Разработка математической модели механической системы внутритрубного робототехнического комплекса

Дмитрий Николаевич Кучев

doi:10.22213/2413-1172-2024-1-4-13

Авторы

Д. Н. Кучев Пермский национальный исследовательский политехнический университет

DOI:

https://doi.org/10.22213/2413-1172-2024-1-4-13

Ключевые слова:

статика механической системы, новая конструкция робота, опорно-прижимные роботы, робототехнические устройства, аварии на трубопроводах, внутритрубная диагностика, технологические трубопроводы

Аннотация

Рассмотрена проблема диагностики трубопроводов Российской Федерации. Приведена краткая статистическая информация по отказам технологических трубопроводов различного назначения. Представлены причины возникновения аварий, проанализированы технические решения своевременной диагностики трубопроводов с использованием внутритрубных робототехнических устройств. Предложена новая конструкция внутритрубного робототехнического комплекса с возможностью движения по участкам сложной геометрии, представлено исследование по разработке математического описания механической системы внутритрубного робототехнического комплекса для последующего создания системы управления движением устройства по его перемещению внутри трубопровода. При выполнении исследования использованы методы анализа, синтеза, обобщения научного опыта в области автоматизированных внутритрубных устройств, методы теоретической механики, мехатроники и робототехники. В результате получено математическое описание перехода статически уравновешенной механической системы в движение устройства, когда тяги расч с .F F> Получены зависимости влияния параметров конструкции и ее ориентации на скалярные величины сил реакций опор колесных движителей; так, при массе устройства 12 кг, ориентации угла наклона трубопровода 0 градусов и минимальной силе прижатия колесных движителей результирующая сил реакций опор составляет 117,6 Н. Полученные зависимости позволяют учитывать распределение силы тяжести между опорными ногами в зависимости от параметров конструкции автоматизированного устройства, а также ее ориентации. При этом силы реакции опор колесных движителей являются главной составляющей при определении тягового усилия движения устройства. В свою очередь, это позволяет вычислить необходимые усилия на опорных ногах для поддержания пространственного положения устройства в зависимости от углов ориентации ( ),,θ α перемещения диагностического оборудования устройства на необходимую позицию диагностирования относительно трубопровода, выполнить подбор электродвигателя. Результаты исследования могут быть использованы при разработке внутритрубных робототехнических устройств опорно-нажимного типа.

Биография автора

Д. Н. Кучев, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

аспирант

Библиографические ссылки

Обоснование выбора конструкции автономного робототехнического комплекса для диагностики трубопроводов сложной геометрии / Кучев Д. Н., Тонков Е. Ю., Поезжаева Е. В., Щелудяков А. М., Гумаров Э. Х., Белобородов Ф. С. // Строительные и дорожные машины. 2023. № 4. С. 47-52.

Miao X., Zhao H., Ma Y. (2022) Perception Modeling of In-Pipe Robot based on Machine Learning, 11th Electrical Power, Electronics, Communications, Controls and Informatics Seminar (EECCIS), Malang, Indonesia, pp. 322-327.

Tang Z., Li Z., Ma S., Chen Y., Yang Y. (2021) Structure Design of Adaptive Pipeline Detection Robot,7th International Conference on Control, Automation and Robotics (ICCAR), Singapore, pp. 136-140.

Kazeminasab S., Akbari A., Jafari R., Banks M.K. (2021) Design, Characterization and Control of a Size Adaptable In-pipe Robot for Water Distribution Systems, 22nd IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), Valencia, Spain, pp. 39-46.

Chen J., Zhang X., Cao X., Deng Z. (2019) Speed Control Characteristics and Energy Consumption Modeling for Composite Driving in-Pipe Robot,IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO), Dali, China, 2019, pp. 2583-2588.

Zheng T. (2022) Design of a Robot for Inspecting the Multishape Pipeline Systems. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 27, no. 6, pp. 4608-4618.

