Инженерный подход к проектированию газовых анкеров | Симпозиум SPE по нефти и газу в Оклахома-Сити / Симпозиум по добыче и эксплуатации

Аннотация

Свободный газ является наиболее частой причиной низкого КПД насосов в штанговых насосных скважинах.Установка газового якоря на днище скважинного насоса — метод, используемый для решения этой проблемы. В данной статье описана усовершенствованная конструкция газового якоря для насосных штанговых скважин с проблемами газа. Описана компьютерная программа, которая поможет в проектировании системы газового якоря и которая оценивает перепады давления для определения перепадов давления для определения эффективности газового якоря.

Основными параметрами конструкции газового якоря являются скорость газового пузыря, диаметр бурового якоря, длина погружной трубы и перепады давления, связанные с системой газового якоря.Сделана проверка практических правил, использовавшихся в прошлом для проектирования газовых якорей. Скорость газового пузыря 0,5 фута / сек является допустимым предположением, если плотность жидкости в градусах API превышает 300, поток является турбулентным и температура превышает 100 градусов по Фаренгейту. Представлены принципы работы эффективного газового якоря. с предложениями о том, как инженеры-технологи могут разработать более эффективные газовые якоря.

Введение

КПД насоса КПД насоса Газовые помехи по-прежнему являются одной из основных причин низкого КПД насосов в насосных штанговых скважинах. Свободный газ, попадающий в пространство между ходовым клапаном и стоячим клапаном, снижает объемный КПД насоса, а большие объемы свободного газа, проходящего через насос, будут мешать прохождению через насос, будут мешать нормальному функционированию клапана и уменьшать объемный КПД насоса. Следовательно, внутрискважинное разделение газа и нефти становится желательным для повышения объемного КПД всякий раз, когда скважина должна быть закачана. Чтобы отделить газ от нефти, необходимо заставить масло течь вниз со скоростью, меньшей, чем скорость подъема пузырьков газа.

Если должно быть достигнуто идеальное разделение газа и жидкости, весь газ будет течь вверх по кольцевому пространству между обсадной колонной и насосно-компрессорной трубой и попадет в систему сбора газа в головной части обсадной колонны. Дегазированная жидкость попадает во всасывающий патрубок насоса и поднимается по трубопроводу. Фактическое отделение газа от нефти осуществляется под действием силы тяжести. Пузырьки будут подниматься через масло со скоростью, в основном зависящей от вязкости масла по отношению к вязкости газа.

Установка правильно спроектированной системы газовых якорей на дне скважинного насоса позволит осуществить этот процесс разделения.процесс происходить. P. 71

Биологически вдохновленная мягкая искусственная присоска

J R Soc Interface. 2017 Октябрь; 14 (135): 20170395.

Sina Sareh

¹ Design Robotics, Школа дизайна, Королевский колледж искусств, Лондон, Великобритания

Kaspar Althoefer

² Advanced Robotics @ Queen Mary (ARQ), Faculty наук и инженерии, Лондонский университет королевы Марии, Лондон, Великобритания

Мин Ли

³ Институт интеллектуальных измерений и приборостроения, Школа машиностроения, Сианьский университет Цзяотун, Сианьская Народная Республика

Йохан Но

⁴ Центр исследований робототехники, Департамент информатики, Королевский колледж Лондона, Лондон, Великобритания

Франческа Трамасере

⁵ Центр микробио-робототехники, Итальянский институт технологий, Понтедера, Италия

⁶ Лаборатория воздушной робототехники, Департамент аэронавтики, Имперский колледж Лондона, Лондон, Великобритания

Барбара Маццолай

⁵ Центр f или Micro-BioRobotics, Istituto Italiano di Tecnologia, Pontedera, Italy

Mirko Kovac

⁶ Лаборатория воздушной робототехники, Департамент аэронавтики, Имперский колледж Лондона, Лондон, Великобритания

¹ Design Robotics, Школа дизайна, Королевский Колледж искусств, Лондон, Великобритания

² Продвинутая робототехника @ Queen Mary (ARQ), факультет науки и инженерии, Лондонский университет Королевы Марии, Лондон, Великобритания

³ Институт интеллектуальных измерений и приборов, Школа Машиностроение, Сианьский университет Цзяотун, Сианьская Народная Республика

⁴ Центр исследований робототехники, Департамент информатики, Королевский колледж Лондона, Лондон, Великобритания

⁵ Центр микробиоробототехники, Istituto Italiano di Tecnologia, Понтедера, Италия

⁶ Лаборатория воздушной робототехники, Департамент аэронавтики, Имперский колледж Лондона, Лондон, Великобритания

Получено 201 7 30 мая; Принята в печать 27 сентября 2017 г.

