單向伸縮式管道機器人系統(tǒng)的建模與仿真

課程設計 螺旋式管道機器人 機器人總體方案設計 1設計方案過程及特點 按照上述的過程方案，由三維建?？梢赃M一步確定機器人的可靠外形結構。 安裝加工出的理想外形經(jīng)過安裝調試環(huán)節(jié)成為完整的機器人，最后完善整個樣機 使其在螺旋管道內能順利工作，幫助人們順利解決難題。 2機械結構 一、當前狀況 目前國內外已研制出的管道機器人類型很多，從機械結構來區(qū)分主要有以下 幾種移動方式： （1）活塞移動式，其原理類似于活塞在汽缸內的運動，即把管道看作汽缸， 把具有一定彈性和硬度的機器人看作活塞。在結構上，機器人其后面的流體壓力 大于前面的壓力時，在壓差的作用下，機器人克服了管壁與活塞之間的摩擦阻力 而向前運動。機器人可以攜帶各種傳感器，一邊行走一邊用于管道檢測。 圖4整體設計流程圖 （2）滾輪移動式，利用滾輪驅動式的行走結構，以電機作原動機，為了增 加牽引力，一般采用多輪驅動式，由于

討論了管道機器人的數(shù)學模型,并且對垂直彎管和分支管道的通過性做了分析。通過建立機器人的幾何方程,使得機器人可能通過各種彎管。其結果可對機器人的動靜態(tài)特性研究提供一定的參考。

針對帶膛線身管這一特殊的測量對象,研制了一種能自動測量火炮膛線的新型管道機器人.分析了該機器人的機構組成及工作原理,研究了其運動學和力學特性.實驗證明,該機器人測量精度達到0.002mm,多次測量的重復性誤差小于0.002mm,并且可靠性高.

研究了一種輪式全驅動管道機器人質量的優(yōu)化問題,提出一種基于遺傳算法的質量選擇的優(yōu)化模型,分析了輪式管道機器人在滿足拖動能力、行進速度等性能指標的要求下,通過輪徑、輪距、轉矩、轉速等參數(shù)的改變,能夠使機器人的質量得到一個較小、較優(yōu)的數(shù)值,實現(xiàn)機器人的整機輕巧,使用方便,降低制造成本。采用遺傳算法,通過c++編制仿真程序,仿真結果證明了該算法是有效的、穩(wěn)定的。通過機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件adams進行拖動力仿真試驗,證明了該優(yōu)化方法的正確性。

管道機器人是特種機器人研究領域中的熱點.該文設計了管道機器人蠕動式移動牽引機構,采用電機驅動絲杠正反轉,絲杠上絲杠螺母前移,前后兩組支撐腿臂交替支撐住管壁,從而實現(xiàn)了機器人的蠕動式前行的驅動方案,并設計了該系統(tǒng)的電控部分.模擬管道中的實驗驗證了該方案的可行性.

介紹了4種支承輪式管道機器人變徑方案的工作原理,比較分析得出絲杠螺母副變徑機構具有更高的驅動效率。在此基礎上,基于虛功原理分析了絲杠螺母—支承桿變徑機構的驅動特性,并應用多體動力學仿真軟件adams對其進行了動力學仿真驗證,結果顯示絲杠螺母—支承桿變徑機構具有更高的驅動效率和更強的管徑適應能力,并給出了其驅動電動機隨管徑變化的一般動力學特性,為支承輪式管道機器人推廣應用奠定了基礎。

排水管道機器人通常采用模塊化設計,一般分為爬行器、電纜絞盤、上位控制單元、檢測單元、輔助裝置、圖像處理軟件等模塊。本文介紹排水管道機器人各模塊現(xiàn)有技術特點,并結合智能控制技術,展望未來排水機器人發(fā)展方向。

提出了一種描述管道機器人彎道通過性的數(shù)學模型,該模型由一組組合約束構成.通過對約束方程的分析討論,得出了規(guī)律性的結論.管道機器人在彎道處的姿態(tài)、單元體的幾何尺寸、行走輪結構形式對其通過性都有不同程度的影響.所提出數(shù)學模型是管道機器人彎道自主行走控制策略設計和相應結構設計的理論基礎.

