通行能力與越障能力分析徑向可調(diào)履帶式管道機(jī)器人外文文獻(xiàn)翻譯、中英文翻譯
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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屆IEEE會議錄
在機(jī)器人與仿生技術(shù)國際會議
青島，中國，十二月3-7，2016
通行能力與越障能力分析徑向可調(diào)履帶式管道機(jī)器人
Lei Zhang and Shan Meng
摘要---設(shè)計(jì)了一種具有徑向可調(diào)特性的三軸驅(qū)動結(jié)構(gòu)履帶式管道機(jī)器人。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和工作原理介紹了可調(diào)機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型，建立了其受力狀態(tài)，分析了可調(diào)機(jī)構(gòu)的力學(xué)性能給出了機(jī)器人的行走能力和越障能力以及機(jī)器人的驅(qū)動力，分析了牽引力和越障高度。這個樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，管道機(jī)器人本文設(shè)計(jì)的管道具有良好的適應(yīng)性環(huán)境。
1、 引言
無論是城市生活的排水和排氣，還是石油、天然氣等工業(yè)領(lǐng)域的物質(zhì)輸送，管道被廣泛用作一種有效的運(yùn)輸工具。為了使管道、管道長期安全運(yùn)行配備各種傳感器和操作的機(jī)器人機(jī)械設(shè)備檢測、清洗、焊接等系列管道操作的人[ 1-3 ]。作為研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外，僅從驅(qū)動劃分，管道機(jī)器人開發(fā)了輪式、履帶、腿，爬行，像蛇和其他類型[4-7]。然而，這不同類型的管道機(jī)器人有相應(yīng)的不同管道環(huán)境的限制，所以有對管道機(jī)器人的適應(yīng)性提出了更高的要求管道環(huán)境。
由于加工工藝和材料，有一些條件，如不規(guī)則形狀管道斷面與物理不一致焊接引起的內(nèi)壁特性和其他人類的原因8-9。此外，使用過程中洼地或由腐蝕、銹、材料堆積和管道等其他原因，管道機(jī)器人在管道中行走會產(chǎn)生一定的影響[ 10 ]。因此，管道機(jī)器人的行進(jìn)能力在不同管徑的適應(yīng)性越障能力是研究的重點(diǎn)，它是提高管道機(jī)器人適應(yīng)管道惡劣工作環(huán)境的必要條件。
基于履帶和管道的大接觸面積墻體具有穩(wěn)定特性，由管道機(jī)器人的行走能力及其適應(yīng)性
管道環(huán)境，設(shè)計(jì)出了一種三軸跟蹤管道徑向可調(diào)機(jī)器人，并進(jìn)行了機(jī)械可調(diào)機(jī)構(gòu)性能，行駛能力管道機(jī)器人和越障能力詳細(xì)分析。
2、 管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)
機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要是由履帶驅(qū)動機(jī)構(gòu)，可調(diào)機(jī)構(gòu)與可拆卸附加功率模塊。
三軸驅(qū)動機(jī)形成120°空間對稱分布，其驅(qū)動力由三臺電機(jī)提供。另外，電機(jī)驅(qū)動驅(qū)動輪通過錐齒輪和齒輪組，用來驅(qū)動履帶的旋轉(zhuǎn)。通過控制三個電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和速度的方向，機(jī)器人可以向前，向后和轉(zhuǎn)向。這個可調(diào)式機(jī)構(gòu)帶動絲杠穿過臺階電機(jī)，驅(qū)動并聯(lián)連桿連接螺母調(diào)整三軸尺寸支承角，控制三軸比例。所以當(dāng)管道機(jī)器人行走和工作在管道在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，不僅可以改變尺寸機(jī)器人的外徑通過控制，也增加了履帶與管道內(nèi)壁之間的正壓力，以改善機(jī)器人的運(yùn)動特性不同的姿勢。額外的電源模塊為機(jī)器人提供電源，滿足機(jī)器人在管道無纜操作的需要。在操作較短的時間情況下，也可以刪除額外的電源模塊，使用便攜式鋰電池降低體重。
圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖
3、 機(jī)械性能可調(diào)機(jī)制
1. 調(diào)節(jié)機(jī)制
圖2 可調(diào)機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析
11
可調(diào)式機(jī)構(gòu)采用螺母和平行連桿與驅(qū)動連接適應(yīng)不同管道需要的機(jī)構(gòu)直徑。因此，管道機(jī)器人在管道中行走時，可跟蹤的可調(diào)機(jī)構(gòu)密切相關(guān)對管道壁產(chǎn)生足夠的附著力，穩(wěn)定驅(qū)動管道機(jī)器人向前或向后。其基本原理如圖2所示。
當(dāng)螺母管道機(jī)器人穿越障礙物時管道壁需要有適當(dāng)?shù)恼龎候?qū)動機(jī)制。因此，電機(jī)可以調(diào)節(jié)螺桿螺母的實(shí)時性要求高，所以電機(jī)精度要求高。根據(jù)精確角位移和步進(jìn)電機(jī)的非累積誤差，電機(jī)選擇與絲杠連接的步進(jìn)電機(jī)通過耦合。采用光電編碼器測量步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)和旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算螺桿螺母在加工過程中的范圍準(zhǔn)確。組件由連接驅(qū)動棒BC固定在螺母上，改變相應(yīng)的α和β的角度大小。由于平行的特殊連桿，前和后組件有同樣的動作，也使得空間對稱分布三軸可同時膨脹或縮小，使目前可以計(jì)算管道直徑。同時，在螺母上的壓力傳感器可以收集管道跟蹤壓力值反饋正壓與設(shè)定值之差步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向控制形成閉環(huán)控制，確保有一個適當(dāng)?shù)墓艿罊C(jī)器人履帶與履帶機(jī)器人之間的壓力管道內(nèi)壁。不僅避免了阻礙運(yùn)動的跟蹤，電機(jī)鎖定轉(zhuǎn)子和跟蹤磨損造成的壓力過大，也解決了周壓不足或牽引力不足的問題即使是管道壁的跟蹤，以提供穩(wěn)定和機(jī)器人可靠的驅(qū)動力。
2. 可調(diào)機(jī)構(gòu)的機(jī)械性能
由于機(jī)器人可調(diào)機(jī)構(gòu)的對稱性，只需要分析驅(qū)動機(jī)構(gòu)。設(shè)置螺母的中心到O點(diǎn)，坐標(biāo)系是如圖2所示，X軸是管道的中心軸線機(jī)器人，Y軸是通過O和O的中心軸對稱平面。圖2中的參數(shù)設(shè)置如表1所示。
表一 參數(shù)設(shè)置表如圖2
參數(shù)
參數(shù)含義
N
管道壁產(chǎn)生正壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)跟蹤
F
螺桿螺母在部件上的受力
α、β
組分夾角
L1、L2、L3、L4
BC，AC和AO桿分別的長度
T0
步進(jìn)電機(jī)軸輸出扭矩
T
絲杠軸的有效扭矩
h1、h2、h3
垂直距離
如果整個履帶驅(qū)動機(jī)構(gòu)被視為整體質(zhì)量均勻分布，圖2顯示幾何關(guān)系： = =
微分方程（1）：
根據(jù)虛功原理：
將方程（2）代入方程（3），正壓可調(diào)機(jī)構(gòu)生產(chǎn)：
如果螺旋螺母的螺距為P，相對旋轉(zhuǎn)絲杠和螺母之間的φ角度，所螺桿螺母的位移可表示為：
因此：
螺桿位移的關(guān)系螺母和管道直徑D可以計(jì)算方程（6）：
由微分方程（5）：
螺母傳遞效率的η表示，根據(jù)虛位移原理得：
將方程（4）和（7）代入方程（8）可獲得螺母的扭矩調(diào)節(jié)：
如果履帶和管道壁的摩擦系數(shù)用μ，機(jī)器人的牽引力FQ可表示為：
