ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ МИНИАТЮРНЫХ РОБОТОВ

В этом курсе приведены новые данные о динамических процессах, происходящих при движении мини- и микророботов в различных средах.

Разработаны оригинальные математические модели движения миниатюрных роботов с электромагнитными двигателями в трубах малых диаметров (порядка нескольких миллиметров).

Выявлены особенности взаимодействия контактных поверхностей мобильных миниатюрных роботов, которые изготовлены из специальных нано-структурированных материалов, с поверхностями, по которым передвигаются мини- и микросистемы.

Обобщены результаты исследований по относительному влиянию воздействия сил в микромире в зависимости от принципов действия микророботов, особенностей их механических систем и габаритных размеров.

Приведены результаты сравнительного анализа механических систем миниатюрных роботов.

Исследования в области интеграции нано-, микро- и макросистем, включая динамику миниатюрных электромеханических систем, позволили изучить неизвестные ранее закономерности в микромире, что направлено на развитие методов расчета высокоточных быстродействующих миниатюрных транспортных систем, движения миниатюрных спутников, систем микроуправления, прецизионной техники в различных отраслях - медицине, машиностроении, авиакосмической технике, нефтегазовой промышленности.

Достижения механики способствуют развитию мобильных миниатюрных роботов-беспилотных летательных аппаратов, минисубмарин, микророботов, перемещающихся по нерегулярно расположенным в пространстве поверхностям.

Социально-экономический эффект от реализации исследований в области механики миниатюрных объектов обусловлен тем, что она является научной базой многих современных технологий и отраслей развития науки и техники, направленных на решение ранее недоступных задач в условиях сокращения требуемых рабочих площадей, снижения экологической нагрузки на окружающую среду, повышения безопасности работы человека. Развитие механики создаст предпосылки и возможности для импортозамещения дорогостоящих товаров повседневного спроса и технологий, а также для организации экспорта микро- и минисистем для машиностроения и медицинской промышленности.

Разработка научных основ механики, интеграция нано-, микро- и макросистем и создание на этой базе МЭМС является новым направлением развития науки и техники XXI в., сопоставимым с развитием электроники в XX в.

В промышленно развитых странах в последнее время форсируется крупный научно-технический прорыв в новой области науки и техники микромеханике, технологии, базирующейся на методах и средствах микроэлектроники, достижениях в области прецизионной пленочно-стекловолоконной технологии микропроизводства, определяющих создание изделий субмиллиметрового и субмикронного уровня.

Актуальность проведения исследований и разработок по этой проблеме вытекает из необходимости решения целого ряда задач в промышленности, топливно-энергетическом, медицинском, аэрокосмическом и оборонном комплексах.

Сегодня крупнейшие фирмы и университеты Мира сосредоточили значительные усилия на таких областях микромеханики, как микросистемотехника и микроробототехника, которые будут играть ведущую роль в развитии промышленного производства, медицины, военной техники в XXI в.

Быстрый рост объема исследований и разработок во многих странах свидетельствует о том, что микромеханика уже стала, по существу, одним из новых научно-технических направлений, конструкторско-технологические решения которого позволят достигнуть принципиально нового уровня в области автоматизации технологических процессов, адаптивности оборудования, его точности, надежности, безопасности и использования методов механики в военных, прикладных и антитеррористичсских задачах.

В этом курсе дается обзор развития существующих в мире миниатюрных роботов и анализируются особенности их механических транспортных систем.

Приводятся примеры применения микросистемной техники и микро-электромеханических систем, связанные с развитием современных технологий, таких как микроэлектроника, мехатроника, автоматизация и управление, биомеханика, биотехнологии, информационные технологии, нанотехнологии, медицинская техника. Подробно рассмотрены механические системы миниатюрных роботов, перемещающихся по различным поверхностям в ограниченных и неограниченных пространствах по твердым поверхностям, в воздушной и водной средах. Уделено внимание и традиционным сборочным роботам с учетом действующих сил и моментов.

Изложены основные сведения о движении миниатюрных систем, в том числе миниатюрных мобильных роботов. Поскольку изучение движения миниатюрных систем составляет существенный раздел механики, рассматриваются методы и отличительные особенности реализации двигательных функций в зависимости от окружающих сред, требований к характеру реализации движений и выполняемых задач. Обосновывается, что при движении микрообъектов действуют иные соотношения между силами и моментами по сравнению с движениями макрообъектов. Лан подробный анализ действующих сил в миниатюрных роботах в зависимости от принципов действия соответствующей механической системы.

Показано, что существенное значение имеют силы адгезии, Ван-дер-Ваальса, поверхностного натяжения, электростатические, электродинамические, электромагнитные, действие которых при определенных условиях и миниатюрных размерах роботов может быть значительно большим по сравнению с гравитационными силами. Рассмотрены действующие силы в электромагнитных двигателях, пьезоэлектрических актюаторах, микрозахватных устройствах при выполнении операций микросборки. Обобщены результаты исследований по относительному влиянию действия сил в микромире в зависимости от принципов действия микророботов.

