Запечатлевая движение,
Создавая истории

1. Обзор проекта

В данной статье представлен робот-альпинист континуума, предназначенный для осмотра ядерных установок, разработанный исследовательской группой профессора Жианвэня Чжао из Харбинского технологического института (Вэйхай). Робот имеет выдвижной призматический пружинный каркас. Кинетостатические модели разработаны и проверены с помощью конечно-элементного анализа и физических экспериментов с использованием системы захвата движения NOKOV 3D.

Робот-альпинист континуума предназначен для выполнения задач осмотра в ограниченных и прерывистых средах, таких как трубопроводы, сосуды под давлением и сложные поверхности оборудования, встречающиеся на ядерных объектах.

Робот имеет выдвижной призматический пружинный каркас, обеспечивающий непрерывное изгибание, осевое удлинение и стабильное перемещение по кривым и несплошным поверхностям.

2. Исследовательский фон

Континуальные роботы движутся через непрерывную деформацию гибких каркасов, что делает их подходящими для осмотра в ограниченных и сложных средах, таких как трубопроводы и сосуды под давлением на ядерных объектах.

В сценариях ядерного осмотра роботы должны адаптироваться к криволинейным поверхностям, узким пространствам и прерывистым конструкциям. Традиционные жесткие или колесные роботы сталкиваются с ограничениями мобильности и адаптивности поверхности в таких условиях.

Существующие модели континуальных роботов часто основываются на предположениях о постоянной кривизне и круговых геометриях каркаса, что снижает точность при учете силы тяжести, внешних нагрузок или некруглых выдвижных конструкций. Кроме того, многие модели не могут обеспечить баланс между вычислительной эффективностью и точностью прогнозирования.

Поэтому все еще отсутствуют общие и эффективные методы кинетостатического моделирования для некруглых выдвижных пружинных каркасов, что ограничивает практическое использование континуальных роботов в задачах ядерного осмотра.

3. Вклад настоящего исследования

Данная работа исследует кабельно-приводной выдвижной призматический пружинный каркас для робота-альпиниста континуума, работающего в прерывистых средах осмотра.

Основные вклады:

• Предложена выдвижная призматическая пружина, способная к всенаправленному изгибу, что обеспечивает стабильное перемещение и переходы между поверхностями в ограниченных пространствах.

• Некруглая пружина эквивалентна упругому брусу с анизотропной изгибной жесткостью, полученной с использованием принципа проекции деформации микросегментов.

• Разработаны две кинетостатические модели: дискретная модель конечных сегментов (DM) для эффективных вычислений и непрерывная модель на основе теории стержней Коссера (CM) для более высокой точности прогнозирования формы.

• Предложенные методы проверены с помощью конечно-элементного анализа (FEA) и физических экспериментов.

4. Метод кинетостатического моделирования

Для описания деформации выдвижного призматического пружинного каркаса под действием сил кабелей, силы тяжести и внешних нагрузок каркас эквивалентен упругому брусу с анизотропной изгибной жесткостью.

Разработаны два дополнительных подхода к моделированию:

4.1 Дискретная модель конечных сегментов (DM)

• Каркас дискретизирован шаг за шагом

• Сжатие и изгиб разделены через линейную суперпозицию

• Аналитические выражения для изгиба и вращения

• Подходит для быстрых вычислений и приложений управления

4.2 Непрерывная модель (CM)

• Основана на эквивалентном прямоугольном брусе

• Использует теорию стержней Коссера

• Решается с постепенно расширяющейся областью интегрирования

• Обеспечивает более высокую точность прогнозирования формы в ограниченных пространствах

5. Экспериментальная проверка

Точность модели проверена с помощью конечно-элементного моделирования и физических экспериментов.

5.1 Конечно-элементный анализ (FEA)

• Пружинный каркас смоделирован как 3D элементы сплошной среды

• Приводные кабели смоделированы как элементы только с растяжением

• Симуляции проведены для изменения шага, рыскания и комбинированной 3D деформации

5.2 Физические эксперименты с системой захвата движения NOKOV

Физическая экспериментальная платформа включает:

• Кабельно-приводную систему приведения в действие

• Датчики силы

• Система захвата движения NOKOV 3D

Отражающие маркеры размещены вдоль пружинного каркаса для захвата трехмерных координат в реальном времени. Это позволяет восстановить форму центральной линии каркаса и углы положения при различных условиях приведения в действие.

6. Экспериментальные результаты

Как дискретные, так и непрерывные модели демонстрируют хорошее согласование с экспериментальными измерениями.

Измеренные данные деформации каркаса, полученные с помощью системы захвата движения NOKOV, служат экспериментальным эталоном для количественного сравнения.

7. Демонстрация применения в сценариях ядерного осмотра

Робот протестирован в сценариях, связанных с ядерным осмотром, включая:

• Перемещение по прерывистым поверхностям

• Переход между трубопроводами и сосудами под давлением

• Движение вдоль сложных геометрий оборудования

Эти демонстрации подтверждают способность робота поддерживать стабильное движение и адаптивность в средах, характерных для задач осмотра ядерных объектов.

8. Роль системы захвата движения NOKOV

Система захвата движения NOKOV 3D предоставляет:

• Высокоточные 3D данные о положении каркаса

• Точное восстановление непрерывной деформации