小口径管道内蠕动式移动机构的运动模拟和动力学分析
微小管道机器人机构设计及动力学分析
工业上 ２ｍ ０ ｍ以下的细小管道很多 ， 也很难检修， 通常在化工、 核工业等恶劣环境下更是难 以检修 ， 迫切需要能够进入管道 内部进行检测和维修的微小机器人代替人进行工作。因此 ， 微小管道机器人在 细小 管道 检测方 面具 有 良好 的应 用前景 。 国外 在微 细管 道机 器人 研 究方 面起 步 较早 ， 成果 较 多 。如 日 本 Ｄ Ｎ Ｏ公司研制 了无线双压电晶片执行器微机器人 ； ＥＳ 德国西门子公司研制 出仿蜘蛛的爬管微机 器人［ ； 国 Ｉｄｓｉｌ ３法 １ ｎｕｔｅｅ自动 化实验 室 （Ａ） 制 了一 种 电气 体驱 动 的蠕 动式微 型 管 内机 器人 等。 国 ｒｌ Ｌ Ｊ研 内研究成果有上海大学 的层叠压电执行器管道机器人 ， Ｊ上海交通大学 的仿蚯蚓多关节蠕动微机器 人 ［ ， 工业 大学研 制 了一种 电磁力 驱动 的蠕动式 微机器 人 等等 。 ６ 广东 】 目前微 特 电机 的发 展使 电机 的应用 更加广 泛 ， 采用 电机 驱动有 易于控 制 、 出力矩大 等优点 。微型 输 直 流 电机具 有小惯 量 ， 小尺 寸 的特点 。采 用蠕 动式结 构有行走 可靠 ， 对管径 变化适 应能力好 等优 点。 因 此本 文采用 微 型直流 电机驱 动与 蠕动式 结构结合 起来 的方式 ， 计 了一种 微小 管道机器人 。 设
维普资讯
簦 卷第
． ． ． ．
．
６ 期
ＪＵ Ｎ ＬＯ Ｎ Ｔ Ｎ ＬＵ Ｅ Ｓ ＹＯ ＥＥ Ｓ Ｅ Ｈ Ｏ Ｏ Ｙ Ｏ Ｒ Ａ Ｆ ＡＩ Ａ ＭＶ ＲＩ ＦＤ ＦＮＥＴＣ Ｎ ＬＧ Ｏ Ｔ
燃气管道机器人变径机构设计及动力学分析
作业。牵引机构主要功能是作为动力源，牵引检测机构和辅助机
构前进;检测机构搭载电磁超声传感器进
检测;辅助机ig.1 Natural Gas Pipeline Inspection Robot
3变径机构方案设计
文献911设计的固定较接点
第11期
曹建树等:燃气管道机器人变径机构设计及动力学分析
123
2燃气管道机器人总体结构设计
燃气管道检测机器人主要分为三大部分，如图1所示。第一
部分是牵引机构,第二部分是检测机构,第三部分是辅助机构，各
模块间通过胡克较连接,根据实际需要可扩展或减少功能模块以
增加机器人对管道作业环境的适应性，同时利于机器人的多样化
机械设计与制造
第11期
122
Machinery Design & Manufacture
2019年11月
燃气管道机器人变径机构设计及动力学分析
曹建树，张海超，王庆 （北京石油化工学院机械工程学院，北京102617）
摘要:燃气管道机器人作为一种集铺设、检测、修复为一体的设备在管道工程领域应用的愈来愈广泛。为了适应不同的 管道直径，管道机器人需要设计合理的变径机构。首先设计了两种管道机器人的变径机构，分别对其进行动力学分析，在 同等条件下所需理论电机转矩大小比较结构优劣。最后利用ADAMS动力学分析软件进行仿真模拟与动力学分析，设计 了更为合理的变径机构，有利于节省成本，同时对于机器人的轻量化研究有重要意义,为管道机器人设计提供了参考。 关键词:管道机器人;变径机构;动力学分析;仿真;轻量化 中图分类号:TH16;TE9 文献标识码:A 文章编号：1001-3997(2019)11-0122-04
Abstract: Gas pipeline robot is applied more and more widelyas a tool oflaying, inspection, and repair in the field ofpipeline engineering. In order to adapt to different pipe diameters, it is necessary to design a reasonable mechanism for the robot to match variable diameters. It mainly introduced two kinds of mechanism capable of changing diameter, and then carried on kinetic analysis. Structure evaluation is also consideredby comparingthe torque of the motor under the same condition. Finally, with the help of ADAMS software , a more reasonable structure was selected through the simulation and dynamic analysis results. This will do good to saving costs ,will show great significance for lightweight research of robot,and will provide a reference for the design ofpipeline robot. Key Words: Pipeline Robot； Variable Diameter Mechanism； Dynamics Analysis； Simulation； Lightweight
流体动力学模拟在管道设计与优化中的应用
流体动力学模拟在管道设计与优化中的应用流体动力学模拟在管道设计与优化中的应用管道是现代工业中常见的输送介质的设备，广泛应用于石油化工、水处理、食品加工等领域。
在管道设计与优化过程中，流体动力学模拟技术的应用可以帮助工程师更准确地预测流体行为、优化管道结构、提高生产效率和安全性。
首先，流体动力学模拟可以帮助工程师了解流体在管道中的流动行为。
通过模拟分析，可以得到流体的速度分布、压力分布、温度分布等重要参数，从而准确地预测流体在管道中的运动和传输过程。
这对于设计合理的管道结构、选择合适的泵和阀门、确定合理的操作参数等都非常重要。
其次，流体动力学模拟可以帮助工程师优化管道结构。
通过模拟分析不同管道结构的流体行为，可以比较不同方案的性能优劣，从而选择最佳的设计方案。
例如，在石油化工领域，通过模拟分析可以确定最佳的管道直径、布置方式和支撑方式，以降低流体的阻力和压降，提高输送效率。
此外，流体动力学模拟还可以帮助工程师预测和解决管道中的一些常见问题。
例如，模拟分析可以帮助工程师确定气液两相流中的液滴或气泡的运动轨迹，从而避免液滴或气泡的聚集和堵塞管道。
另外，模拟分析还可以帮助工程师预测管道中的压力脉动、振动和噪声等问题，从而采取相应的措施进行优化和改进。
流体动力学模拟技术的应用还可以提高管道系统的生产效率和安全性。