В курсе изложены материалы посвященные рассмотрению механических систем миниатюрных роботов, перемещающихся в ограниченных пространствах, в частности в трубах малых диаметров (от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров). На основе анализа методов движения миниатюрных роботов в трубах приводятся данные исследований динамических процессов в механических системах с электромагнитными приводами. Анализируются оригинальные схемы механических систем внутритрубных миниатюрных роботов с возможностью реверсивного движения, а также магнитоэлектромеханические процессы, происходящие в моделях миниатюрных роботов с соответствующими двигателями. Анализ параметров произведен с использованием большого числа расчетных и экспериментальных данных, сведенных в соответствующие таблицы и графики, данные которых не только имеют фундаментальное значение, но и могут быть использованы при расчете и проектировании микророботов.

Приведены новые сведения о динамических процессах, происходящих при движении миниатюрных роботов в различных окружающих средах, в частности робота-капсулы под действием перистальтики желудочно-кишечного тракта, многозвенных роботов поступательного и вращательного движения, плавающих микророботов в вязких средах. Полученные новые данные о динамике и результаты компьютерного моделирования позволяют развить теорию движения управляемых миниатюрных роботов. Подробно представлен движущий эффект колебаний микророботов в вязких средах при различных числах Рейнольдса, принцип самопродвиже-ния жгутиковых микросистем в различных замкнутых сосудах, заполненных вязкими жидкостями, посредством генерации бегущих волн смещения элементов во внешних гибких оболочках или всего корпуса. Дается обобщение результатов сравнительного анализа механических систем, реализующих принципы самоперемещения микросистем за счет продольных, поперечных, пульсирующих колебаний или их комбинации. Анализируются принципы воздухоплавания “летающих микророботов” и движения миниатюрных роботов в вязких средах в результате возбуждения пульсирующих колебаний.

Рассмотрены динамические процессы при прямом и реверсивном движении миниатюрных роботов в трубах диаметром несколько миллиметров на основе разработанной оригинальной математической модели движения. Математическая модель динамики построена для робота электромагнитного типа с учетом приложенных сил и использованием эффекта анизотропии кулоновых сил сухого трения. Представлены результаты численного моделирования уравнений динамики в виде серии графиков, характеризующих связь между основными параметрами, описывающими движение, в том числе зависимости максимальной скорости движения от частоты и скважности управляющих импульсов электромагнитной силы. Приведены результаты моделирования движения двух типов роботов: с двигателем инерционного типа и с управляемыми скользящими упорами, обладающими анизотропным трением.

На основе выявления особенностей динамики мобильных миниатюрных внутритрубных роботов предложено использование специальных наноструктурированных материалов в качестве покрытия для их контактных поверхностей. Представлены разработанные тактико-технические требования к таким материалам. Приводятся обобщенные сведения о применимости биологических и искусственных адгезивов для проектирования и качественного улучшения функциональных и технических характеристик миниатюрных роботов. Выявлен эффект повышения анизотропности трения при использовании адгезионных наноструктурированных материалов на основе эластомеров и упругих полимеров, который приводит к увеличению грузоподъемности миниробота.

Рассмотрены некоторые проблемы управления движением миниатюрных роботов - миниатюрных колесных роботов в трубах с использованием центробежных сил, прижимающих колеса к поверхности движения; миниатюрных многозвенных роботов на основе сенсорной информации для инспекции трубопроводных сетей; мобильных миниатюрных роботов в условиях неопределенности с обходом препятствий. При этом движение миниатюрных роботов по поверхностям, расположенным вертикально и наклонно к горизонту, может осуществляться не только за счет вакуумных захватных устройств, что трудно реализуется для минироботов, но и с применением наноструктурированных адгезионных материалов.

В курсе изложены материалы посвященные современным тенденциям миниатюризации роботов и робототехнических систем. Анализируется возможность миниатюризации в результате уменьшения габаритов функциональных мехатронных модулей, создания сверхминиатюрных датчиков и перспективных систем на их основе и использования наноматериалов для миниатюризации роботов и их компонентов.

Если робот оснащается датчиками и преобразователями физических параметров с возможностью микропроцессорной обработки измерительной информации и может рассматриваться как синергетическое объединение механических, компьютерных, измерительных, преобразовательных связей, то в изложении он представляется как мехатронная система.

Изложена эволюция миниатюризации роботов и робототехнических систем в размерной шкале усредненного объекта устройства, начиная от нескольких кубических дециметров, далее кубических сантиметров, микрометров, до нанометров. При этом показано изменение построения, функционирования и конструктивных решений механических систем мобильных роботов.

Приводится подробный анализ положений механики миниатюрных роботов, включающих действующие силы, механические системы, процессы динамики, основные рабочие параметры, построенные математические модели, разнообразие механических движений, методы исследования и расчета движения миниатюрных роботов в различных средах.