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轮式管道机器人过弯动态特性分析

更新时间：2019-12-30 10:28:41 大小：2M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：轮式管道机器人 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

为了详细地了解管道机器人过弯时的动态特性,设计了一种全驱动轮式管道机器人。基于坐标转换法,分析了机器人过弯时质心与管道中线的相对距离Δx发生变化对机器人运动特性的影响;基于力学虚功原理,分析了机器人过弯时Δx发生变化对机器人受力情况的影响。通过Adams软件对机器人过弯过程中的运动状态和受力情况进行了仿真,经分析发现管道机器人在过弯过程中,Δx先快速增大后略低速减小,在运动特性方面,随着Δx增大,外驱动轮运动速度随之增大,内驱动轮运动速度则有所减小。当内驱动轮速度达到最低时,外驱动轮与内驱动轮的速度之比会发生小幅度波动;在受力情况方面,随着Δx增大,内、外驱动轮与管壁的接触力随之增加,此仿真模型中,在入弯阶段外驱动轮和内驱动轮与管壁接触力大小之比为1.4,出弯阶段此接触力之比约降为0.9。从平稳性角度来看,与入弯和出弯两个阶段相比,过渡阶段在运动和受力上均相对不稳定,故当机器人过弯时,将Δx的变化纳入运动分析方程有利于获得其更加精确的动态特性。

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第

卷

第

期

８

５２

西

安

交

通

大

学

学报

ꢀ

Ｖｏｌ．５２Ｎｏ．８

ꢀ

’

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸＩＡＮＪＩＡＯＴＯＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ

ꢀ ꢀ

年

月

２０１８

８

Ａｕ．２０１８

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：

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ＤＯＩ１０．７６５２ｘｔｕｘｂ２０１８０８０１４

ｊ

轮式管道机器人过弯动态特性分析

，，，，，

闫宏伟汪洋马建强袁飞彭方现李亚杰

（

，

）

太原

中北大学机械工程学院

０３００５１

：，。

摘要为了详细地了解管道机器人过弯时的动态特性设计了一种全驱动轮式管道机器人基于

，

坐标转换法分析了机器人过弯时质心与管道中线的相对距离

发生变化对机器人运动特性的

ｘ

；，

影响基于力学虚功原理分析了机器人过弯时

。

发生变化对机器人受力情况的影响通过

Ａｄ

ｘ

－

，

软件对机器人过弯过程中的运动状态和受力情况进行了仿真经分析发现管道机器人在过弯

ａｍｓ

，

ｘ

，，

先快速增大后略低速减小在运动特性方面随着

，

增大外驱动轮运动速度随之增

过程中

ｘ

，。，

大内驱动轮运动速度则有所减小当内驱动轮速度达到最低时外驱动轮与内驱动轮的速度之比

；，

会发生小幅度波动在受力情况方面随着

，、，

增大内外驱动轮与管壁的接触力随之增加此仿

ｘ

，

真模型中在入弯阶段外驱动轮和内驱动轮与管壁接触力大小之比为

，

出弯阶段此接触力之比

１．４

。

０．９

，，

从平稳性角度来看与入弯和出弯两个阶段相比过渡阶段在运动和受力上均相对不

约降为

，，

稳定故当机器人过弯时将

。

的变化纳入运动分析方程有利于获得其更加精确的动态特性

ｘ

：；

关键词管道机器人相对距离

；

Ａｄａｍｓ

；

软件动态特性

：

Ａ

：

文章编号

０２５３９８７Ｘ２０１８０８００８７０８

ꢀ

（

）

中图分类号

文献标志码

ＴＰ２４

ꢀ

－

ＡｎａｌｓｉｓｆｏｒＤｎａｍｉｃＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＷｈｅｅｌｅｄＰｉｅＲｏｂｏｔｉｎＥｌｂｏｗ

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ꢀ

ｆｏｒｃｅｏｎｔｈｅｒｏｂｏｔａｒｅａｎａｌｚｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｉｎｃｉｌｅｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｖｉｒｔｕａｌｗｏｒｋ．Ｔｈｅｍｏｔｉｏｎ

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ｓｔａｔｅａｎｄｃｏｎｔａｃｔｆｏｒｃｅｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔａｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｔｈｒｏｕｈｔｈｅＡＤＡＭＳｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｆｒｏｍ

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ꢀ

ｔｈｅａｎａｌｓｉｓｔｈａｔｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｄｉｓｔａｎｃｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｒａｉｄｌａｔｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｒｅｄｕｃｅｓａｔａｌｏｗｅｒｓｅｅｄ

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ｄｕｒｉｎｔｈｅｃｏｒｎｅｒｉｎｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｍｏｔｉｏｎｓｔａｔｅｈａｓｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｔｈａｔｔｈｅｓｅｅｄｏｆ

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，

Ｗｈｅｎｔｈｅｓｅｅｄｏｆｔｈｅｉｎｎｅｒｄｒｉｖｅｗｈｅｅｌｒｅａｃｈｅｓｉｔｓｍｉｎｉｍｕｍｖａｌｕｅｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｓｅｅｄｏｆｔｈｅ

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ｏｕｔｅｒｄｒｉｖｅｗｈｅｅｌｔｏｔｈｅｉｎｎｅｒｄｒｉｖｅｗｈｅｅｌｈａｓｓｍａｌｌｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｆｏｒｃｅｂｅｔｗｅｅｎｂｏｔｈ

