（机械设计及理论专业论文）自主变位履带式管道机器人的机械系统研究.pdf

东华大学硕士学位论文 东华大学学位论文原创性声明 j j f j j j j j j f i j j i 舢 y 1814 4 8 2 ” 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：衔。曼 日期：乙，州厂年弓月午日 东华大学硕士学位论文 东华大学学位论文版权使用授权书 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囟，在卫年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：两、墅 日期：枷箩年3 月印日 指导教师签名： ；猫 日期：削，年岁月日 东华大学硕士学位论文 摘要 摘要 管道机器人是一种可沿管道内部或外部自动行走，具有一种或多 种传感器及操作机械( 如机械手、喷枪、焊枪、刷子) ，在操作人员的 遥控操作或自动控制下，能够进行一系列管道作业的机电仪一体化 系统。它常用于石油、化工、核工业、城建等许多工程管道的管道质 量检测、探伤、故障诊断、清洁、喷涂、焊接、管道维修等。 目前国内外研制开发的管道机器人移动机构大多以轮式和双履 带式为主，仅适用于单一形状或口径的管道环境，适用性有限。针对 现有管道机器人移动机构的不足，东华大学发明了一种具有自主知识 产权的自主变位履带式管道机器人移动机构，该移动机构具有优异的 管内越障性能，能实现变径管道、阶梯管道、变截面形状管道的过渡 行走；在圆管内行走时能根据管径自动调节履带与管壁的接触位置， 保持足够的牵引力；能自动保持水平状态，适应复杂的非结构化管道 环境。 论文对国内外现有管道机器人技术作了较深入的调研分析论证。 对自主变位履带式管道机器人机械系统，包括机器人的行驶阻力、弯 管适应性、可调整高度、自适应管径、越障、自主水平姿态调整等关 键技术进行了理论分析和试验论证。 东华大学在此自主变位履带式管道机器人移动机构的基础上研 制开发出一种管道清洗机器人产品，主要应用于中央空调通风管道和 除尘管道的检测、清洗、喷涂、消毒等。论文对该管道清洗机器人清 洗升降摆臂、毛刷驱动、视频检测等装置进行了理论分析和一系列试 验分析，并提出了进一步的改进方案。 越障 关键词：管道机器人、管道清洗机器人、移动机构、履带、管道、 r e s e a r c ho ft h em e c h a n ic ai s y s t e mo fa u t o m a t ic p o sitio nc h a n g in gt r a c k e dpip er o b o t a b s t r a c t p i p er o b o ti s ak i n do fm e c h a t r o n i cs y s t e mt h a tc a nw a l ki no ro u t o fp i p e s i ta l w a y sh a so n eo rm o r es e n s o r sa n do p e r a t i n gm e c h a n i s m s ( s u c ha s ，m a n i p u l a t o r s ，w e l d i n g t o r c ha n db r u s h ) u n d e ro p e r a t o r s r e m o t ec o n t r o lo ri t sa u t o m a t i cc o n t r o l ，p i p er o b o tc a nc o m p l e t ea s e r i e s o ft a s k s i ti sc o m m o n l yu s e di ne n g i n e e r i n gp i p e so fp e t r o l e u mi n d u s t r y ， c h e m i c a l i n d u s t r y ，n u c l e a ri n d u s t r y ，c i t y c o n s t r u c t i o n ，e t c ，f o r e x a m i n a t i o n ，e x p l o r a t i o n ，f a i l u r ed i a g n o s e ，c l e a n i n g ，s p o u t i n g ，j o i n t i n g ， p i p ef i x i n g ，a n d s oo n s of a r ，d e v