УСТОЙЧИВОСТЬ ШАГАЮЩИХ МАШИН И РОБОТОВ В ПОДВОДНЫХ УСЛОВИЯХ

  • В.В. Чернышев Волгоградский государственный технический университет
  • И. П. Вершинина Волгоградский государственный технический университет
  • В.В. Арыканцев Волгоградский государственный технический университет
Ключевые слова: Подводные роботы, машины передвигающиеся по дну, шагающий движитель, динамическая устойчивость, взаимодействие с грунтом, динамика управляемого движения, подводные испытания

Аннотация

При проведении подводно-технических работ шагающие машины и роботы, передви-гающиеся по дну существенно превосходят по тяговым свойствам и проходимости тради-ционные транспортные средства. Условия эксплуатации подводных шагающих робототех-нических систем – сложный рельеф морского дна, уклоны, слабонесущий грунт и др., обуслав-ливают актуальность проблемы их устойчивости. Обсуждаются результаты теоретиче-ских и экспериментальных исследований, направленных на обеспечение динамической устой-чивости шагающих машин и роботов в подводных условиях. Новизна исследования обусловле-на учетом специфических особенностей их условий эксплуатации. Исследования базируются на результатах испытаний опытного образца 6-ти ногого подводного шагающего аппарата МАК-1. Неустойчивость шагающего аппарата может быть обусловлена особенностью походки. Также потеря устойчивости шагающего аппарата может наступить при встрече с нераспознанным препятствием и при преодолении уклонов. Проведено математическое моделирование динамики статически неустойчивых походок. Проанализированы основные этапы фазы движения аппарата в неустойчивом положении. Показано, что в подводных условиях динамически устойчивая ходьба 6-ти ногого шагающего аппарата с цикловыми движителями возможна и в случае независимого привода ног правого и левого борта. Рас-смотрены методы автономного реагирования на встречу с нераспознанным препятствием. Проанализированы различные типовые ситуации, возникающие при движении по неорганизо-ванной поверхности. Предложены методы самоадаптации и самоуправления ног на базе нечетких алгоритмов, исключающие возникновение аварийных ситуаций, включая опрокиды-вание. Рассмотрены особенности преодоления уклонов шагающими аппаратами в подводных условиях. При движении традиционных транспортных средств возможно их опрокидывание или сползание под уклон. Показано, что на слабых грунтах сползание шагающих машин под уклон маловероятно. Это обусловлено значительными деформациями грунта под опорными элементами (стопами) шагающих машин. Рассмотрен способ повышения устойчивости к опрокидыванию при движении шагающего аппарата вдоль уклона за счет раздельного регулирования условного клиренса механизмов шагания. Определенное внимание уделено устойчивости буровых шагающих платформ, передвигающихся по дну. Их специфика – высокое рас-положение центра масс. Рассмотрены возможные этапы опрокидывания шагающих плат-форм. Показан стабилизирующий эффект завышенного расположения центра плавучести. Результаты работы могут быть востребованы при разработке шагающих машин и роботов, предназначенных для подводнотехнических работ, для новых промышленных техноло-гий освоения ресурсов морского дна, для обеспечения антитеррористической и техногенной безопасности объектов подводной инфраструктуры и др. работ