通过模拟分析，工程师可以确定最佳的操作参数，例如流量、温度和压力等，从而提高生产效率和产品质量。
此外，在设计和优化过程中，模拟分析可以帮助工程师预测和评估管道系统的安全性能，例如耐压性能、抗震性能和防爆性能等，从而减少事故的发生和提高系统的可靠性。
需要指出的是，流体动力学模拟技术在管道设计与优化中的应用需要基于准确的模型和参数。
因此，在进行模拟分析之前，工程师需要进行实验测试和数据采集，以获取准确的流体性质、管道参数和边界条件等信息。
另外，模拟分析还需要合适的计算工具和计算资源，以确保模拟结果的准确性和可靠性。
基于ADAMS的管道检测机器人动力学分析及仿真_唐鹏
5结论由上面的分析，我们可以得出结论：非线性自抗扰控制采用非线性的扩张状态观测器，线性自抗扰控制器采用线性的扩张状态观测器，在系统发生较大的偶然测量误差的情况下，线性自抗扰控制需要较长的时间才能跟踪上理论信号，并且会发生振荡，而非线性自抗扰控制则很快的跟踪上理论信号，并且不发生振荡。
同时为了跟踪上理论信号，非线性自抗扰控制所需的控制信号远小于线性自抗扰控制所需的控制信号。
微结构表面超精密切削需要较高的表面加工精度，加工过程中工况复杂，系统可能会产生较大的偶然测量误差，采用非线性自抗扰控制可以有效的抑制偶然测量误差带来的不利影响。
参考文献［1］汪亮，罗松保．快速刀具伺服技术发展现状及趋势［J ］．航空精密制造技术，2007，43（6）：13-16．［2］吴丹，谢晓丹，王先逵．快速刀具伺服机构研究进展［J ］．中国机械工程，2008，19（11）：1379-1385．［3］WU Dan ，ZHOU Shunyan ，XIE Xiaodan ．Proceedings of the 29th ChineseControl Conference ．Beijing ，2010．［4］周顺燕．电磁驱动快速刀具伺服控制系统的设计与实验研究［D ］．北京：清华大学，2009．［5］韩京清．自抗扰控制技术［M ］．北京：国防工业出版社，2008：255-258．［6］纪恩庆，肖维荣．二阶自抗扰控制器的参数简化［J ］．自动化仪表，2007，28（5）：27-31．基于ADAMS 的管道检测机器人动力学分析及仿真*唐鹏1石成江1刘占民2王殿君2刘进福3（1辽宁石油化工大学机械工程学院，抚顺113001）（2北京石油化工学院机械工程学院，北京102617）（3安徽工业大学机械工程学院，马鞍山243002）Dynamics Analysis and Simulation of Pipeline Detection Robot Based on ADAMSTANG Peng 1，SHI Cheng-jiang 1，LIU Zhan-min 2，WANG Dian-jun 2，LIU Jin-fu 3（1School of Mechanical Engineering ，Liaoning Shihua University ，Fushun 113001，China ）（2School of Mechanical Engineering ，Beijing Institute of Petrochemical Technology ，Beijing 102617，China ）（3School of Mechanical Engineering ，Anhui University of Technology ，Maanshan 243002，China ）文章编号：1001-3997（2012）07-0000-02【摘要】针对管道检测机器人结构和运动特点，以及机器人在管道中行走方式选择，以管道检测机器人在管道中力和力矩动态平衡为理论基础，提出了一种求解四驱管道机器人的动力学理论算法，此动力学理论方法可以很好的解决管道检测机器人在运动过程中力平衡计算问题，基于ADAMS 仿真软件建立了机器人虚拟样机模型，通过添加约束、设置驱动参数，建立相应的虚拟仿真环境，对管道检测机器人驱动轮的速度、加速度和驱动力矩曲线进行测量、分析和评估，验证理论计算的合理性，为管道检测机器人运动控制系统的拟定提供了重要的理论依据。
管道输送系统的流体动力学模拟
管道输送系统的流体动力学模拟引言管道输送系统在现代工业中起着不可忽视的作用。
为了确保系统的稳定性和高效性，对其流体动力学特性进行准确模拟和分析显得尤为重要。
本文将探讨管道输送系统的流体动力学模拟方法及其应用。
1. 管道输送系统流体动力学模拟的概述管道输送系统中的流体动力学模拟是通过数值计算的方法来模拟管道内流体的运动和传递过程。
这种模拟方法不仅可以帮助工程师了解管道系统的流体力学行为，还可以预测系统的运行参数和性能，为系统的设计、优化和故障诊断提供参考。
2. 流体动力学方程的建立流体动力学方程是进行管道系统流体动力学模拟的基础。
常见的流体动力学方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
质量守恒方程描述了流体质量在管道内的传递过程，动量守恒方程描述了流体流动的力学特性，能量守恒方程描述了流体流动的能量变化。
3. 离散化方法为了对管道系统的流体动力学进行数值计算，需要将连续的流体动力学方程离散化为离散的代数方程组。
常见的离散化方法包括有限体积法、有限差分法和有限元法。
这些方法可以将管道系统分割为多个小区域，将方程在每个小区域内进行近似求解，然后通过耦合求解获得整个系统的解。
4. 液体流动仿真软件在进行管道输送系统流体动力学模拟时，可以借助液体流动仿真软件来辅助计算。
常见的液体流动仿真软件包括ANSYS Fluent、COMSOL Multiphysics和OpenFOAM等。
这些软件提供了丰富的模拟工具和求解器，可以满足不同应用场景的需求。
5. 管道系统流体动力学模拟的应用管道系统流体动力学模拟在实际工程中具有广泛的应用。
首先，它可以用于模拟流体在管道中的传递速度和压力变化，为管道系统的设计提供准确的参数。
其次，它可以用于预测管道系统在不同操作条件下的性能，以便进行操作优化和故障排除。
此外，它还可以用于模拟管道系统的运行稳定性和安全性，以预测潜在的危险因素并采取相应的措施。
结论管道输送系统的流体动力学模拟是一项重要的工程技术，在现代工业中具有广泛应用。
微小管道机器人机构设计及动力学分析
微小管道机器人机构设计及动力学分析
解旭辉;王宏刚;徐从启
【期刊名称】《国防科技大学学报》
【年(卷),期】2007(029)006
【摘要】设计了一种蠕动式微小管道机器人,采用三组直流电机与螺旋传动装置,通过控制三组电机顺序协调动作,实现了机器人的蠕动前进.研究了机器人在竖直管道中驱动负载的情况,以及爪子适应管径变化的力学调节特征.利用ADAMS动力学分析软件,对机构做了运动学和动力学仿真,通过仿真得到了牵引力和移动速度与结构参数之间的关系.仿真表明,机器人可以适应字15～20 mm的管道,驱动力达到28N,移动速度为6mm/s.