Опубликовано Королевским обществом. Все права защищены.

Abstract

В этой статье представлен роботизированный модуль привязки, сенсорный механизм для прикрепления к окружающей среде, который может быть интегрирован в роботов для включения или улучшения различных функций, таких как мобильность робота, сохранение на месте или его способность манипулировать объектами. Корпус анкерного модуля состоит из двух частей с переходом механической жесткости от твердого к мягкому.Твердая часть способна сдерживать вакуумное давление, используемое для приведения в действие, в то время как мягкая часть хорошо подстраивается для создания уплотнения для контактных поверхностей. Модуль интегрирован с одним сенсорным блоком, который использует принцип оптоволоконного зондирования для беспрепятственного измерения близости и тактильной информации для использования при планировании движения робота, а также для измерения степени устойчивости его якоря. В ходе эксперимента к модулю был прикреплен переменный набор физических нагрузок, представляющих вес потенциальных тел роботов, и его способность удерживать якорь была количественно оценена при постоянных и переменных сигналах вакуумного давления.Эксперимент показывает эффективность модуля в количественной оценке состояния жесткости анкера и различении различных физических нагрузок, приложенных к нему. Предлагаемый модуль крепления может использоваться во многих промышленных и медицинских приложениях, где привязка к окружающей среде имеет решающее значение для управления роботом.

Ключевые слова: мягкая робототехника , роботизированный модуль крепления, конструкция с градиентом жесткости, единый сенсорный блок, бесшовное измерение, тактильное восприятие

1.Введение

Сенсорно-физическая система — это интеграция физического процесса с датчиками и вычислениями, позволяющая осуществлять мониторинг или управление процессом. Модуль фиксации робота — это сенсорно-физический механизм прикрепления к окружающей среде. Роботизированные якорные модули, способные поддерживать свое крепление в течение длительного времени, будут неоценимы для широкого спектра промышленных и медицинских применений: крепление к альпинистским роботам для осмотра и очистки огромных стеклянных стен, атомных станций и стальных мостов, сидение в полете. роботы, которые могут обеспечить обзор интересующей области с высоты птичьего полета или манипулировать объектами и прикреплять их к хрупким субстратам, например.г. человеческое тело. Однако часто ухудшение характеристик и отказ механизмов крепления вызывают нежелательное отрывание от контактной поверхности, что указывает на необходимость постоянного контроля прочности якоря во время работы робота. Кроме того, для точного управления роботом требуется информация о контактных поверхностях, расположенных в непосредственной близости от модуля (модулей) крепления робота.

Закрепление в хорошо заземленных конструкциях — это биологически вдохновленный подход для передвижения, контроля жесткости, манипулирования объектами, противостояния потокам жидкости и управления энергией у животных. Одна из наиболее распространенных в природе стратегий получения обратимого прикрепления — использование специального органа, известного как присоска. Такой орган позволяет рыбам, кольчатым червякам, гельминтам и головоногим моллюскам закрепляться на различных субстратах, включая грубые, гибкие и грязные. Этот орган прикрепления демонстрирует эффективность как в наземной, так и в водной среде. У бычков, например blackeye goby Rhinogobiops nicholsii, сросшиеся тазовые плавники образуют дискообразную присоску, которая используется для прикрепления к субстрату или более крупной рыбе [1].У северной морской рыбы, Gobiesox maeandricus , есть липкий диск на брюшной стороне, который позволяет животному прикрепляться как к гладким, так и к очень грубым поверхностям, чтобы противостоять сильным водным течениям [2]. Пиявки, которые встречаются как в наземных, так и в водных средах, характеризуются одними и теми же органами прикрепления, одной передней и одной задней присосками [3–7]. Согласованная активация и деактивация присосок позволяет пиявке двигаться направленно. Ленточный червь Taenia solium (паразит кишечника человека) использует четыре присоски вокруг головы, чтобы приблизиться к стенке кишечника, и набор крючков, чтобы закрепиться на ней [8,9].Наиболее заметно, что руки осьминога оснащены одним или двумя рядами присосок [10], которые управляются независимо [11]. Эти сложные органы могут прикрепляться к объектам с разной степенью силы. Сюда входит крепление к идеально гладким поверхностям, а также к поверхностям с определенной шероховатостью [12], где технические присоски обычно выходят из строя [2]. Присоски донных осьминогов могут выполнять множество функций [12], включая передвижение [13], хемотактильное распознавание [14], прикрепление тела к твердым субстратам ( a ), с помощью которых можно противостоять штормовым нагонам и волнам [12,15,17] , а также хватание и манипулирование небольшими предметами (даже мягкими и тонкими предметами, такими как их яичные капсулы) [12,16], как можно понять из b .

