多节轮式管道机器人设计与运动分析研究

发布时间：2018-04-01 08:27

  本文选题：管道机器人　切入点：本体结构　出处：《山东大学》2017年硕士论文

【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。
[Abstract]:With the popularization and application of pipelines in various industries, pipelines have become one of the main tools for transporting materials. At present, when pipelines need to find and remove foreign bodies, the process used is to first stop the relevant equipment and then open the valves or pipes. Manual clearance checks are carried out to determine the specific location of foreign bodies in the pipeline. However, most of the pipes are laid high in the air or buried deep underground, or in harsh environments such as high temperature and high pressure, poison, high radiation, etc. This brings great inconvenience to manual work and leads to low working efficiency. Therefore, in order to improve the maintenance level and the efficiency of accident handling, reduce the labor intensity of the staff and avoid the occurrence of work-related injuries, It is of great practical significance to develop a pipeline robot which can replace manual foreign body detection and cleaning. Through analyzing and summarizing the research status of pipeline robot at home and abroad, combining the pipeline environment and operation requirements, It is determined that the robot body structure is designed by modular joint series design and unit structure by four-wheeled closed design, and the unit driving module and joint connection module are designed respectively, and the key parts are designed in detail. Based on the principle of D-H homogeneous coordinate transformation, the kinematics model of pipeline robot is established, and the forward kinematics of the robot is solved by MATLAB. Combined with genetic algorithm, the inverse kinematics equation of robot is solved, and a S-type vertical crawling motion strategy is proposed according to the structural form of the robot and the structural characteristics of the pipeline. Based on the mechanism of the action between the driving wheel and the inner wall of the pipe, the mechanical model of the robot unit's pipeline walking motion is established by using the Darembert principle. On the basis of this, a dynamic model of vertical crawling motion is established by using Newton-Euler dynamics analysis method. The matrix equations of the driving force of each unit and the driving moment of each joint of the robot are obtained. The rationality of the basic function and structure design of the pipeline robot is verified based on the simulation of the robot's walking motion in the straight pipeline. At the same time, the correctness of the dynamic model based on the interaction between the driving wheel and the pipe wall of the robot is verified, and based on the simulation of the transmissivity of the robot bent pipe, the unit attitude and the joint attitude of the pipeline robot in the horizontal bend running are obtained. Based on the robot vertical pipeline crawling motion simulation, the attitude of pipeline robot in vertical pipeline crawling is analyzed, and the feasibility of S-type motion planning strategy of pipeline robot is verified. The mechanical characteristic curve of vertical crawling motion is analyzed to verify the correctness of the theoretical model of vertical crawling motion, as well as the reliability and stability of vertical crawling motion. It is verified that the maximum speed of the robot in the pipeline can meet the requirements of the performance index 6m/min. At the same time, it is verified that the design of the main transmission structure and the choice of the moving mode are reasonable. Based on the robot unit tractive force test experiment, the robot unit tractive force in the course of walking in the pipeline can be tested. It is verified that the tractive force provided by the designed robot unit can meet the practical requirements of pipeline operation. At the same time, the credibility of the simulation modeling of the bend is verified, and the feasibility of the scheme design of the robot joint mechanism and the rationality of the setting of the overall structural parameters of the robot are also verified.
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP242

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本文编号：1694762