储油罐清理机器人移动方式的分析研究.pdf

理论与算法 40 2016.20 储油罐清理机器人移动方式的分析研究 马金茹1,王 旭2 （1. 北京电子科技职业学院 ； 2. 天津职业技术师范大学） 摘要 ： 石油化工是我国的支柱产业， 油品储存需要大量的储油罐， 每 35 年就需要清理一次。 国内石化企业通常采用人工方式 清理储油罐， 存在安全性差、 施工周期长、 效率低、 污染环境等问题， 利用机器人进行清理可提高清理的效果和效益， 具有高的 可靠性和安全性。 根据实际调研本文从储油罐清理机器人的整体设计角度出发， 对其移动方式进行了分析， 对其行走装置结构 进行了设计研究。 关键词 ： 储油罐 ； 清理 ； 机器人 ； 行走 Analysis and Research on Movement Mode of Storage Robot Cleaning Ma Jinru1，Wang Xu2 (1.Beijing Vocational and Technical College of Electronic Science and Technology; 2.Tianjin Vocational and Technical Normal University) Abstract ： Petrochemical industry is a pillar industry in China.Oil storage tank needs a large number of oil storage tanks.It needs to be cleaned every 3 to 5 years.Domestic petrochemical enterprises usually use artificial way to clean storage tanks, there are poor safety,long construction period,low efficiency, pollution of the environment and other issues,the use of robot cleaning can improve the cleaning effect and efficiency,high reliability and security.According to the actual research,this paper analyzes the movement mode of the storage tank cleaning robot from the point of view of the whole design,and studies the structure of its walking device. Keywords ： oil storage tank;cleaning;robot;walking 移动机构和驱动系统。 两者构成储油罐清理机器人的本体。 移动方式有车轮式、 履带式和足脚式 ( 两足或多足 ) 等。 1 运动方式选择原则 机器人的移动方式很多， 有车轮式、 履带式、 多足步行式和框 架式等种类， 通过比较分析， 根据他们的优缺点选择了储油罐清 理机器人的运动方式为履带式移动。 由于工作过程中要推动粘结的油泥、 淤渣等需要机器人提 供很大的牵引力， 此牵引力不仅取决于驱动动力， 还取决于运行 的地面情况和水射流的反作用力。 所以设计时机器人驱动采用后 轮驱动， 保证机器人具有足够的动力性， 也可以是机器人前部具 有足够空间安装清洗设备和推铲。 履带采用阻燃和抗油泥腐蚀的 橡胶材料， 并且根据履带地面力学设计渐变式履带外形不仅提高 机器人在油泥上的通过性， 并且还能减少机器人转弯时的能量损 耗。 同时履带内侧开有纵向导向槽， 防止履带在机器人运行过程 中脱带。 综合考虑各方面的特性， 履带式机器人既可以产生较大 的吸附力， 又具有较快的运动速度， 且越障能力和负载能力较强、 控制相对简单， 因此具有较突出的优点， 是适合于油罐机器人要 求的运动方式。 履带式机器人的行走系统， 亦称机器人移动平台， 包括两套 驱动履带行走的电机传动及其控制系统、 机架 （或称车体） 和其它 功能附件等。 根据本研究的实际工作条件， 选择履带式结构行走系统， 使 用时用左右两套电机驱动， 比较简单， 越障能力取决于前导轮的 高度， 在条件允许的情况下可以调整。 