多節(jié)輪式管道機器人設計與運動分析研究.pdf

1、隨著管道在各行各業(yè)的普及和應用，管道已經(jīng)成為輸運物質(zhì)的主要工具之一。目前，管道需要查找和清除異物時，采用的流程是先停掉相關(guān)設備，然后拆開閥門或者管道，人工進行排查以確定異物在管道內(nèi)的具體位置。然而，大部分管道鋪設在高空或者深埋在地下，或者處在高溫高壓、有毒、高輻射等惡劣環(huán)境，這給人工作業(yè)帶來了極大的不便，導致工作效率低下。因此，為提高檢修水平和事故處理效率，降低工作人員的勞動強度，避免工傷的發(fā)生，開發(fā)一種能代替人工進行異物探測和清理的管

2、道機器人具有重要現(xiàn)實意義。
　　通過分析總結(jié)國內(nèi)外的管道機器人研究狀況，結(jié)合管道環(huán)境和作業(yè)需求，確定機器人的本體結(jié)構(gòu)采用模塊化關(guān)節(jié)串聯(lián)設計以及單元結(jié)構(gòu)采用四周輪式封閉設計的方案;分別設計機器人的單元驅(qū)動模塊、關(guān)節(jié)連接模塊，并詳細設計關(guān)鍵零部件，同時利用有限元軟件進行關(guān)鍵零部件的校核分析。
　　基于D-H齊次坐標轉(zhuǎn)化原理，建立管道機器人的運動學模型，并利用MATLAB進行機器人正運動學的求解，結(jié)合遺傳算法對機器人逆運動學方程進

3、行尋優(yōu)求解;結(jié)合機器人的結(jié)構(gòu)形式以及管道結(jié)構(gòu)特征，提出一種S型垂直爬行運動策略，并對其進行垂直爬行運動動作規(guī)劃。基于驅(qū)動輪與管道內(nèi)壁之間作用機理，利用達朗貝爾原理建立機器人單元管道行走運動力學模型，在此基礎(chǔ)上利用牛頓-歐拉動力學分析方法建立單元間相互約束的垂直爬行運動動力學模型，得到關(guān)于機器人各單元的驅(qū)動力及各關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩的矩陣方程。
　　基于機器人直管道行走運動仿真，驗證管道機器人基本功能與結(jié)構(gòu)設計的合理性，同時驗證基于機器人

4、驅(qū)動輪與管壁相互作用的動力學模型的正確性;基于機器人彎管道通過性仿真，得到管道機器人在水平彎道運行時的單元姿態(tài)以及關(guān)節(jié)姿態(tài)，驗證管道機器人彎道通過性?；跈C器人垂直管道爬行運動仿真，分析管道機器人在垂直管道爬行時的姿態(tài)，驗證管道機器人垂直管道S型運動規(guī)劃策略的可行性;分析垂直爬行運動力學特性曲線，驗證垂直爬行運動動力學理論模型的正確性，以及垂直爬行運動的可靠性與穩(wěn)定性。
　　基于機器人單元最大速度測試實驗，驗證機器人在管道行進的最

5、大速度能夠達到性能指標6m/min的要求，同時驗證本體傳動結(jié)構(gòu)設計以及移動方式選擇均是合理的，能夠達到預期目標?；跈C器人單元牽引力測試實驗，測試機器人單元在管道內(nèi)行走過程中的牽引力，驗證設計的機器人單元所提供的牽引力能夠滿足實際管道作業(yè)需求?；趦晒?jié)機器人單元彎管道通過性測試實驗，驗證管道機器人多節(jié)單元能夠平穩(wěn)順利通過彎道，同時驗證彎道仿真建模的可信性，也進一步驗證機器人連接關(guān)節(jié)機構(gòu)方案設計的可行性以及機器人整體結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)設定的合理