Мобильный спелеологический параллельный робот с пространственной тактильной системой распознавания контактной поверхности

Рассмотрена проблема проведения спелеологических исследований естественных и искусственных пещер, включая русла подземных рек, а также разнообразные горные выработки в опасных или недоступных для спелеолога условиях. При этом внешняя среда исследуемых объектов может оказаться непрозрачной для оптических, радиоволновых, ультразвуковых и других физических методов контроля внутренней поверхности, например вследствие частичного или полного затопления объекта водой с неоднородными взвесями. Предложено решение проблемы путем роботизации исследований с помощью мобильного спелеологического параллельного робота (МСПР) с пространственной тактильной системой распознавания контактной поверхности. МСПР выполнен в виде активной октаэдральной структуры, ребра которой представляют собой стержни с линейными приводами. Концы стержней шарнирно соединены с соответствующими вершинами активной октаэдральной структуры, что обеспечивает ее геометрическую неизменяемость при выключенных линейных приводах. Такой МСПР способен выполнять контактное (тактильное) картографирование исследуемой внутренней поверхности независимо от прозрачности внешней среды и ее геодезическую привязку к базовой системе координат с визуализацией в виде гистограмм. При этом МСПР может самоперемещаться по внутренним поверхностям независимо от их пространственной ориентации. Описаны МСПР и его функциональные возможности, одной из которых является способность через механический контакт осуществлять построение 3D-гистограмм окружающего пространства с привязкой к базовой (инерциальной) системе координат. Тактильная система распознавания контактной поверхности позволяет не только перемещаться МСПР, но и осуществлять тактильный мониторинг во внешней среде, непрозрачной для оптических, радиоволновых, ультразвуковых и других физических методов контроля. МСПР позволяет роботизировать спелеологические исследования в местах опасных, труднодоступных и недоступных для спелеолога, а также проводить спасательные работы и обеспечивать доставку необходимого груза.

Литература

[1] Дублянский В.Н., Илюхин В.В. Путешествия под землей. Москва, Физкультура и спорт. 1981. 192 с.

[2] Дублянский В.Н., Андрейчук В.Н. Спелеология. Терминология, связи с другими науками, классификация полостей. Свердловск, УрО РАН СССР. 1989. 33 с.

[3] Дублянский В.Н. Занимательная спелеология. Челябинск, Урал LTD. 2000. 525 с.

[4] Santos A.S., Azpurua H.I., Pessin G. et al. Path planning for mobile robots on rough terrain. Proc. 2018 Latin American Robotic Symp., SBR and WRE, 2018, pp. 265–270, doi: https://doi.org/10.1109/LARS/SBR/WRE.2018.00056

[5] Почему пещера Nutty Putty в штате Юта запечатана одним спелеологом внутри. sigma-z.ru: веб-сайт. https://sigma-z.ru/pochemu-peshhera-nutty-putty-v-shtate-yuta-zapechatana-odnim-speleologom-vnutri/ (дата обращения: 01.03.2022).

[6] Tabib W., Goel K., Yao J. et al. Autonomous cave surveying with an aerial robot. IEEE Trans. Robot., 2022, vol. 38, no. 2, pp. 1016–1032, doi: https://doi.org/10.1109/TRO.2021.3104459

[7] Wong C., Yang E., Yan X.T. et al. An overview of robotics and autonomous systems for harsh environments. Proc. 23rd ICAC, 2017, doi: https://doi.org/10.23919/IConAC.2017.8082020

[8] Azpurua H., Rezende A., Potje G. et al. Towards semi-autonomous robotic inspection and mapping in confined spaces with the EspeleoRobo. J. Intell. Robot. Syst., 2021, vol. 101, no. 4, art. 69, doi: https://doi.org/10.1007/s10846-021-01321-5

[9] Каменоломня «Володары» («Курья»). places.moscow: веб-сайт. https://places.moscow/places/kamenolomnya_volodary_kurya/kamenolomnya_volodary_kurya.html (дата обращения: 01.03.2022).

[10] Two days in an underwater cave running out of oxygen. japict.com: веб-сайт. https://japict.com/Nature/Two-Days-In-An-Underwater-Cave-Running-Out-Of-Oxygen-Bbc-News-2325292/ (дата обращения: 01.03.2022).

[11] Azpurua H., Rocha F., Garcia G. et al. EspeleoRobô — a robotic device to inspect confined environments. Proc. 19th ICAR, 2019, pp. 17–23, doi: https://doi.org/10.1109/ICAR46387.2019.8981627

[12] Kashem S., Sufyan H. A novel design of an aquatic walking robot having webbed feet. Int. J. Autom. Comput., 2017, vol. 14, no. 5, pp. 576–588, doi: https://doi.org/10.1007/s11633-017-1075-x

[13] Richardson R., Whitehead S., Ng T.C. et al. The “Djedi” robot exploration of the southern shaft of the Queen’s chamber in the great Pyramid of Giza, Egypt. J. Field Robot., 2013, vol. 30, no. 3, pp. 323–348, https://doi.org/10.1002/rob.21451

[14] Саяпин С.Н., Синев А.В. Адаптивный мобильный пространственный робот-манипулятор и способ организации движений и контроля физико-механических свойств и геометрической формы контактирующей поверхности и траектории перемещения с его помощью. Патент РФ 2424893. Заявл. 11.01.2009, опубл. 20.07.2011.

[15] Sayapin S.N. Parallel spatial robots of dodecapod type. J. Mach. Manuf. Reliab., 2012, vol. 41, no. 6, pp. 457–466, doi: https://doi.org/10.3103/S1052618812060143

[16] Sayapin S.N. Features of individual and collective operation of mobile sems modular type on basis of octahedral dodekapod in conditions of incomplete certainty. In: Smart electromechanical systems. Springer, 2020, pp. 35–55.

[17] Глазунов В.А., Колискор А.Ш., Крайнев А.Ф. Пространственные механизмы параллельной структуры. Москва. Наука. 1991. 95 с.

[18] Lloyd O.C. Cave rescue: Edward Long Fox memorial lecture 1960. The Medical Journal of the South-West, 1961, vol. 76, no. 2, pp. 37–49.

[19] Mirza A., Amundson C. Manual of U.S. Cave rescue techniques. National Speleological Society. 2015. 364 p.