Учреждение Рoccийcкoй академии наук
Инcтитут прoблем механики им. А.Ю. Ишлинcкoгo РАН
В Лабoратoрии рoбoтoтехники и мехатрoники Инcтитута прoблем механики РАН coздан внутритрубный миниатюрный рoбoт (риc. 1) [1] c вoзмoжнocтью реверcивнoгo перемещения, предназначенный для диагноcтики труб малого диаметра. Механичеcкая cиcтема робота cоcтоит из двух модулей (риc. 2): модуль 1, cнабженный переключающимиcя скользящими упорами; модуль 2 – маршевый электромагнитный двигатель, шток которого соединен с модулем 1 посредством гибкой связи. Электродвигатель, установленный в корпусе модуля 1, осуществляет выдвижение нужной группы лепестков упора, ориентированных под определенным углом к поверхности трубы, что позволяет роботу двигаться в желаемом направлении. Скользящие упоры в данной конструкции позволяют перемещаться со скоростью до 7 см/с в резонансном режиме работы маршевого двигателя [2] и при этом не повреждают стенки трубопровода. При периодическом включении и выключении обмотки соленоида маршевого двигателя происходит втягивание штока, выталкиваемого пружиной. Продвижение робота происходит в том направлении, в котором наклонены лепестки упоров. Основным недостатком такой системы является малая грузоподъемность. Ниже представлены методы повышения грузоподъемности робота путем повышения анизотропности трения [3] при движении робота.
Рассмотрим каждый лепесток упора, с наноструктурированным адгезионным материалом на контактной площадке, как упругую цилиндрическую балку (рис. 3). Оценим величину различия сил трения при скольжении лепестка вдоль и против наклона. Введем продольный и поперечный коэффициенты его упругости:
Если на торце, скошенном под таким углом, что при скольжении назад торцевая площадка полностью соприкоснется с поверхностью трубы, расположить ворсистый адгезионный материал, прилипающий с силой Fадг,, то отношение сил трения при скольжении против ворса и по ворсу:
Рис. 2 Внутреннее устройство робота
Зависимость показана на рис. 4 (верхняя кривая), зависимость F2/F1, при отсутствии адгезии, представлена нижней кривой.
Оценим величину силы адгезии, которой обладает ворсистый материал, расположенный на контактных площадках лепестков-упоров. Ворсинки будем рассматривать как упругие цилиндрические балки. Расстояние от кончика ворсинки до уровня z = 0 обозначим D . Тогда вероятность того, что z попадет в промежуток ( D,∞) равна,
здесь - плотность вероятности для нормального распределения с математическим ожиданием равным нулю и дисперсией d - среднее значение абсолютных величин высот шероховатостей поверхности. Величина сжатия ворсинки Δ = z − D (рис. 5).
от угла наклона лепестков упора робота
Сила адгезионного притяжения одной ворсинки (коэффициент 3/2 взят для ДКР модели адгезии [5]).
Сила отталкивания от поверхности, возникающая в материале, сложится из сил упругости, возникающих в контактирующих с поверхностью ворсинках. Средняя сила отталкивания, отнесенная к произведению количества ворсинок на силу адгезии для одной ворсинки:
В работе исследовано явление анизотропности трения упругих скользящих упоров внутритрубного микроробота. Определен наилучший угол наклона упоров, соотношение их геометрических размеров и характеристики материала, из которого они изготовлены, обеспечивающие увеличение грузоподъемности робота. Исследован механизм взаимодействия с поверхностью адгезионного наноструктурированного материала, который может применяться на контактных площадках упоров, обеспечивая дополнительное повышение грузоподъемности.
Рис.5. Контакт ворсинок с твердой
шероховатой поверхностью | Рис. 6 Зависимость безразмерной силы
взаимодействия ворсинок с поверхностью от расстояния до нее и ее шероховатости |
Литература
1. Gradetsky V., Solovtsov V., Kniazkov M., Rizzotto G., Amato P. Modular design of electro-magnetic mechatronic microrobots // Proceedings of the 6-th International Conference CLAWAR 2003, Catania, Italy, 2003. Р. 651–658.
2. Чащухин В.Г. Моделирование динамики и определение управляющих параметров внутритрубного миниробота // Теория и системы управления. 2008. № 5. С. 142–147.
3. Чащухин В.Г. Сухой адгезионный материал для схватов в робототехнике // Наномикросистемная техника. 2009. № 2. С. 13–18.
4. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров) // М.: Наука, 1974. С. 575.
5. Israelachvili J. Intermolecular and surface forces. 2nd ed. Academic Press. London. 1992.
Источник: Сборник тезисов докладов участников Второго международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий.