三轴差速式管道机器人驱动单元的设计与研究

论文摘要

当轮式管道机器人通过弯管或者几何尺寸不规则的管道时,机器人各驱动轮的速度应该是不相同的。如果机器人的驱动单元没有差速功能,某些驱动轮将被迫产生滑移,其对机器人运行非常不利。采用差速功能的传动机构搭建具有机械自适应功能的驱动单元,是提高机器人对管道内部环境适应性的重要措施。本文以国家“863”计划资助项目“三轴差动式管道机器人自适应驱动技术研究”(课题编号:2006AA04Z236)为依托,对机械自适应型管道机器人驱动单元的结构、驱动特性及实验分析进行系统研究,设计并研制了三轴差速式管道机器人驱动单元。该单元采用径向辐射轮式驱动结构形式,前轮驱动,后轮从动。以三轴差速机构为核心,搭建具有自适应反馈功能的传动系统,实现了机器人对管道环境的自适应功能;通过杆机构将预紧弹簧的弹性力传递给驱动轮,从而使各驱动轮获得足够大的正压力,在保障机器人具有足够拖动力的同时,能够很好地适应管径的变化;为了便于安装、调试和后期维护,机器人驱动单元采用了模块化设计技术。以三轴差速式管道机器人驱动单元为研究对象,建立驱动单元在直管和弯管阶段的差速方程,为定量评价驱动单元的机械自适应能力提供了理论依据;以驱动效率的定性评价为目标,建立驱动轮组在差速失效时寄生功率的理论计算公式;为系统评价三轴差速式驱动单元的通过性,建立单轮越障的力学模型,求解出影响越障能力的关键几何及设计参数的量化计算公式;还建立驱动单元以及管道环境的虚拟样机数字化仿真模型,通过仿真计算,验证理论分析结果的正确性。搭建驱动单元驱动特性实验平台,采用计算机辅助测试的方法,对所研制的三轴差速式驱动单元进行综合性能测试,实验结果说明:所研制的驱动单元具有预期的差速功能,在运动过程中不会产生寄生功率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的与意义
• 1.2 国内外管道作业机器人技术综述
• 1.2.1 介质压差驱动的管内作业装置—PIG
• 1.2.2 具有自主行走能力的管内移动机器人
• 1.2.3 管内轮式驱动机器人课题的研究背景与技术现状
• 1.3 课题的来源及主要研究内容
• 第2章 三轴差速式管道机器人驱动单元的设计
• 2.1 三轴差速式管道机器人驱动单元的方案设计
• 2.1.1 三轴差速式管道机器人驱动单元的设计要求
• 2.1.2 三轴差速机构的方案设计
• 2.1.3 预紧变径机构的方案设计
• 2.1.4 三轴差速式管道机器人驱动单元的结构组成及工作原理
• 2.1.5 三轴差速式管道机器人驱动单元的特点
• 2.2 三轴差速式传动机构的设计
• 2.2.1 三轴差速式传动机构的结构设计
• 2.2.2 驱动电机的选择
• 2.3 预紧变径机构的设计
• 2.3.1 预紧变径机构的结构设计
• 2.3.2 预紧弹簧的设计
• 2.3.3 预紧电机的选择
• 2.4 驱动臂和支撑臂的设计
• 2.4.1 驱动臂的结构设计
• 2.4.2 支撑臂的设计
• 2.5 驱动单元的总成
• 2.6 本章小结
• 第3章 三轴差速式管道机器人驱动特性的研究
• 3.1 三轴差速式管道机器人驱动单元弯管通过性研究
• 3.1.1 管道机器人外形尺寸要求
• 3.1.2 三轴差速式管道机器人驱动单元的差速特性
• 3.2 三轴差速式管道机器人驱动单元越障能力的研究
• 3.3 管道机器人驱动单元寄生功率的研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 驱动单元的虚拟样机设计及仿真研究
• 4.1 驱动单元的虚拟样机设计
• 4.1.1 驱动单元的三维实体建模
• 4.1.2 驱动单元的ADAMS 文件的建立
• 4.2 驱动单元越障过程的ADAMS 仿真研究
• 4.3 驱动单元弯管通过性的仿真研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 三轴差速式管道机器人驱动单元的实验研究
• 5.1 实验环境
• 5.2 驱动单元的基本性能实验
• 5.2.1 拖动力实验
• 5.2.2 越障实验
• 5.3 驱动单元管道通过性实验
• 5.3.1 实验设计
• 5.3.2 实验测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历