Осьминоги используют ряды сенсорных присосок, чтобы прикрепляться к объектам с различной степенью силы. Это включает в себя использование присосок ( a ) для крепления к твердым предметам, таким как камни, чтобы выдерживать штормовые нагоны и волны [15], а также ( b ) манипулирование хрупкими или мягкими предметами, такими как яйцо осьминога. капсулы [15]. (Воспроизведено под лицензией Creative Commons Attribution License из [16].) (Онлайн-версия в цвете.)

В живых организмах природа выработала комбинированные способности воспринимать местоположение приближающихся объектов и прикладывать силы после взаимодействия с ними.Например, у большой коричневой летучей мыши Eptesicus fuscus звуковые волны и эхо используются для оценки их расстояния от приближающихся объектов, метод, известный как эхолокация. Прикоснувшись к объекту, животное полагается на тактильную информацию, предоставляемую ячейками Меркеля ¹ внутри его крыльев [18,19]. Эти два режима восприятия аналогичны близости и тактильному восприятию в роботизированных системах. Поскольку любое прикосновение происходит после приближающегося события, тактильное восприятие и восприятие приближения считаются взаимодополняющими [20], где комбинация обоих способов восприятия обеспечивает непрерывное восприятие от приближающегося события до следующего события прикосновения.В роботизированных системах привязки тактильная информация может позволить ранжировать жесткость привязки (ей) к объектам, в то время как информация о близости может помочь в планировании движения робота до события касания.

Биомиметические аспекты присосок осьминогов изучаются давно; морфология и физиология присосок осьминога и возможности биомиметической репликации присосок были исследованы [12,16,21-25], с особым акцентом на переходе от твердого к мягкому в механической жесткости присоски [21-25], а также в соответствующей литературе называется «градиент жесткости» ² [26,27].

Ряд исследователей предложили пассивные искусственные присоски [25] и приводимые в действие присоски с использованием сплава с памятью формы [28] и исполнительных механизмов из диэлектрического эластомера [29]. Существующая литература по сенсоризации искусственных присосок в основном относится к разработке умных скинов для роботизированных рук, чтобы информировать робота о его взаимодействии с окружающей средой. В связи с этим в [30,31] были предложены тактильные чувствительные элементы на основе композитных материалов с квантовым туннелированием (QTC) и проводящего текстиля.Однако чувствительность прототипа падает при увеличении площади QTC таблетки ³ [30]. В другой попытке тонкий слой силикона с отверстием в центре был зажат между двумя листами Electrolycra и встроен под искусственную присоску для измерения тактильных сил сжатия [31]. В этой статье мы используем предыдущую работу по градиенту жесткости [26,27] конструкции присосок осьминога [25] и объединяем ее с одним сенсорным блоком, который может беспрепятственно измерять как тактильную информацию, так и информацию о близости.

2. Материал и методы

2.1. Биоинспектированная конструкция модуля крепления с градиентом жесткости

Механическая конструкция модуля крепления основана на биологии осьминога-присоски, описанной в a, b . Присоска осьминога состоит из двух функциональных частей, соединенных через сужающее отверстие ( b ): воронкообразной части , внешней воронкообразной части присоски и вертлужной впадины, внутренней полой части. Когда присоска прикрепляется к произвольной поверхности, т.е.г. В камне воронка адаптирует свою форму к этой поверхности, создавая уплотнение, и уменьшает свою толщину за счет сокращения радиальных мышц, тем самым увеличивая прикрепление к поверхности. Следовательно, сокращение лучевых мышц вертлужной впадины [12] снижает давление внутри присоски и вызывает прикрепление [16,21-25]. Фактически, поскольку вода является несжимаемой средой, сокращение вертлужных мышц вызывает напряжение воды внутри присоски, что приводит к снижению внутреннего давления.Чем выше уровень сокращения мышц в вертлужной впадине, тем выше разница давления, что приводит к более прочному прикреплению.