【总页数】4页(P98-101)
【作者】解旭辉;王宏刚;徐从启
【作者单位】国防科技大学,机电工程与自动化学院,湖南,长沙,410073;国防科技大学,机电工程与自动化学院,湖南,长沙,410073;国防科技大学,机电工程与自动化学院,湖南,长沙,410073
【正文语种】中文
【中图分类】TP24
【相关文献】
1.支承轮式管道机器人变径机构动力学分析 [J], 曹建树;徐宝东;刘强;张义;曹振;姬保平
2.微小管道机器人适应不同管径的3种调节机构的力学分析 [J], 徐从启;解旭辉;戴一帆;李圣怡
3.新型履带式管道机器人变径机构动力学分析与仿真 [J], 张保真; 王战中; 杨晨霞
4.燃气管道机器人变径机构设计及动力学分析 [J], 曹建树; 张海超; 王庆
5.新型履带式管道机器人变径机构动力学分析与仿真 [J], 张保真; 王战中; 杨晨霞因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
微小管道机器人移动机械运动学与动力学特性
究领域 重要 的研 究 内容 之 一 。在 分析研 究行 星齿轮 驱 动 的微 型机 器人 移动 机 构 的 运 动 学 和 动 力学 特 性 的 基 础上 ， 细讨 论 了移动 机 构的 原 理 、 能及 影响 因素 。研 究表 明 ， 过提 高移动 机构 车轮 的 附 着性 和 详 功 通 驱 动 力 ， 小寄 生功 率 的影 响 ， 减 可较 好 地 实现 该微 型 机 器人 驱动 。 关 键 词 ： 型 机 器人 ； 动 机构 ； 动 学特 性 ； 力 学特性 微 移 运 动 中 图分类 号 ：Ｐ ４ ． ：Ｔ １ Ｔ ２ ２ ３ ＨＩ３ 文 献标 识 码 ： Ａ
／ ／ ／ ／ ／ ／ ／
人们 对 小 口径 管道 内异物 的 排 除和 裂纹 的检查 等 特殊 作业 可 以借 助 于微 型 机器 人 完成 。而机 器 人 的行 走 机 构是 其核 心 组 成 部 分 。机 器 人 在 管 道 内 移 动 时 ， 必须 克服 摩擦 阻 力 和 异 物 阻 力 、 动 电缆 线 阻 力 和 机 拖 器 人 在垂 直 管道 内 移 动 时 其 自身 重 力 的影 响 ， 驱 动 其 力与机 器 人 行 走 机 构 的运 动 学 与 动 力 学 特 性 特 别 相 关‘ 。 为此 ， 者 针 对 一 种适 用 于 小 口径 管 道 内 作 卜 笔 业 的行 星齿轮 式 微 型 机 器 人 ， 展 了对 行 星齿 轮 减 速 开
而是有 着 向 前 的 滑 移 速 度 ， 以 车 轮 直 线 运 动 速 所 度：
＝ ， ＋ ＝ ・叫 ＋
一
：
＿ … … … 一 Ｉ ＿
｝
／ ／
此 时瞬 心 移至 ０ ：点 ， 当 于 半 径 为 Ｏ 的 车 轮 在 作 相 ０ 纯滚 动 ， 图 ２ ｂ 所 示 。 如 （） ２ １３ 滚动 时带 有 滑转 ． ．
微管道内生物流体的运动与输运行为分析
微管道内生物流体的运动与输运行为分析微管道是一种尺寸在微米到纳米范围内的通道结构，被广泛应用于生物医学领域。
在微管道内的生物流体运动与输运行为的分析对于研究生物体内的生物流动、药物输运和细胞行为等具有重要意义。
本文将从微流体力学的角度对微管道内生物流体的运动与输运行为展开分析。
首先，微管道内生物流体的运动主要受到压力驱动和毛细效应的影响。
压力驱动是指通过在管道两端施加压力差，使流体产生流动的力，在微尺度下，压力差对流体流动的影响显著增大。
而毛细效应是指微尺度下的表面张力和几何约束对流体运动的影响，其中涉及到液体在微细结构上的进出和运动。
其次，生物流体在微管道内的输运行为受到流速、流动模式和通道结构等因素的影响。
流速是指单位时间内流体通过微管道的体积，它对于生物物质输送的速度起着决定性作用。
流动模式的不同会导致生物物质输运特性发生变化，例如层流与湍流的存在会对分子的混合和分离产生不同的影响。
通道结构的几何形状和表面特性也会对生物流体的输运性质产生重要影响，例如微凹陷、微柱等结构能够增加流体与表面的接触面积，从而提高生物物质的传递效率。
此外，在微管道内的生物流体中，细胞和微粒的行为也是需要关注的方面。
细胞的运动和输运行为受到流体力学影响和细胞表面特性的相互作用。
例如，在纳米尺度上，细胞与微管道壁面之间的作用力明显增强，会对细胞的迁移和变形产生重要影响。
另外，细胞的形状、大小和生理状态也会对其在微管道内的运动和输运过程产生影响。
类似地，微粒的输运行为也受到流体力学效应和微粒表面特性的影响，如微粒的尺寸、形状和表面电荷。
为了分析微管道内生物流体的运动与输运行为，研究者通常使用实验和数值模拟相结合的方法。
实验方法包括使用显微镜观察流体和生物物质在微管道内的运动情况，同时使用纳米颗粒追踪技术和流体力学测量仪器进行精确测量。
数值模拟方法则通过求解Navier-Stokes方程和质量输运方程，以模拟微流体中的运动和输运行为。
一种蠕动式管道机器人行走机理研究
一种蠕动式管道机器人行走机理研究在当今的技术发展速度下，机器人在各个领域的应用逐渐增多，不仅在工厂自动化领域有良好的发挥，而且还在日常生活中起到了越来越重要的作用。
而蠕动机器人作为一种新型机器人，其运动机理及相关技术的研究具有重要的现实意义。
蠕动机器人是一种新型的运动机器人，它可以在各种不规则管道中行走，具有良好的机动性和弯曲柔韧性。
它的机构结构包括发动机、传动装置、各自动元件、传感器、控制器等。
其主要的工作原理是，在管道中发动机驱动各动元件的相互作用，机器人利用各桥梁上的轮子和螺旋桨在管道中运动，完成一个完整的蠕动周期，再次利用发动机和传动装置，蠕动机器人循环运动，可实现在管道中的行走。
为了更好地掌握蠕动机器人的行走机理，本文将对其运动机理进行详细的探究。
首先，从结构上对蠕动机器人进行分析，蠕动机器人的结构主要包括机身、发动机、传动装置、各自动元件、传感器和控制器等部件。
其中，发动机通过传动装置带动机身，机身上的各自动元件实现对各力的分配，从而实现机器人前进旋转运动；控制器负责对各部件进行控制和指令，传感器主要用来监测机器人的运动状态，并根据环境变化和机器人位置进行定位。
其次，从工作原理上对蠕动机器人进行分析，蠕动机器人的运动原理是利用发动机驱动传动装置，再由传动装置带动机身，使机身上的各自动元件实现对力的分配，机器人利用轮子和螺旋桨在管道中行走，完成一个完整的蠕动周期，实现在管道中的行走。
这种行走机理可以有效地缩短蠕动机器人的行走时间，有效地避免机器人在行走过程中受墙壁的阻力，并有利于机器人更好地完成穿越窄洞的行走任务。
此外，在蠕动机器人的控制方面，机器人的行走控制还需要进一步地研究。
根据不同的行走环境，采用不同的控制策略，在行走过程中，不断调整算法参数，使机器人的行走更加顺畅，从而实现更高效、更准确的控制。
以上就是蠕动式机器人行走机理研究的内容，蠕动机器人可以在各种不规则管道中行走，蠕动机器人的运动机理是利用发动机驱动各自动元件以及轮子和螺旋桨的相互作用，实现在管道中的行走，它可以有效地缩短蠕动机器人行走时间，从而更好地完成穿越窄洞的行走任务。
自主锁止蠕动式微小管道机器人关键技术
基于“感知-决策-执行”模型设计
01
将感知到的环境信息进行决策处理，并发出控制指令，驱动机器人的运动。
融合多传感器信息
02
利用多种传感器（如摄像头、红外传感器、超声波传感器等）获取环境信息，提高感知的准确性。
实现自主导航
03
通过预编程的路径规划和避障算法，使机器人在复杂的管道环境中自主导航。
选择低功耗、高性能的微控制器
智能化水平
未来可以结合深度学习、强化学习等人工智能方法，进一步提高机器人的智能化水平，实现更多复杂任务。
微型化与集成化
为了满足更多微型化和集成化的需求，需要进一步探索新的材料、设计和制造方法，减小机器人尺寸并提高其集成度。
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自主锁止蠕动式微小管道机器人关键技术
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2023-12-06
目录
引言自主锁止机构设计蠕动式行走机构设计微小管道机器人控制系统设计实验与分析结论与展望
01
CHAPTER
引言
