三軸差動(dòng)式管道機(jī)器人及其性能的研究.pdf

1、管道機(jī)器人是攜帶傳感器件或作業(yè)裝置并可沿管道自主行走,在惡劣管內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行管道檢測(cè)和修護(hù)作業(yè)的機(jī)電一體化裝備。輪式管道機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度穩(wěn)定、易于定位等諸多優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于大中型油氣輸送管道的非在役檢測(cè)和探傷等作業(yè)中。當(dāng)輪式管道機(jī)器人通過(guò)彎管或內(nèi)部幾何尺寸不規(guī)則的管道時(shí),由于各驅(qū)動(dòng)輪走過(guò)的實(shí)際弧長(zhǎng)不同,相應(yīng)地要求各驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速也不同,若輪式管道機(jī)器人不具有差動(dòng)運(yùn)動(dòng)功能,某些驅(qū)動(dòng)輪將成為事實(shí)上的制動(dòng)輪,從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉,降低機(jī)器人

2、的有效拖動(dòng)力并加劇傳動(dòng)部件的磨損,機(jī)器人需要克服由于環(huán)境約束而產(chǎn)生的額外功率消耗。
　　為解決輪式管道機(jī)器人通過(guò)彎管時(shí)的運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題,本文將三軸差動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于輪式管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元中,研制一種具有差動(dòng)運(yùn)動(dòng)功能的機(jī)械自適應(yīng)輪式管道機(jī)器人——三軸差動(dòng)式管道機(jī)器人,并對(duì)機(jī)器人的牽引力、越障能力等驅(qū)動(dòng)特性進(jìn)行了分析;建立了機(jī)器人彎管運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的簡(jiǎn)化分析模型,對(duì)三軸差動(dòng)式管道機(jī)器人彎管運(yùn)行的差動(dòng)效果進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí),針對(duì)機(jī)器人的牽引力、

3、越障能力和彎管運(yùn)行狀態(tài)開(kāi)展了仿真研究,仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)結(jié)論基本一致。
　　三軸差動(dòng)機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人的核心部件,其差動(dòng)性能、嚙合效率直接影響該機(jī)構(gòu)是否能在工程實(shí)際中應(yīng)用。以三軸差動(dòng)機(jī)構(gòu)三個(gè)輸出軸的輸出特性完全等效為目標(biāo),將鍵合圖理論應(yīng)用到三軸差動(dòng)機(jī)構(gòu)差動(dòng)特性的分析中,利用絕對(duì)速度法建立了力約束下的三軸差動(dòng)機(jī)構(gòu)鍵合圖模型,并推導(dǎo)出相應(yīng)的狀態(tài)方程。然后,由狀態(tài)方程得到三個(gè)輸出軸傳動(dòng)路線等效的條件,進(jìn)行相應(yīng)的等效處理后,對(duì)三軸差動(dòng)機(jī)構(gòu)在不

4、同工況下的輸出特性進(jìn)行了仿真計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明三軸差動(dòng)機(jī)構(gòu)可以根據(jù)外作用力的大小關(guān)系進(jìn)行差動(dòng)輸出。同時(shí),利用鍵合圖能量守恒和功率流動(dòng)的特點(diǎn),將鍵合圖理論應(yīng)用到三軸差動(dòng)機(jī)構(gòu)功率流的分析中,建立了速度約束下三軸差動(dòng)機(jī)構(gòu)的鍵合圖模型,并進(jìn)行了仿真計(jì)算,得到三軸差動(dòng)機(jī)構(gòu)在不同速度約束下的內(nèi)部功率流以及各差速器轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的功率流情況,并以得到的功率流情況為基礎(chǔ),開(kāi)展了三軸差動(dòng)機(jī)構(gòu)的力矩傳遞特性分析以及嚙合效率的計(jì)算。
　　為分析管道機(jī)器人的彎

5、管運(yùn)行狀況,針對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)中所建立的位姿模型的不足,建立考慮驅(qū)動(dòng)輪尺寸的三種典型構(gòu)型的管道機(jī)器人彎管運(yùn)行時(shí)的位姿模型,通過(guò)對(duì)該位姿模型進(jìn)行求解,得到了驅(qū)動(dòng)輪輪心、驅(qū)動(dòng)輪與管壁接觸點(diǎn)的位置坐標(biāo),然后以建立的位姿模型為基礎(chǔ),對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的速度進(jìn)行了分析,得到相應(yīng)的速比關(guān)系并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。同時(shí),對(duì)從動(dòng)單元彎管運(yùn)行時(shí)的受力狀況也進(jìn)行了分析,得到了該單元彎管運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)體力矩模型,并計(jì)算出了無(wú)轉(zhuǎn)體力矩產(chǎn)生的最佳運(yùn)行姿態(tài)角,為多單元管道機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)行提供