Обзор методологии биоинспирированного дизайна и реализации модуля привязки. ( a ) Присоска осьминога, вид сверху с канавками на поверхности инфундибулярной части. Эти радиальные канавки не только позволяют передавать давление, создаваемое в вертлужной впадине, почти на всю поверхность раздела присоска-субстрат, тем самым увеличивая прочность анкера, но также облегчают процесс отсоединения.( b ) Поперечный разрез присоски, показывающий ее биологическое строение. ( c ) САПР проектирование внутренней части пресс-форм без пазовых конструкций. Обратите внимание, что прямой стержень в CAD-модели пресс-формы создает канал для оптического волокна, через которое будет проходить на более позднем этапе. ( d ) САПР проектирование внутренней детали с учетом радиальных канавок в естественных присосках (количество канавок = 12, глубина и ширина канавок = 500 мкм). ( e ) Внешняя часть пресс-формы.( f ) CAD-дизайн анкерного модуля с инфундибулярной частью (синий), вертлужной частью (красный) и жестким основанием, создающим стабильную платформу для тестирования (серебро). ( г ) Моделирование FEA Abaqus моделирует вакуумное давление внутри анкерного модуля как равномерно распределенную нагрузку давления. ( h ) Изготовленный анкерный модуль, имеющий градиент жесткости в своей механической структуре, удерживается по касательной к контактной поверхности (вход вакуума и датчик: выключены).( i , j ) Постепенное прикрепление к контактной поверхности (вакуумный вход и датчик: вкл.). (Онлайн-версия в цвете.)

В [21–25] были подробно исследованы структура и механические свойства естественной присоски, и был заключен ряд принципов для создания искусственной присоски с помощью биоинспирации. Чтобы имитировать гибкость воронки, эта часть должна быть изготовлена ​​из мягкого и липкого материала. Точно так же искусственная вертлужная впадина должна быть изготовлена ​​из более эластичного и более жесткого материала по сравнению с воронкой.Для повышения эффективности искусственной присоски в процессах прикрепления и отсоединения при биоинспирированном дизайне искусственного воронки следует также учитывать бороздки на поверхности естественной воронки ( a ). Радиальные канавки создают каналы для направления давления, создаваемого в вертлужной впадине, почти на всю поверхность раздела между присоской и контактной поверхностью, чтобы обеспечить более прочное прикрепление и более быстрое отсоединение. Следовательно, градиент механической жесткости и соответствующие каналы для передачи давления вертлужной впадины на границу раздела присоска-субстрат являются центральными в механической конструкции модуля фиксации, как искусственной присоски, и рассматривались для биоинспирированной репликации в рамках этого исследования.

В соответствии с этими целями проектирования, мы разработали набор 3D-моделей в САПР пресс-форм, необходимых для литья материалов и изготовления анкерного модуля, представленных в c – e ; формы состоят из внутреннего сердечника, который формирует внутренние полости и радиальные канавки, и внешнего корпуса. В этом исследовании радиальные канавки имеют ширину 500 мкм и глубину 500 мкм и равномерно распределены (каждые 30 °). Каждая канавка имеет треугольную форму, радиально расходящуюся от отверстия отверстия к краю воронки.Формы были напечатаны на 3D-принтере с использованием машины для быстрого прототипирования. ⁴

В этом исследовании для изготовления вертлужной впадины и инфундибулярной кости с градиентом жесткости были рассмотрены два типа силиконовых материалов: Ecoflex ^® 00–30 и Dragon Skin ^® 00–10, ⁵ . части анкерного модуля (Ecoflex ^® 00–30 мягче, чем Dragon Skin ^® 0010). Модель Йео [32] была использована для моделирования гиперупругого поведения [33] двух материалов по данным испытаний на одноосное растяжение [34], выраженное как

2.1

, где U — энергия деформации на единицу исходного объема, C _{i 0} и D _i — параметры материала [32], является первым инвариантом девиаторной деформации ⁶ и J ^el — коэффициент упругого объема. Чтобы еще больше упростить модель, мы предполагаем несжимаемость двух материалов, и, следовательно, вторым членом модели Йео (уравнение (2.1)) можно пренебречь.Поэтому для моделирования используется

2.2

. Соответствующие параметры материала перечислены в [34].

Таблица 1.

Параметры материалов Ecoflex ^® 00–30 и Dragon Skin ^® 00–10 [24,34].

CAD-части модуля крепления были импортированы в Abaqus FEA ⁷ в виде однородных твердых элементов.Затем был проведен ряд моделирования методом конечных элементов, как описано в §3, для оценки характеристик прикрепления и отсоединения модуля анкеровки при использовании архитектуры мягкого и твердого градиента жесткости материала. Импортированная модель CAD ( f ) была дискретизирована на твердые шестигранные линейные уменьшенные интегрирующие элементы (тип сетки Abaqus C3D8R) с размером ячейки 2,5 мм. Анкерный модуль был смоделирован как сборка частей инфундибулюма и вертлужной впадины, и ограничение типа «стяжка» (ограничение предотвращает любые относительные движения между двумя частями сборки) использовалось для соединения этих двух частей.Обратите внимание, что как часть модели, плоская пластина ( г ), представляющая поверхность, на которую должна крепиться система крепления, создается и помещается над модулем крепления (модуль Юнга пластины составляет 1100 МПа). Верхняя поверхность пластины фиксировалась во время моделирования. Вакуумное давление внутри анкерного модуля моделировалось с использованием равномерно распределенной нагрузки давления. Модель FEA использовалась для моделирования нагрузочных возможностей и деформации анкерного модуля при переменном давлении вакуума. h – j показывает прототип модуля крепления со встроенной сенсорной системой, поясняемый в следующем разделе, который проходит процесс крепления.