为了解决微小管道检测、维修等作业的难题，本研究旨在开发一种具有自主锁止功能的蠕动式微小管道机器人，用于狭小空间内的作业。
形状记忆合金弹簧设计
根据微小管道直径和机器人尺寸，设计形状记忆合金弹簧的尺寸和形状，以实现收缩和扩张时的自主锁止。
基于机器人结构和运动方式，建立运动学模型以描述机器人的运动特性。
建立运动学模型
分析运动学特性
优化运动学特性
通过分析运动学模型，得出机器人的运动速度、加速度、位移等特性，为控制系统的设计提供依据。
适应狭小空间
通过优化机构设计和控制算法，提高机器人在管道内的运动速度。
提高运动速度
采用具有一定弹性和耐磨性的材料，如橡胶或高分子材料，以确保轮体在管道内的滚动性能。
管道清洗机器人_毕业论文
摘要火炮在发射后会在身管内残留大量的物质，这些物质受高温、高压的与管壁黏贴非常牢固极不易清除，会导致身管内壁的腐蚀，进而影响炮的准确性、可靠性并影响身管的使用寿命。
这些残留物主要依靠人工和机械的方法清除，设备笨重、智能化程度低，士兵劳动强度大，效率低，且清不高，不能满足和适应现代化高科技战争的作战要求。
清洗机器人，该机器人与火炮身管构成一个柔性统，可实现清洗的智能化及管内状况的可视化，不仅极大地减轻士兵的劳动而且可以有效提高火炮身管的维护保养水平和寿命，对提高部队战斗力具的军事和经济效益，具有广阔的应用前景。
关键词：管道清洗机器人单片机自动控制AbstractDue to high temperature and pressure, the remaining substances in the bore after the gun is launched will adhere to the bore firmly and can't be removed easily, which will result in erosion of the bore and have an impact on the veracity and reliability of the gun launching as well as its operating life. These substances are removed with manual and mechanical cleaning mainly, which can't meet and accommodate with the campaign need of modernization high-tech wars because of unwieldy equipment, low intelligentization, over laboring intension of soldiers, low efficiency and cleaning extent.Robot and bore achieves in intelligentization of cleaning and visualization of inner bore, which not only greatly lessens laboring tension of soldiers, but advances maintenance level and operating life of bore as well. It is of bright future in expansive application and of great military and economic benefit in enhancing battle effectiveness of the army.Key words：bore cleaning；robot；single chip microcomputer；automationAbstract ......................................................................................................................... II 第一章绪论. (5)1.1课题研究背景及关键技术 (5)课题的研究背景 (5)课题的关键技术 (6)1.2国内外管道机器人的研究现状和发展方向 (7)管道机器人的研究现状 (7)管道机器人的发展方向 (9)1.3课题的研究意义 (9)第二章炮管擦洗机器人总体方案设计 (11)2.1需求分析与设计思路 (11)2.2移动功能模块设计 (12)运动方式分析与选择 (12)自适应机构设计 (13)2.3擦洗功能模块设计 (15)炮膛擦洗过程分析与研究 (15)轴向往复式擦洗头设计 (15)2.4控制功能模块设计 (17)主控制系统 (17)传感器 (17)驱动系统 (17)第三章管道清洗机器人详细设计 (19)3.1移动功能模块设计与分析 (19)传动机构设计 (19)连接件设计 (20)3.2擦洗功能模块的设计 (22)旋转式清洗头设计 (22)3.3控制系统的设计 (22)主控制芯片 (23)介绍 (24)电机控制技术 (25)3.4最小系统电路设计 (27)时钟/复位模块设计 (27)电源模块设计 (27)3.5人机接口电路设计 (28)显示模块 (28)键盘电路 (29)蜂鸣器电路 (29)串口通信模块 (30)3.6电机控制电路设计 (30)第四章系统软件设计 (32)4.1系统软件架构 (32)调速程序设计 (32)结论 (35)5.1论文总结 (35)5.2工作展望 (35)参考文献 (36)附录 (38)第一章绪论1.1课题研究背景及关键技术课题的研究背景现代国防工业日新月异，武器装备制造及维护的技术水平直接决定了国家的军事实力。
管道机器人
摘要在石油管道中存在管道环焊缝不能处理的情况，严重影响了管道的寿命。
单节管道的腐蚀直接影响整个管道的运输。
因此，管道机器人在管道焊缝处理方面有很好的前景。
在轮式机器人的基础上，设计开发了一种新的管内移动机器人行走机构．机器人的3组驱动轮沿圆周方向成120°均匀分布，3个驱动电动机通过齿轮副直接驱动3组驱动轮，调节电动机通过新型的丝杠螺母副和压力传感器使3组驱动轮始终以稳定的正压力紧贴在管道内壁，使机器人具有充裕并且稳定的牵引力．对各个零件都做了详细的分析设计。
使该机器人机构紧凑，工作可靠，适用于管径为 400～600 mm 的管道。
使管道机器人的牵引力达到1470N。
移动速度达到83.33m/min。
满足了管道机器人的牵引力及速度的要求。
关键词：石油管道；行走设计；适应管径；驱动原理AbstractExisting in the pipeline oil pipeline of possible girth weld can't handle, and this seriously influences the pipe life single quarter pipe directly affected the whole pipeline Transportation, therefore, the transportation in pipe welds processing pipeline robot has a good prospect.This paper introduces the design of a carry pipe welds processing device for oil pipeline adapt to the diameter of in-pipe robot400~600mm walk to a new design of the device the diameter of screw nut pair way to make adjustment to the pipeline robot to 1470N traction movement speed 83.33 m/min satisfy the pipe robots traction and speed requirements.This paper introduces the oil pipeline robot structure and working principle. Puts forward new