可以知道，機(jī)器人的牽引力與結(jié)構(gòu)角度，摩擦系數(shù)，長度組件，絲杠螺距等。特別是，它與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密切相關(guān)。因此，根據(jù)牽引的大小，機(jī)器人的系統(tǒng)的運(yùn)行速度和傳輸效率選擇合適的電機(jī)。在一定功率的情況下，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成反比扭矩，所以如果要獲得良好的牽引力，可以降低速度步進(jìn)電機(jī)適當(dāng)。
4、 通行能力分析越障能力管道機(jī)器人
1. 調(diào)整扭矩分析
當(dāng)機(jī)器人準(zhǔn)備在管道中工作時幾何中心點(diǎn)O0不與幾何一致管道的中心O，在這種情況下，有必要調(diào)整可調(diào)式機(jī)構(gòu)，使駕駛跟蹤與管道內(nèi)壁接觸的機(jī)制使兩條中心線重合。在這個過程中調(diào)整扭矩主要是克服重力，并克服兩下驅(qū)動機(jī)制的側(cè)滑。當(dāng)三足驅(qū)動機(jī)制已經(jīng)與管道壁接觸并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)恼龎毫r，機(jī)器人設(shè)計(jì)了牽引力，并調(diào)節(jié)力矩主要由牽引力決定指數(shù)。
當(dāng)機(jī)器人的姿態(tài)角為0時，輸出調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值。因此，只要分析這種情況，最大調(diào)節(jié)力矩可以是得到的。
分析調(diào)整力矩圖，克服重力和側(cè)滑的如圖3所示，管道中心表示為O，機(jī)器人中心表示為O0，的管道直徑的長度表示為d，電流驅(qū)動輪的分布半徑表示為R，機(jī)器人的重力表示為G、Nb、NC均為正壓管道壁分別為機(jī)器人的兩軸。工作可以通過調(diào)整電機(jī)來克服重力：
圖3. 重力調(diào)整力矩分析圖
從圖3得：
也從圖2中得：
由虛功原理得：
調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩克服側(cè)滑可得：
通過比較方程（10）和（16），可以看出調(diào)整力矩幾乎由牽引力決定指數(shù)方程（10）。
2.機(jī)器人在管道中的受力分析
機(jī)器人在管道中的受力分析圖如圖4所示。θ是上部軸之間的夾管道和水平正方向，作為態(tài)度機(jī)器人角。由于機(jī)器人結(jié)構(gòu)的對稱性只要研究從0°到120°的姿態(tài)角。一般來說，機(jī)器人的主體與中心是重合的坐標(biāo)，表示為O。機(jī)器人的重力被表示為G，NA，Nb，NC是管道壁的正壓到三軸機(jī)器人。
X軸和Y軸的力平衡顯示：
圖4.管道機(jī)器人在管道中的受力圖。
3.越障能力分析
管道機(jī)器人存在兩個主要障礙，一是臺階式障礙物，另一類是溝式障礙。當(dāng)溝型障礙物尺寸大時，可以分上下兩步行動。所以機(jī)器人的越障能力主要表現(xiàn)為攀登步驟。
由于管道機(jī)器人的速度非常小遇到障礙，靜態(tài)分析可以用來分析應(yīng)力情況如圖5所示。力點(diǎn)之間前輪和地面被障礙物所取代遇到障礙時支點(diǎn)。圖5中的參數(shù)設(shè)置如表2所示。
圖5。機(jī)器人越障的力圖。
表二、圖5參數(shù)設(shè)置表
參數(shù)
參數(shù)含義
O
機(jī)器人重心
F1、F2
前后輪的反作用力
f1、f2
前后輪的摩擦力
H1、H2
前后輪的驅(qū)動力
d
車輪直徑
h
障礙物高度
γ
車輪上障礙物反作用力與水平方向的夾角
機(jī)器人越障的最大阻力：
力的平衡：
假設(shè)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的總和，F(xiàn)是F1和F2的向量和，由方程（18）-（21）可以得到：
其中：γ和a的大小可用H和D表示：
機(jī)器人越障的成功條件是電機(jī)的輸出力矩大于障礙物的阻力矩：