Литература

1. Lyakhov D.G. Sovremennye zadachi podvodnoy robototekhniki [Modern problems of under-water robotics], Podvodnye issledovaniya i robototekhnika [Underwater research and robot-ics], 2012, No. 1, pp. 15-23.
2. Illarionov G.Yu. Nekotorye aspekty voennogo primeneniya podvodnykh robotov za rubezhom [Some aspects of the military use of underwater robots abroad], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2012, No. 3 (128), pp. 65-75.
3. Illarionov G.Yu., Sidorenko V.V., Smirnov S.V. Avtonomnye neobitaemye podvodnye apparaty dlya poiska i unichtozheniya min [Autonomous uninhabited underwater vehicles for searching and destroying mines], Podvodnye issledovaniya i robototekhnika [Underwater research and robotics], 2006, No. 1, pp. 31-39.
4. Sidenko K.S., Laptev K.Z., Illarionov G.Yu. Upravlyaemye po kabelyu neobitaemye podvodnye apparaty dlya poiska i unichtozheniya min [Cable-operated uninhabited underwater vehicles for searching and destroying mines], Dvoynye tekhnologii [Dual technology], 2009, No. 3, pp. 28-31.
5. Sidenko K.S., Illarionov G.Yu. Novye podkhody k probleme zashchity ob"ektov morskoy infrastruktury ot podvodnykh diversantov i terroristov [New approaches to the problem of pro-tection of marine infrastructure objects from underwater saboteurs and terrorists], Morskaya radioelektronika [Marine radio electronics], 2008, No. 4, pp. 2-9.
6. Andreev S.I., Kazakova V.E., Babaeva S.F., Cherkashev G.A. Tverdye poleznye iskopaemye mirovogo okeana: istoriya otkrytiy, geologicheskoe izuchenie, perspektivy osvoeniya [Solid minerals of the world ocean: the history of discoveries, geological study, prospects for devel-opment], Gornyy zhurnal [Mining journal], 2013, No. 11, pp. 65-72.
7. Verichev S., Laurens de Jonge, Wiebe B., Rodney N. Deep mining: from exploration to exploi-tation, Minerals of the Ocean – 7 & Deep-Sea Minerals and Mining – 4: abstracts of Interna-tional Conference, VNIIOkeangeologia. St. Petersburg, 2014, pp. 126-138.
8. Podvodno-tekhnicheskie raboty [Underwater technical work]. Available at: ptr.akva-eko.rf/content/podvodnyy-transheekopatel.
9. Arykantsev V.V., Chernyshev V.V. Podvodnye issledovaniya tyagovo-stsepnykh svoystv i prokhodimosti shagayushchego apparata MAK-1 [Underwater research of traction-coupling properties and cross-country walking device MAK-1], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2015, No. 10, pp. 169-178.
10. Chernyshev V.V. Arykantsev V.V., Kalinin Ya.V. Underwater Tests of The Walking Robot MAK-1, Human-Centric Robotics: Proc. of the 20th Int. Conf. on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines CLAWAR 2017 (Portugal), 2017, pp. 571-578.
11. Chernyshev V.V., Arykantsev V.V., Gavrilov A.E., Kalinin Ya.V. Issledovaniya dinamiki vzaimodeystviya dvizhitelya podvodnogo shagayushchego apparata s donnym gruntom [Re-search on the dynamics of interaction between the propulsion system of an underwater walking vehicle and the bottom soil], Issledovaniya naukograda [Research of the science city], 2015, No. 1, pp. 32-36.
12. Chernyshev V.V., Pryanichnikov V.E., Arykantsev V.V., Vershinina I.P., Kalinin Ya.V. Re-search of the walking type of movement in underwater conditions, OCEANS 2019 – Marseille (Marseille, France, 17-20 June, 2019): Conference proceedings, Marine Technology Society, IEEE Oceanic Engineering Society, 2019, 6 p. DOI: 10.1109/OCEANSE.2019.8867233. Available at: https://ieeexplore.ieee.org/document/8867233.
13. Chernyshev V.V., Arykantsev V.V. Ispytaniya podvodnogo shagayushchego apparata v usloviyakh vodnykh ob"ektov Volgo-Akhtubinskoy poymy [Tests of underwater walking ap-paratus in the conditions of water bodies of the Volga-Akhtuba floodplain], Sistemy kontrolya okruzhayushchey sredy [Environmental monitoring systems], 2017, No. 8 (28), pp. 24-29.