Chen J., Cao X., Xu H., Zhang X. and Deng Z. (2020) Structure Design and Characteristic Analysis of Compound-Driven Unit for Pipeline Robot, 2020, 5th International Conference on Advanced Robotics and Mechatronics (ICARM), Shenzhen, China, pp. 353-358.

Zheng T., Wang X., Li H. (2022) Design of a Robot for Inspecting the Multishape Pipeline Systems. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 27, no. 6, pp. 4608-4618.

Wu K., Sang H., Xing Y., Lu Y. (2023) Design of wireless in-pipe inspection robot for image acquisition.Ind. Robot.-Int. J. Robot. Res. Appl., 50, pp. 145-161.

Yan H., Wang L., Li P., Wang Z., Yang X., Hou X. (2020) Research on Passing Ability and Climbing Performance of Pipeline Plugging Robots in Curved Pipelines. IEEE Access 2020, 8, 173666-173680.

Krishna G.A., Castillo U.A., Mishra A. (2022) Hereid and S. Kolathaya, "Linear Policies are Sufficient to Realize Robust Bipedal Walking on Challenging Terrains". In IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 7, no. 2, pp. 2047-2054, April 2022. DOI: 10.1109/LRA.2022.3143227

Савин С. И., Ворочаева Л. Ю. Восстановление вертикального равновесия шагающего робота как оптимизационная задача // Завалишинские чтения 19: сборник докладов конференции, Санкт-Петербург, 17-20 апреля 2019 года. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, 2019. С. 260-263.

Ворочаева Л. Ю., Савин С. И. Исследование установившихся периодических движений модулей ползающего робота при наличии внешних возмущений // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2021. № 4(733). С. 18-29. DOI: 10.18698/0536-1044-2021-4-18-29

Virgala I., Kelemen M., Prada E. (2021) A snake robot for locomotion in a pipe using trapezium-like travelling wave. Mechanism and Machine Theory, 2021, vol. 158, p. 104221. DOI: 10.1016/j.mechmachtheory.2020.104221

Liu J., Wang Y., Li M. and R. Deng (2023) Joint Linkage and Motion System Design of Pipeline Detecting Snake Robot, 2023 35th Chinese Control and Decision Conference (CCDC), Yichang, China, 2023, pp. 1545-1550. DOI: 10.1109/CCDC58219.2023.10327219

Venkateswaran S., Chablat D. (2019). A new inspection robot for pipelines with bends and junctions. In: Uhl, T. (eds) Advances in Mechanism and Machine Science. IFToMM WC 2019. Mechanisms and Machine Science, vol. 73. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-20131-9_4

Роботы для обработки трубопроводов малого диаметра в условиях агрессивных сред / И. О. Вторушин, В. В. Левщанов, С. А. Косарев [и др.] // Экстремальная робототехника. 2021. Т. 1, № 1. С. 330-346.

Рыльцева Ю. А., Орлов В. А. Системы визуального обследования и ремонта водопроводных и водоотводящих трубопроводов // Инженерный вестник Дона. 2020. № 4(64). С. 23.

Холоденко В. Б., Пахомов А. П. Внутритрубные диагностические роботизированные мобильные комплексы для труб различного диаметра // Инновации. Наука. Образование. 2022. № 52. С. 630-645.

Емельянова В. А., Соколова Е. В. Исследование риска аварий на объекте теплоснабжения и разработка комплекса мероприятий по повышению безопасности его функционирования // Проблемы анализа риска. 2020. Т. 17, № 3. С. 44-55.

Короткова Т. Г., Боженова К. С. Статистика и причины аварий на объектах нефтегазодобычи // Научные труды КубГТУ. 2019. № 1. С. 115-127.

Гибадулин П. Д., Уланов В. В. К вопросу о безопасности трубопроводного транспорта нефти и газа // Деловой журнал Neftegaz.RU. 2022. № 12(132). С. 16-20.