上海交通大學 碩士學位論文 電纜管道機器人視頻監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā) 姓名：戚偉 申請學位級別：碩士 專業(yè)：電力電子與電力傳動 指導教師：黃成軍;江秀臣 20080101 上海交通大學碩士學位論文 -i- 電纜管道機器人視頻監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā) 摘要 隨著城市電網(wǎng)的大規(guī)模建設，電力電纜采用自動化敷設方法，可以 避免人工敷設帶來的效率低下、操作不便等諸多問題，改善電纜敷設質 量，延長電纜使用壽命，保證客戶可靠用電。 本文介紹了一種新型可靠的電纜管道機器人系統(tǒng)，通過前端的攝像 監(jiān)測裝置實時監(jiān)視管道前方及管壁的圖像，不僅能在機器人穿越管道的 同時，完成敷設電纜的要求；而且能夠對管道中的土建殘渣進行清掃， 有效地促進電纜排管土建質量及電纜施工中的敷設質量，為電纜敷設提 供了有效的輔助手段。通過該儀器的使用，能夠降低電纜損傷事故、延 長電纜使用壽命，具有廣泛的社會及經(jīng)濟效益。 本文涉及的電纜管道機器人系

以自行研制的一種用于水平井檢測的伸縮式油井管道機器人為對象,研究了其在充滿高溫(約150℃)高壓(約60mpa)腐蝕性污油的管道內工作時的動密封問題,采用高耐壓高性能的車氏超高壓組合密封方案,對機器人關鍵部件的密封結構進行了設計。初步的實踐證明該設計能夠達到很好的密封效果,解決了伸縮式油井管道機器人在水平井工作時的超高壓動密封問題。

針對管道機器人的工作特點,提出了一種管道機器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用光纖傳輸視頻和數(shù)據(jù)的復合信號,利用視頻光端機進行信號的復合和分離,基于directshow框架開發(fā)視頻采集系統(tǒng),通過modbus協(xié)議完成主機與管道機器人的數(shù)據(jù)通信,從而實現(xiàn)了管道內部視頻圖像的實時采集和管道機器人的實時監(jiān)控。

論文根據(jù)集中空調管道清掃的特點,設計了一種新型的空調管道機器人,并以自行研發(fā)的集中空調管道機器人樣機為例,介紹了其傳動機構、運動機構的設計,系統(tǒng)功能的實現(xiàn)以及由些引出來上位機與下位機的通信方式的問題。設計中采用三輪三角形布置的輪式移動載體,選用rs-485作為通信電氣標準,實現(xiàn)51單片機控制端與pc機的通信。在操作員的遠距離遙控操作下,空調管道機器人在管道內部自動行走,并攜有操作機構和輔助設備(ccd攝像機、管道清潔掃等),進行一系列管道清掃作業(yè)。

針對管道機器人在后退過程中需要借助人手動來收線的問題,提出了一種智能化的電纜絞盤系統(tǒng),它是通過管道機器人爬行器和絞盤間電纜的恒張力控制來實現(xiàn)的。由此建立了基于模糊控制的恒張力模型,并利用matlab軟件對張力控制系統(tǒng)進行了仿真研究,結果表明該方法是可行的,基于模糊控制的恒張力系統(tǒng)在機器人系統(tǒng)中具有很好的應有價值。

根據(jù)管道機器人管內適應性的要求,提出一種面向矩形管道的新型自適應調節(jié)機構的設計方案。分析該機構的工作原理、力學特性,建立其數(shù)學模型并進行仿真分析。仿真結果表明:該機構提高了管內機器人對矩形管道的適應性,并改善了牽引能力,為機構參數(shù)的合理選取提供了科學依據(jù)。

為了描述三軸差動式管道機器人驅動單元的彎管通過性,建立了驅動單元在彎管處的運動方程與平衡方程,分析了其在彎管處的差速特性與力學特性。理論分析表明,三軸差動式管道機器人驅動單元在彎管處自主差速,無寄生功率產(chǎn)生,驅動輪能夠提供足夠的拖動力,具有良好的機械自適應特性。建立的驅動單元運動方程與平衡方程為三軸差動式管道機器人的機械自適應理論奠定了基礎。

