具有差速运动机构的管道机器人设计与研究

摘要

管道机器人是现阶段工业管道检测、清理最直观且最有效的方式之一，随着工业管线布置和应用环境复杂程度的提高，对管道机器人的结构和功能也提出了更高的要求。尤其是解决管道机器人转弯过程中内外侧驱动轮寄生功率循环问题的同时，机器人还需具有更高的管道适应能力、主动转向能力和制动能力，这也成为了管道机器人研究的一个重要课题。 本文以一种单电机输入，四轴自适应差速输出的驱动机构为核心，设计了一种可应用于多种管道环境的差动式管道机器人。分析了四轴差动机构的结构组成和工作原理，结果表明该机构具有自适应差速特性和转矩等量分配特性；设计了以滚珠丝杠螺母副和柔性支杆为主体的管径适应机构，建立并求解了管径适应机构的力学模型，验证了管径适应机构的合理性；设计了具有两个旋转关节的主动转向机构，通过主动转向机构的导向作用可实现管道机器人在管道接头中的主动转向；设计了用于传递驱动力的动力传输机构，用于防止驱动轮打滑的制动机构以及用于机器人前端支撑的弹性支撑机构，完成了管道机器人总体的三维建模。 以具有差速运动机构的管道机器人为基础，建立了各驱动轮、从动轮弯管转弯的运动轨迹模型，进而得出了管道机器人从入弯到出弯的速度模型；分析了管道机器人在T型管道中的运动，并对其T型管道转弯进行了路径规划；建立了管道机器人的越障模型，制动机构可以有效提高机器人的越障高度；结合自重对机器人牵引力的影响，对管道机器人的牵引力进行了分析与修正。通过对管道机器人管内运动特性的定量分析，为本文设计的管道机器人提供了理论支撑。 基于虚拟样机技术对管道机器人的管内运动情况进行了仿真实验。在弯管转弯运动仿真实验中，机器人可以顺利通过弯管，各驱动轮转速与速度模型相符；在T型管道通过性仿真实验中，机器人可以顺利直行或转弯通过圆角T型管道；在牵引力仿真实验中，机器人在重力作用下的牵引力和修正后的牵引力与理论分析相符。仿真结果表明本文设计的具有差速运动机构的管道机器人满足设计要求，可实现在多种复杂管道中的稳定运行。

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