多節(jié)輪式管道機(jī)器人設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析研究.pdf

1、隨著管道在各行各業(yè)的普及和應(yīng)用，管道已經(jīng)成為輸運(yùn)物質(zhì)的主要工具之一。目前，管道需要查找和清除異物時(shí)，采用的流程是先停掉相關(guān)設(shè)備，然后拆開閥門或者管道，人工進(jìn)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(shè)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(dǎo)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(dòng)強(qiáng)度，避免工傷的發(fā)生，開發(fā)一種能代替人工進(jìn)行異物探測(cè)和清理的管

2、道機(jī)器人具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
　　通過分析總結(jié)國內(nèi)外的管道機(jī)器人研究狀況，結(jié)合管道環(huán)境和作業(yè)需求，確定機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)采用模塊化關(guān)節(jié)串聯(lián)設(shè)計(jì)以及單元結(jié)構(gòu)采用四周輪式封閉設(shè)計(jì)的方案;分別設(shè)計(jì)機(jī)器人的單元驅(qū)動(dòng)模塊、關(guān)節(jié)連接模塊，并詳細(xì)設(shè)計(jì)關(guān)鍵零部件，同時(shí)利用有限元軟件進(jìn)行關(guān)鍵零部件的校核分析。
　　基于D-H齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)化原理，建立管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并利用MATLAB進(jìn)行機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解，結(jié)合遺傳算法對(duì)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)

3、行尋優(yōu)求解;結(jié)合機(jī)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(yùn)動(dòng)策略，并對(duì)其進(jìn)行垂直爬行運(yùn)動(dòng)動(dòng)作規(guī)劃?；隍?qū)動(dòng)輪與管道內(nèi)壁之間作用機(jī)理，利用達(dá)朗貝爾原理建立機(jī)器人單元管道行走運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上利用牛頓-歐拉動(dòng)力學(xué)分析方法建立單元間相互約束的垂直爬行運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，得到關(guān)于機(jī)器人各單元的驅(qū)動(dòng)力及各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩的矩陣方程。
　　基于機(jī)器人直管道行走運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證管道機(jī)器人基本功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)驗(yàn)證基于機(jī)器人

4、驅(qū)動(dòng)輪與管壁相互作用的動(dòng)力學(xué)模型的正確性;基于機(jī)器人彎管道通過性仿真，得到管道機(jī)器人在水平彎道運(yùn)行時(shí)的單元姿態(tài)以及關(guān)節(jié)姿態(tài)，驗(yàn)證管道機(jī)器人彎道通過性?；跈C(jī)器人垂直管道爬行運(yùn)動(dòng)仿真，分析管道機(jī)器人在垂直管道爬行時(shí)的姿態(tài)，驗(yàn)證管道機(jī)器人垂直管道S型運(yùn)動(dòng)規(guī)劃策略的可行性;分析垂直爬行運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性曲線，驗(yàn)證垂直爬行運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)理論模型的正確性，以及垂直爬行運(yùn)動(dòng)的可靠性與穩(wěn)定性。
　　基于機(jī)器人單元最大速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)器人在管道行進(jìn)的最

5、大速度能夠達(dá)到性能指標(biāo)6m/min的要求，同時(shí)驗(yàn)證本體傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及移動(dòng)方式選擇均是合理的，能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)?；跈C(jī)器人單元牽引力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試機(jī)器人單元在管道內(nèi)行走過程中的牽引力，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的機(jī)器人單元所提供的牽引力能夠滿足實(shí)際管道作業(yè)需求。基于兩節(jié)機(jī)器人單元彎管道通過性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證管道機(jī)器人多節(jié)單元能夠平穩(wěn)順利通過彎道，同時(shí)驗(yàn)證彎道仿真建模的可信性，也進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)器人連接關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的可行性以及機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)設(shè)定的合理