提出了一種內螺旋管道機器人(簡稱內螺旋機器人)。設計了該機器人的結構,建立了機器人的動力學方程,數(shù)值計算了機器人在管道內運行時管道內壁所受的壓力、機器人的軸向推進力和液體對機器人的周向阻力矩。結果表明,當驅動為外磁場驅動時,內螺旋機器人軸向推進力和周向阻力矩都會增大,但對管道壁的損傷也會增大。以機器人軸向推進力和能效指標為優(yōu)化目標,采用正交優(yōu)化方法得到一組最優(yōu)的內螺旋槽幾何參數(shù)。根據(jù)內螺旋機器人的工作原理,設計制造了內螺旋驅動樣機,該樣機在充滿201甲基硅油管道中的運行實驗證明了內螺旋機器人的可行性。提出的內螺旋機器人表面光滑,能懸浮運行,對管壁的損傷小,可用于人體內腔的微細管道中。

簡要綜述了國內外排水管道清淤作業(yè)機器人的結構方案,分析了各自特點和局限性。提出了一種基于組合機構的新型蠕動式排水管道機器人。給出了機器人主要結構組成,以及行走機理分析,建立了其行走運動模型和驅動力矩分析模型,給出了主要影響參數(shù)以及數(shù)值分析。最后,建立了機器人的虛擬樣機,完成了其虛擬樣機仿真分析。綜合理論數(shù)值分析和虛擬樣機仿真分析驗證了方案的可行性和設計理論及分析結論是正確的。該方案的排水管道清淤作業(yè)機器人具有大拖動力、作業(yè)距離長的特點。

蘇州大學的5名大學生合作發(fā)明了一種微型管道機器人。其能夠深入到核電廠蒸汽發(fā)生器的管道內，檢查管道的安全狀況，以避免核泄露等安全事故的發(fā)生。

當有纜管道機器人的線纜長度增加時,其重量大增,與管壁的摩擦力會變得很大,嚴重影響了機器人作業(yè)時的最大行走距離及可靠性。為了克服該缺點,本文采用kq-100e電源線載波調制解調模塊,給出了載波電路圖,制定了通信協(xié)議,描述了通信流程,從而實現(xiàn)了線纜內電源線與信號線的復用。該研究成果已應用于中央空調風管清潔機器人中。應用結果表明,該通信系統(tǒng)大大減輕了線纜與管壁的摩擦力,提高了管道機器人的可靠性,增大了其作業(yè)時的最大行走距離。

利用拉格朗日建模方法推導出基于慣性飛輪平衡原理的獨輪機器人側向通道動力學方程.在該動力學方程基礎上分別設計了pd和lqr兩種控制器,并分別進行了仿真和物理實驗驗證.實驗中獨輪機器人從側傾一定角度,在控制的慣性飛輪運動作用下最終回到豎直平衡位置,完成了獨輪機器人側平衡控制目標.仿真和物理實驗結果均證明了所建立的動力學方程的正確性和控制器的有效性.

針對石油、天然氣、化工等管道的故障檢測與定位,研制了一套帶有可動攝像頭的高性價比的輪式管道機器人。系統(tǒng)以stc12le5a16s2單片機為處理核心,以基于pelco-d協(xié)議的三維云臺控制鍵盤作為操控單元、以rs485作為通信協(xié)議,以sm-s4315r舵機為動力源,采用輸出比較的算法產(chǎn)生高分辨率的pwm控制脈沖,提高了舵機控制的平滑性和連續(xù)性;以基于查表匹配結合分段匹配的差速轉向策略實現(xiàn)機器人的萬向協(xié)調運動的控制,提高了系統(tǒng)操控的便捷性和運行的穩(wěn)定性。樣機的測試表明,管道機器人操控靈活、運行穩(wěn)定、攜帶方便,在小型管道機器人領域具有較大的應用價值和推廣空間。

油漆沉積率模型是自動編程工藝參數(shù)選取的重要依據(jù),為了建立符合實際工況的漆膜模型,采用噴涂機器人噴涂時橢圓型霧錐的實驗數(shù)據(jù),將貝葉斯歸一化神經(jīng)網(wǎng)絡法和遺傳算法分別用于漆膜模型的擬合。經(jīng)過對比分析,采用2種算法得出模型都具有較高的精度,但遺傳算法收斂速度更快,并可得出油漆沉積率方程的具體表達式,更適合油漆沉積率建模。