e l o p e dp i p er o b o tm o b i l em e c h a n i s m sm a i n l yc o n s i s to f w h e e lt y p e sa n dt r a c kt y p e s t h e s em e c h a n i s m sc a no n l yb eu s e df o r s t a t i c p i p e r a d i u ss i t u a t i o n t h e yb a r e l yh a v em o b i l ea b i l i t i e s f o r m u l t i r a d i u sp i p e ，l a d d e rp i p ea n dc h a n g i n gs e c t i o ns h a p ep i p e ，t h e s e s o r t so fp i p e s t h e yd o n th a v et h ea d a p t a b i l i t yf o ru n s t r u c t u r e dp i p e e n v i r o n m e n t ，w h i c he f f e c t st h e i rc a p a c i t y a n de f f i c i e n c y t h e r e f o r e ， u n s t r u c t u r e dp i p ee n v i r o n m e n tp i p er o b o ti saf o c u s e dr e s e a r c hp r o je c t w o r l d w i d e ， a c c o r d i n g t o d i s a d v a n t a g e s o fe x i s t e d p i p e r o b o t m o b i l e m e c h a n i s m s ，d o n g h u au n i v e r s i t y i n v e n t e d a na u t o m a t i c p o s i t i o n c h a n g i n gt r a c k e dp i p er o b o tm o b i l em e c h a n i s m ，w h i c hp o s s e s s e so fo w n i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y t h ep i p er o b o th a s e x c e l l e n ti n 。p i p en e g o t i a t i n g a b i l i t y i tc a nt r a c kt h r o u g hm u l t i - r a d i u sp i p e ，l a d d e rp i p ea n dc h a n g i n g s e c t i o ns h a p ep i p e w h e nw a l k i n gi n s i d ear o u n dp i p e ，i t i ia u t oa d j u s t t h er e l a t i v ep o s i t i o no fi t s t r a c k sa n dt h er o u n dp i p e ，m a i n t a i n i n g e n o u g ht r a c t i o n i tc a na l s om a i n t a i nh o r i z o n t a ls t a t u s i v t h ed i s s e r t a t i o nh a sd o n el o t so fd e e pi n v e s t i g a t i o n s ，a n a l y s e sa n d a r g u m e n t a t i o n s t oe x i s t e d p i p e r o b o tt e c h n o l o g i e s ， a n dh a sd o n e t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n de x p e r i m e n t a la r g u m e n t a t i o n st ot h ea u t o m a t i c p o s i t i o