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1、第33卷第3期管道机器人自适应管径调节机构的研究与仿真49文章编号:1004-2539(2009)03-0049-03管道机器人自适应管径调节机构的研究与仿真(兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050)龚俊谯正武摘要设计了一种管道机器人自适应管径的调节机构,采用丝杠螺母作为机构的调节方式,研究了机器人适应不同管径时调节机构的力学性能以及机器人在圆形管道内行走时调节机构上的车轮运动状态,并以机器人适应管径为445mm~558mm为例,利用Mat
2、lab仿真软件,对机构做了运动学仿真,通过仿真得到了丝杠有效转矩T和连杆与水平方向夹角以及机器人牵引力F和丝杠导程P参数之间的关系。仿真表明,设计的调节机构能适应管径变化,也能保持机器人牵引力稳定。关键词管道机器人自适应管径调节机构仿真相同的丝杠螺母+平行四边形来实现管道机器人适0引言应管道径向尺寸的变化。图1为其中的一组,图中实在现代工业尤其是石化行业存在各种不同用途、不线部分和虚线部分分别为机器人适应最大管径Dmax、同尺寸的管道,管道的腐蚀、破坏、失修等故障严重阻碍最小管径Dmin下调节机构的工作示意图
3、。驱动轮和支了生产。通常对管道内表面进行除锈、补口等处理,延长撑轮分别安装在轮轴B、C上,H为调节电机安装高管道使用寿命,使管道能长期安全运行。管道内表面处度,h为连杆支撑座D相对调节电机的安装高度,调节理过程中越来越多地采用管道机器人机构作为移动载电动机采用步进电动机,丝杠直接安装在调节电动机体。目前的管道机器人,比如利用螺旋轮实现机器人本的输出轴上,轴套和筒状压力传感器以及丝杠螺母之[1]体向前、向后运动的Heli-Pipe管道机器人和法国间用螺栓紧固在一起,连杆CD的一端C铰接在轮轴CedricAnthierens
4、等人为检测核电站蒸汽发生器管道而研C上,另一端D铰接在固定铰支座D上,推杆MK与[2]连杆CD一端铰接于M点,另一端铰接于轴套K点,制的电动-气动驱动的蠕动式管道机器人等,都是为特定直径的管道专门设计的。管道直径发生了变化,就连杆AB、BC、CD和机架AD构成了平行四边形机构。必须重新设计制造,因而增加了成本。哈尔滨工业大学的邓宗全等人研制的6轮独立驱[3]动管道机器人,采用弹簧封闭力机构,实现适应管径变化的功能。韩国ChoiHR等人开发出的用于天然[4]气管道检测的管道机器人,利用弹簧+平行四边形机构来适应管径变化
5、,但这种利用弹簧实现变径的管道机器人,当管径变化范围较大时,其弹簧产生的封闭力变化也较大,易失去常封闭力的特性,管道机器人的移动机构的牵引力将不再稳定,机器人的工作可靠性图1自适应管径的调节机构示意图将受到很大的影响。上海交通大学设计的管道机器人2调节机构工作原理则采用滚珠丝杠螺母副调节行走轮的位置,使之始终压在管道内壁上[5],也实现了机器人适应管径变化的3组丝杠螺母在圆周方向上相对固定,调节电机功能。但由于调节机构是在同一滚珠丝杆螺母的调节转动时驱动丝杠转动,从而带动丝杠螺母沿轴线方向下工作的,当其中一个车轮受阻
6、时,其他两个轮子同时来回滑动,同时推杆MK随着运动,驱使连杆CD绕固受阻,故这种机器人越障能力较差。定铰支座D转动,连杆的转动带动ABCD平行四边形从经济、可靠的角度出发,我们提出了3电机分别机构平动,从而使调节机构的平行四边形轮腿机构撑驱动的丝杠螺母+平行四边形的调节机构,并对该开或收缩,使安装在平行四边形机构上的B、C两点上机构进行了受力分析,最后对机构进行仿真。的驱动轮和支撑轮始终被撑紧在不同管径的管道内壁上,达到适应不同管径的目的。筒状压力传感器可以1调节机构的总体设计间接地检测各组驱动轮和管道内壁之间的正压
7、力,保调节机构采用互成120!空间对称分布的3组完全证管道机器人以稳定的压紧力撑紧在管道内壁上,使50机械传动2009年管道机器人具有足够且稳定的牵引力。若机器人在管上式化简得内行走过程中,其中某个车轮因遇障碍物而被卡死时,L1!x=-(tan+tan)!y(1)KLC机器人在管内停止行走,此时里程表计数不改变,这时引入虚功原理得F!x+N!yc=0需同时驱动3个调节电机,通过筒状压力传感器测出K压力增加最大的那一组车轮为被
8、卡的车轮,此时该组将式(1)带入上式并化简得调节电机反转,平行四边形轮腿机构收缩,车轮与管壁F=LN(2)L1(tan+tan)间的间距增大,越过障碍物,调节电机正转驱动调节机所采用的丝杠螺母副的导程记为P,为丝杠和构从新调节,机器人恢复正常工作。丝杠螺母之间的相对转角,则丝杠螺母的位移为3调节机构的力学特性P