2.2. Сенсорно-физическая конструкция модуля: бесшовное измерение тактильной информации и информации о близости

Взаимодополняющая роль датчиков приближения и тактильных датчиков в роботизированном обнаружении привела к ряду попыток объединить обе возможности в едином сенсорном блоке для минимизации общего оборудования и удовлетворять требованиям (например,г. вес и размер) для интеграции в более широкий спектр робототехнических систем, включая легкие летающие роботы и компактные манипуляторы для работы в ограниченном пространстве. На сегодняшний день яркими примерами таких сенсорных систем являются емкостные тактильные датчики приближения на основе серебряных нанопроволок и полимерной пленки [35] и углеродных микрокатушек [36]. Поскольку первый использует один и тот же емкостной диапазон как для приближения, так и для тактильного восприятия, датчик не может различать статическое приближение и тактильные входы.Последний требует схемы управления для переключения между двумя режимами работы.

Волоконно-оптические системы с диффузным отражением [37–40], в которых используется принцип определения модуляции интенсивности света [37–43], потенциально могут предоставить лучшие возможности для непрерывного измерения тактильной информации и информации о близости в практических приложениях. Бесконтактный характер принципа измерения позволяет выполнять измерения независимо от геометрии воплощающей конструкции и системы приведения в действие, и, следовательно, не требуется никаких действий для перехода между двумя режимами измерения.Кроме того, простая и независимая структура этих датчиков делает их более прочными и надежными для работы в течение длительного периода времени. Волоконно-оптические датчики не пропускают электрический ток в месте обнаружения, что делает их изначально безопасными для интеграции в модули крепления, которые потенциально могут быть прикреплены к уязвимым поверхностям или телу человека. Более того, они подходят для интеграции в мягкие робототехнические системы, поскольку гибкость оптического волокна позволяет сохранить присущую этому классу роботов мягкость [39–41].

Сенсорная система нашего модуля фиксации использует модуляцию интенсивности света, как описано в a , происходящую между отражающим волоконным блоком FU-69U ⁹ , который встроен в искусственную вертлужную впадину ( b ), и контактная поверхность. В этой статье расстояние a между концом оптического волокна и контактной поверхностью, указанное в b , называется «длиной анкера». Во время крепления, когда длина анкера уменьшается, интенсивность отраженного света увеличивается ( c ), указывая на более прочное крепление.Волоконно-оптический датчик FS-N11MN от того же производителя оптики использовался для преобразования интенсивности света в информацию о напряжении, которая впоследствии была получена картой сбора данных NI USB 6211 ¹⁰ . Хотя сенсорная система не защищена от внешнего света, она очень устойчива к окружающему свету (не подвержена воздействию до 30 000 люкс) [44]. Устройство датчика может измерять длину анкера в пределах 40 мм от конца оптического волокна [44]. Обратите внимание, что наша работа над сенсорной системой была направлена ​​на воспроизведение двух биологических функций (близость и тактильное восприятие) с использованием одной сенсорной единицы, а не на копирование принципов биологического восприятия.

( a ) Конфигурация диффузно-отражающей волоконно-оптической системы, состоящая из модуля источника света и детектора (волоконно-оптический датчик FS-N11MN) и четырехжильного оптоволоконного блока. ( b ) Определение длины анкера α . ( c ) Бесшовная калибровка сенсорной системы модуля крепления; модуль интегрирован с моторизованной линейной направляющей и специализированным программным обеспечением для управления двигателем ⁸ , которое позволяет автоматически запускать повторные эксперименты; обратите внимание на изменение показаний датчика, когда модуль крепления отодвигается от контактной поверхности.( d ) Описание экспериментальной установки и параметров. ( e ) Близость и тактильные области калибровочной кривой для деревянных и алюминиевых материалов, как описано уравнением (2.3). (Онлайн-версия в цвете.)