nc h a n g i n gt r a c k e dp i p er o b o tm e c h a n i c a ls y s t e m ，e s p e c i a l l y t h e r o b o t ，sc o r et e c h n o l o g i e s ，s u c ha ss t e e r i n gr e s i s t a n c e ，a d a p t a b i l i t y o f a r c e ds i p h o n ，s e l f - a d a p t a b i l i t y t o p i p er a d i u s ，o b s t a c l en e g o t i a t i o n ， s e l f - a d j u s t e dh o r i z o n t a ls t a t u se t c d o n g h u au n i v e r s i t ya p p l i e d t h i sp o s i t i o nc h a n g i n gt r a c k e dp i p e r o b o tm o b i l em e c h a n i s mt ot h ed e v e l o p m e n to fan e wt y p e o f d u c t c l e a n i n g r o b o t p r o d u c t s t h e d u c t c l e a n i n g r o b o ti ss u i t a b l ef o r a i r - c o n d i t i o nd u c t s a n dv e n t p i p e s e x a m i n a t i o n ，c l e a n i n g ，d i s i n f e c t i o n ， s p o u t i n g a n ds oo n t h et h e o r e t i c a la n a l y s e s o ft h ec l e a n i n gl i f t c o m p o n e n t ，b r u s hd r i v i n ge q u i p m e n ta n d v i d e oe x a m i n a t i o ne q u i p m e n t h a v eb e e nd o n ei nt h ed i s s e r t a t i o n as e r i e so fe x p e r i m e n t a la n a l y s e sa l s oh a v eb e e nd o n et ot h ep i p e c l e a n i n gr o b o t s o m ei m p r o v i n gs c h e m e sh a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r df o r f u t u r er e s e a r c h c h e nm i n ( m a c h i n ed e s i g na n dt h e o r y ) s u p e r v is e db ym a ol i m i n k e y w o r d s ：p i p er o b o t ，p i p ec l e a n i n g r o b o t ，m o b i l em e c h a n i s m ， t r a c k ，p i p e ，o b s t a c l en e g o t i a t i o n v 东华大学硕士学位论文 目录 第一章绪论 1 1 1 2 1 3 目录 1 管道机器人概览。1 国内外管道机器人的技术现状2 1 2 1轮式管内机器人移动机构2 1 2 2履带式管内机器人移动机构4 1 2 3其他类型的管内机器人移动机构7 1 2 4 小结8 课题研究内容和意义9 1 3 1课题研究内容9 1 3 2课题创新点9 1 3 3课题的研究意义1 0 1 4课题研究方法和任务1 0 本章小结1o 第二章管道机器人移动机构总体设计 2 1 2 2 2 3 l l 弓i 言1 l 管道接头的类型1 l 管道机器人移动机构简介1 3 2 3 1 2 3 2 本章小结 基本移动技术简介13 改进的管道机器人移动机构技术1 4 1 6 1 7第三章管道机器人移动机构的相关理论分析 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 ；i 言17 机器人行走阻力17 3 2 1直线行走阻力17 3 2 2转动阻力18 3 2 3爬坡阻力2 l 3 2 4拖线阻力2 2 3 2 5总阻力估算2 5 转弯适应性2 5 3 3 1转弯形式2 5 3 3 2机器人转弯时的管道包容性分析2 6 高度调整特性3 l 自适应管径特性3 2 越障性能3 4 3 6 1越障理论3 4 3 6 2 本移动机构与普通双履带机构越障性能的比较3 8 3 6 3矩形管与圆管的过渡行走3 9 v l 东华大学硕士学位论文 目录 3 7 自主水平姿态调整功能4 0 3 7 1倾覆、侧滑的可能性4 0 3 7 2自主水平姿态调整功能4 3 3 8总结 本章小结 4 3 4 4 第四章管道机器人移动机构的设计和试验论证 4 1 4 2 4 3 4 5 引言。4 5 移动机构的机械设计4 5 4 2 1引言4 5 4 2 2履带设计和选用4 5 4 2 3电机的选用4 5 4 2 4履带足设计4 8 4 2 5摆腿设计4 9 4 2 6自主水平姿态调整装置的设定5 0 4 2 7小结。5 2 试验论证5 2 4 3 1 引言5 2 4 3 2平面行走和转弯5 3 4 3 3越障5 5 4 3 4 爬坡5 6 4 3 5拖线力5 6 4 3 6侧滑和倾覆5 8 4 3 7自主水平姿态调整试验5 8 4 4结论 本章小结 5 9 6 0 6 1 第五章空调通风管道清洗机器人的研制 5 1 5 2 5 3 5 4 弓l 言6 l 管道清洗机器人研究的背景6 2 5 2 1工程背景6 2 5 2 2技术背景6 3 管道清洗机器人的系统组成6 6 管道清洗机器人执行系统6 6 5 4 1 引言6 6 5 4 2执行系统的总体设计6 7 5 4 - 3摆臂的设计6 8 5 4 3 1方案设计6 8 5 4 3 2机构尺寸和清洗范围6 9 5 4 4毛刷的设计7 0 5 4 4 1方案设计的原则7 0 5 4 4 2刷头驱动装置7 1 5 4 4 - 3电机选用7 2 5 4 4 4毛刷检测装置7 4 v l l 东华大学石贞士学位论文 一旦 二- _ _ _ _ - _ _ _ - _ 。一一 5 5 5 6 5 7 管道清洗机器人监控系统7 4 5 5 1摄像头照明灯7 4 5 5 2监控系统7 5 管道清洗机器人控制系统7 5 管道清洗的其他系统7 6 5 8总结7 7 本章小结7 8 第六章结论及展望7 9 6 1引言。 6 2本课题的主要研究成果 6 3本课题深入研究的建议 本章小结 7 9 7 9 8 0 8 l 参考文献o o o o o a o g o e g o o o o o g o o o o o o o o o o o g o b o q o o o b q g o o q b o o o o 。o o o o o o o o g l o o o o b o o o o d b o o o o o g o o o b d o o o o b o o o o o q o o o o o d8 2 攻读硕士学位期间发表的学术论文 致谢。8 8 东华大学颉一学位论文 第一章结论 第一章绪论 1 1 管道机器人概览 七十年代，在石油、天然气、核工业等恶劣环境下，管道、罐状 容器维护的需要刺激了管道机器人的研究，一般认为，法国的 j v e r t u t 较早从事管道机器人理论和样机的研究。19 7 8 年他提出了 轮腿式管内行走机构模型i p r i v ，该机构虽然简单，却揭示了管道行 走机构所必需的两个功能：支撑吸附和驱动行走，起了抛砖引玉的作 用。八十年代，计算机、传感器、现代控制理论和技术的发展，为管 道机器人的研究应用提供了技术保证。二十世纪八十年代以来，日本 开发了多种形式的管道机器人，成为管道机器人研究最多，成果最丰 富，技术走在最前面的国家1 1 1 。 管道机器人属于特种机器人的研究范畴，它是一种可沿管道内部 或外部自动行走、据有一种或多种传感器及操作机械( 如操作手、喷 枪、焊枪、刷子) 、在操作人员的遥控操作或计算机自动控制下、能 够进行一系列管道作业的机一电一仪一体化系统，常应用于石油、化工、 核工业、给排水等许多工程中1 2 , 3 1 。 管道机器人可完成的管道作业有： 1 、生产、安装过程中的管内外质量检测； 2 、使用过程中焊缝情况、表面腐蚀、裂缝破损等故障诊断； 3 、恶劣环境下管道清扫、喷涂、焊接、内部抛光等维护； 4 、对埋地旧管道的修复； 5 、管道内外器材运送、抢救等其它用途i 1 1 。 随着计算机技术以及人工智能的发展，管内机器人技术的日趋成 熟，管道机器人已进入实用领域，其功能将更加强大，应用也将更加 广泛1 4 】。 