3. Конструкторские решения и достижения цнии ртк

Устройство вертикального перемещения.

С 2010 года в лабораториях ЦНИИ РТК ведется разработка робототехнического комплекса вертикального перемещения. Главным требованием в разработке была возможность перемещения по поверхностям различного характера. В результате исследований была разработана и сконструирована модель РУВП, мобильный робототехнический комплекс (МРТК)

Робототехнический комплекс состоит из миниатюрного гусеничного шасси, сменного навесного оборудования, устанавливающегося на шасси и пульта управления.

Робот представляет собой гусеничное шасси, способное перемещаться по произвольно ориентированным поверхностям для ведения скрытного аудио и видео наблюдения, а также доставки в заданную точку радиозакладных устройств.

Робот способен перемещаться по произвольно ориентированной поверхности: кирпичной кладке, бетону, отделочным поверхностям (горизонтальным и вертикальным) с шероховатостью (зерно от 5-7 мм) и небольшими трещинами, переходить с горизонтальной поверхности на вертикальную и обратно.

Рисунок 1.15 – 3D модель импеллера

Для удержания робота на вертикальных поверхностях применен воздушно-реактивный способ прижима за счет создания разряжения между опорной поверхностью и днищем робота. Разряжение достигается четырьмя отсасывающими воздух импеллерами (рисунок 1.15).

На гусеничное шасси, может быть установлено дополнительное оборудование: манипулятор, либо модуль ориентации телекамеры.

Манипулятор имеет четыре степени подвижности и предназначен для позиционирования миниатюрной видеокамеры и доставки в заданную точку закладных устройств. Рабочая зона – полусфера с радиусом до 0,4 м.

Рисунок 1.16 – Модуль с телекамерой

На модуль ориентации телекамеры (МОТ) устанавливается видеокамера с 12-кратным увеличением. Углы позиционирования по азимуту от -180 до 180, по углу места от -90 до 90.

Для управления комплексом пользователю предлагается стационарный пульт управления, представленный на рисунке 1.17.

Стационарный пульт управления представляет собой чемодан, внутри которого расположен 15’’ монитор, органы управления, устройство записи аудио-видео информации и бортовой аккумулятор. Пульт дистанционного управления выполнен на базе ноутбука с двумя двухкоординатными рукоятками, позволяющими управлять манипулятором, МОТ, либо движением шасси. На дисплее отображается видео - информация с камер, а также уровень заряда аккумулятора, углы наклона, курса и тангажа, давление в вакуумных камерах, скорость перемещения робота, показания датчика проскальзывания.

Рисунок 1.17 – Стационарный пульт управления

Таблица 1.8 - Технические характеристики

Масса, кг	1,4
Грузоподъемность, кг	0,8
Габаритные размеры, мм	340 x 280 x 80
Дальность управления по радиоканалу на открытой местности, м	250
Время автономной работы (не менее), ч	1,5
Рабочее освещение, лк	0,01-10000
Скорость перемещения, м/с	1

В результате испытаний образца были выявлены некоторые недостатки, в том числе сложность изготовления. Корпус представляет собой склеенное из множества элементов изделие. Элементы изготовлены из листов полипропилена. Чтобы упростить конструкцию для дальнейших версий была применена технология 3D печати. Шасси, манипулятор и МОТ отпечатаны по спроектированным моделям.

Так же для улучшения характеристик были проведены исследования моделей импеллеров. Экспериментальные образцы импеллеров мобильного разведывательного комплекса с лопастями различных конфигураций (на рисунке 1.15. представлен образец №3):

1. образец №1 – импеллер с прямыми лопастями;

2. образец №2 – импеллер с изогнутыми лопастями;

3. образец №3 – импеллер с винтообразными лопастями.

Предварительные испытания экспериментальных образцов проводились для оценки влияния конфигурации лопастей на удельную характеристику импеллера (отношение прижимной силы к подаваемой на двигатель мощности) на экспериментальном стенде, структурная схема которого приведена на рисунке 1.18.

Рисунок 1.18 – Экспериментальный стенд

Для образца №1 результаты испытаний приведены в таблице 1.9, для образца №2 результаты испытаний приведены в таблице 1.10, для образца №3 результаты испытаний приведены в таблице 1.11.

Таблица 1.9 – Результаты испытаний образца №1

Ток двигателя, А	Скорость вращения лопастей, Об./мин.	Прижимное усилие, кг	Потребляемая мощность, Вт	Удельная характеристика, г/Вт
0,42	7130	0,6	5,04	119
0,63	9020	0,95	7,56	126
0,83	10350	1,15	9,96	115
1,03	11560	1,4	12,36	113
1,26	12660	1,7	15,12	112
1,4	13190	1,8	16,8	107

Таблица 1.10 – Результаты испытаний образца №2

Ток двигателя, А	Скорость вращения лопастей, Об./мин.	Прижимное усилие, кг	Потребляемая мощность, Вт	Удельная характеристика, г/Вт
0,37	6400	0,6	4,44	135
0,63	8940	0,9	7,56	119
0,84	10440	1,2	10,08	119
1,02	11380	1,45	12,24	118
1,26	12320	1,7	15,12	112
1,43	13130	1,75	17,16	102