screw nut pair diameter of institutions, to use is to screw rotation nut mobile way. Design the abrasion resistance calculation, screw strength calculation and screw stability calculation. And designed a gear parts design related. Analyses the stress of the stem. Designed with gear drive way directly, first according to gear surface contact fatigue strength design and calculation, and then checked for fatigue broken teeth tooth root bending fatigue strength. In this process also involves gear axle design and axle, gears connect the design of the key and motor choice.KeyWords：Oil pipeline; Walk design; Adapt diameter; Driving principle目录摘要 ............................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... II 1 绪论 (1)1.1管道机器人概述 (1)1.2 管道机器人的发展现状 (1)1.2.1管道机器人的国外发展现状 (1)1.2.2管道机器人的国内发展现状 (2)1.3研究的主要内容 (2)1.4设计要达到的要求 (2)2 现有工作装置的行走原理 (3)2.1 实现管内行走的基本条件 (3)2.2不同移动方案的分析与比较 (3)2.2.1履带驱动 (3)2.2.2直进轮式微型管道机器人的移动机构 (4)2.2.3蠕动驱动管道机器人 (5)2.2.4螺旋推进管道机器人 (6)2.2.5足式管道机器人 (6)2.3移动方案的确定 (7)3 管道机器人适应管径的原理 (8)3.1适应管径变化的三种调节机构 (8)3.1.1蜗轮蜗杆调节方式 (8)3.1.2升降机调节方式 (9)3.1.3滚珠丝杠螺母副调节方式 (9)3.2新型的丝杠螺母调节机构 (10)4 丝杠螺母调节机构的总体设计 (12)4.1丝杠上螺母与驱动轮压力的关系 (12)4.2 BK杆上的力的计算 (13)4.3机器人弯道通过性分析 (14)4.4机器人调节机构的杆长分析 (15)4.5调节机构的杆长及参数的计算 (16)4.6正压力N的计算 (18)4.6.1机器人重量 (18)4.6.2机器人速度与加速度 (18)4.6.3机器人的驱动轮与管道内壁正压力的计算 (18)4.7计算丝杠上的力 (18)5 丝杠设计 (19)5.1 螺旋传动 (19)5.2螺旋传动的特点 (19)5.3螺杆的设计 (19)5.3.1 螺距p的确定 (20)5.3.2 螺杆公称直径d的确定 (20)5.3.3 螺杆长度的确定 (20)5.3.4螺杆的传动效率的确定 (20)5.4 螺杆的各项参数的确定 (20)5.4.1 耐磨性计算 (20)5.4.2螺纹的强度校核 (22)5.4.3螺杆的强度校核 (23)5.4.4螺杆稳定性的校核 (23)5.5丝杠上扭矩的确定 (24)6 螺旋传动的电机的选择 (25)6.1步进电机的特点 (25)6.2步进电机规格的选择 (25)6.3选择具体使用的电机 (26)7弹簧的设计 (27)7.1弹簧的设计 (27)7.1.1选择弹簧材料 (27)7.1.2计算曲度系数K (27)7.1.3计算弹簧中径D (27)27.1.4求所需弹簧的圈数n (27)7.2验算稳定性 (28)7.2.1取弹簧节距t (28)7.2.2计算弹簧的自由高度H (28)7.2.3判断弹簧稳定性 (28)7.3计算单根丝杠的长度 (28)8 驱动的原理 (29)8.1驱动电机的选择 (29)8.2移动载体方式有 (29)8.2.1单驱动管内移动载体 (29)8.2.2双驱动管内移动载体 (30)8.2.3三驱动管内移动载体 (30)8.3传动比的确定 (31)8.4小齿轮的设计及校核 (31)8.4.1选择齿轮材料及其热处理并确定初步参数 (31)8.4.2按齿面接触疲劳强度设计齿轮的主要参数 (32)8.4.3校核齿根弯曲疲劳强度 (33)9具体驱动电机的选择 (35)10 其他零件的选择 (36)10.1电机与齿轮之间的键的设计 (36)10.2电池的选择 (36)10.3丝杠与步进电机连接的联轴器的选择 (36)10.4驱动轮的选择 (37)10.5丝杠上轴承设计 (37)10.6 支撑滑动杆的导轨设计 (38)总结 (40)参考文献 (41)致谢 (43)附录A装配图 (44)1 绪论1.1管道机器人概述管道机器人是一种可沿管道内部或外部移动，携带一种或多种传感器及操作器（如CCD摄像机、位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道裂纹及管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、简单的操作机械手等），在操作人员的遥控操作或计算机的自动控制下，能够进行一系列管道作业的机电一体化系统。
ΦmmΦmm管道机器人设计——移动装置结构设计
毕业设计题目：学生学号专业指导老师论文提交日期前言 (ⅰ)目录 (ⅱ)中文摘要 (ⅲ)第一章概述 (1)1.1机器人概述 (1)1.2管道机器人概述 (3)1.3国内外管道机器人的发展 (4)1.3.1国内管道机器人的发展 (4)1.3.2国外管道机器人的发展 (6)1.4 机器人的发展景 (8)第二章总体方案的制定与比较 (10)2.1 管道机器人设计参数和技术指标 (10)2.2总体结构的设计和较 (10)第三章部件的设计和算 (15)3.1 管道机器人工作量算 (15)3.3 撑开机构和放大杆组的计 (24)第四章其他 (32)5.1 大小锥齿轮的设计和核 (32)5.2 轴Ⅰ的设计和核 (35)5.3 键的校核 (44)在工农业生产及日常生活中，管道应用范围极为广泛。
在管道的使用过程中，会产生管道堵塞与管道故障和损伤，需要定期维护、检修等。
但管道所处的环境往往是人们不易达到或者不允许人们直接进入，所以开发管道机器人就显得尤为重要。
以金属冶炼厂管道清洁机器人为研究目标，根据其工作环境和技术要求设计了一种可适应φ700mm-φ1000mm管道的管道清洁机器人。
该管道机器人采用三履带式的可伸缩行走装置，操作装置为2个自由的的操作臂，末端操作器上安装有吸尘头，吸尘头吸起的灰尘通过吸尘软管收集在装灰箱体内。
当灰尘装满后，机器人行走到倒灰口，打开卸料门，将灰尘倒掉。
本次设计主要对管道清洁机器人进行结构设计，利用三维参数化特征建模软件Pro/Engineer建立了管道清洁机器人的三维模型，生成了机器人主要零部件的工程图。
对管道机器人中的主要机构进行动态仿真，验证了所设计机构的正确性。
最后对主要零部件进行了设计校核计算，并简单叙述了该机器人控制方案。
第一章概述1. 1 机器人概述机器人----这一词最早使用始于1920年至1930年期间在捷克作家凯勒尔*凯佩克（Karel capek）的名为"罗莎姆的万能机器人"的幻想剧中，一些小的人造的和拟人的傀儡绝对地服从其主人的命令。
管道输送流体动力特性的数值模拟分析
管道输送流体动力特性的数值模拟分析引言管道输送流体动力特性是工程领域中一个重要的问题。
了解流体在管道中的流动规律，可以为设计和优化管道系统提供依据。
数值模拟是研究管道输送流体动力特性的一种有效方法，通过建立数学模型和使用数值方法，可以模拟流体在管道中的运动状态，并得到相关参数的数值结果。
一、流体动力特性的研究背景随着工程技术的发展，管道系统广泛应用于供水、排水、石油、化工等领域。
而了解管道中流体的运动特性，对于管道系统的设计、运营和安全具有重要意义。