Для калибровки отдельного сенсорного блока анкерного модуля модуль был интегрирован в настраиваемое калибровочное устройство с помощью монтажного вала ( d ). Калибровочное устройство состоит из моторизованной линейной направляющей и контроллера движения, который позволяет изменять длину анкера автоматическим и повторяемым образом в диапазоне от 2 до 40 мм, в то время как выходное напряжение оптоволоконного датчика FS-N11MN регистрируется, что можно определить по с, д .Датчик откалиброван для двух различных контактных поверхностей, изготовленных из алюминия (отделка фрезерованием) и дерева (отделка дубом), а калибровочные кривые представлены в и .

Длину анкера можно рассчитать с помощью

2,3

, где v — аналоговое выходное напряжение, полученное от FS-N11MN и p ₁ , q ₁ , q ₂ и q ₃ — это калибровочные коэффициенты, которые описаны в.Следует отметить, что уравнение (2.3) представляет собой рациональное соответствие данным о длине якоря напряжения, полученным в Matlab. ¹¹

Таблица 2.

Коэффициенты аппроксимации кривой для алюминия и древесины.

2.3. Изготовление, интеграция мехатроники и тестирование модуля анкеровки

Для изготовления модуля анкеровки форма, показанная на e , была помещена вверх дном и залита в нее материал Ecoflex ^® 00–30 до полного покрытия. области воронки, а затем нагревают при 55 ° C в течение 20 минут в духовке.Затем в форму был добавлен материал Dragon Skin ^® 00–10 до достижения кровли вертлужной впадины толщиной три миллиметра (следует отметить, что оба силиконовых материала были дегазированы внутри вакуумной камеры перед процессом литья). На этом этапе четырехжильное оптическое волокно FU-69U и вакуумная трубка диаметром 2 мм (внешний диаметр) были встроены внутрь вертлужной впадины, как показано на рисунке, и заготовка была оставлена ​​при комнатной температуре (примерно 25 ° C) для последующего использования. вылечил за ночь. Затем к нижней части модуля крепления была приклеена пластиковая основа, напечатанная на 3D-принтере, чтобы гарантировать, что положение оптического волокна остается неизменным во время последовательных экспериментов, обеспечивая стабильную платформу для экспериментов.

Мехатронная конфигурация сенсорно-физического модуля привязки. Модуль имеет конструкцию градиента жесткости в своей механической конструкции и приводится в действие с помощью вакуумного насоса Mastercool

Общая конфигурация анкерного модуля состояла из мягких искусственных воронок и частей вертлужной впадины, интегрированных с четырехжильным оптическим волокном и трубкой подачи вакуума, как показано на рис.Вакуумное давление подавалось вакуумным насосом Mastercool

Для сравнения с естественным аналогом стоит отметить, что на уровне моря осьминог может создавать перепад давления от 100 до 200 кПа с помощью присоски. Однако животное способно создавать более высокие перепады давления на больших глубинах, где давление воды выше [12].Когда анкерный модуль работает на воздухе, перепад давления не может превышать предел в 1 бар (100 кПа), поскольку абсолютное отрицательное давление невозможно, за исключением твердых и жидких веществ [45]. Отметим, что в данном исследовании все эксперименты проводились на воздухе.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Характеристика максимальной грузоподъемности

Чтобы оценить возможности срабатывания анкерного модуля, его максимальную грузоподъемность при различных значениях входного давления вакуума в диапазоне от -0.Было определено количество от 1 бар до -0,5 бар. Результаты соответствующего моделирования методом конечных элементов и экспериментальные результаты предполагают, что анкер может выдерживать физические нагрузки примерно до 2 Н ( a ). В другом эксперименте срабатывание анкерного модуля с фиксированным общим весом 1,09 Н было зафиксировано с помощью видеокамеры высокого разрешения. Длина анкера для различных значений входного давления вакуума рассчитывалась по видеоизображениям и сравнивалась с соответствующими результатами моделирования.Эксперимент был повторен пять раз, и результаты нанесены на график b , что указывает на максимальную ошибку 27% между смоделированными и экспериментальными значениями длины анкера. Ошибка может быть в основном из-за возможных неточностей в данных одноосных испытаний; все образцы, использованные для одноосного испытания в [34], и наш экспериментальный прототип были изготовлены с помощью аналогичных процессов ручного литья. Следовательно, могут быть некоторые различия в свойствах материалов из-за качества ручной обработки.Другие источники ошибки могут быть связаны с гиперупругой моделью, используемой для моделирования, а также с экспериментальными измерениями.

