三轴差动式管道机器人及其性能的研究

博士学位论文三轴差动式管道机器人及其性能的研究RESEARCHONTHETRI-AXIALDIFFERENTIALPIPELINEROBOTANDROBOTPROPERTY李庆凯哈尔滨工业大学2011年12月国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：007.52密级：公开工学博士学位论文三轴差动式管道机器人及其性能的研究博士研究生：李庆凯导师：唐德威教授申请学位：工学博士学科：机械设计及理论所在单位：机电工程学院答辩日期：2011年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.2U.D.C:007.52DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONTHETRI-AXIALDIFFERENTIALPIPELINEROBOTANDROBOTPROPERTYCandidate：LiQingkaiSupervisor：Prof.TangDeweiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MachineDesignandTheoryAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：December,2011Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要-I-摘要管道机器人是携带传感器件或作业装置并可沿管道自主行走，在恶劣管内环境下进行管道检测和修护作业的机电一体化装备。轮式管道机器人具有结构简单、速度稳定、易于定位等诸多优点，被广泛应用于大中型油气输送管道的非在役检测和探伤等作业中。当轮式管道机器人通过弯管或内部几何尺寸不规则的管道时，由于各驱动轮走过的实际弧长不同，相应地要求各驱动轮的转速也不同，若轮式管道机器人不具有差动运动功能，某些驱动轮将成为事实上的制动轮，从而产生运动干涉，降低机器人的有效拖动力并加剧传动部件的磨损，机器人需要克服由于环境约束而产生的额外功率消耗。为解决轮式管道机器人通过弯管时的运动干涉问题，本文将三轴差动机构应用于轮式管道机器人驱动单元中，研制一种具有差动运动功能的机械自适应轮式管道机器人——三轴差动式管道机器人，并对机器人的牵引力、越障能力等驱动特性进行了分析；建立了机器人弯管运行时驱动轮转速的简化分析模型，对三轴差动式管道机器人弯管运行的差动效果进行验证。同时，针对机器人的牵引力、越障能力和弯管运行状态开展了仿真研究，仿真结果与理论推导结论基本一致。三轴差动机构作为机器人的核心部件，其差动性能、啮合效率直接影响该机构是否能在工程实际中应用。以三轴差动机构三个输出轴的输出特性完全等效为目标，将键合图理论应用到三轴差动机构差动特性的分析中，利用绝对速度法建立了力约束下的三轴差动机构键合图模型，并推导出相应的状态方程。然后，由状态方程得到三个输出轴传动路线等效的条件，进行相应的等效处理后，对三轴差动机构在不同工况下的输出特性进行了仿真计算，计算结果表明三轴差动机构可以根据外作用力的大小关系进行差动输出。同时，利用键合图能量守恒和功率流动的特点，将键合图理论应用到三轴差动机构功率流的分析中，建立了速度约束下三轴差动机构的键合图模型，并进行了仿真计算，得到三轴差动机构在不同速度约束下的内部功率流以及各差速器转换机构的功率流情况，并以得到的功率流情况为基础，开展了三轴差动机构的力矩传递特性分析以及啮合效率的计算。为分析管道机器人的弯管运行状况，针对现有文献中所建立的位姿模型的不足，建立考虑驱动轮尺寸的三种典型构型的管道机器人弯管运行时的位姿模型，通过对该位姿模型进行求解，得到了驱动轮轮心、驱动轮与管壁接触点的哈尔滨工业大学工学博士学位论文-II-位置坐标，然后以建立的位姿模型为基础，对驱动轮的速度进行了分析，得到相应的速比关系并进行仿真验证。同时，对从动单元弯管运行时的受力状况也进行了分析，得到了该单元弯管运行时的转体力矩模型，并计算出了无转体力矩产生的昀佳运行姿态角，为多单元管道机器人的稳定运行提供了理论依据。昀后，完成了以三轴差动式管道机器人驱动单元为核心的机器人系统的研制工作，搭建了机器人性能测试所需的实验平台，并开展了机器人的越障能力、牵引力、效率、弯管差动性能等实验研究工作。将测得的实验数据与理论分析结果进行对比，为三轴差动式机械自适应管道机器人的应用和推广奠定了基础。关键词：管道机器人；三轴差动；机械自适应；位姿分析；键合图Abstract-III-AbstractPipelinerobotequippedwithsensorsortaskdevicesisamechatronicsequipmentwhichcouldmoveintherigourinnerpipelineautomaticallyandimplementpipelinecheckandmaintenance.Thewheel-typepipelinerobot,aspossessingmuchadvantagesuchassimplemechanism,stablevelocity,andconvenientorientation,hasbeenadoptedinnoninservicetaskofdetectionandinspectionbymostoilandgaspipelines.Butwhenthewheel-typerobotgetsacrosstheelbow,thespeedsofthewheelsshouldbedifferentaccordingtothedifferentcurvaturesoftheirmovementtrajectories.Thus,itisstronglyrequiredtomodulatetherotationvelocitiesofthedrivingwheels,oritcouldresultinthedeclineofthetractionforceandtheabrasionofthetransmissionparts,andalsotherobotneedconsumeadditionalpowertoconquertherestrictionofenvironment,becausesomeofthedrivingwheelsthatbecomethebrakewheelsareinevitablyforcedtoslip.Inordertosolvetheinterferenceproblemofthewheel-typepipelinerobotwhengettingacrosselbow,thetri-axialdifferentialmechanismwasappliedindrivingsystemofthewheel-typepipelinerobot,andawheel-typepipelinerobotnamedTri-AxialDifferentialPipelineRobotwiththeabilityofmechanicalself-adaptiveanddifferentialfunctionwasdevelopedinthispaper.Thenthedrivingpropertyoftherobot,suchastractionforceandtheabilityofspanningobstacle,wasanalyzedandthecorrespondingtheoreticalanalysismodelwasestablished.Tovalidatethedifferentialfunctionoftherobotmanufactured,asimpleanalysismodelwhichcalculatedtherotationvelocitiesofthedrivingwheelswasconstituted.Thevirtualsimulationofthetractionforce,theabilityofspanningobstacleandmovementinelbowoftherobotwasresearched,andthesimulationresultswerebasicallyconsistentwiththetheoreticalanalysis.Thetri-axialdifferentialmechanismwascoreofrobot,andthedifferentialfunctionandmeshefficiencydirectlyaffectedtheapplicationpossibilityinthepracticalproject.Aimingatthefullyequivalentoftheoutputofthemechanism,thetheoryofbondgraphwasappliedintheanalysisofthedifferentialpropertyofthemechanism.Thebondgraphmodelofthetri-axialdifferentialmechanismwasestablishedbasedonthemethodofabsolutespeed,andthenthecorrespondingequationsofstatewereobtainedaccordingtothedefiniterule.Theequivalentconditionsofthemechanismcouldbegotbasedontheequationofstate,andthenthecorrespondingequivalenttreatmentwasdone.Themechanismwassimulatedunderdifferentworkconditions,andtheresultsshownthatthetri-axialdifferentialmechanismcouldachievethedifferentialoutputofmovementaccordingtothe哈尔滨工业大学工学博士学位论文-IV-relationsoftheexternaltorques.Atthesametime,thetheoryofbondgraphwasappliedfortheanalysisofpowerflowofthetri-axialdifferentialmechanismutilizingthecharacteristicofpowerfluxionandenergyconversationofbondgraph,andthebondgraphmodelofthemechanismrestrictedbythespeedwasestablished.Thenthestatusoftheinternalpowerflowofthetri-axialdifferentialmechanism,aswellasthepowerflowoftheconversionmechanismofthedifferentials,wasgotthroughthesimulationofthemodel.Basedontheresultofthepowerflow,thetransmissiontorqueandthemeshefficiencyofthemechanismwereanalyzed.Toanalyzethemovementstatusoftherobotinelbow,aimingattheshortageoftheposemodelestablishedinexistingreferences,aposemodeloftherob