2 机器人橡胶履带结构 橡胶履带具有耐油特性、 牵引力大、 低噪、 不损坏油罐、 接地 比压小、 重量轻、 速度快等特点。 橡胶履带如图 1 所示， 由强力层、 芯金、 缓冲层和橡胶弹性体 四大部分组成。 其中橡胶弹性体又分为花纹侧胶、 底胶、 钢丝帘线 胶与缓冲层胶、 布层胶、 齿胶和轮侧胶橡胶弹性体把其它部件紧 密地结合为一个整体， 提供行走能力及整体的缓冲、 减震和降噪 功能。 图 1 橡胶履带的结构图 橡 胶 履 带 的 宽 度 多 为 180 920mm，节 距 一 般 为 72 109mm， 节数多为 29 74。 根据油品存储罐机器人的规格查表选定 ( 履带宽 节数 节距 )，22756BX 50-020。 3 机器人履带行走装置结构参数计算及确定 （1） 履带条数 N 确定储油罐清理机器人是采用双履带还是多履带的行走装 理论与算法 41 2016.20 置， 主要是根据初步估算的机器人本体的重量来确定， 一般根据 机器人本体重量按表 1 选择履带的条数 N。 （2） 履带的宽度和接地长度 按重型机器的工作条件， 确定土壤比压值为 p， 根据履带 数和机器人工作重量， 可计算履带尺寸。 履带总支承面积设为 A 则 ： （1-1） 其中 W 为机体的重量。 如果假设选择履带数目为N， 履带长度为l， 履带的宽度为b， 则根据下式确定每条履带的总面积 ： （1-2） 履带的宽长比 k， 根据大量履带行走装置的参数， 经统计得 ： k=0 .118+3.33+1.806 （1-3） 一般情况下履带宽长比通常在 0.2 0.4 范围内。 常用的履 带宽度一般为 0.5 4m, 履带的接地长度为 2 15m。 （3） 履带行走装置的宽度 机器人的转向所需的功率和转向性能主要有履带行走装置 的长宽比决定。 实验表明， 如果机器人长宽比大于 1.7， 即使在最 好的路面上行驶也不能转向， 除非外侧履带严重滑转， 但的值 降到小于 1， 转向就变的不稳定， 只有在频繁地使用转向系统， 才 能达到要求。 一般机器履带行走装置的长宽比值介于1.011.6 之间。 （4） 履带板节距及各轮直径的确定 根据大量履带行走装置结构参数的统计和计算， 履带行走装 置履带节距及各轮直径可由下面的统计公式近似确定 ： （1-4） 其中 ： L 为所需确定的尺寸，m W 为重型机器的重量，kN，c 为回归系数， 根据表 2 选取。 一般情况下为了满足机器人使用的性能， 确定相邻支重轮节 距 和履带节距 时， 要满足以下条件 ： ，（m,n 必须都是整数） 。 （5） 机器人履带行走装置结构参数确定 根据储油罐清理机器人工作条件和技术指标， 确定机器人 的履带行走装置结构参数： 履带条数为2条， 履带长不超过1.5m， 履带宽 0.2m 左右， 履带高 0.3m 左右。 （6） 机器人履带的优化要求 牵引能力， 牵引性能主要受行驶路面的影响。 工作时， 与橡胶 履带的拉伸强度、 剪切强度、 带宽、 横向刚性、 节距和花纹块高度 有关， 也受路面载荷和状况情况的影响。 直线型花纹和侧面拉长 间距花纹效果较好。 机械车辆在较硬路面上行驶， 牵引性能与花 纹块刚度、 花纹高度有直接关系。 抗振性， 消除振源是减轻振动和降低噪声的最好办法。 橡胶 履带的振动性与其节距、 转轮数及其重心位置配置、 胶料性能和 花纹有关。 设计时要对这些因素进行最佳匹配， 且花纹块节距小 且低的效果较好。 耐久性， 主要指表现为橡胶履带耐磨损切割、 穿刺龟裂及碎 裂的能力。 橡胶胶料不但要有良好的物理性能、 动态疲劳性能、 抗 应力集中和耐老化性能， 还需要与传动件和保护层间有良好的粘 合强度。 对于某些特殊产品， 还要求有耐盐碱、 耐油耐寒、 和防火 阻燃等特殊功能。 不脱轮性， 取决于驱动转轮直径、 转轮的配置、 橡胶履带刚 度、 履带突起的高度、 接地的长度和履带导向长度。 脱轮一般情况 下多发生在主动轮或张紧轮与转轮之间， 所以最好将该部分的长 度减小到最小程度。 保持履带具有一定的张紧度是十分必要的。 橡胶履带扭曲刚度、 横向刚性、 纵向柔顺性、 以及节距与凸缘高度 都对不脱轮性有十分重要的影响。 总之， 橡胶履带的设计后要满足， 牵引能力强、 抗振性、 耐久 性和不脱轮性等基本性能要求。 参考文献 1 孙运强 . 橡胶履带底盘结构设计与实验仿真研究 D. 大庆 : 大庆