Конечно-элементное моделирование и соответствующие экспериментальные результаты для крепления к деревянной поверхности. ( a ) Грузоподъемность в зависимости от давления; максимальная физическая нагрузка, которая может удерживать модуль крепления на поверхности при различных давлениях, была смоделирована в Abaqus FEA и проведена физическая проверка. Обратите внимание, что на вставке показана установка для добавления физической нагрузки к модулю, когда он был вертикально прикреплен к поверхности.( b ) Зависимость длины анкера от давления; результаты моделирования методом конечных элементов сравнивались с соответствующими данными, извлеченными из изображений с камеры. (Онлайн-версия в цвете.)

3.2. Динамика реверсивной системы анкеровки и жесткости анкера

Была оценена способность сенсорной системы количественно определять стойкость анкера при различных условиях физической нагрузки. Чтобы иметь возможность последовательно выполнять несколько циклов экспериментов, мы определили минимальное значение для входного сигнала давления, которое гарантирует, что система крепления будет прикреплена к деревянной поверхности в течение всего эксперимента, когда дополнительные грузы были сложены друг с другом. в верхней части существующих нагрузок (см. вставку в и ), и выходной сигнал датчика был записан.Это минимальное значение составляло -0,1 бар, которое было определено экспериментом в §3.1 и a . Следовательно, к анкерному модулю ( a ) был приложен обратный пилообразный вакуумный ввод с соответствующими максимальными и минимальными значениями -1 и -0,1 бар. Вес модуля крепления постепенно увеличивался путем добавления дополнительных стандартных калибровочных грузов с прорезями в нижнюю часть модуля для достижения общего веса Вт = {0,69, 0,89, 1,09} Н (в последовательных экспериментах) и сигналов датчиков ( b ) были проанализированы в соответствии с визуальной информацией с изображений с камеры.В c соответствующие длины анкеров были рассчитаны из уравнения (2.3), и было указано соответствие ключевым последовательностям отсоединения (1–4, d ) при физической нагрузке 1,09 Н. Обратите внимание, что e показывает полное отсоединение, если мы уменьшим сигнал вакуума до 0. Из значений b можно понять, что показания датчика начинают уменьшаться с более высокого значения 4,67 В (представляющего надежный якорь) до достижения минимального значения 1,77 В (представляющего уязвимый якорь) в процессе отсоединения.На изображениях с камеры видно небольшое колебание модуля крепления вокруг точки крепления во время процесса отсоединения из-за крутящего момента, создаваемого добавленными грузами в нижней части модуля; это может объяснить временное падение напряжения считывания в b до минимального значения кривой 1,77 В перед установкой на более высокое значение 2,08 В, например для физической нагрузки 1,09 Н (обратите внимание, что поворот модуля крепления вокруг точки крепления увеличивает расстояние между концом оптического волокна и контактной поверхностью и, следовательно, снижает сигнал датчика).

( a ) Входной сигнал обратной пилообразной формы с максимальным и минимальным значениями -1 и -0,1 бар (этот сигнал является частью полного обратного пилообразного сигнала, показанного на вставке с периодом 50 с). Следует отметить, что согласно данным, давление вакуума -0,1 бар является порогом для полного отсоединения физических нагрузок ниже 1,4 Н. Поэтому мы сохранили минимальное значение пилообразного сигнала выше -0,1 бар, чтобы можно было последовательно проводить повторные эксперименты. ( b ) Соответствующие сигналы датчиков; обратите внимание, что добавленная физическая нагрузка на нижнюю часть модуля анкеровки создает крутящий момент вокруг точки контакта во время отсоединения и, следовательно, изменение сигнала измерения (см. вставку в a для настройки, используемой для добавления физической нагрузки к модуль).( c ) Длина анкера при различных условиях нагрузки во время отсоединения. ( d ) Соответствие ключевым последовательностям отсоединения, с 1 по 4, сенсорно-физического модуля фиксации с физической нагрузкой 1,09 Н. ( e ) Последовательность 5 показывает конфигурацию модуля привязки в момент отслоение (когда минимальная величина вакуумного давления была снижена до 0). (Онлайн-версия в цвете.)

Воспроизводимость измеренных значений определяется как [41]

3.1

и рассчитана для длины анкера (за пять циклов срабатывания при обратном пилообразном сигнале) как 93,7%. Стандартное отклонение рассчитывается в Matlab как 0,56 мм, а диапазон тактильного восприятия установлен на 9 мм.

Экспериментальные результаты, представленные в, показывают, что большие нагрузки на присоску требуют более высоких уровней приложенного вакуумного давления для поддержания стабильного крепления; это можно увидеть в том, что, имея известные значения сигнала измерения и входного сигнала вакуума, модуль крепления может различать различные значения физической нагрузки.Однако слепой осьминог не может различать два объекта, различающиеся только по весу, с помощью присосок [46]; способность распознавания веса модуля якоря может рассматриваться как пример того, как роботизированные системы с биоинспекцией превосходят их биологические аналоги [47, 48].