东华大学硕士学位论丈 、 第一章绪论 1 2 国内外管道机器人的技术现状 管道机器人作为一种在管道内作业的移动机器人，其发展得到了 世界上诸多学者和科研机构的重视。到目前为止，已研制开发出多种 管道机器人i 卜5 一i 。将国内外现有主要的管道机器人移动技术介绍如 下： 1 2 1 轮式管内机器人移动机构 轮式移动机构是一个古老而至今仍得到广泛应用的移动机构。它 结构简单，在相对平坦的路面上有相当优越的性能，可是在地形复杂 的情况下就不适用，轮子很容易陷到坑洼里而不能前进1 7 1 。现有技术 主要分为一般的轮式移动机构及其若干派生机构。 1 、一般轮式移动机构 丹麦d a n d u c tc l e a n 公司的管道检测和管道清洗机器人系列1 8 1 ( 其 多功能管道清洗机器人如图1 2 1 所示) 采用轮式移动机构，这种移 动机构在空调管道的接头部分或者管道里污垢沉积较多时就不能行 走自如。 图1 2 1 丹麦d a n d u c tc l e a n 公司的多功能管道清洗机器人 东华大学硕上学位论文第一章绪论 加拿大的p 4 4 8s t e e r a b l et r a c t o r 管道机器人l 6 1 ( 图1 - 2 2 ) 也同 样采用的是轮式移动机构，虽然它采用的轮子直径很大，占机器人高 度的7 0 8 0 ，在管内应付复杂地形的能力有所加强，但其移动灵活 性受到很大影响。 由于基本轮式机构在地形适应性 上有很多不足之处，于是产生了多种 轮式移动机构的派生机构，在管道机 器人中出现过很多新奇的轮式派生 机构。 2 、内支撑轮式移动机构 此类管道机器人多数适用于圆 管，一般是用三个互成12 0 度的脚撑 图1 2 - 2 加拿大p 4 4 8s t e e r a b l e t r a c t o r 管道机器人 在管道内，所谓轴向直进全驱动型管道机器人，也可称之为三轮式的 管道机器人。这是最开始研究圆管管道机器人时常用的机构。这种机 构不能很好的适应管径，而且不容易通过弯管。因此又出现了许多派 生机构，比如在连接轮子的腿上装上弹簧；将机器人分成两节，中间 通过铰链连接等。但总体来说，这种机构适应性不强，只能适用于特 定的管道或者特定的领域。 图1 2 3 所示为国内一种内支撑轮式管道机器人的机构简图1 9 ， 其采用了行星轮式的传动系统，在越障性能上有所提高，但是在遇到 不同的管径时仍然是束手无策。 图1 2 3 种内支撑轮式管道机器人 图1 2 - 4 为国外研制的一种内支撑轮式管道机器人1 ，可视为基 东华火学硕二 ：学位论文 第一章绪论 本三轮式管道机器人的派生机构，它通过关节式的机构解决了一些机 器人转弯、行走方面的 问题，但是同样不适应 管径变化场合。 3 、其他形式的轮式 移动机构 对于传统的轮式 移动机构，可以构想出 很多其他形式的轮式 移动机构。 比如机构变位的 移动机构、多节式的管 l 毋 t 参 瓣 t 蓉0 。乏。；囊鑫荔荔摇纛。毫蠹j 奠囊 图1 2 - 4 国外一种内支撑轮式管道机器人 道机器人等。多节式的管道机器人把机器人整体分成许多节，每节有 车轮，节与节之间用铰链连接。这种多节轮式车辆可以提高轮式车辆 的地面适应能力，使其可以适用于较复杂的管道情况。目前很多适用 于小管径的管内机器人都是采用多节式构造。如f o s t e rm i l l e r 公司研 制的p i p e m o u s e l l 8 1 以及德国d r b e r n h a r d 研制的a i ss n a k e i 】都属于 这类多节式车辆。但适用于大管径的管道机器人多数还是一体的。 这类管道机器人有些只适用于等径管道，有些则因为有变位机 构，造成了控制方法的复杂，因此轮式管道机器人移动机构的应用受 到一定限制。 1 2 2 履带式管内机器人移动机构 履带式移动机构适合于未加工的天然路面行走，它是轮式移动机 构的拓展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用。相对于轮式机构， 履带式移动机构有着诸多优点，如：支承面积大，接地比压小：适合 于松软或泥泞场地进行作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能较好： 越野机动性好；履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好， 有利于发挥较大的牵引力1 7 ，i 。 