管道内封堵机器人的运动特性与仿真分析研究

摘要

面对石油、天然气等危险源管道的泄漏问题，首先考虑到采取的措施是对泄漏管道的应急封堵，而管道大多铺设在地下且空间狭小，人工无法完成及时封堵作业，因此研制一种带封堵功能的管道机器人对泄漏管道的应急处理处置很有实际意义。 本文首先是对管道内封堵机器人的结构设计。考虑到管道内封堵机器人整体结构对环境适应能力，确定采用模块串联的设计思路将管道内封堵机器人分为机器人单元、连接单元和封堵单元。其中机器人单元采取电机驱动、螺旋行走、弹簧支撑的结构方式，同时在驱动部分增加舵机，通过舵机对驱动轮偏转角度的调节可以控制内封堵机器人的行走速度;连接单元采用十字万向连接器，增加整体结构的灵活性以及它对弯管的通过性能;封堵单元采用气囊式封堵方案，实现了封堵作业的快速性与便捷性。 其次本文利用坐标转换方法，对机器人单元在直管道、变径管道行走过程中的运动特性进行分析，得出行走速度的理论方程，对理论方程分析表明机器人要想在直管道、变径管道中行走，必须保持各个驱动轮的偏转角度相同，并且确定行走的速度方向只与电机的转速方向有关,行走速度的大小与电机的转速大小、驱动轮的偏转角度大小成正比关系，与管道的变径系数成反比。从解析几何的角度对机器人单元在弯管中的行走过程进行分析，得出机器人要想通过弯管必须保证各个驱动轮相对弯管曲率中心的速度分量不同。同时利用MATLAB软件对机器人单元在不同管道工况下的行走轨迹进行仿真，得出正确的行走轨迹曲线。 最后通过仿真分析和实验验证的方法，对管道内封堵机器人的爬坡性能、行走速度、牵引力、弯管通过性能等进行研究，验证了本文中管道内封堵机器人的设计基本满足预期的设计要求。