多节轮式管道机器人设计与运动分析研究

摘要

随着管道在各行各业的普及和应用，管道已经成为输运物质的主要工具之一。目前，管道需要查找和清除异物时，采用的流程是先停掉相关设备，然后拆开阀门或者管道，人工进行排查以确定异物在管道内的具体位置。然而，大部分管道铺设在高空或者深埋在地下，或者处在高温高压、有毒、高辐射等恶劣环境，这给人工作业带来了极大的不便，导致工作效率低下。因此，为提高检修水平和事故处理效率，降低工作人员的劳动强度，避免工伤的发生，开发一种能代替人工进行异物探测和清理的管道机器人具有重要现实意义。
　　通过分析总结国内外的管道机器人研究状况，结合管道环境和作业需求，确定机器人的本体结构采用模块化关节串联设计以及单元结构采用四周轮式封闭设计的方案;分别设计机器人的单元驱动模块、关节连接模块，并详细设计关键零部件，同时利用有限元软件进行关键零部件的校核分析。
　　基于D-H齐次坐标转化原理，建立管道机器人的运动学模型，并利用MATLAB进行机器人正运动学的求解，结合遗传算法对机器人逆运动学方程进行寻优求解;结合机器人的结构形式以及管道结构特征，提出一种S型垂直爬行运动策略，并对其进行垂直爬行运动动作规划。基于驱动轮与管道内壁之间作用机理，利用达朗贝尔原理建立机器人单元管道行走运动力学模型，在此基础上利用牛顿-欧拉动力学分析方法建立单元间相互约束的垂直爬行运动动力学模型，得到关于机器人各单元的驱动力及各关节的驱动力矩的矩阵方程。
　　基于机器人直管道行走运动仿真，验证管道机器人基本功能与结构设计的合理性，同时验证基于机器人驱动轮与管壁相互作用的动力学模型的正确性;基于机器人弯管道通过性仿真，得到管道机器人在水平弯道运行时的单元姿态以及关节姿态，验证管道机器人弯道通过性。基于机器人垂直管道爬行运动仿真，分析管道机器人在垂直管道爬行时的姿态，验证管道机器人垂直管道S型运动规划策略的可行性;分析垂直爬行运动力学特性曲线，验证垂直爬行运动动力学理论模型的正确性，以及垂直爬行运动的可靠性与稳定性。
　　基于机器人单元最大速度测试实验，验证机器人在管道行进的最大速度能够达到性能指标6m/min的要求，同时验证本体传动结构设计以及移动方式选择均是合理的，能够达到预期目标。基于机器人单元牵引力测试实验，测试机器人单元在管道内行走过程中的牵引力，验证设计的机器人单元所提供的牵引力能够满足实际管道作业需求。基于两节机器人单元弯管道通过性测试实验，验证管道机器人多节单元能够平稳顺利通过弯道，同时验证弯道仿真建模的可信性，也进一步验证机器人连接关节机构方案设计的可行性以及机器人整体结构尺寸参数设定的合理性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 管道机器人研究现状及发展趋势

1．2．1 国外典型管道机器人

1．2．2 国内典型管道机器人

1．2．3 管道机器人发展趋势

1．3 管道机器人相关技术的概述

1．3．1 管道机器人的性能指标

1．3．2 管道机器人静力学分析

1．3．3 管道机器人多体动力学分析

1．4 论文主要研究内容

第2章 管道机器人总体方案与结构设计

2．1 管道机器人系统设计概述

2．2 管道机器人结构方案总体设计

2．2．1 管道机器人的总体结构形式

2．2．2 管道机器人爬行方案分析与设计

2．2．3 管道机器人驱动方案分析与设计

2．2．4 管道机器人连接机构方案分析与设计

2．3 管道机器人单元模块结构设计

2．3．1 单元驱动模块结构设计

2．3．2 单元传动机构设计

2．3．3 同步带涨紧机构设计

2．3．4 主驱动电机选型

2．4 管道机器人连接机构结构设计

2．5 关键零部件设计与校核

2．5．1 锥齿轮的设计

2．5．2 锥齿轮强度校核

2．6 关键零部件的有限元分析

2．6．1 连接机构十字轴支架强度分析

2．6．2 连接机构十字轴连接体强度分析

2．7 本章小结

第3章 管道机器人运动力学分析与垂直运动规划策略

3．1 管道机器人运动学分析

3．1．1 管道机器人运动模型的建立

3．1．2 管道机器人运动学求解

3．2 管道机器人垂直管道运动规划

3．2．1 机器人垂直爬行S型运动策略

3．2．2 机器人垂直爬行运动规划

3．3 基于管道约束的机器人动力学分析

3．3．1 基于轮子-管壁相互作用的机器人单元动力学建模

3．3．2 基于单元间相互约束的垂直爬行运动动力学建模

3．4 本章小结

第4章 管道机器人运动仿真与分析

4．1．3 机器人驱动力矩

4．1．4 驱动轮与管壁接触力

4．1．5 机器人单元牵引力

4．2 管道机器人水平弯道运动仿真

4．2．1 水平弯道运动仿真建模

4．2．2 水平弯道运行位姿状态

4．2．3 过水平弯道时驱动轮与管道的接触力

4．3．2 垂直管道运行位姿状况

4．3．3 垂直管道爬行动力特性

4．4 本章小结

第5章 管道机器人样机制作与性能实验

5．1 管道机器人样机加工与装配

5．2 管道机器人性能实验

5．2．1 管道机器人实验系统

5．2．2 机器人单元最大速度测试实验

5．2．3 机器人单元牵引能力实验

5．2．4 两节机器人单元弯道通过性测试实验

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