Таблица 1.11 – Результаты испытаний образца №3

Ток двигателя, А	Скорость вращения лопастей, Об./мин.	Прижимное усилие, кг	Потребляемая мощность, Вт	Удельная характеристика, г/Вт
0,41	6890	0,7	4,92	142
0,61	8718	1	7,32	137
0,8	10084	1,35	9,6	141
1,06	11486	1,65	12,72	130
1,25	12390	1,8	15	120
1,44	13046	2	17,28	116

Для сравнения полученных результатов построены зависимости удельной характеристики от тока двигателя и прижимной силы импеллера от тока двигателя, представленные на графиках 1.19 и 1.20 соответственно.

Согласно полученным результатам образец импеллера с винтообразными лопастями имеет лучшую удельную характеристику. При одинаковой потребляемой мощности образец №3 дает на 10% большую прижимную силу, чем остальные два образца, 1.35 кг. Что дает общую прижимную силу 5.4 кг

Рисунок 1.19 – Зависимость удельной характеристики от тока двигателя

Рисунок 1.20 – Зависимость прижимной силы от тока двигателя

4. Выводы по разделу

В результате обзора конструкторских решений в данной области можно сказать, что существующие методы удержания РУВП на вертикальной поверхности не идеальны. В мире огромное число НИИ и лабораторий работают по рассматриваемому вопросу, но как видно из обзора, все разработки специализируются в определенном направлении (поверхности, по которой способен перемещаться РУВП). Каждый метод имеет свои плюсы и минусы.

Представленные разработки с вакуумным способом удержания (ВС).

Достоинства:

Величина притяжения зависит только от мощности насосной станции, большая несущая способность.

Недостатки:

1. есть ограничения по преодолению препятствий, а именно размер и конфигурация препятствий (геометрия, углы сопряжения поверхностей) зависят от подвижности узлов робота, упругих свойств используемых материалов и присутствие в конструкции подводящих шлангов;

2. влияние качества поверхности, неровностей, шероховатости и трещин на силу прижатия РУВП к поверхности;

3. низкая скорость передвижения;

4. прочность вертикальной поверхности ограничивает массу робота.

Роботы с клеевым способом удержания.

Достоинства:

1. удержание устройства на одном месте может быть осуществлено без затрат энергии бортовых аккумуляторов, а время удержания определяется только свойствами клеевого соединения;

2. миниатюрность.

Недостатки:

1. повышенные требования к размеру и эффективности приводов органов перемещения;

2. предъявляют повышенные требования к материалу поверхности перемещения и в большей степени могут рассматриваться как устройства для перемещения по стеклянным или аналогичным гладким поверхностям.

Роботы с вакуумно-реактивным способом удержания (ВРС).

Достоинства:

1. высокие показатели по грузоподъёмности по отношению к собственному весу;

2. требования к прочности покрытия поверхности перемещения существенно ниже, чем при ВС;

3. высокая скорость перемещения;

4. маневренность.

Недостатки:

1. колесный способ перемещения при небольшом клиренсе вносит ограничение на размер и характер преодолеваемых препятствий;

2. большая энергоемкость.

Роботы с электроадгезионным принципом удержания.

Достоинства:

1. низкое энергопотребление;

2. высокая скорость передвижения.

Недостатки:

1. высокие требования к гладкости поверхности;

2. возможен пробой, вследствие использования высоких напряжений в области крепления.

Для выбора конструкции РУВП наиболее существенным является проблема удержания на вертикальной поверхности. Так как перечисленные выше методы не гарантируют безопасной работы устройства, необходимо найти оптимальное решение.

В настоящее время наиболее простой и экономичный метод – вакуумно – реактивный способ. Он приемлем по нескольким причинам: высокие показатели грузоподъемности, хорошая маневренность и проходимость, достаточно высокая скорость передвижения.

Для достижения положительного результата, необходимо обеспечить возможность установки на РУВП многозвенного манипулятора и органов очувствления (видеокамер), что возможно при использовании ВРС метода. Для увеличения времени автономной работы РУВП при удержании на поверхности без движения можно применить фиксирующее клеевое устройство.

Однако для реализации такой конструкции необходимо проведение самостоятельной разработки надежного малогабаритного вакуумно-реактивного устройства или специального клеевого узла.

Продолжительность функционирования автономных устройств определяется их энерговооруженностью. Использование внешнего источника решит проблему энергозатрат, но радиус действия и маневренность будут зависеть от проводов, подведенных к РУВП, что не приемлемо.

Вопросы управления движением по маршруту и управления вне зоны прямой видимости можно решить на уровне современных подходов, в частности за счет установки бортовой видеокамеры и беспроводной двусторонней беспроводной связи стандарта Bluetooth.

Таким образом, для проектирования РУВП нужно использовать ВРС метод, а прототипом конструкции можно взять модель созданного в лабораториях ЦНИИ РТК МРТК, увеличив силу прижатия к поверхности.