由于流体动力特性涉及流速、压力、阻力等多个参数，传统的试验方法费时费力，而且在某些情况下无法进行。
因此，数值模拟成为一种重要的工具。
二、数值模拟的基本原理数值模拟是基于数学模型和数值方法的研究手段，可以对流体在管道中的运动进行模拟。
首先，需要建立一个恰当的数学模型，描述液体在管道中的流动过程。
常用的模型有雷诺平均法、液相连续相模型等。
然后，通过离散化方法将连续的偏微分方程转化为代数方程，再利用计算机进行求解。
这些数值方法包括有限差分法、有限元法等。
三、数值模拟的应用领域数值模拟在管道输送流体动力特性研究中有着广泛的应用。
首先，在设计阶段可以通过数值模拟来预测流体在管道中的流速分布、压力变化等参数，从而指导管道系统的设计和优化。
其次，在管道系统的运营中，数值模拟可以帮助工程师监测和预测管道系统中的问题，如堵塞、泄漏等。
最后，在事故分析中，数值模拟可以重现事故发生时的流体运动过程，为事故的原因和后果提供定量支持。
四、数值模拟的局限性和挑战尽管数值模拟在管道输送流体动力特性研究中被广泛应用，但仍然存在一些局限性和挑战。
首先，数值模拟需要基于一定的假设和简化，这可能导致模拟结果与实际情况有所偏差。
其次，数值模拟所需的计算资源较大，模拟过程耗时较长。
另外，数值模拟的结果需要与实验数据进行验证，确保其准确性和可靠性。
结论管道输送流体动力特性的数值模拟分析是一个重要的研究方向。
一种管内蠕动机器人设计与研究
一种管内蠕动机器人设计与研究随着科技的不断进步和人类对深海、石油管道等特殊环境的探索需求的增加，管内蠕动机器人成为了研究的热点之一。
管内蠕动机器人是一种可以在狭小管道内自主运动的机器人，其特点是具备良好的穿透能力、敏捷的灵活性和高效的运动性能。
在管内蠕动机器人的设计与研究中，主要包含以下几个方面的内容。
首先，针对管道内部环境的复杂性和多样性，需要设计一种适应不同管道直径和曲率的机构结构。
机构结构是管内蠕动机器人的核心，影响着其运动性能和穿透能力。
目前常见的机构结构有链式结构、轮式结构和蠕动结构等。
不同的机构结构适用于不同的管道直径和曲率，因此需要根据具体任务需求进行选择和设计。
其次，管内蠕动机器人需要具备灵活的运动控制能力。
传统的管道机器人多采用电动机驱动方式，但在狭小管道内运动时存在着摩擦力大、转弯半径大等问题。
因此，研究人员通过引入智能材料、微型驱动器等新技术，提高机器人的灵活性和运动控制能力，使其能够在复杂环境中自主运动。
此外，管内蠕动机器人还需要具备较强的感知与导航能力。
由于管道内部环境通常较为恶劣，机器人需要通过传感器来获取环境信息，并进行实时的导航和路径规划。
常见的传感器有摄像头、激光雷达、超声波传感器等，可以用于检测管道内壁的状况、测量机器人与管道壁的距离等。
最后，管内蠕动机器人的能源供给也是一个需要解决的问题。
由于管道内部通常无法提供外部能源供给，机器人需要自带能源或利用环境能源进行驱动。
目前常见的驱动方式有电池供电、压缩空气驱动等，但由于能源储存和供给的限制，仍需要进一步研究和改进。
综上所述，管内蠕动机器人的设计与研究是一个复杂而具有挑战性的任务。
通过设计适应不同管道直径和曲率的机构结构、提高运动控制能力、加强感知与导航能力以及解决能源供给问题，可以进一步优化管内蠕动机器人的性能，提高其在特殊环境中的应用价值。
这将为深海勘探、石油管道维护等领域的工作提供更加高效、安全和可靠的解决方案。
新型蠕动式管道机器人设计
新型蠕动式管道机器人设计徐洪;林潘忠;王扬渝【摘要】为提高管道机器人的自适应能力,运用自锁原理设计试制了一种新型蠕动式管道机器人.该机器人行进过程中,不需对管壁施加额外压力,就能适应水平、竖直、弯曲管道,并且对不同管径、不同截面的管道有一定的适应性.机器人的基本结构采用了伸缩式伞架机构,根据设计要求推导出其伸缩机构的受力情况和支撑机构与管壁的自锁原理;完成了支撑结构、联接机构的设计;建立了丝杆推力与平行四边形推动力的关系;并利用提出的设计方法制作了样机,并完成了样机试验.结果表明,该机器人牵引力大,自锁性能好,能够在内径为90 ～ 150 mm的管道中行进,并能够顺利通过弯道.研究结果可为管道机器人的设计提供参考.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(036)005【总页数】5页(P561-565)【关键词】机器人;管道;蠕动式;自锁;螺旋驱动【作者】徐洪;林潘忠;王扬渝【作者单位】浙江师范大学行知学院,浙江金华321004;温州职业技术学院机械工程系,浙江温州325035;浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州310032【正文语种】中文【中图分类】TP242.3近年来，随着石油、天然气和其他流体运输管道的发展，定期对这些管道进行检测和维护，显得尤为重要［1］.特别是2014年8月1日的台湾高雄燃气管道爆炸事件更是将人们的焦点引回到管道的安装与维护上来.管道自身的局限性，限制了人的操作能动性.微型管道机器人作为一种有效的检测工具载体，可以深入探测许多普通检测工具无法到达的狭小空间内，目前已成为解决管道检测这一工业难题的主要检测体，各种管道机器人也应运而生［2-5］.由于管道内环境复杂、空间小，要求管道机器人单元结构简单，同时对复杂的管内环境具有自适应能力［6］.为了在管道内顺利行进，机器人应：①对管道的变化有一定的适应性；②能提供足够的牵引力；③动力系统、传动机构小型化.根据在管道内的行进方式，管道机器人主要可分为轮式、履带式、液力式、振动式、蠕动仿生式等.振动式适合用于刚性管壁环境；轮式驱动是管道机器人常用的移动载体，对于直管道，轮式机器人具有结构简单，速度快、牵引力大等优点；蠕动式以其结构紧凑、可微型化等优点，广泛应用于小口径管道的检测中［7］.根据受力情况，蠕动式管道机器人的最大牵引力为行走机构与管壁之间的最大静摩擦力，若想增大系统牵引力，必须增大系统与管壁之间的压力；另一方面，随着压力增大，对系统的动力系统要求会变高，行进速度也会受到限制，因此解决系统牵引力与正压力之间的矛盾是设计关键［8-9］.本次研究着眼于利用与管道的摩擦力实现机器人行进.文中拟研制一种基于机构自锁原理的伸缩式管道机器人，以期对不同截面和口径的管道有一定的自适应性，并且能在水平、竖直、弯曲等形态的管道中行进.根据力学原理推导其伸缩机构的受力情况和支撑机构与管壁的自锁原理，并应用此理论研制伸缩式管道机器人样机，进行相关试验.图1为所设计管道机器人的结构.由图1可见，机器人共分3个部分，即前、后支撑结构和中间的伸缩结构.前、后支撑结构采用伞架结构，实现机器人对管壁的支撑与行进；中间伸缩结构采用平行四边形结构，在电机、丝杆的带动下实现伸缩，从而使机器人完成行进动作.机器人的3个部分之间用弹簧进行软性连接，使其不但能满足转弯的要求，而且转弯后能使机器人恢复到原始状态，有利于机器人的行进.机器人向前运动的一个循环周期如图2所示.由图2可见，从中间的平行四边形处于伸长状态开始，机器人的行进的一个周期要完成如下6个动作：前支撑张开、后支撑收缩、平行四边形收缩、后支撑张开、前支撑收缩、平行四边形张开.应当指出，前后支撑的伸长与收缩，其动作副度的大小并不需图2所示大小，收缩的目的是减小支撑物与管壁之间的摩擦力.2.1 支撑结构设计支撑结构的设计主要要求有：①支撑结构与管壁之间应有足够的摩擦力，在平行机构伸缩时，能提供向前的推动力；②能进行手动和自动调整，以适应不同尺寸和截面的管道；③具有导向机构，即能在管壁的导引下通过转弯处［10］.根据以上要求，设计了如图3所示的支撑结构.图3a所示为支撑基本形式：整体结构为伞架结构，上下2伞架支座间用丝杆联接.伞杆的顶端为能转动的一分支杆，如图3b所示；每个支撑杆上有2个支撑点，这样使被支撑的平面始终与管道的轴线垂直，不容易倾倒，如图3c所示.2个支撑点前端为一铝质小轮，与管壁纯滚动，起到导向轮的作用；后端为一橡胶球，可增加与管壁间的摩擦.支撑机构的自锁作用：通过结构设计，使支撑机构具有自锁功能，其自锁原理如图4所示.在图4a示意的方向中，机构可灵活地向上运动，但不能向下运动.AC与中间轴用移动副联接，可上下移动；EF与中间轴用螺旋副联接，可手动调节EF与中间轴的相对位置.