管道清淤机器人机构设计与运动学研究

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1、硕士研究生学位论文摘要I摘要地下排水系统网络被形象地比喻为城市的―命脉‖，随着城市化的快速发展，地下排水系统网络也逐渐复杂。然而由于生活污水、雨水泥沙和工业废水的排放，一些管道出现了不同程度的淤积甚至堵塞问题，严重影响着居民正常生产生活。所以针对地下排水管道特点，设计一种结构简单、负载能力强、管径适应性好、运行稳定可靠的管道清淤机器人具有重要的理论意义和实用价值。因此本文针对城市地下大管径排水管道的淤积问题，研究了一种能在大管径管道内行走并进行管道清理和疏通作业的管道机器人。首先，基于对地下排水管道内的淤积类型和不同的淤积程度的分析，提出了新型管道机器人的行走原理和清淤方法。其次根据这一行走

2、原理，设计了三种不同结构形式和传动方案的机器人行走机构，并分别对三种行走机构进行了方案论证和机构特点分析，从而选取了其中最为合适的行走机构方案。然后，对选定方案中的机器人伸缩夹紧机构和步进单元进行了运动学研究。建立了各自的运动学模型，分析其运动特性，并分别进行了运动学仿真分析，验证了行走机构的管径适应性和运动能力。为了给机器人动力设计提供理论依据，研究了机构的力学特性：基于虚位移原理，分别建立了伸缩夹紧机构和步进单元的力学模型，通过ADAMS虚拟样机仿真软件对机构进行了驱动力仿真分析；研究了伸缩夹紧机构在负载阻力一定时，驱动力随管径的变化特性，确定了该状态下伸缩夹紧机构达到最大驱动力时的管径

3、大小；又在管径和负载阻力不变时，研究了伸缩夹紧机构在单个工作循环内机构的驱动力变化规律，从而得到了伸缩夹紧机构的最大驱动力；对步进单元进行了力学仿真研究：分析了在负载阻力一定时，步进单元驱动力随步距大小的变化特性，从而获得了步进单元的最大驱动力。最后，为减小结构尺寸和水流阻力的影响，在保证机器人的强度和刚度前提下，对机构关键尺寸进行了优化。建立了机器人工作装置虚拟样机，通过ANASYSWorkbench对工作装置进行了力学性能仿真分析和结构拓扑优化，验证了工作装置的强度和刚度；优化后结果和优化前的结果对比显示，在满足其工作性能的条件下，减小了水流阻力对机器人行走的影响。方案对比结果表明基于连

4、杆机构的管道机器人行走机构为最优设计方案；运动学研究结果表明行走机构步距为103mm，适应管径范围为800~1000mm，速度和加速度曲线平稳运动稳定；驱动性能仿真分析结果表明行走机构可承受负载阻力达到1000N，驱动力曲线平滑，机构惯性力小，无震颤现象；清淤工作装置可清理管道内淤积类型包括树根、结垢、浮渣和漂浮物等；在满足工作条件的前提下，工作装置拓扑优化使刀盘截面积减小了60%；本文所研究的基于多连杆机构的步进式管道机器人可为今后管道机器人的研究提供参考。关键词：管道机器人；运动学；驱动特性；拓扑优化；仿真分析II摘要硕士研究生学位论文硕士研究生学位论文AbstractIAbstract

5、Undergrounddrainagesystemisvividlylikenedtothecity's―lifeblood‖.Withtherapiddevelopmentofurbanization,theundergrounddrainagesystemwasgraduallycomplicated.However,duetothedischargingdomesticsewage,cementsandandindustrialwastewater,somepipesweresilting-uporevenblocked,whichseriouslyaffectedthenormalp

6、roductionandlifeoftheresidents.Soinviewofthecharacteristicsofundergrounddrainagepipeline,ithasgreatpracticalvalueandtheoreticalsignificancetodesignakindofpipelinedredgingrobotwithsimplestructure,strongloadcapacity,goodadaptabilityofpipediameterandstableandreliableoperation.Therefore,aimingatthedepo

7、sitionproblemofundergrounddrainagepipelinewithlargediameter,akindofpipelinerobotwasstudied,whichcanwalkinthelargediameterpipeandcleanpipeline.Firstly,onthebasisofanalyzingthetypeofdepositionandthedegreeofth