应管道机器人驱动系统的设计与研究

工学硕士学位论文机械自适应管道机器人驱动系统的设计与研究梁涛哈尔滨工业大学2007年7月国内图书分类号：TP242.3国际图书分类号：621.8工学硕士学位论文机械自适应管道机器人驱动系统的设计与研究硕士研究生：梁涛导师：唐德威教授申请学位级别：工学硕士学科、专业：机械设计及理论所在单位：机电工程学院答辩日期：2007年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TE242.3U.D.C:621.8DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNANDRESEARCHONDRIVESYSTEMOFMECHANICALSELF-ADAPTEDPIPE-ROBOTCandidate:LiangTaoSupervisor:Prof.TangDeweiAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:MachineDesignandTheoryAffiliation:SchoolofMechatronicEngineeringDateofDefence:July,2007Degree-conferringInstitution:HarbinInstituteofTechnology摘要-I-摘摘摘摘要要要要管道作为一种经济、高效和安全的物料输送手段一直被人们所关注，为提高管道寿命，预防管道老化、腐蚀、断裂等问题的发生，管道机器人作为满足高效准确的故障诊断、检测及维修手段应运而生，其广泛地应用于管道缺陷探伤、防腐涂层检测及涂敷、管内异物识别及清除、管内加工等诸多领域。随着科学技术水平不断提高，管道机器人的应用范围要求越来越广，但现有的管道机器人系统仅能适应有限作业范围，因此管道机器人的大范围应用推广受到一定限制。所以，如何提高管道机器人的管道环境适应能力、驱动效率及机动灵活性，成为专家和学者研究的重点。本文结合国家“863”计划课题“三轴差动式管道机器人自适应驱动技术研究”项目（编号为2006AA04Z236）、教育部科学技术研究重点课题“机械自适应管道机器人移动载体的虚拟样机技术研究”项目（编号为204040）和吉林省杰出青年科学研究基金资助项目“经济性多功能管道机器人实用化技术研究”（编号为20040107），对管道机器人的机械自适应技术进行了分析与研究，并研制了机械自适应管道机器人实物样机。机械自适应管道机器人采用一种新型的传动机构——三轴差速机构构成中央差速单元，实现了管道机器人对管径变化和弯管环境的自动适应性能，提高了机器人在不规则管中的行走能力。采用径向辐射轮式支撑，利用平行四边形机构组成机器人的行走单元，六个驱动轮分别安装在三个平行四边形支架的两端，三个平行四边形支架呈周向120°分布。利用丝杠螺母副和弹簧联合构成力封闭机构，提高了机器人对管径变化的适应能力并实现了机器人的主动解卡功能。以三轴差速轮系为研究对象，深入地研究了三轴差速技术，建立了三轴差速轮系输入轴与三输出轴之间的力矩传递关系，绘制了弯管环境约束下三轴差速轮系内部的功率流向图，推导了三轴差速轮系的传递效率计算公式。以径向辐射轮式管道机器人为研究对象，对其拖动力、封闭力等进行了理论研究，建立了径向辐射轮式管道机器人的作业姿态角与重力产生的封闭力之间的关系和拖动力与预紧力及作业姿态角之间的力学关系模型。摘要-II-利用三维设计软件Pro/E和虚拟样机设计软件ADAMS建立了三轴差速轮系的数字化模型，并进行了运动仿真分析，验证了该轮系的差动功能及结构的空间对称性；同时建立了机械自适应管道机器人的数字化模型，并进行了运动仿真分析，验证了应用三轴差速轮系的管道机器人具有较强的弯管适应能力及管内运动的稳定性。最后，对机械自适应管道机器人进行了结构设计，加工出原理样机，并进行了拖动力实验和弯管通过性实验，验证了应用三轴差速轮系的管道机器人具有较强的驱动能力、弯管适应能力及管内运动的平稳性。关键词机械自适应；管道机器人；三轴差速技术；运动仿真分析；Abstract-III-AbstractAbstractAbstractAbstractAsakindofeconomyefficientandsafetymaterialtransportmeans,pipinghasalwaysattractspeople’sattention.Inordertoraisethelifespanofpipingandpreventingtheproblemsuchasaging,decay,splitetc,thepipe-robotappearswhichcansatisfytheneedsoftheaccuracyandefficiencyindiagnosisexaminationandmaintenance.Thepipe-robotcanbeusedinmanyareas,suchaswoundexploration,examinationandspreadofantisepsiscoat,identifyandcleanupofeye-winkerinthepipe,machininginthewedpipeetc.Asthedevelopmentofscienceandtechnology,theapplicationscopeofpipe-robotisbecomingwiderandwider.However,thesystemofthepipe-robotinexistenceonlycanbeappliedinafewscopes,sotheapplicationofthepipe-robotislimited.Sohowtoimprovetheadaptabilityinthepipeenvironmentandhowtoenhancetheefficiencyofthedriveandagilityofmovementbecomeanimportantpointintheresearches.Thepaperisbasedonnational“863”program“TheResearchofadaptivedrivetechnologyoftri-axialdifferentialpipe-robot”(theserialnumberis2006AA04Z236),theimportantscienceandtechniquetopicsofTheMinistryofEducation“Theresearchofdummymodeltechnologyofmechanicaladaptivepipe-robotambulationcarrier”(theserialnumberis204040)andthescienceresearchfunditemofJiliprovinceoutstandingyouth“Thepracticaltechnologyresearchoftheeconomicalmulti-functionpipe-robot”.Thepaperstudiesthemechanicaladaptivetechnologyofpipe-robotdeeplyandsucceededtodevelopapracticalitymachineofmechanicaladaptivepipe-robot.Mechanicaladaptivepipe-robotappliesanewkindoftransmissionmechanism—tri-axialdifferentialwheelsystemconstitutethecentraldifferentialunits,whichimplementthepipe-robotadaptivetothechangeofpipecircleandtheenvironmentofsyphon,increasethemoveabilityinirregularpipe.Therobotintroducestheradialradiationsupportmodel,makesuseoftheparallelogramtoformthewalkunitoftherobot,thesixdrivewheelarefixedonthetwoendofthethreemechanismseparately,thethreeparallelogramdistributeequallyonacircle.TherobotcombinesscrewnutconstraintandspringtoconstitutecloseAbstract-IV-mechanism,whichcanimprovetherobotadaptabilitytothechangeofdiameterofpipeandrealizetheinitiativeunlockfunctionoftherobot.Thepapertakesthetri-axialdifferentialwheelsystemastheobject,studiesthetri-axialdifferentialtechnologydeeply.Bytheresearchonthetri-axialdifferentialtechnology,webuildthemomentthetransmissionrelationbetweentheinputshaftandoutputshaftofthetri-axialdifferentialwheel,drawmapofthepowerfloworientationinsidethetri-axialdifferentialwheelsystem,andalsodeducetransmissionefficiencycalculationformulaofthetri-axialdifferentialwheelsystem.Takingtheradialradiationpipe-robotasresearchobject,thepaperstudiesitsdriveforceandcloseforceintheory,buildstherelationshipbetweentheworkposeangleandcloseforcecausedbygravityandtheforcerelationmodalbetweendriveforceandbeforehandtightenforce.Thepapermakesuseofthe3DdesignsoftwarePro/EandthedummymodeldesignsoftwareADAMStobuildupadigitalmodeofthetri-axialdifferentialwheelsystem,andakinematicssimulationisimplementedtovalidatethedifferentialfunctionandthespecialsymmetryofthemechanism.Meantime,webuildthedigitalmodeofthemechanicaladaptivepipe-robot,andkinematicssimulationisimplementedtovalidatethepipe-robotwithtri-axialdifferentialwheelsystemhasstrongeradaptabilityinsyphonandthestabilityofthemovementinthepipe.Atlast,wedesignthestructureofmechanicaladaptivepipe-robotandmachiningtheprinciplesa