基于可控锁止机构的伸缩式微管道机器人研究

论文摘要

本文以国家高技术研究发展计划(863计划)项目“基于单向机构的伸缩式微管道机器人”为依托,针对核反应堆蒸发器传热管道的自动检测,围绕管道机器人“微小型化、大牵引力、快速、双向运动”的目标,通过对国内外现有管道机器人的分析比较,吸收借鉴各种方案的优点,提出一种新的微管道机器人——基于可控锁止机构的伸缩式微小管道机器人。本文按照从设计、分析、优化到样机研制与试验的研究思路开展新型微小管道机器人的研究。全文研究工作主要包括:1)在分析基于锁止机构的伸缩式管道机器人推进机理的基础上,分析比较了运用于该类机器人的多种单向锁止机构方案,对其优缺点进行了阐述,结合课题实际需要提出了一种新的锁止机构——可控锁止机构,并对基于该机构的伸缩式微小管道机器人的运动机理进行了分析和论述。2)为了指导结构设计和优化,本文对凸轮自锁和扭簧对自锁的影响进行了分析,并通过建立凸轮曲面和可控锁止机构的数学模型,分析给出了凸轮曲面参数和可控锁止机构的换向所需满足的条件,并对管径的可适应范围进行了分析。3)对微小管道机器人的整体结构进行了详细设计,对可控锁止机构和驱动机构工作原理进行了详细阐述,及对所需参数的进行了详细分析计算。针对锁止机构的特点,主要对连杆参数和换向力的大小进行了详细分析计算,保证了换向的可靠性。为了使机器人获得较大的牵引力和速度,对驱动丝杠进行了参数选取和强度校核,并分析计算了传动机构的传输效率,给出了驱动电机的选取依据。4)成功研制了试验样机,较好的搭建了综合试验系统,针对锁止机构锁止方向可控的特点进行了验证试验,并对机器人进行了速度和牵引力的综合试验,最后对机器人进行了管径适应性试验和双向运动试验。经过试验,该试验样机能够平稳运行于内径为Φ17~20 mm的管道,且机器人能在速度10 mm/s的条件下拥有12 N的牵引力,具有0～90o爬坡能力,并能够双向运动,较好的达到了管道机器人“微小化、大牵引力、快速、双向运动”的设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源，研究背景及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究背景及意义
• 1.2 管道机器人的发展状况
• 1.2.1 管道机器人综述
• 1.2.2 微小管道机器人研究现状
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第二章 基于锁止机构的伸缩式管道机器人推进机理
• 2.1 基于单向锁止机构的伸缩式管道机器人推进机理
• 2.2 单向锁止机构的力学原理
• 2.2.1 弹性腿式锁止
• 2.2.2 斜面式锁止
• 2.2.3 凸轮式锁止
• 2.3 方向可控锁止机构的方案确定
• 2.4 基于可控锁止机构伸缩式微管道机器人推进机理
• 2.4.1 整机组成结构
• 2.4.2 整机运动原理
• 2.5 本章小结
• 第三章 微管道机器人结构参数分析与优化
• 3.1 锁止机构参数分析优化
• 3.1.1 锁止机构自锁条件
• 3.1.2 扭簧对凸轮自锁条件的影响
• 3.1.3 凸轮曲面分析设计
• 3.2 换向参数分析与优化
• 3.2.1 换向分析
• 3.2.2 可适应管径范围分析
• 3.2.3 奇异位置分析
• 3.2.4 连杆参数分析
• 3.3 单元体结构在弯管内的几何约束
• 3.4 本章小结
• 第四章 微管道机器人的结构设计与样机研制
• 4.1 微小管道机器人整体组成结构
• 4.2 锁止机构设计
• 4.2.1 结构设计与工作原理
• 4.2.2 连杆参数设计计算
• 4.2.3 锁止机构换向力分析计算
• 4.3 驱动机构设计
• 4.3.1 结构设计与工作原理
• 4.3.2 驱动丝杠分析设计
• 4.3.3 效率分析计算与电机选取
• 4.4 实验样机
• 4.4.1 整机实物
• 4.4.2 锁止机构
• 4.4.3 驱动机构
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于可控锁止机构伸缩式微管道机器人试验
• 5.1 试验平台的设计与搭建
• 5.1.1 负载调节模块
• 5.1.2 运动速度测试模块
• 5.1.3 驱动力测试模块
• 5.1.4 管道坡度调节模块
• 5.1.5 机器人综合控制和性能测试模块
• 5.2 机器人试验及性能测试
• 5.2.1 锁止机构的自锁和换向验证试验
• 5.2.2 牵引力与速度测试试验
• 5.2.3 可适应管径范围测试试验
• 5.2.4 双向运动试验
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果