、 东牛大学硕士学位论文 第一章绪论 与轮式管内机器人移动机构类似，履带式管内机器人移动机构也 可分为般履带式管内机器人移动机构及其派生机构。 l 、一般履带式移动机构 一般履带式移动 机构多指双履带移动 机构。其由左右两侧 两条履带负责支撑整 个机体；前进、后退、 转弯通过调整两侧履 带的运动方向和转速 来实现。 图1 2 5 一种普通履带式管道喷涂机器人 图1 2 5 为一种采用普通履带式移动机构的管道喷涂机器人l 。 双履带移动机构虽然较一般的轮式机构更适应复杂环境，但其越 障性能不佳、转向灵活性较差、不适应圆形管道也是不争的缺点l 7 1 。 所以产生了很多改善其特性的派生机构。 2 、变位履带式移动机构 变位履带式移动机构通过改变履带的位置或履带的机构形式以达 到适应不同环境的要求，比如：一种现有的加拿大i n u k t u n 公司的 双履带式管内机器人1 1 2 1 ( 图1 2 6 ) 行走机构，履带采用刚性支承结 图1 2 - 6l n u k t u n 公司的双履带式管道机器人 东华大学硕一j j 学位论文 第一章绪论 构，两履带的夹角可以调节，以适应不同的作业管径，两履带调节到 平行位置时，可以在平地或矩形管道内行走，但这种刚性支承的双履 带式管内机器人行走机构的两履带夹角在行走过程中是无法改变的， 因此不适应管径变化的作业场合。 此外现有刚性支承结构的双履带管内机器人行走机构难以跨越 高于履带轮直径的障碍；在圆弧管道转向时，履带与管壁接触状态不 良，牵引力下降。因此这类履带式管内机器人行走机构存在灵活性和 适应性较差的缺点。 3 、履带变形式移动机构 履带变形式移动机构通过改变履带形状及相关措施增加机构的 适应性。 一项中国专利z l ol2 2 7 5l2 3 的双履带式管内机器人采用楔形截 面的履带【1 ( 图1 2 7 ) ，以增加履带与壁面的接触面积，并可通过车 宽调整块调节两侧楔形履带的距离以适应管径变化，但与上述双履带 式管内机器人行走机构一样不适应作业管径变化的场合。 根据具体应用场合，可以相应的变化履带的形状为正梯形，平行 四边形，倒三角形等等。 人本体 履带 图1 2 7 一项中国专利中所述履带装置简图 4 、其它履带式移动机构 当然还有其它很多履带式移动机构的变体，如多履带、多节式履 带、附加机构履带等等，种类繁多。由于篇幅有限，这里仅举一例。 6 东华人学硕一 j 学位论文 第一章绪论 i n u k t u n 公司的遥控管道机器人1 1 2 1 ( 图1 2 8 所示) 三履带足互 成12 0 。撑于圆管内，类似于三轮式管道机器人，用于攀爬石油等管 道的竖直管。但是和三轮式的缺点一样，不适应不同管径，不能实现 管内越障等。 图1 2 8i n u k t u n 公司的遥控管道机器人 1 2 3 其他类型的管内机器人移动机构 如前所述，管内机器人常采用轮式和履带式的移动机构，但也有 其他类型的移动机构，如：蠕动式移动机构、步行机等等。 图1 2 9 所示为一种蠕动式管内机器人机构i 】9 1 ，由美国斯坦福大 学研制。蠕动式管道机器入主要的应用领域是微小型管道。而正常的 轮式和履带式移动机构只适用于小型、中小型和大型的管道。 前腿 后脚虑睫 图1 2 9 蠕动式管内机器人 幽1 2 10 步行式管内机器人 、 东华大学硕_ _ 学位论文第一章绪论 文献【15 】提到一种管内步行式机器人，其行走过程如图卜2 1o 所 示，通过左右两侧脚锁死和前后腿的机构变化实现机器人在管内的行 进。但该机构较复杂，而且控制起来较繁琐，更不用提及转弯和管径 变化等方面了。 1 2 4 小结 通过以上的调研分析介绍，可知现有的管内机器人移动机构存在 着不足和待完善的地方，仍有很多未知因素没有解决，参见表1 2 1 ， 其中轮式和履带式的派生机构用比较具有代表性的机构代替。 表卜2 1 管内移动机构小结 机构名称 优点 不足 古老、应用广、结构简单、越障性能不理想、承载力 普通轮式 在平坦路面上性能好不大、适应性不强等 机构较复杂、重量大、减 普通履带式承载力大、越野性好 震性不好 难以适应不同管径、转弯 三轮( 履带) 式在圆管内支撑稳定不易、无法跨越或规避管 内障碍 可以调整履带位置适应 非自主调整，不适应管径 变位履带式在作业中变化；矩形管、 管径变化 圆管不能兼容 增加承载力、可适应管径 非自主调整，不适应管径 变形履带式在作业中变化；越障性能 变化 不佳 主要针对于微小型管道不适用于小型、中小型和 蠕动式 机器人大型管道机器人 结构复杂、控制复杂、尚 步行式承载力人、支撑稳定 不成熟 由上表可见，现有管道机器人的移动机构，不能自主适应管径、 机器人对于矩形管和圆管不能兼容、越障性能有限等是普遍存在的不 足之处。 