轮式管道机器人过弯动态特性分析

管道机器人作为一种在特定环境中工作的智能装备,近年来一直是国内外学者的研究热点之一,由于轮式驱动具有动力传递效率高、运动平稳性高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析。Lee和Kwon等提出通过控制驱动轮角度可以驱动机器人顺利通过弯管和T型管道。Jeon和Rollinson等采用柔性连接方式,提出一种具有自适应能力的管道机器人,并研究了其在不同类型管道内的移动性能。Kakogawa等提出了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,使此机器人具备了通过较小曲率半径弯管的能力。多数学者已经注意到管道机器人过弯过程中机器人质心运动轨迹与管道中线并不重合,但其相对距离对机器人过弯时的动态特性影响尚未见报道。为了更加精确地了解机器人过弯时动态特性的变化,设计了一种轮式管道机器人,并将此相对距离的变化纳入运动分析方程,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。

1 轮式管道机器人设计

为了提高管道机器人各构件的互换性,便于维修和降低制造成本,本文机器人采用模块化设计。图1所示为管道机器人的驱动模块,由驱动部分、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2所示。为了提高装置运行的稳定性,在驱动模块前端装有固定接头,用来和另一个驱动模块固接以限制管道机器人工作时的自由度,如图3所示。为了提高装置的柔性,在驱动模块后端装有活动接头,用来串联相关执行机构(如封堵器、机械手等)。驱动模块设计为全驱动形式,一方面可以提高其负载能力,另一方面使此管道机器人具备了过T型管的能力。弹簧和连杆机构配合使用使机器人在管道中具备径向自适应能力。驱动部分包括电源和减速电机,所输出转矩先后通过锥齿轮和直齿轮组最终传递到驱动轮上。
轮式管道机器人过弯动态特性分析
驱动模块主要由两套相互独立且结构相同的齿轮传动机构组成,传动机构原理如图2所示,主要由1对用于变向的锥齿轮和5个用于传递扭矩的直齿轮串联组成。其中直齿轮系均置于连杆同一侧,且固定于连杆上,并能够随着连杆的运动而改变相对空间位置,以保证电机所产生的扭矩稳定地传递到机器人的轮子上。
轮式管道机器人过弯动态特性分析
轮式管道机器人在结构上由两个驱动模块经固定接头串联组成,在传动上由4套相互独立的传动系统组成,驱动电机所输出的扭矩通过串联的齿轮系可直接传递到机器人轮子上,且4套独立的传动链不仅能使机器人获得更大的驱动力,还可以允许操作者根据不同工况选择相应的驱动模式。例如:机器人爬升时,采用4个电机同时驱动以保证获得足够大的驱动力;机器人水平行走时,用两个靠近管道下部的轮子作为驱动轮,上部两个轮子作为从动轮,从而提高驱动效率。管道机器人整体模型如图3所示,并以此为研究对象,研究其过弯时的动态特性。
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2 过弯运动分析

机器人在过弯道过程中,由于管道同一横截面内各点相对于弯道圆心的曲率半径不同,为保证其不发生打滑,要求机器人外侧的驱动轮转速大于内侧驱动轮转速,以保证其顺利过弯。此时,由管道机器人自身的结构特点和机器人与管道内壁的接触条件可知,在过弯过程中,机器人质心G的运动轨迹W.与管道中线W,不重合,且W,与W。的相对距离Ax也不是一个定值,具体变化规律为先增大后减小,如图4所示。

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