轮式排水管道检测机器人的运动性能研究

摘要

轮式管道机器人在泥泞管道或者松软土壤上行走时，能否拖动电缆行驶，与土壤的物理特性、轮子结构等有关系。机器人在泥泞路面行走时，由于有浮力，机器人对地面的压力会减小，同时由于轮齿上沾有淤泥，轮式机器人更容易打滑。如何提高机器人在这些环境中的通过性，需要结合具体的地面材质，以及机器人的动力学、运动学、拖线的阻力等进行建模分析。
　　本文采用大型有限元软件Hypermesh、Abaqus建立了管道机器人在松软土壤，泥泞路面上的运动模型，车轮表面花纹进行了简化处理，机器人和管道都被定义为刚体；土壤、泥泞路面被定义为柔性体。松软土壤采用的是 Cap Plasticity材料模型，淤泥路面采用的是Drucker Prager材料模型。由于淤泥路面近似为流体，本文采用了Abaqus中的CEL（Coupled Eulerian-Lagrangian）模拟管道机器人与路面之间的流固耦合作用。
　　本文首先根据管道的形状设计了接触面积要远大于普通结构的车轮结构。通过仿真计算，得到了不同结构的车轮，不同载荷在刚性路面、松软土壤、泥泞路面上的运动位移，牵引系数的变化曲线。优化后的车轮在土壤参数较硬的管道环境中的运动性能较好，明显要优于普通的车轮结构。但是这种结构的车轮对环境变化比较敏感，当土壤较软的时候，尤其是在泥泞路面上，运动性能会急剧下降。
　　管道机器人自身载荷的变化也会对运动性能产生较大影响，当载荷较小的时候，无法拖动电缆前进，载荷较大的时候运动性能会下降，本文通过分析，发现在淤泥质的管道环境中，存在一个最优的载荷区间，在这个载荷下，管道机器人拥有相对最佳的运动性能。
　　实验环节通过观察机器人电机电流变化考察了不同载荷对管道机器人在硬路面、土地面、泥泞路面上的运动性能影响。
　　本文仿真结果对设计和改进不同管道环境中的机器人提供了一定的参考依据。由于本文将车轮进行了刚性处理，若需要得到更精确的结果，在未来的研究中需要将车轮进行柔性处理。此外本文只是在特定几种环境中进行了模拟，如果需要应用到更多的路况，就需要建立更多的土壤模型来进行更广泛深入的研究。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 管道机器人与淤泥的耦合机理

2.1 引言

2.2 管道机器人与淤泥的流固耦合作用

2.3 机器人与淤泥作用的流体、固体控制方程

2.4 管道机器人与淤泥的耦合处理

2.5 本章小结

第3章 管道机器人在管道中运动的有限元模型建立

3.1 引言

3.2 管道机器人有限元模型的建立，

3.3 有限元模型中材料模型定义、初始、边界条件以及载荷施加

3.4本章小结

第4章 管道机器人在松软泥土、泥泞管道中仿真分析

4.1 引言

4.2车轮与土壤之间的相互作用的地面力学原理

4.3管道机器人在松软土壤管道中的仿真分析

4.4 管道机器人在泥泞管道中的仿真分析

4.5 实验验证

4.6本章小结

总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