东华大学硕士学位论文第章绪论 1 3 课题研究内容和意义 1 3 1 课题研究内容 针对现有国内外管道机器人移动机构存在的不足，东华大学发明 了一种新型自主变位履带式管道机器人移动机构，该移动机构能跨越 管内的阶梯管、锥形管接口、变截面形状管接口，可适用于矩形管和 圆管，并可完成矩形管到圆管的自主过渡，能尽量小的适应管道尺寸， 能实现直角矩形管转向和9 0 。圆弧弯管行走，具有自适应圆管管径 和自动水平姿态调整功能，胜任复杂的管道环境。 作为该移动机构的一种应用，在其基础上研制了一套通风管道清 洗机器人系统，用以检测和清洗中央空调管道和通风除尘管道。 本论文就自主变位四履带足管内机器人的机械系统进行理论分 析和试验研究，建立有关机器人移动机构、清洗机构的几何学、运动 学、动力学模型。对该道清洗机器人清洗升降摆臂、毛刷驱动、视频 检测等装置进行理论分析。 1 3 2 课题创新点 研制的管道机器人移动机构具有优异的自主管内越障性能， 能跨越比履带轮直径高数倍的垂直障碍。 研制的管道机器人移动机构在圆管内行走时能根据管径自动 调节履带与管壁的接触位置，保持足够的牵引力，可以完成矩形管和 圆管之间的过渡行走，并能自动保持水平状态。 研制的管道机器人移动机构具有进入扁平管道的功能，可通 过调整实现不同的机器人高度，从而适用于不同的矩形管道，适用性 广。 对机器人进行原创性的试验设计，建立机构运动学、动力学 数学模型，为以后的研究打下坚实的基础。 创新的提出了一套具有自主知识产权的通风管道清洗机器人 毛刷摆臂执行系统，并成功的将管道机器人移动机构应用于该通风管 道清洗机器人。 9 东华大学硕l ：学位论文第一章绪论 1 3 3 课题的研究意义 本课题研究的管道机器人移动机构基本解决了现有管道移动技 术中存在的不足，具有适应性广、自主性强、各项性能优异等优点， 可以作为各类管道机器人的移动机构，具有通用性。 本课题研究的一种管道清沈机器人运用了该移动机构，取得了很 好的效果，证实了该机构的实用性。另外，该管道清洗机器人也弥补 了国产管道清洗机器人的空白，是我国具有自主知识产权的管道清洗 机器人。 1 4 课题研究方法和任务 本课题在原东华大学专利技术的基础上进行机器人移动机构的 设计，建立管道机器人各项参数的数学模型，确定机体最佳结构参数， 增强机器人的适应性，试验论证管道机器人的运动学、动力学特性。 论文在该机构基础上开发一套具有自主知识产权的管道清洗机 器人，分析研究了该管道清洗机器人的毛刷摆臂摆动机构、毛刷驱动 装置、视频检测装置等。 论文通过理论数学建模分析、3 d 实体建模造型、动态仿真、样 机试验对自主变位管道机器人行走机构和管道清洗机器人进行较深 入的分析研究。 本章小结 本章介绍了本课题研究的背景，对目前国内外现有管道机器人的 移动机构进行了详细的调研和分析。阐述了本课题研究的内容、创新 点和意义，提出了本课题研究的方法和任务。 东华人学硕t ：学位论文 、 第一二章管道机器人移动机构总体砹计 第二章管道机器人移动机构总体设计 2 1引言 1 2 节中阐述了现有管道机器人的一些移动技术，很显然，现有 的轮式和履带式管内机器人移动机构对于非结构化管道环境均有这 样那样的问题。因此研究具有承载力大、运行稳定、越障能力强、适 应性强等特性的能适应非结构化环境的管内移动机构具有积极的意 义和研究价值。 2 2 管道接头的类型 不论矩形还是圆形平直管道，机器人都是容易通过的，关键在于 管道接头的通过性能，若能通过更多类型的管道接头，表明机构的适 应性越强。管道接头类型可以根据其外观形式分为表2 2 1 中几种 1 2 0 t2 l i 。 表2 - 2 1 管道接头类型 管道接截面 图示备注 头类型形式 矩形斜 0 = 9 0 。 时为普通 直交弯角 矩形 接弯头 弧形弯矩形、 头圆形 东霉l ：火学硕士学位论文 第二章管道机器人移动机构总体设计 节接弯矩形 伊 一节节接 起来的， 头 圆形与前项不 同 突然扩 大和缩 矩形 (f i， j 、 逐渐扩 矩形 r 1 t 大和缩 圆形 直线行走性能 转弯性能 爬坡能力 机器人载体所需拖线力 自适应管径 越障性能 侧滑和倾覆情况发生的可能性 自主水平姿态调整 3 2 机器人行走阻力 机器人行走阻力和行走速度是确定履带驱动电机的功率的主要 依据。一般来讲，管道机器人行走过程中有如下阻力需要考虑： 地面变形阻力 履带装置运行内阻力 外部行驶阻力 爬坡阻力 转动阻力 拖线阻力 3 2 1 直线行走阻力 本项目研究的管道机器人主要应用于硬质管道环境，直线行走时 的地面变形阻力和外部行使阻力可以忽略不计，故直线行走阻力只考 东华大学硕士学位论文 、 第三章管道机器人移动机构的相关理论分析 虑履带装置运行内阻力。