通行能力与越障能力分析径向可调履带式管道机器人外文文献翻译、中英文翻译
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Proceedings of the 2016 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics Qingdao, China, December 3-7, 2016 978-1-5090-4364-4/16/$31.00 2016 IEEE 1748 1749 1750 1751 1752 1753 2016届IEEE会议录在机器人与仿生技术国际会议青岛,中国,十二月3-7,2016 通行能力与越障能力分析径向可调履带式管道机器人 Lei Zhang and Shan Meng摘要-设计了一种具有径向可调特性的三轴驱动结构履带式管道机器人。机器人的结构和工作原理介绍了可调机构的力学模型,建立了其受力状态,分析了可调机构的力学性能给出了机器人的行走能力和越障能力以及机器人的驱动力,分析了牵引力和越障高度。这个样机实验结果表明,管道机器人本文设计的管道具有良好的适应性环境。1、 引言无论是城市生活的排水和排气,还是石油、天然气等工业领域的物质输送,管道被广泛用作一种有效的运输工具。为了使管道、管道长期安全运行配备各种传感器和操作的机器人机械设备检测、清洗、焊接等系列管道操作的人 1-3 。作为研究热点,国内外,仅从驱动划分,管道机器人开发了轮式、履带、腿,爬行,像蛇和其他类型4-7。然而,这不同类型的管道机器人有相应的不同管道环境的限制,所以有对管道机器人的适应性提出了更高的要求管道环境。由于加工工艺和材料,有一些条件,如不规则形状管道断面与物理不一致焊接引起的内壁特性和其他人类的原因8-9。此外,使用过程中洼地或由腐蚀、锈、材料堆积和管道等其他原因,管道机器人在管道中行走会产生一定的影响 10 。因此,管道机器人的行进能力在不同管径的适应性越障能力是研究的重点,它是提高管道机器人适应管道恶劣工作环境的必要条件。基于履带和管道的大接触面积墙体具有稳定特性,由管道机器人的行走能力及其适应性管道环境,设计出了一种三轴跟踪管道径向可调机器人,并进行了机械可调机构性能,行驶能力管道机器人和越障能力详细分析。2、 管道机器人结构机器人的整体结构如图1所示,主要是由履带驱动机构,可调机构与可拆卸附加功率模块。三轴驱动机形成120空间对称分布,其驱动力由三台电机提供。另外,电机驱动驱动轮通过锥齿轮和齿轮组,用来驱动履带的旋转。通过控制三个电机的旋转和速度的方向,机器人可以向前,向后和转向。这个可调式机构带动丝杠穿过台阶电机,驱动并联连杆连接螺母调整三轴尺寸支承角,控制三轴比例。所以当管道机器人行走和工作在管道在设计范围内,不仅可以改变尺寸机器人的外径通过控制,也增加了履带与管道内壁之间的正压力,以改善机器人的运动特性不同的姿势。额外的电源模块为机器人提供电源,满足机器人在管道无缆操作的需要。在操作较短的时间情况下,也可以删除额外的电源模块,使用便携式锂电池降低体重。 图1 机器人结构图3、 机械性能可调机制1. 调节机制 图2 可调机构的力学分析11可调式机构采用螺母和平行连杆与驱动连接适应不同管道需要的机构直径。因此,管道机器人在管道中行走时,可跟踪的可调机构密切相关对管道壁产生足够的附着力,稳定驱动管道机器人向前或向后。其基本原理如图2所示。当螺母管道机器人穿越障碍物时管道壁需要有适当的正压驱动机制。因此,电机可以调节螺杆螺母的实时性要求高,所以电机精度要求高。根据精确角位移和步进电机的非累积误差,电机选择与丝杠连接的步进电机通过耦合。采用光电编码器测量步进电机的旋转次数和旋转角度计算螺杆螺母在加工过程中的范围准确。组件由连接驱动棒BC固定在螺母上,改变相应的和的角度大小。由于平行的特殊连杆,前和后组件有同样的动作,也使得空间对称分布三轴可同时膨胀或缩小,使目前可以计算管道直径。同时,在螺母上的压力传感器可以收集管道跟踪压力值反馈正压与设定值之差步进电机的旋转方向控制形成闭环控制,确保有一个适当的管道机器人履带与履带机器人之间的压力管道内壁。不仅避免了阻碍运动的跟踪,电机锁定转子和跟踪磨损造成的压力过大,也解决了周压不足或牵引力不足的问题即使是管道壁的跟踪,以提供稳定和机器人可靠的驱动力。2. 可调机构的机械性能由于机器人可调机构的对称性,只需要分析驱动机构。设置螺母的中心到O点,坐标系是如图2所示,X轴是管道的中心轴线机器人,Y轴是通过O和O的中心轴对称平面。图2中的参数设置如表1所示。