三軸差動式管道機(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和探傷等作業(yè)中。當(dāng)輪式管道機(jī)器人通過彎管或內(nèi)部幾何尺寸不規(guī)則的管道時,由于各驅(qū)動輪走過的實(shí)際弧長不同,相應(yīng)地要求各驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速也不同,若輪式管道機(jī)器人不具有差動運(yùn)動功能,某些驅(qū)動輪將成為事實(shí)上的制動輪,從而產(chǎn)生運(yùn)動干涉,降低機(jī)器人

2、的有效拖動力并加劇傳動部件的磨損,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)器人通過彎管時的運(yùn)動干涉問題,本文將三軸差動機(jī)構(gòu)應(yīng)用于輪式管道機(jī)器人驅(qū)動單元中,研制一種具有差動運(yùn)動功能的機(jī)械自適應(yīng)輪式管道機(jī)器人——三軸差動式管道機(jī)器人,并對機(jī)器人的牽引力、越障能力等驅(qū)動特性進(jìn)行了分析;建立了機(jī)器人彎管運(yùn)行時驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速的簡化分析模型,對三軸差動式管道機(jī)器人彎管運(yùn)行的差動效果進(jìn)行驗(yàn)證。同時,針對機(jī)器人的牽引力、

3、越障能力和彎管運(yùn)行狀態(tài)開展了仿真研究,仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)結(jié)論基本一致。
　　三軸差動機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人的核心部件,其差動性能、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。以三軸差動機(jī)構(gòu)三個輸出軸的輸出特性完全等效為目標(biāo),將鍵合圖理論應(yīng)用到三軸差動機(jī)構(gòu)差動特性的分析中,利用絕對速度法建立了力約束下的三軸差動機(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)方程得到三個輸出軸傳動路線等效的條件,進(jìn)行相應(yīng)的等效處理后,對三軸差動機(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)果表明三軸差動機(jī)構(gòu)可以根據(jù)外作用力的大小關(guān)系進(jìn)行差動輸出。同時,利用鍵合圖能量守恒和功率流動的特點(diǎn),將鍵合圖理論應(yīng)用到三軸差動機(jī)構(gòu)功率流的分析中,建立了速度約束下三軸差動機(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),開展了三軸差動機(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)動輪尺寸的三種典型構(gòu)型的管道機(jī)器人彎管運(yùn)行時的位姿模型,通過對該位姿模型進(jìn)行求解,得到了驅(qū)動輪輪心、驅(qū)動輪與管壁接觸點(diǎn)的位置坐標(biāo),然后以建立的位姿模型為基礎(chǔ),對驅(qū)動輪的速度進(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,對從動單元彎管運(yùn)行時的受力狀況也進(jìn)行了分析,得到了該單元彎管運(yùn)行時的轉(zhuǎn)體力矩模型,并計(jì)算出了無轉(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