Введение

В наше время широкое распространение получили дроны. В основном летающие, но они достаточно ограничены в областях своего использования. Такие дроны очень эффективны на широкой и открытой местности, но узкие пространства им недоступны. На мой взгляд, есть необходимость в дронах способных перемещаться в узких пространствах и на пересеченных местностях. На выбор имеется несколько платформ для создания таких дронов: колесно-гусеничные, червеобразные и змееобразные. Колесно-гусеничные платформы имеют высокую проходимость по сложно рельефу, но только в горизонтальной плоскости в вертикальной плоскости они теряют скорость и их эффективность значительно снижается. Червеобразные платформы имеют проблемы со скоростью передвижения и низкими пространствами. Змеевидные платформы являются оптимальным решением для узких пространств. Змеи обитают практически во всех природных зонах, так же они имеют большое количество способов передвижения и являются достаточно гибкими животными.

Разработка дрона-змеи позволит расширить применение дронов во многих областях. Например, данных дронов можно использовать для неразрушающего контроля технических трубопроводов, а также для мелкого ремонта. Это поможет к 2100 году значительно повысить эффективность использования трубопроводов, а также существенно сократить время их ремонта. Также на данный момент остается не изученным большая часть океана, в том числе из-за сложностей рельефа дна и необходимости работать дронам как в воде, так и на поверхности или в каких-либо пещерах и впадинах. Универсальность движения дрона позволит решить эти вопросы и к 2100 году позволит изучит большую часть мирового океана. Когда удастся уменьшить до мини- или микро-размеров, их можно будет использовать в медицине для проведения различных операций без хирургического вмешательства, например чистить кровеносные сосуды от тромбов или холестериновых бляшек. Это позволит к 2100 году снизить значительно увеличить продолжительность жизни людей.

 

Цель:разработать модель робота-змеи.

Задачи:

• Изучить строение живых змей, способы и механизмы их движения.
• Разработать кинематические схемы движения змеи.
• Разработать алгоритмы команд для движения механической змеи.
• Изучить похожие разработки
• Изучить различные способы движения
• На основе полученных данных собрать сегмент дрона.

Научная новизна: Проектируемый дрон предполагается в виде механической змеи, и при движении будет использовать те же самые механизмы и принципы, что и живые змеи.

Основная часть

Всем известно, что змеи не имеют конечностей, но при этом достаточно ловко передвигаются, как по ровной поверхности, так и по пересеченной местности и воде. Изучая змей удалось выяснить, что змеи используют в основном четыре способа движения: змеевидные движения, движение гармошкой, "гусенечный" ход и "боковой" ход (рисунок 1). Скелет змей гибок и подвижен, а так же они могут забираться на деревья. Кроме того, на их коже имеются выступы, которыми змеи цепляются за поверхность.

Рисунок 1 - Способы движения змей.

Исходя из этого необходимо было создать скелет змеи, имеющий возможность изгибаться во всех направлениях и разработать "чешуйки". Для создания скелета дрона было принято решение разбить его на сегменты, которые имеют две степени свободы: изгибание вдоль скелета и вращение по оси. Большое количество сегментов позволило достигнуть достаточно большой гибкости.

При разработке “чешуек” для перемещения выяснилось, что расположения их на корпусе не дает желаемого результата, поэтому было принято решения разработки “кожи” для дрона. Кожа должна быть гибкой, не стесняющей движения дрона, прочной, водостойкой и устойчивой к суровой внешней среде.Предполагаемыми материалами для кожи являются силикон и полиуретан. Именно на коже было принято решение разместить “чешуйки”. Большое количество сегментов позволило достигнуть достаточно большой гибкости.

При изучении схем движения змеи , а также других вариантов решения проблемы создания дрона-змеи других разработчиков, наиболее эффективными оказались гусеничный ход и змеевидное движение. На их основе и был написан программный код для передвижения дрона.

На основании данных полученных в результате изучения змеи был разработан первый прототип дрона. В прототипе 1 поколения были использованы (рисунок 2):

• Кронштейны для камер (в качестве корпуса)
• Серводвигатели SG – 90

Рисунок 2 - Сегмент 1 поколения

Сегмент 1 поколения был не прочным и сковывал движения конструкции, т.к. при вращение происходило смещение осей одного сегмента относительно другого. Было принято решение в его модификации.

Для изготовления прототипа 2 поколения были использованы (рисунок 3):

• Полипропиленовые канализационные трубы 40 mm (в качестве корпуса)
• Серводвигатели SG – 90
• Терм усадочная ПВХ-трубка ( в качестве чешуек)

Рисунок 3 - Сегмент 2 поколения, с чешуйками

Использования полипропиленовых труб позволило увеличить прочность конструкции и организовать вращательные движения без потери соосности. Чешуйки сегмента 2 поколения справлялись со своей функцией на неровной поверхности, но скользили по ровным и гладким поверхностям, что уменьшало сферы применения дрона.

В прототипе 3 поколения были использованы (рисунок 4):

• Полипропиленовыеканализационные трубы 40mm (в качестве корпуса)
• Серводвигатели SG – 90
• Резиновые уплотнительные кольца

Рисунок 4 - Сегмент 3 поколения с чешуйками

Смена чешуек не дала результата поэтому было принято решение расположить их на будущей коже дрона. Корпус остался без изменений.

В результате тестов удалось выяснить, что дрон не может поднимать переднюю часть тела, это необходимо для подъема по крутым поверхностям. Имелось два пути решения этой проблемы замена серводвигателей или облегчениекорпуса.

Вариант с заменой серводвигателей имел существенный минус в виде увеличения габаритов и веса, а также существенного увеличения потребляемой энергии. Вариант с уменьшением веса корпуса был лишен этих недостатков. Он и был выбран.

Новый корпус был напечатан на 3D принтере.

Рисунок 5 - Сегмент 4 поколения

Во всех прототипах использовалась плата Aurduino UNO в качестве управляющей. Плата ШИМ для передачи сигнала на сегменты т.к. Aurduino UNO не способно передать сигнал на большое количество сегментов. Модуль питания 5В 5А.

 

Рисунок 6 - Плата Aurduino UNO                                       Римунок 7 - Плата ШИМ

 

Заключение

Был получен рабочий прототип дрона. С максимально уменьшенными габаритами без потерь в мощности и скорости. А так же максимальным временем автономной работы.

В дальнейшем планируется еще большее снижение габаритов дрона, т.к. это позволит расширить сферы его применения (медицина, промышленность, исследование). Также планируется разработка «кожи» и «чешуек» удовлетворяющих требованиям, т.к. описанные материалы не обладают в всеми требованиями в полной мере. Также планируется решение проблемы с передачей сигнала управления, т.к. сигналы используемых частот плохо проходят сквозь препятствия и сильно ограничены расстоянием. На данный момент нет передатчиков с нужной силой сигнала и достаточно небольшого размера. Имеется необходимость в замене движителей, сервоприводов, они выдают меньшую мощность , чем требуется для передвижения дрона с приемлемой скоростью, а потребляемая ими энергия не позволяет уменьшить размер дрона. Скорость их отклика не позволяет реализовать плавность и скорость движений.