由于弹簧的作用，当管壁尺寸变大或变小时，杆EF固定，B，D点分别受到向外或向内的压力，使AB，CD各自分别绕中间点相应旋转，从而减小或增大AC与EF间的距离，弹簧力可将伞架撑开或收缩，直到支撑球与支撑轮均与管道内壁接触，截面直径自适应调节范围为90～150 mm，如图5所示.阻碍向下运动原理如图4b所示.2.2 联接机构设计通过上述结构设计，形成了机器人的基本模式，前后支撑与伸缩的联接成了关键问题.联接共有2处，即前支撑结构与伸缩结构的联接，伸缩机构与后支撑的联接.考虑到转弯的方便性，转弯中心应置于支撑结构附近，故在前后支撑结构处设置大自由度，而伸缩结构处用普通铰链联接.由于机器人在管道内的行进过程中，转弯的朝向有不确定性，故联接方式应有较大的自由度，因此在前后支撑结构与伸缩机构间采用了弹簧联接方式，经过弯道后，机器人能自动恢复到中间状态，有利于机器人的行进.伸缩机构与后支撑的联接如图6所示.由图6a可见，该处联接一方面要求伸缩机构的平行四边形相对销轴能自由转动，另一方面由于图6a上方圆柱与后支撑结构已用弹簧联接，为了更好地发挥弹簧的恢复功能，应使这一圆柱的轴线与平行四边形的对角线重合，故需对这一联接的自由度进行限制，使它能保证平行四边形的自由运动，同时又能将弹簧的轴线始终与平行四边形的对角线重合.为了实现自由度的控制，采用如图6b所示的“丁”字滑块结构.轴1为2根杆件的转动轴，销2、销3分别装在伸缩机构的2根杆上，当杆转动时，销轴1，2，3只能在滑块4的“丁”字槽内移动，而槽的形状使滑块4的轴线能始终与平行四边形的对角线重合.3.1 丝杆推力与平行四边形推动力的关系为了有效缩短机构长度、缩短丝杆长度，采用了图7所示的不等边平行四边形机构.由图7可见，此结构既保证了运动放大倍率，又可以提高传动效率.研究丝杆对C点的推力FC与机构中E点对支撑部分的推力FE之间的关系.1）DE，EF杆是二力杆，受力如图7所示2）对于E点，由于各杆件对称，故N1=N′1，对于任意角度α时，有3）对于BD杆，根据力矩的平衡，有将式（2）代入式（1）得由式（5）可见，四边形对支撑机构作用的力的大小，与丝杆的推力成正比，与BC杆长成正比，与BD杆长成反比，与平行四边形所处的角度无关.3.2 电机功率与机器人推动力FE之间的关系根据拟定的传动机构，可将电机到丝杆的传动表达为如图8所示的简图形式.由图8可见，电机1通过自带的减速器将动力传到齿轮4，通过齿轮4-5的传动，传到丝杆2上，丝杆2带动螺母3，使回转运动变为直线运动.螺母3通过销轴将运动传到平行四边形结构，由平行四边形带动机器人运动.设电机的输出功率为P，转速为n.1）丝杆的输入功率P0为2）丝杆为M6的螺杆，牙型属于三角形螺纹，当量摩擦系数fv为式中β为普通三角形螺纹的牙型半角.当量摩擦角为3）受到外载荷FC时，丝杆转动所需的最大扭矩为式中α为螺纹的升角.4）丝杆扭矩与丝杆输入功率间的关系为根据式（5）-（6），（9），可得电机功率与机器人所受的推力之间的关系为齿轮4，5采用直齿圆柱齿轮，其效率η取0.9；丝杆的中径d2=5.355 mm；升角α=3°24′17″；牙形半角β=30°；处于临界润滑状态，取f=0.1；平行四边形机构中，LBD=15 mm，LBC=63 mm；电机输出功率为P= 2.4W，转速n=420r·min-1，代入式（11）得根据上述理论及计算的相应参数，制作了相应的管道机器人样机.其质量仅为0.4 kg，最大负载为17.4 N，可适应管径90～150 mm的管道结构，图9为管道机器人测试图.图9a为其负载测试，铁块质量为1.5 kg，表明样机具有良好的自锁性能.图9b为机器人的管道通过能力测试，通过控制丝杆的运动，试验样机在2 m长的直管两端之间往复行走4次，测得其在直管中的平均速度为2.7 m·min-1.为测试管道机器人的运动特性，对其在不同负载G、不同工况下运动时的电流I、电压U、功率P进行了测试，结果如表1所示.分析上述结果可知，空载时输出功率P主要是为了克服机器人与管壁间的摩擦，摩擦阻力为18 N左右，摩擦阻力随着载荷的增大而增大.竖直向上时机器人所需的功率最大，机器人的最大外载荷为17.4 N，达到自重的4倍.1）设计制作的蠕动式管道机器人不需对管壁施加额外压力，能适应水平、竖直、弯曲等管道，自锁性能良好.2）管道机器人具有自动调节功能，能适应方形、圆形、矩形截面管道，可适应管道内径为90～150mm.3）采用合理的联接方式，利用管壁的约束作用，使机器人能顺利通过近90°直角弯曲管道.4）伸缩机构采用非等边平行四边形，有效地缩短了传动丝杆的长度，保证了运动放大倍率，机器人在管道中的运行速度可达2.7 m·min-1.［1］李鹏，马书根，李斌，等.具有自适应能力管道机器人的设计与运动分析［J］.机械工程学报，2009，45（1）：154-161. Li Peng，Ma Shugen，Li Bin，et al.Design and motion analysis of an in-pipe robot with adaptability to pipe diameters［J］.Journal of Mechanical Engineering，2009，45（1）：154-161.（in Chinese）［2］Liu Qingyou，Chen Yonghua，Ren Tao，et al.Optimized inchworm motion planning for a novel in-pipe robot［J］. Journal of Mechanical Engineering Science，2014，228（7）：1248-1258.［3］Schempf H，Mutschler E，Gavaert A，et al.Visual and nondestructive evaluation inspection of live gas mains using the ExplorerTMfamily of pipe robots［J］.Journal of Field Robotics，2010，27（3）：217-249.［4］熊俊涛，邹湘军，陈丽娟，等.荔枝采摘机械手果实识别与定位技术［J］.江苏大学学报：自然科学版，2012，33（1）：1-5. Xiong Juntao，Zou Xiangjun，Chen Lijuan，et al.Fruit recognition and positioning technology of litchi picking manipulator［J］.Journal of Jiangsu University：Natural Science Edition，2012，33（1）：1-5.（in Chinese）［5］Li Peng，Ma Shugen，Li Bin，et al.Self-rescuemechanism for screw drive in-pipe robots［C］∥Proceedings of the 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Taipei：IEEE Computer Society，2010：2843-2849.［6］Qiao Jinwei，Shang Jianzhong，Goldenberg Andrew.Development of inchworm in-pipe robot based on self-locking mechanism［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2013，18（2）：799-806.［7］张延恒，逄增辉.一种蠕动式管道机器人的设计［J］.机械设计与制造，2010（4）：13-15. Zhang Yanheng，Pang Zenghui.Design of a novel crawling pipe robot［J］.Machinery Design&Manufacture，2010（4）：13-15.（in Chinese）［8］Nakazato Y，Sonobe Y，Toyama S.Development of an inpipemicromobile robot using peristalsis motion［J］. Journal of Mechanical Science and Technology，2010，24（1）：51-54.［9］乔晋崴，尚建忠，陈循，等.基于凸轮自锁原理的伸缩式管道机器人设计［J］.机械工程学报，2010，46（11）：83-88. Qiao Jinwei，Shang Jianzhong，Chen Xun，et al.Development of an inchworm in-pipe robot based on the cam self-locked principle［J］.Journal of Mechanical Engineering，2010，46（11）：83-88.（in Chinese）［10］Jeon W，Kim I，Park J，et al.Design and controlmethod for a high-mobility in-pipe robot with flexible links［J］. Industrial Robot：An International Journal，2013，40（3）：261-274.。
可折展管道蠕动并联机构设计与运动仿真
2 0 2 1年3月农业机械学报第52卷第3期doi：10.6041/j. issn. 1000-1298.2021.03.046可折展管道蠕动并联机构设计与运动仿真张春燕朱锦翊卢晨晖(上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海201620)摘要：为探索管道蠕动机构及其移动方式，设计一种具有折展能力的3 URU管道蠕动并联机构。
该机构支链运动副R与U的空间位置关系能等效成Sarrus结构，可实现并联机构的折展，对折展原理和折展干涉进行分析，求得该机构折展比，并通过仿真验证其折展效果。
应用螺旋理论计算该机构自由度，求解位置正解方程，并通过蒙特卡洛法求得该机构的工作空间。
在管道内对机构进行蠕动步态规划，并利用ADAMS软件进行管道内的蠕动步态验证,得到两平台位移曲线和支链转角变化曲线。
研究表明，该并联机构可实现管道内的蠕动,且折叠后体积较小。
关键词：3 - URU并联机构；折展机构；运动仿真；管道蠕动中图分类号：TH112 文献标识码：A 文章编号：1000-1298(2021)03-041048 OSID: |鏡Design and Motion Simulation of Wriggling ParallelMechanism for Collapsible PipelineZ H A N G C h u n y a n Z H U Jinyi L U Chenhui(School o f M echanical a n d A utom otive E n g in eerin g，S h a n g h a i U niversity o f E ngineering S cien ce，S h a n g h a i 201620, C h in a)A b s t r a c t:In order to explore a n e w pipeline peristaltic m e c h a n i s m and i ts moving m o d e，a n e w3 —U R Upipeline peristaltic parallel m e c h a n i s m with folding ability was proposed.D u e to the spatial position relationship between the R and U of the branch motion of the m e c h a n i s m can be equivalent to the Sarrus structure，the parallel m e c h a n i s m can be folded，and i ts folding principle and folding interference were analyzed to obtain the folding ratio and verify its folding effect through simulation.T h e degree of freedom of the m e c h a n i s m was calculated by using the screw theory，solving the positive solution of the position and through Monte Carlo method to get the working space of the agency.According to the position analysis，the creeping gait planning of the m e c h a n i s m in the pipeline was carried out and the creeping gait in the pipeline was verified by the A D A M S software，the displacement curve of the two platforms and the curve of the branch chain rotation angle were obtained.I t was comprehensively analyzed that the m e c h a n i s m can carry out the peristaltic m o v e m e n t in the pipeline after expansion and had a small volume after folding，which provided a certain theoretical basis for the subsequent application of specific pipeline engineering.K e y w o r d s： 3 U R U parallel m e c h a n i s m；folding m e c h a n i s m；kinematic simulation；pipeline peristaltic motion0引言随着大口径石油、天然气管道的发展，以及对 管道内壁裂纹、砂眼、焊缝、疵病等信息检测和探测应用需求的增加[1-2]，轮式、壁腹式、履带式、蠕 动式等各种驱动模式的管道机器人应运而生[3-5]。
一字型蠕动式管道驱动行走机构力学性能分析
一字型蠕动式管道驱动行走机构力学性能分析目前,长时间使用的管道需要清理、检测、维修时,那些所处环境危险的管道是人工作业难以实现的,因此需要管道驱动行走机构替代人工作业。
国内外对此已进行了大量研究,研制出多种行走方式的管道驱动行走机构。
本文根据几种主要类型的管道驱动行走机构的性能特点,以及针对在极限狭长空间实现大拖动力的问题,构型提出了一种新型的蠕动式管道驱动行走机构。
本文以蠕动式管道驱动行走机构为研究对象,首先简单介绍了该机构的结构组成和行走机理。
将不完全齿轮齿条换向机构作为主要驱动机构,分析了其啮合的过程,并计算出了有齿部分所占的角度以及齿数。
对首齿和末齿的干涉情况进行了分析,给出了修齿方案。
计算了齿条的行程以及行程允许误差。
然后分析了当机体运动时,内部机构的运动情况。
通过计算运动机构的自由度,得出结论:机体有确定的运动。
建立了运动机构的力学模型,运用虚功原理,推导出了驱动力矩的计算公式。
根据行走足的受力情况,分析了行走足不打滑应该满足的条件。
根据运动机构的几何关系,推导出了机体行走步长的计算公式。
最后运用ADAMS建立虚拟样机模型,基于行走机构在直管中的行走,验证了该管道驱动行走机构结构设计的合理性以及运动的可行性。
通过对不完全齿轮齿条换向机构的运动仿真,验证了前文对该机构运动理论分析的正确性。
为验证该管道驱动行走机构的拖动力,测量了拖动力的大小。
为验证前文推导的驱动力矩计算公式的正确性,测量了实现所需拖动力时,不完全齿轮的驱动
力矩。
通过测量行走步长,验证了行走步长计算公式的正确性。