差动式自适应管道机器人的设计与研究

发布时间：2017-06-06 08:11

  本文关键词：差动式自适应管道机器人的设计与研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：当前管道运输作为一种高效、安全、环保的物资输送方式被人们所广泛应用。管道在使用过程中不可避免的出现老化、腐蚀、开裂等问题,为了满足对管道进行维护和检测的需求,管道机器人随之产生,它广泛的应用于管道内部清理、异物探测、缺陷探伤等诸多方面。随着管道的应用领域的不断拓展,对管道机器人管内作业的要求也逐渐提高。因此设计环境适应性强、驱动效率高、运行灵活的管道机器人成为机器人研究的一个重点。为了实现机器人在管道内部的高效作业,设计了一种采用单电机进行驱动并具有自主差动特性和自适应变径特性的管道机器人系统。管道机器人采用差动式速度输出结构,使机器人在弯管中行进时,可以经由差动机构自主调节各个驱动轮的转速,进而消除驱动轮与管壁之间由于位移差所产生的相对滑动;机器人将外部支撑轮与弹簧机构相配合,组合成可变径的机械结构,当机器人在管道内部运行中遭遇障碍物或有一定尺寸的管径变化时,机器人能够利用变径机构来适应外部环境的改变。机器人拥有的六个轮子,采用前三轮辅助支撑、后三轮驱动的配置方式同时作用于管壁,进而保证机器人在不同结构类型的管道环境中作业的稳定性。本文通过对机器人结构的分析,理论推导管道机器人变径机构工作状态受力方程,得出机器人运行时驱动轮与管道内壁之间的力学关系。构建机器人在管内的运动位姿模型,研究机器人在不同位姿条件下通过弯管时的整体运动特性和内部传动特性,得出模型运动过程中驱动轮角速度与其他变量之间的对应关系。分析各个差动轮系输出轴之间的力矩关系与转速关系,进而说明差动式自适应管道机器人通过弯管时能够实现相应的自主差速,并且没有寄生功率产生。运用三维设计软件完成差动式自适应管道机器人的三维实体设计,进行结构的合理性分析,使用机械动力学分析软件建立机器人在弯管和变径管中运行的虚拟样机模型,通过仿真分析对机器人的自主差动特性和自适应变径特性进行验证。说明理论推导及结构设计的正确性。
【关键词】：差速机构 管道机器人 变径机构 传动特性
【学位授予单位】：沈阳理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-29
• 1.1 本课题研究目的和意义12-13
• 1.2 国内外管道作业机器人技术综述13-27
• 1.2.1 介质压差式管道机器人14-17
• 1.2.2 轮式管道机器人17-21
• 1.2.3 螺旋驱动式管道机器人21-22
• 1.2.4 履带式管道机器人22-24
• 1.2.5 其他结构形式的管道机器人24-27
• 1.3 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题27-29
• 1.3.1 研究目标27
• 1.3.2 研究内容27-28
• 1.3.3 拟解决的关键问题28-29
• 第2章 差动式自适应管道机器人的总体结构设计29-36
• 2.1 引言29
• 2.2 管道机器人的设计构思29-30
• 2.2.1 管道机器人的设计要求29-30
• 2.2.2 管道机器人的模块化设计理念与结构特点30
• 2.3 管道机器人实体结构设计30-35
• 2.3.1 管道机器人的内部差动机构实体设计31-32
• 2.3.2 管道机器人的驱动轮变径机构实体设计32-34
• 2.3.3 管道机器人的辅助支撑轮变径机构34
• 2.3.4 管道机器人的壳体结构34-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第3章 差动式自适应管道机器人内部传动及管内运动分析36-46
• 3.1 引言36
• 3.2 管道机器人内部传动分析36-39
• 3.2.1 机器人内部差动机构的传动原理分析36-38
• 3.2.2 机器人内部差动机构的齿轮间作用力分析38-39
• 3.3 管道机器人管内运动分析39-45
• 3.3.1 机器人整体结构尺寸与管道几何参数间的关系39-41
• 3.3.2 机器人的对比状态模型管内运动分析41-42
• 3.3.3 机器人在管内的姿态分析42
• 3.3.4 机器人在弯管内的运动模型分析42-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第4章 差动式自适应管道机器人驱动特性分析46-54
• 4.1 引言46
• 4.2 管道机器人电机的选取46-47
• 4.2.1 电机选型前的计算46-47
• 4.2.2 电机型号的选择47
• 4.3 管道机器人驱动轮自适应变径机构的分析47-52
• 4.3.1 单个驱动轮自适应变径机构的力学研究47-49
• 4.3.2 驱动轮自适应变径机构的总体力学分析49-52
• 4.4 管道机器人驱动轮越障能力分析52-54
• 4.5 本章小结54
• 第5章 差动式自适应管道机器人的仿真分析54-64
• 5.1 引言54
• 5.2 管道机器人的虚拟样机模型构建54-56
• 5.2.1 管道机器人三维静态模型的建立54-55
• 5.2.2 管道机器人三维静态模型在ADAMS中的处理55-56
• 5.3 管道机器人驱动轮变径机构的自适应性仿真56-57
• 5.4 管道机器人的越障能力仿真57-58
• 5.5 管道机器人的弯管通过性仿真58-63
• 5.5.1 第一种位姿角状况：ψ=60°59-61
• 5.5.2 第二种位姿角度状况：ψ=30°61-62
• 5.5.3 第三种位姿角度状况：ψ=90°62-63
• 5.6 本章小结63-64
• 结论64-66
• 参考文献66-72
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果72-73
• 致谢73-74

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