履带机构驱动力主要表现为履带与地面之间 的摩擦力，即附着力。履带装置运行内阻力是由同步带和带轮，传动 齿轮之间的摩擦阻力形成，一般可用以下经验公式计算1 2 2 1 ：内阻力系 数可取o 0 3 - o 0 7 ，对于加工精度高，热处理要求高，润滑条件好的 可取较低值。本机构取0 0 6 。 假设机器人净重为g ，则可近似估计该机构的直线行走阻力f 为： f = o 0 6 0( 3 2 1 ) 3 2 2 转动阻力 履带运行装置在硬质路面上转弯时所受到的阻力主要为履带与 地面的摩擦阻力。履带机构转弯可分为三种形式：一是两条履带以不 同速度向前运行；二是单边转弯；三是原地转动1 2 3 。 履带式移动机器人的转向原理与轮式移动机器人不同。轮式为通 过转向轮改变车辆的行驶方向，而履带式是通过改变两侧履带的环绕 速度达到转向，这就使得履带式机器人的转向过程比较复杂。其过程 大致为：接受到转向信号后，一侧履带的速度下降或者反向称为低速 侧，另一侧履带的速度保持匀速行驶的状态称为高速侧。低速侧履带 引起制动作用向前滑移而受到阻力，这个阻力形成车辆最初的转向力 矩而促使车辆开始转动。车辆开始转动后，低速侧履带继续向前滑移 受到阻力，而高速侧履带也开始向前滑转从而受到向前的推动力。低 速侧履带受到的阻力和高速侧履带的推动力在车辆纵方向的分量继 续成为车辆的转向力矩，但同时低速侧履带受到的阻力和高速侧履带 的推动力在车辆横方向的分量形成车辆的转向阻力矩。转向力矩开始 最大，逐渐减小；转向阻力矩开始为零，逐渐增大，二者达到平衡时 车辆进入稳定转向状态。 履带的转弯阻力需要在设计中予以考虑，以避免驱动电机功率不 足等现象的发生。此处主要研究单边转弯和原地转动的转弯阻力及分 析。 计算转弯摩擦阻力时，须先引进摩擦阻力矩m 。 东华大拳硕士学位论文 、 第三章 管道机器人移动机构的相关理论分析 如图3 - 2 1 所示，设机体重g ，履带长、宽分别为l 、b ，履带足 内部边沿距中心为a ，履带与地面间的转向阻力系数为，在履带足 上取一微元d x ，微元到履带足内部边沿的距离为x ，则机体转动时该 微元所受的摩擦阻力矩为： d m = t x + n ) u ￥g l a x 沿l 积分，可得机体总共受到的摩擦阻力矩为： m = 4 沁日，等出却+ 争印 b 叫十一 o 图3 2 2 牵引阻力示意图 1 9 东华人学硕士学位论文 第三章管道机器人移动机构的相关理论分析 其中转向阻力系数a ，可由尼基金( a o h1 4kmt1 4h ) ) 教授的 履带转向阻力系数经验公式【4 0 1 求得： 其中为静摩擦系数，r 为机器人转向半径。 原地转弯时，i 葛侧履带作反向运行，四条履带共同克服转弯阻力 矩m 。设每条履带的阻力矩分别为mi 、m 2 、m 3 、m 4 ，且相等。一条 履带的行走阻力f ，由两条履带对回转中心o 点的力矩平衡得，见图 3 2 2 ( a ) ： m ：m i + m 2 + m 3 + m 4 = 4 f b ，、：2 b f 得原地转弯时一条履带的牵引阻力为： f ：竺 单边转弯时，一侧履带制动，另一侧驱动，见图3 - 2 2 ( b ) ，由履 带对回转中心0 点的力矩平衡得： m = m 1 + m 2 + m 3 + m 4 = 2 f b 单边转弯时，履带的牵引阻力仍然为： f ：坠 只不过值略有不同，且由于是单边转动，故只有单侧履带有牵 引阻力。 故机器人在转弯时，起驱动作用的每条履带牵引阻力为： f ：m ：( a + l ) u g ( 3 - 2 - 2 ) 2 0 东华人学硕十= 学位论文、第三章管道机器人移动机构的相关理论分析 3 2 3 爬坡阻力 在一般情况下，两物体在接触处相互作用的力有垂直于接触面的 正压力和在接触面上的摩擦力。如果把这两个力用其合力r 来表示， 如图3 2 3 所示： 图3 2 3 物体与接触面间摩擦的受力分析 则其大小r ：圻了可，其方向可用它与法线间的角角多来表示。 t a n 缈= 号。当f 达到它的极限值c 时，驴角也达到它的极限值。于 是有下面的关系： t a n = 争= 等= 厂 缈。为接触面间的摩擦角。摩擦角的正切等于摩擦系数。实施例如 图3 2 4 所示，设一物体放在一倾斜角可以变动的斜面上。当物体平 衡时，斜面对物体的约束力r 应该铅锤向上与重力g 平衡。因此，r 与斜面法线问的交角咖就等于斜面的倾斜角口。要测定西角的极限 值，只要把斜面的倾斜角逐渐增大，直到物体即将滑动为止，量出此 时的口角即得。这个角的正切，即为物体与斜面间的摩擦系数。 此外，在确