14. Chernyshev V.V., Vershinina I.P., Arykantsev V.V. Dinamicheskaya ustoychivost' shagayushchikh platform peredvigayushchikhsya po dnu [Dynamic stability of walking plat-forms moving on the bottom], Robototekhnika i iskusstvennyy intellekt: materialy XI vseros. nauch.-tekhn. konf. s mezhdunar. Uchastiem [Robotics and artificial intelligence: proceedings of the XI all-Russian scientific and technical conference with international participation]; Sibirskiy federal'nyy un-t, Mezhinstitutskaya bazovaya kafedra «Prikladnaya fizika i kosmicheskie tekhnologii». Krasnoyarsk, 2019, pp. 108-113.
15. Chernyshev V.V., Arykantsev V.V. Struktura energozatrat shagayushchikh mashin i robotov pri realizatsii bol'shikh tyagovykh usiliy [Structure of energy consumption of walking machines and robots when implementing large traction forces], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2019, No. 1 (203), pp. 6-18.
16. Chernyshev V.V., Arykantsev V.V., Kalinin Ya.V. Passive foot control in cyclic walking mech-anism, Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM 2017) (Saint Peters-burg, Russia, 16-19 May 2017): International Conference: Proceedings. St. Petersburg Poly-technic University of Peter the Great, IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Publisher: IEEE, 2017, 5 p. DOI: 10.1109/ICIEAM.2017.8076189. Available at: http://ieeexplore.ieee.org/document/8076189/.
17. Arykantsev V.V., Pryanichnikov V.E., Chernyshev V.V. Algoritm adaptatsii podvodnogo shagayushchego apparata po informatsii o vstreche stop s prepyatstviyami [Algorithm of adap-tation of underwater walking apparatus based on information about the meeting of stops with obstacles], Informatsionno-izmeritel'nye i upravlyayushchie sistemy [Information-measuring and control systems], 2018, No. 12, pp. 24-32.
18. Chernyshev V.V., Arykantsev V.V. TSiklovoy mekhanizm shaganiya s transformiruemoy traektoriey opornoy tochki [Cyclical mechanism of walking with a transformable trajectory of the reference point], Teoriya mekhanizmov i mashin [Theory of mechanisms and machines], 2017, Vol. 15, No. 2 (34), pp. 71-79. Available at: http://tmm.spbstu.ru/34/Chernyshev.pdf.
19. Chernyshev V.V. Arykantsev V.V. MAK-1 – podvodnyy shagayushchiy robot [MAK-1-underwater walking robot], Robototekhnika i tekhnicheskaya kibernetika [Robotics and tech-nical Cybernetics], 2015, No. 2, pp. 45-50.
20. Chernyshev V.V., Arykantsev V.V., Vershinina I.P. Minimization of Energy Costs for Move-ment Resistance of Ground for Walking Device by the Control of Support Points Motion, Pro-ceedings of the 5th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2019) (Sochi, Russian Federation, March 25-29, 2019). Vol. II, part 2, Springer Nature Switzerland AG, 2020, pp. 839-848. Available at: https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-030-22063-1. (Book ser.: Lecture Notes in Mechanical Engineering – LNME).
21. Yoo S.Y., Jun B.H., Shim H. Design of static gait algorithm for hexapod subsea walking robot: Crabster, Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers, A. September 2014, Vol. 38, Issue 9, pp. 989-997.
22. Bong Huan Jun. Crabster CR200: New Record of Underwater Walking Speed – 0.5 knots. Available at: https://youtu.be/O8361Uq97DQ
23. Underwater walking machine MAK-1 movement in underwater conditions with velocity about 2.5 knots. Available at: https://youtu.be/FrynJTHEulE
24. Hong S., Kim H.W., Choi J.S. Transient Dynamic Analysis of Tracked Vehicles on Extremely Soft Cohesive soil, The 5th ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium, 2002, pp. 100-107.
25. Kim H.W., Hong S., Choi J.S. Comparative Study on Tracked Vehicle Dynamics on Soft Soil: Single-Body Dynamics vs. Multi-body Dynamics, ISOPE, OMS-2003, Tsukuba, Japan, 2003, pp. 132-138.
26. Nautilus Minerals. Available at: www.nautilusminerals.com.
27. Chernyshev V.V., Goncharov A.A., Arykantsev V.V. Modeling of vibroimpact processes which occurs in feet changing of the walking units at viscoelastic grounds, Procedia Engineering, Vol. 176, June 29 – July 01, 2016. Samara, Russia, ed. by Viktor Sverbilov and Andrew Plummer. Elsevier publishing, 2017, pp. 387-393.
Опубликован
2020-07-10
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ I. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