4. Заключение

Мы представляем сенсорно-физический модуль фиксации со следующими мехатронными конфигурациями и конфигурациями материалов: (1) конструкция с градиентом жесткости в механической структуре частей искусственного воронки и вертлужной впадины для использования мягкости конформации соприкасающихся поверхностей при сохранении жизнеспособности и механической прочности модуля и (2) единого сенсорного блока на основе волоконной оптики, интегрированной в механическую структуру и откалиброванной для бесшовного определения близости и тактильного взаимодействия модуля крепления с окружающей средой.В то время как тактильная информация может позволить оценить устойчивость якоря (ей) к объектам, информация о близости используется для прогнозирования приближающихся объектов для планирования движения робота до события касания. Чтобы проверить эффективность предложенной системы крепления, к модулю крепления был прикреплен переменный набор грузов, представляющий потенциальное тело робота, и его способность удерживать якорь была оценена с помощью бортовой сенсорной системы в постоянном и переменном вакууме. сигналы давления.Показано, что сенсорно-физический модуль фиксации способен количественно определять степень устойчивости якоря и различать различные количества приложенных к нему физических нагрузок.

Состав из мягких материалов является отличительной особенностью этого модуля крепления, в отличие от более традиционных механизмов крепления с использованием магнитов или штифтов [49]. Предлагаемый модуль хорошо прилегает к поверхностям, к которым он прикрепляется, и может естественным образом разрушиться при столкновении, чтобы избежать повреждения уязвимых оснований.Эта приспосабливаемость и мягкость делают его пригодным для использования в качестве мягкого сенсорно-физического захвата в роботизированных системах захвата и размещения, особенно в системах упаковки пищевых продуктов и лекарств, где жесткий контакт традиционных рабочих органов с доставляемым субстратом часто нежелателен. Более того, модуль может помочь во многих промышленных, медицинских и человеческих приложениях, например хирургическая процедура, при которой фиксирующее устройство должно обеспечивать постепенное прикрепление / отсоединение с характеристиками, которые могут предупреждать оператора, например.г. к хирургу, и дайте ему время среагировать.

Имея известные значения физической нагрузки, вакуумного давления и количества модулей крепления в роботизированной системе, в будущих работах будет рассмотрено дальнейшее развитие этой концепции для создания вычислительных моделей и прототипов предлагаемой концепции крепления для передвижения или манипуляции с несколькими якорями. робототехнические системы, применимые к широкому спектру медицинских и промышленных приложений.

Сноски

¹ Клетки Меркеля представляют собой механорецепторы овальной формы, обнаруженные в коже позвоночных и необходимые для точного восприятия прикосновения.

² Концепция градиента жесткости происходит от естественных организмов, чья жесткость тела меняется с жесткой на мягкую по направлению к внешнему телу, например, структура костей, мышц и кожи человеческого тела.

³ Таблетки QTC, наиболее часто используемый тип QTC, представляют собой чувствительные к давлению переменные резисторы, которые можно использовать в приложениях для измерения силы / тактильного ощущения.

⁴ Формы были разработаны в программе 3D CAD SolidWorks (SolidWorks Corp.) и напечатаны на 3D-принтере с использованием производственной системы Project HD 3000 3D.

⁵ Smooth-On Inc., США.

⁶ где — девиаторное растяжение, λ _i — главное растяжение, а Дж, — общий объемный коэффициент [32].

⁷ Dassault Systèmes, Франция.

⁸ Был разработан специальный код C # для синхронного получения положения двигателя и значений чувствительного сигнала от оптоволоконного датчика FS-N11MN через NI-USB 6211 DAQ.

⁹ Пучок оптического волокна с четырьмя жилами производства Keyence ™, США.

¹⁰ National Instruments ™, США.

¹¹ MathWorks, Inc., США.

Доступность данных

В этой статье нет дополнительных данных.

Вклад авторов

С.С. и М.Л. задумал исследование. П.С., Ю.Н. и F.T. внесла свой вклад в разработку механической, электронной и биологической конструкции анкерной системы. М.Л. способствовал соответствующему моделированию.С.С. и М.Л. разработан прототип системы крепления и проведены эксперименты. К.А., Б.М. и М.К. посоветовал работу, а С.С. написал статью.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Финансирование

Эта работа была частично поддержана Седьмой рамочной программой Европейской комиссии в рамках грантового соглашения 287728 в рамках проекта ЕС STIFF-FLOP.

Ссылки