Постановка проблеми. Структурна цілісність розгалужених трубопровідних мереж є критично важливою для економічної та екологічної безпеки, що потребує надійних методів моніторингу їхнього стану. Мобільні роботи для внутрішньотрубного інспектування (РВТІ) є одним з ефективних рішень, які не потребують зупинки експлуатації трубопроводу, однак проєктування їхніх привідних механізмів для роботи в обмежених і складних середовищах залишається складним завданням. Наявні аналітичні підходи часто демонструють розрив між кінематичним моделюванням (плануванням руху) та силовим аналізом (стійкість і тягові характеристики), особливо для передових гібридних стратегій переміщення. Ця прогалина перешкоджає систематичній оптимізації та ефективному керуванню конструкціями РВТІ. Мета дослідження. Це дослідження спрямоване на розробку та аналіз комплексної кінетостатичної моделі привідного механізму специфічної конструкції РВТІ: двомодульного робота, що використовує крокуючий (черв’якоподібний) принцип переміщення, приводиться в рух внутрішнім кривошипно-повзунним механізмом та оснащений обгінними муфтами (муфтами вільного ходу). Метою є створення математичної моделі, яка точно пов’язує кінематику руху з силами, необхідними для його здійснення. Методологія. У дослідженні застосовується кінетостатичний аналіз на основі рівнянь Лагранжа. Робот розглядається як гібридна динамічна система, що функціонує у двох різних режимах: розширення та стиснення. Кут повороту кривошипа прийнято за узагальнену координату. Рівняння руху виведені для кожного режиму з урахуванням обмежень, що накладаються ідеальними обгінними муфтами, які забезпечують однонапрямлений рух. Отримані жорсткі та негладкі диференціальні рівняння реалізовано у програмному середовищі Wolfram Mathematica та розв’язано чисельно з використанням методу “StiffnessSwitching” для точного опрацювання розривної динаміки. Результати. Чисельне моделювання успішно підтверджує крокуючий принцип переміщення, демонструючи характерний почерговий рух модулів. За умови постійного рушійного моменту (0.25 Нм), робот демонструє неперервне пришвидшення, досягаючи пікових швидкостей приблизно 4 м/с протягом першої секунди. Аналіз профілів швидкостей підтверджує брак перекриття руху модулів, що валідує ідеалізовану модель муфт. Ключовим висновком є наявність надзвичайно великих піків прискорення (до 1000 м/с²), що виникають миттєво під час переходу між режимами руху. Це вказує на значні динамічні удари, властиві цій стратегії переміщення. Наукова новизна. Новизна полягає у строгому виведенні кінетостатичної моделі, спеціально адаптованої для крокуючого РВТІ з обгінними муфтами. Застосування механіки Лагранжа до цієї гібридної динамічної системи забезпечує уніфіковану аналітичну основу, яка долає розрив між генеруванням руху та аналізом сил для цього класу роботів. Практична цінність. Розроблена математична модель є потужним інструментом для оптимізації конструктивних параметрів (наприклад, розподілу мас, геометрії механізму, вибору приводів) крокуючих РВТІ. Вона дає критичне розуміння динамічної поведінки системи, зокрема наголошує на неодмінності зменшення високих динамічних навантажень, що виникають під час вмикання муфт у практичних реалізаціях. Напрямки подальших досліджень. Подальші дослідження повинні бути зосереджені на вдосконаленні математичної моделі для врахування неідеальної поведінки муфт (наприклад, податливості та динаміки тертя), аналізі переміщення у складних геометріях (вигини й вертикальні ділянки) та розробці стратегій керування на основі запропонованої динамічної моделі.
