DESIGN AND CONTROL OF WIRE-DRIVEN CONTINUUM ROBOT ARM NUCLEAR REACTOR REPAIRMENT AND INSPECTION WORK

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.