表一 参数设置表如图2 参数参数含义 N管道壁产生正压驱动机构跟踪 F螺杆螺母在部件上的受力 、组分夹角L1、L2、L3、L4BC,AC和AO杆分别的长度 T0步进电机轴输出扭矩 T丝杠轴的有效扭矩 h1、h2、h3垂直距离如果整个履带驱动机构被视为整体质量均匀分布,图2显示几何关系: = =微分方程(1): 根据虚功原理:将方程(2)代入方程(3),正压可调机构生产:如果螺旋螺母的螺距为P,相对旋转丝杠和螺母之间的角度,所螺杆螺母的位移可表示为:因此:螺杆位移的关系螺母和管道直径D可以计算方程(6):由微分方程(5):螺母传递效率的表示,根据虚位移原理得:将方程(4)和(7)代入方程(8)可获得螺母的扭矩调节:如果履带和管道壁的摩擦系数用,机器人的牵引力FQ可表示为:可以知道,机器人的牵引力与结构角度,摩擦系数,长度组件,丝杠螺距等。特别是,它与步进电机的转矩密切相关。因此,根据牵引的大小,机器人的系统的运行速度和传输效率选择合适的电机。在一定功率的情况下,步进电机的转速与电机的转速成反比扭矩,所以如果要获得良好的牵引力,可以降低速度步进电机适当。4、 通行能力分析越障能力管道机器人1. 调整扭矩分析当机器人准备在管道中工作时几何中心点O0不与几何一致管道的中心O,在这种情况下,有必要调整可调式机构,使驾驶跟踪与管道内壁接触的机制使两条中心线重合。在这个过程中调整扭矩主要是克服重力,并克服两下驱动机制的侧滑。当三足驱动机制已经与管道壁接触并产生适当的正压力时,机器人设计了牵引力,并调节力矩主要由牵引力决定指数。当机器人的姿态角为0时,输出调节电机转矩达到最大值。因此,只要分析这种情况,最大调节力矩可以是得到的。分析调整力矩图,克服重力和侧滑的如图3所示,管道中心表示为O,机器人中心表示为O0,的管道直径的长度表示为d,电流驱动轮的分布半径表示为R,机器人的重力表示为G、Nb、NC均为正压管道壁分别为机器人的两轴。工作可以通过调整电机来克服重力:图3. 重力调整力矩分析图从图3得:也从图2中得:由虚功原理得:调节转矩克服侧滑可得:通过比较方程(10)和(16),可以看出调整力矩几乎由牵引力决定指数方程(10)。2.机器人在管道中的受力分析机器人在管道中的受力分析图如图4所示。是上部轴之间的夹管道和水平正方向,作为态度机器人角。由于机器人结构的对称性只要研究从0到120的姿态角。一般来说,机器人的主体与中心是重合的坐标,表示为O。机器人的重力被表示为G,NA,Nb,NC是管道壁的正压到三轴机器人。X轴和Y轴的力平衡显示: 图4.管道机器人在管道中的受力图。3.越障能力分析管道机器人存在两个主要障碍,一是台阶式障碍物,另一类是沟式障碍。当沟型障碍物尺寸大时,可以分上下两步行动。所以机器人的越障能力主要表现为攀登步骤。由于管道机器人的速度非常小遇到障碍,静态分析可以用来分析应力情况如图5所示。力点之间前轮和地面被障碍物所取代遇到障碍时支点。图5中的参数设置如表2所示。 图5。机器人越障的力图。表二、图5参数设置表 参数参数含义 O机器人重心 F1、F2前后轮的反作用力 f1、f2前后轮的摩擦力 H1、H2前后轮的驱动力 d车轮直径 h障碍物高度 车轮上障碍物反作用力与水平方向的夹角机器人越障的最大阻力:力的平衡:假设最大的推力和阻力可以表示近似:其中:H是H1和H2的向量和,f是向量1和F2的总和,F是F1和F2的向量和,由方程(18)-(21)可以得到:其中:和a的大小可用H和D表示:机器人越障的成功条件是电机的输出力矩大于障碍物的阻力矩:相反,如果已知电动机的输出转矩,就可以计算机器人的最大障碍高度H。根据这种方式其他障碍类型可以一个一个分析类比。通过分析,其他遇到的阻力最大的障碍类型小于上述,所以分析越障是基本要求。五、实验 管道机器人的原型,如图6所示,该原型可以适应管道从200mm到300mm直径。它的长度为340mm,和总质量约为4kg。同样,与并联连接的调整模式连杆和螺母,机器人可以扩展,以适应不同直径的直径,以满足需要,如果更换其平行连杆和丝杠。实验选用直管道直径为250mm进行机器人的牵引试验。临界摩擦系数= 0.4,机器人= 90角。1. 机器人牵引实验固定力传感器连接到机器人的末端,控制机器人在直线管道中向前移动,直到机器人无法在接触面上进行跟踪滑动。此时,测得的力值传感器是机器人在接触面上的最大牵引值。实验数据如表3所示,最大牵引力值是124.5n。机器人牵引实验显示在图7。