- Elankavi, R. S. et al. A review on wheeled type in-pipe inspection robot // International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research. 2022. Vol. 11, No. 10. P. 745–754. https://doi.org/10. 18178/ijmerr.11.10.745-754
- John, B., Shafeek, M. Pipe inspection robots: a review // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2022. Vol. 1272, No. 1. P. 012016. https://doi.org/10.1088/1757-899x/1272/1/012016
- Bekhit, A., Dehghani, A., Richardson, R. Kinematic analysis and locomotion strategy of a pipe inspection robot concept for operation in active pipelines // International Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics. 2012. Vol. 1, No. 1. P. 15–27. https://doi.org/10.11159/ijmem.2012.003
- Kahnamouei, J. T., Moallem, M. A comprehensive review of in-pipe robots // Ocean Engineering. 2023. Vol. 277. P. 114260. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2023.114260
- Elankavi, R. S. Developments in inpipe inspection robot: A review // Journal of Mechanics of Continua and Mathematical Sciences. 2020. Vol. 15, No. 5. P. 238–248. https://doi.org/10.26782/jmcms.2020.05.00022
- Rusu, C., Tatar, M. O. Adapting mechanisms for in-pipe inspection robots: a review // Applied Sciences. 2022. Vol. 12, No. 12. P. 6191. https://doi.org/10.3390/app12126191
- Han, M., et al. Analysis of in-pipe inspection robot structure design // Proceedings of the 2016 2nd Workshop on Advanced Research and Technology in Industry Applications. Paris, France: Atlantis Press, 2016. P. 989–993. https://doi.org/10.2991/wartia-16.2016.210
- Blewitt, G., et al. A review of worm-like pipe inspection robots: research, trends and challenges // Soft Science. 2024. Vol. 4, No. 2. P. 13. https://doi.org/10.20517/ss.2023.49
- Elankavi, R. S., et al. Kinematic modeling and analysis of wheeled in-pipe inspection mobile robot // Handbook of Smart Materials, Technologies, and Devices / ed. Hussain C.M., Di Sia P. Cham: Springer International Publishing, 2021. P. 1–15. https://doi.org/10.1007/978-3-030-58675-1_168-1
- Song, Z., et al. Kinematic analysis and motion control of wheeled mobile robots in cylindrical workspaces // IEEE Transactions on Automation Science and Engineering. 2016. Vol. 13, No. 2. P. 1207–1214. https://doi.org/10.1109/ TASE.2015.2503283
- Castillo-Castañeda, E., Córdoba-Malaver, A. R. Mobile robot with wheeled-legs for inspection of pipes with variable diameter and elbow shapes // Mechanisms and Machine Science. 2021. Vol. 93. P. 325–331. https://doi.org/10.1007/978-3-030-58104-6_37
- Li, P., et al. Design and analysis of a novel active screw-drive pipe robot // Advances in Mechanical Engineering. 2018. Vol. 10, No. 10. P. 1–18. https://doi.org/10.1177/1687814018801384
- Tourajizadeh, H., Afshari, S., Azimi, M. Design and modeling of an in-pipe inspection robot with repairing capability equipped with a manipulator // AUT Journal of Modeling and Simulation. 2021. Vol. 53, No. 1. P. 39–48. https://doi.org/10.22060/miscj.2021.19033.5229
- Zhao, Y., Hua, Y., Di, J. Kinematics modeling and simulation analysis of wheeled mobile robot in round pipe // Proceedings of the 2016 4th International Conference on Sensors, Mechatronics and Automation (ICSMA 2016). Paris, France: Atlantis Press, 2016. Vol. 136. P. 544–550. https://doi.org/10.2991/icsma-16.2016.95
- Zhao, W., Zhang, L., Kim, J. Design and analysis of independently adjustable large in-pipe robot for long- distance pipeline // Applied Sciences. 2020. Vol. 10, No. 10. P. 3637. https://doi.org/10.3390/app10103637
- Lock, J., Dupont, P. E. Friction modeling in concentric tube robots // 2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2011. Vol. 23, No. 1. P. 1139–1146. https://doi.org/10.1109/ICRA.2011.5980347
- Korendiy, V. Generalized design diagram and mathematical model of suspension system of vibration- driven robot // Ukrainian Journal of Mechanical Engineering and Materials Science. 2021. Vol. 7, № 3–4. P. 1–10. https://doi.org/10.23939/ujmems2021.03-04.001
- Korendiy V., et al. Mathematical modeling and computer simulation of the wheeled vibration-driven in- pipe robot motion // Vibroengineering Procedia. 2022. Vol. 44. P. 1–7. https://doi.org/10.21595/vp.2022.22832
- Korendiy, V., et al. Development and investigation of the vibration-driven in-pipe robot // Vibroengineering Procedia. 2023. Vol. 50. P. 1–7. https://doi.org/10.21595/vp.2023.23513
- Korendiy, V., Kachur, O. Locomotion characteristics of a wheeled vibration-driven robot with an enhanced pantograph-type suspension // Frontiers in Robotics and AI. 2023. Vol. 10. P. 1239137. https://doi.org/10. 3389/frobt.2023.1239137