三軸差動式管道機器人及其性能的研究.pdf

1、管道機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)境下進行管道檢測和修護作業(yè)的機電一體化裝備。輪式管道機器人具有結構簡單、速度穩(wěn)定、易于定位等諸多優(yōu)點,被廣泛應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。當輪式管道機器人通過彎管或內(nèi)部幾何尺寸不規(guī)則的管道時,由于各驅(qū)動輪走過的實際弧長不同,相應地要求各驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速也不同,若輪式管道機器人不具有差動運動功能,某些驅(qū)動輪將成為事實上的制動輪,從而產(chǎn)生運動干涉,降低機器人

2、的有效拖動力并加劇傳動部件的磨損,機器人需要克服由于環(huán)境約束而產(chǎn)生的額外功率消耗。
　　為解決輪式管道機器人通過彎管時的運動干涉問題,本文將三軸差動機構應用于輪式管道機器人驅(qū)動單元中,研制一種具有差動運動功能的機械自適應輪式管道機器人——三軸差動式管道機器人,并對機器人的牽引力、越障能力等驅(qū)動特性進行了分析;建立了機器人彎管運行時驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速的簡化分析模型,對三軸差動式管道機器人彎管運行的差動效果進行驗證。同時,針對機器人的牽引力、

3、越障能力和彎管運行狀態(tài)開展了仿真研究,仿真結果與理論推導結論基本一致。
　　三軸差動機構作為機器人的核心部件,其差動性能、嚙合效率直接影響該機構是否能在工程實際中應用。以三軸差動機構三個輸出軸的輸出特性完全等效為目標,將鍵合圖理論應用到三軸差動機構差動特性的分析中,利用絕對速度法建立了力約束下的三軸差動機構鍵合圖模型,并推導出相應的狀態(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,進行相應的等效處理后,對三軸差動機構在不

4、同工況下的輸出特性進行了仿真計算,計算結果表明三軸差動機構可以根據(jù)外作用力的大小關系進行差動輸出。同時,利用鍵合圖能量守恒和功率流動的特點,將鍵合圖理論應用到三軸差動機構功率流的分析中,建立了速度約束下三軸差動機構的鍵合圖模型,并進行了仿真計算,得到三軸差動機構在不同速度約束下的內(nèi)部功率流以及各差速器轉(zhuǎn)換機構的功率流情況,并以得到的功率流情況為基礎,開展了三軸差動機構的力矩傳遞特性分析以及嚙合效率的計算。
　　為分析管道機器人的彎

5、管運行狀況,針對現(xiàn)有文獻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型的管道機器人彎管運行時的位姿模型,通過對該位姿模型進行求解,得到了驅(qū)動輪輪心、驅(qū)動輪與管壁接觸點的位置坐標,然后以建立的位姿模型為基礎,對驅(qū)動輪的速度進行了分析,得到相應的速比關系并進行仿真驗證。同時,對從動單元彎管運行時的受力狀況也進行了分析,得到了該單元彎管運行時的轉(zhuǎn)體力矩模型,并計算出了無轉(zhuǎn)體力矩產(chǎn)生的最佳運行姿態(tài)角,為多單元管道機器人的穩(wěn)定運行提供