесткими звеньями не способны работать в замкнутой среде, ограничивающей степени их подвижности. На помощь в данных ситуациях приходят мобильные роботы малых габаритов, способные быстро ориентироваться и перемещаться.

Первым континуальным роботом является разработка Виктора Андерсона из Института океанографии Скриппса в 1967 году, получившая название Tensor Arm и имевшая 16 степеней свободы [1]. Прототип приводился в действие нейлоновым “сухожилием”, располагающимся по внешней стороне робота (рисунок 1).

 

Рисунок 1. Tensor Arm

 

Прототип должен был применяться в подводных миссиях, однако испытания были неудачными.

Модель Андерсона была взята и переработана для использования в малоинвазивной хирургии. Первыми в данной области были Грэхам Робинсон и Брюс Дэвис [2]. Представленный ими манипулятор Harp с помощью концентрических трубок мог принимать нужную форму и изгибаться в любую сторону, хоть и обладал низкой скоростью.  Позже Чжэн Ли из Китайского университета Гонг-Конга с командой представили новую гибкую роботизированную систему с управляемыми сухожилиями [3]. Отличительной стороной была настраиваемая жесткость конструкции посредством управления этими сухожилиями и регулировкой длины участка изгиба.

Сравнительно недавно была предложена идея реализации континуального робота с чередующимися континуум звеньями, следующими за рабочим органом (рисунок 2).

Несмотря на простую конструкцию и компактный дизайн исполнения, робот имел очень малую грузоподъемность [4-5].

 

Рисунок 2. Робот с чередующимся континуумом

 

Современные исследования по континуальному управлению роботами

Оптимизация и совершенствование технологии продолжается и сегодня. Несмотря на простую идею, её реализация постоянно встречает определенные трудности.

Применение тросов для управления континуум-роботом в значительной степени повышает возможную грузоподъемность, однако основным нюансом на данный момент является проблема натяжения этих тросов. Слабое натяжение приводит к покиданию троса своего места, что приводит к остановке процесса и началу наладочных работ.

Кроме этого, слабое натяжение снижает грузоподъемность манипулятора и точность позиционирования рабочего органа, вследствие чего континуум-роботы в наше время находят широкое применение только в малоинвазивной хирургии, где процесс не автоматизирован и выполнение континуум-роботом своей задачи требует постоянного контроля со стороны человека.

Одним из последних континуум-роботов является робот для сбора урожая. Азамат Ешмухаметов, взяв прототип Яна Уокера, полностью переработал дизайн и систему управления.

 При исследовании наработок Уокера были выявлены проблемы, связанные с трением и провисанием троса, что приводило к соскальзыванию последнего.

 При создании прототипа был разработан абсолютно новый тип пассивного скольжения при помощи дискового механизма, исключающий трение тросов о сегменты и выпадение их со своих мест, а также новый метод управления с обратной связью по их натяжению [6] (рисунок 3).

 

Рисунок 3.  Континуум-робот

 

Предлагаемый в научной работе новый гибридный механизм предварительного натяжения демонстрирует высокую эффективность и манёвренность при управлении несколькими секциями континуум-манипулятора, обеспечивая двухступенчатую компенсацию натяжения.

 

Рисунок 4. Звено континуум-робота в Inventor

 

Рисунок 5. Универсальное соединение, обеспечивающее подвижность робота, в Inventor

 

Также необходимо увеличить степень мобильности робота для работы в трубопровод. Механизм должен иметь универсальный диаметр с возможностью регулировки. Достичь этого можно либо с помощью платформ на пружинах, благодаря которым будет осуществляться подстраивание к нужному диаметру трубы, либо с помощью приводов.

Однако проведя исследование было выяснено, что оба варианта не могут обеспечить устойчивое положение прототипа в связи с чем утрачивается точность позиционирования рабочего органа.

 

Рисунок 6.  Первый прототип корпуса для континуум-робота, увеличивающий мобильность конструкции в Inventor

 

Устройство нового прототипа базируется на ножничном механизме, где используются перекрестные соединения опор.

Сжатие и растяжение механизма происходит при приложении усилий к свободным частям конструкции, благодаря чему и происходит изменение длины (удлинение или укорачивание). Приведение в движение может осуществляться с помощью пневматического, гидравлического, электрического или комбинированного приводов, а также просто с помощью ручной силы, если таковой достаточно.

В отдельных сценариях достаточным будет применение усилия только в одном направлении благодаря автоматическом возвращении конструкции в исходное положение при снятии усилия. Данный сценарий возможен при наличии пружинной составляющей или ввиду упругости механизма.

Ярким примером реализации механизма являются подъемные столы и ножничные подъемники. Последние имеют гораздо более высокую степень грузоподъемности, чем, например, телескопические. Однако имеют большие размеры и массу. Работают в основном на электричестве и дизельном топливе.

Рисунок 7. Первый вариант исполнения scissor mechanism континуум-робота в Inventor

 

Список литературы:

  1. Anderson, V.C.; Horn, R.C. Tensor arm manipulator design. Trans. ASME 1967, 67, 1–12.
  2. Robinson, G.; Davies, J.B.C. Continuum robots-a state of the art. In Proceedings of the 1999 IEEE International Conference on Robotics and Automation (Cat. No.99CH36288C), Detroit, MI, USA, 10–15 May 1999; pp. 2849–2854.
  3. Li, Z.; Feeling, J.; Ren, H.; Yu, H. A Novel Tele-Operated Flexible Robot Targeted for Minimally Invasive Robotic Surgery. Engineering 2015, 1, 73–78.
  4. Kang, B.; Koijev, R.; Sinibaldi, E. The First Interlaced Continuum Robot, Devised to Intrinsically Follow the Leader. PLoS One 2016, 11, e0150278, Doi:10.1371journal.pone.0150278.
  5. Ji, D.; Kang, T.H.; Shim, S.; Lee, S.; Hong, J. Wire-driven flexible manipulator with constrained spherical joints for minimally invasive surgery. In International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. Springer: Berlin, Germany, 2019; pp. 1–13.
  6. “Designing of Novel Wire-Driven Continuum Robot Arm with Passive Sliding Disc Mechanism: Forward and Inverse Kinematics”,Azamat Yeshmukhametov, Koichi Koganezawa, Yoshio Yamamoto, Proceedings of 19th International Conference on Control, Automation and Systems, 2019,pp 218-223, Jeju, Korea, 2019.
Информация об авторах

магистрант, Satbayev University, Республика Казахстан, г. Алматы

Master, Satbayev University, Republic of Kazakhstan, Almaty

ассоциированный профессор, лектор, Satbayev University, Республика Казахстан, г. Алматы

Associate Professor, Lecturer, Satbayev University, Republic of Kazakhstan, Almaty

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top