Разработка змееподобного робота, применяемого для диагностики трубопроводов

Реалиями сегодняшнего дня в России являются устаревшие системы магистральных нефтегазопроводов. В настоящее время общая протяженность магистральных трубопроводов превышает 300 тыс. км. При этом около 40% газопроводов и 60% нефтепроводов находится в эксплуатации более 20 лет. Очевидно, что традиционный подход к поддержанию работоспособности трубопроводов путем проведения капитальных ремонтов отдельных участков труб не может обеспечить надежность и безопасность магистральных нефтегазопроводов из-за их большой протяженности и различного состояния. Поэтому, основной стратегией обеспечения высокой надежности магистральных систем становится эксплуатация и ремонт «по фактическому состоянию», то есть переход к выборочному «точечному» ремонту элементов и участков по результатам 100% диагностического обследования многокилометровых трубопроводов. В последние годы всё большее значение приобретает метод бестраншейной инспекции и ремонта трубопроводов с помощью роботов, одной из актуальных задач в этом направлении является создание змеевидного мобильного робота. Область возможного применения подобного робота необычайно широка. Это и подвижные управляемые извне макеты змей, используемые в киноиндустрии и индустрии развлечений, и специализированные роботы, предназначенные для выполнения исследовательских, инспекционных и спасательных работ в экстремальных условиях и чрезвычайных ситуациях на Земле и в планируемых экспедициях на другие планеты.

Бионический подход в разработке автоматизированных автономных устройств используется в робототехнике с первых шагов её развития. Можно сказать, многообразие живого мира, способности адаптации отдельных организмов к среде обитания и выполнению специальных операций, энергетическая экономичность при локомоциях, оснащенность средствами сенсорики и коммуникации, побуждают инженеров вступать в соревнование с природой. Одно из интересных направлений развития робототехники связано с разработкой змееподобных роботов. Биологические змеи распространены по всей планете, а способы передвижения и физиология этих существ делают их в высшей степени приспособленными к обитанию в средах с различными климатическими условиями. Змеевидное устройство, способное скользить, плавно передвигаться и перекатываться, перемещаясь по плохо структурированным поверхностям, в подвижных (сыпучих и жидких) средах, перемещаться в ограниченных областях, рассматривается как эффективная альтернатива традиционному шагающему или колесному роботу. Для выполнения змееподобных движений механическая система должна обладать числом степеней свободы, превосходящих число степеней традиционных манипуляторов, поэтому змеевидные роботы вместе с хоботообразными манипуляторами относятся к классу гиперизбыточных роботов.

В работе было проведено исследование двадцатизвенной бесколесной модели. Поиск программных движений строился на основе стохастических, генетических и нейронных алгоритмов. Были получены режимы движения, сходные с наблюдаемыми у пресмыкающихся, и новые, не зафиксированные в живой природе. Следует отметить, что трудности организации целенаправленного перемещения бесколесного змеевидного робота в значительной мере были связаны с отсутствием рациональной механической модели перемещения гибкого змеевидного тела.

После подбора и анализа различной информации удалось:

· выбрать модель исследования (в нашем случае модель робота);

· определить область применения исследуемого робота;

· определить основные модели организации движения робота с помощью виртуальной модели, и оценить их недостатки и преимущества;

· подобрать систему датчиков, с помощью которых возможна необходимая диагностика трубопроводов;

· проанализировать механику змеевидного манипулятора.

Рис. 1. Принципиальная конструкция модуля змеевидного робота

На основе виртуальной модели проведено исследование локомоций змеевидного робота. Показано, что применение зависимости (1) – (2) для шарнирных углов позволяет организовать целенаправленное предсказуемое движение дискретной модели.

sincos,

sincos(+2).

Рассматриваемые роботы с диагностическими датчиками на борту, предназначены для движения внутри труб малых диаметров, в диапазоне от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. С целью выполнения технической диагностики машин и агрегатов нефтехимической и газовой промышленности, энергетических объектов, проведения регламентных и ремонтных работ трубопроводов малых диаметров, а также применения в технологических процессах высокоточной обработки изделий для энергетических систем.

Приведенные в работе датчики могут входить в состав систем управления роботами для обеспечения высокоточных движений. Бортовые телекамеры необходимы для получения визуальной информации о состоянии внутренних поверхностей труб. Эта информация затем подвергается микропроцессорной обработке. В качестве диагностических устройств могут применяться микродатчики, построенные на иных принципах, например, ультразвуковые – для выявления внутренних трещин, электромагнитные и другие, реализующие методы неразрушающего контроля.

Реализация микропроцессорного управления движением миниатюрных роботов внутри труб малых диаметров представляет собой сложную научно-техническую задачу в связи с малыми размерами изделий и ограниченным пространством, в котором происходит движение. Это обуславливает необходимость повышения автономности управления и учета особенностей миниатюризации констру