相反，如果已知電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，就可以計(jì)算機(jī)器人的最大障礙高度H。根據(jù)這種方式其他障礙類型可以一個一個分析類比。通過分析，其他遇到的阻力最大的障礙類型小于上述，所以分析越障是基本要求。
五、實(shí)驗(yàn)
管道機(jī)器人的原型，如圖6所示，該原型可以適應(yīng)管道從200mm到300mm直徑。它的長度為340mm，和總質(zhì)量約為4kg。同樣，與并聯(lián)連接的調(diào)整模式連桿和螺母，機(jī)器人可以擴(kuò)展，以適應(yīng)不同直徑的直徑，以滿足需要，如果更換其平行連桿和絲杠。
實(shí)驗(yàn)選用直管道直徑為250mm進(jìn)行機(jī)器人的牽引試驗(yàn)。臨界摩擦系數(shù)μ= 0.4，機(jī)器人θ= 90°角。
1. 機(jī)器人牽引實(shí)驗(yàn)
固定力傳感器連接到機(jī)器人的末端，控制機(jī)器人在直線管道中向前移動，直到機(jī)器人無法在接觸面上進(jìn)行跟蹤滑動。此時，測得的力值傳感器是機(jī)器人在接觸面上的最大牽引值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，最大牽引力值是124.5n。機(jī)器人牽引實(shí)驗(yàn)顯示在圖7。
牽引試驗(yàn)數(shù)據(jù)表
類型的界面
牽引試驗(yàn)結(jié)果（n）
平均值（n）
摩擦系數(shù)
1
2
3
PVC管道
0.38
124.8
122.5
126.2
124.5
圖2中零件的尺寸：L1 = L2 = 60mm，80mm，L3＝50mm，L4為160mm，絲杠螺距P = 5mm，轉(zhuǎn)換效率η= 0.6，步進(jìn)電機(jī)的T≈0.4n·m扭矩，牽引力的大小由方程（11）：FQ≈128.87n，幾乎與實(shí)際結(jié)果沒有間隙。由于調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是多參數(shù)相互制約的多參數(shù)系統(tǒng)，每個參數(shù)的微小誤差都會導(dǎo)致最終結(jié)果的變化。分析誤差源主要來自摩擦系數(shù)測量誤差與電機(jī)傳動效率。由于測量儀器在實(shí)際過程中測量這兩個值時要求較高，所以允許一定的誤差范圍。2.越障能力實(shí)驗(yàn)
將該障礙物置于直線管道驅(qū)動機(jī)構(gòu)的履帶前，通過越障實(shí)驗(yàn)，增加障礙物的高度，直至機(jī)器人無法通過。在這個時候，用卡尺，精度為測量障礙物的高度，機(jī)器人障礙指示器可以測量。障礙攀登能力的實(shí)驗(yàn)如圖8所示。
實(shí)驗(yàn)測量表明，當(dāng)三軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)與管道壁接觸緊密時，機(jī)器人的最大高度可以達(dá)到8mm，表明機(jī)器人具有良好的越障能力。從方程（22）和（25）中可以看出，如果此時履帶和管道壁之間的接觸力適當(dāng)降低，機(jī)器人可以獲得更大的越障性能。
6、 結(jié)論
管道機(jī)器人在惡劣環(huán)境下的行走能力和越障能力是主要的性能評價指標(biāo)?？烧{(diào)采用螺旋螺母和并聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)，使履帶式管道機(jī)器人對不同管徑的管道具有較好的適應(yīng)性。這不僅使機(jī)器人獲得一定的障礙攀登性能，同時避免電機(jī)過載損壞。分析了可調(diào)機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性和機(jī)器人的牽引力，重點(diǎn)研究了機(jī)器人的行走能力和越障能力，描述了各種參數(shù)對越障能力的影響。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該機(jī)器人具有良好的牽引性能和一定高度的爬障能力?？傊?，這種管道機(jī)器人具有實(shí)際應(yīng)用價值。
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