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ｉｎｎｅｒｏｒｏｕｔｅｒｄｒｉｖｅｗｈｅｅｌｓａｎｄｔｈｅｉｅｗａｌｌｉｎｃｒｅａｓｅｓａｓｘｉｎｃｒｅａｓｅｓ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｌｓｏｓｈｏｗｓ

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，

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。

：

作者简介闫宏伟

（ —），，

男副教授

１９６９

。

：（）

基金项目山西省重点研发计划一般项目社会发

ꢀ

收稿日期

２０１７１２１６

－－

ꢀ

（

）；

山西省自然科学基金资助项目

（

）。

展资助项目

２０１６０３Ｄ３２１１１７

２０１３０１１０２６２

－

：

：：／／／

ｈｔｔｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔｋｃｍｓｄｅｔａｉｌ６１．１０６９．Ｔ．２０１８０６２２．１７２１．００６．ｈｔｍｌ

ｐ ∥

网络出版时间

网络出版地址

２０１８０６２２

－－ ꢀ

：

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ｚｋｘｂ．ｘｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

ｊ

ꢀ

８８

西

安

交

通

大

学

报

第

卷

５２

ꢀ

ｔｈｉｓｃｏｎｔａｃｔｆｏｒｃｅｒａｔｉｏｒｅｄｕｃｅｓｔｏａｂｏｕｔ０．９ｄｕｒｉｎｅｘｉｔｉｎｅｌｂｏｗｓｔａｅ．Ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｆｒｏｍｔｈｅ

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ｏｆａｉｅｒｏｂｏｔｉｓａｎａｌｚｅｄｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｘｖａｒｉａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｍｏｔｉｏｎａｎａｌｓｉｓｅｕａｔｉｏｎｗｉｌｌｂｅ

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；

ＫｅｗｏｒｄｓｉｅｒｏｂｏｔｒｅｌａｔｉｖｅｄｉｓｔａｎｃｅＡｄａｍｓｓｏｆｔｗａｒｅｄｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ

ｐｐꢀ

；

ｙ

ꢀ

ｙ

。

用使机器人在管道中具备径向自适应能力驱动部

管道机器人作为一种在特定环境中工作的智能

ꢀꢀ

［

］

１４

，

－

，

装备近年来一直是国内外学者的研究热点之一

，

分包括电源和减速电机所输出转矩先后通过锥齿

［

］

２１２２

。

－

、

由于轮式驱动具有动力传递效率高运动平稳性高

轮和直齿轮组最终传递到驱动轮上

。

等优点成为管道机器人的主要驱动方式哈尔滨工

业大学许冯平等分别从直轮驱动管道机器人的过弯

、、、

特性差速调节机构管径自适应能力过弯位姿等

方面对管道机器人过弯时的运动特性进行了详细分

［

］

５１０

。

－

析

和

等提出通过控制驱动轮角度

ＬｅｅＫｗｏｎ

［

］

１１１２

。

－

可以驱动机器人顺利通过弯管和

型管道

Ｔ

，

等采用柔性连接方式提出一种

和

ＪｅｏｎＲｏｌｌｉｎｓｏｎ

，

具有自适应能力的管道机器人并研究了其在不同

［

］

１３１４

。

－

类型管道内的移动性能

等提出了

Ｋａｋｏａｗａ

ｇ

图

驱动模块示意图

１

ꢀ

，

适用于驱动管道机器人的螺杆传动机构并找到了

，

机器人在移动过程中的最佳弹簧刚度使此机器人

驱动模块主要由两套相互独立且结构相同的齿

［

］

１５１６

。

－

具备了通过较小曲率半径弯管的能力

多数学

，，

轮传动机构组成传动机构原理如图所示主要由

２

者已经注意到管道机器人过弯过程中机器人质心运

对用于变向的锥齿轮和个用于传递扭矩的直齿

５

１

，

动轨迹与管道中线并不重合但其相对距离对机器

。，

轮串联组成其中直齿轮系均置于连杆同一侧且

［

］

１７１９

。

－

人过弯时的动态特性影响尚未见报道

为了更

，

固定于连杆上并能够随着连杆的运动而改变相对

，

加精确地了解机器人过弯时动态特性的变化设计

，

空间位置以保证电机所产生的扭矩稳定地传递到

，

了一种轮式管道机器人并将此相对距离的变化纳

。

机器人的轮子上

，

入运动分析方程从运动分析和受力分析两个角度

研究了机器人质心到管径中心线的相对距离的变化

。

对其过弯时运动特性的影响

轮式管道机器人设计

１

ꢀ

，

为了提高管道机器人各构件的互换性便于维修

［

］

２０

。

，

和降低制造成本本文机器人采用模块化设计

，

所示为管道机器人的驱动模块由驱动部

图

１

、、，

分齿轮传动部分连杆机构和弹簧等组成此驱动

。

模块传动原理如图所示为了提高装置运行的稳

２

（）

传动关系

ａ

（）

直齿轮系某瞬时

ｂ

，，

定性在驱动模块前端装有固定接头用来和另一个

空间分布

，

驱动模块固接以限制管道机器人工作时的自由度

图

机构传动原理图

２

ꢀ

。，

如图所示为了提高装置的柔性在驱动模块后

３

，（

端装有活动接头用来串联相关执行机构如封堵

轮式管道机器人在结构上由两个驱动模块经固

、

器机械手等

）。

，

驱动模块设计为全驱动形式一方

，

定接头串联组成在传动上由套相互独立的传动

４

，

面可以提高其负载能力另一方面使此管道机器人

，

系统组成驱动电机所输出的扭矩通过串联的齿轮

。

具备了过型管的能力弹簧和连杆机构配合使

Ｔ

，

系可直接传递到机器人轮子上且套独立的传动

４

：

ｐ ∥

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