牵引试验数据表类型的界面牵引试验结果(n)平均值(n)摩擦系数123PVC管道0.38124.8122.5126.2124.5图2中零件的尺寸:L1 = L2 = 60mm,80mm,L350mm,L4为160mm,丝杠螺距P = 5mm,转换效率= 0.6,步进电机的T0.4nm扭矩,牵引力的大小由方程(11):FQ128.87n,几乎与实际结果没有间隙。由于调节机构是多参数相互制约的多参数系统,每个参数的微小误差都会导致最终结果的变化。分析误差源主要来自摩擦系数测量误差与电机传动效率。由于测量仪器在实际过程中测量这两个值时要求较高,所以允许一定的误差范围。2.越障能力实验将该障碍物置于直线管道驱动机构的履带前,通过越障实验,增加障碍物的高度,直至机器人无法通过。在这个时候,用卡尺,精度为测量障碍物的高度,机器人障碍指示器可以测量。障碍攀登能力的实验如图8所示。实验测量表明,当三轴驱动机构与管道壁接触紧密时,机器人的最大高度可以达到8mm,表明机器人具有良好的越障能力。从方程(22)和(25)中可以看出,如果此时履带和管道壁之间的接触力适当降低,机器人可以获得更大的越障性能。6、 结论 管道机器人在恶劣环境下的行走能力和越障能力是主要的性能评价指标。可调采用螺旋螺母和并联连杆机构,使履带式管道机器人对不同管径的管道具有较好的适应性。这不仅使机器人获得一定的障碍攀登性能,同时避免电机过载损坏。分析了可调机构的力学特性和机器人的牵引力,重点研究了机器人的行走能力和越障能力,描述了各种参数对越障能力的影响。实验验证了该机器人具有良好的牵引性能和一定高度的爬障能力。总之,这种管道机器人具有实际应用价值。 引用1 YIN Qi-hui, KONG Fan-rang, “Crossing ability analysis of triaxial differential pipeline robot,” Journal of Mechanical &Electrical Engineering, 2012, 29(12): 1371-1375. 2 ROH S G, CHOI H R, “Differential-drive in-pipe robot for moving inside urban gas pipelines,” IEEE Transactions on Robotics, 2005, 21(1): 1-17. 3 CHOIHR, RYEW S M, “Robotic system with active steering capability for internal inspection of urban gas pipelines,” Mechatronics, 2002, 16(12): 713-736. 4 A. 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IEEE, pp. 2309-2314, 1999. 7 Deng Zongquan, Chen Jun, Jiang Shengyuan, Sun Dongchang, “Traction Robot Driven by Six Independent Wheels for Inspection Inside Pipeline,” Chinese journal of mechanical engineering, 2005, 41(9): 68-72. 8 LI Qingkai, TANG Dewei, JIANG Shengyuan, DENG Zongquan., “Research and simulation on the driving property of a tri-axial differential pipeline robot,” Journal of Harbin Engineering University, 2012, 33(6): 753-758. 9 LU Qi, ZHANG Ya-nan, SHEN Lin-yong, QIAN Jin-wu, “Piping robots that suit the variation of pipe diameter,” Journal of machine design, 2007(1): 16-20.10 GAN Xiaoming, XU Bingshi, “Development status of pipeline robot,” Robot Technique and Application, 2003(6): 5-7.
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