可變徑管道機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

管道機(jī)器人是特種機(jī)器人研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn).該文設(shè)計(jì)了管道機(jī)器人蠕動式移動牽引機(jī)構(gòu),采用電機(jī)驅(qū)動絲杠正反轉(zhuǎn),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(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的蠕動式前行的驅(qū)動方案,并設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的電控部分.模擬管道中的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性.

針對管道機(jī)器人的工作特點(diǎn),提出了一種管道機(jī)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(fù)合信號,利用視頻光端機(jī)進(jìn)行信號的復(fù)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(jī)與管道機(jī)器人的數(shù)據(jù)通信,從而實(shí)現(xiàn)了管道內(nèi)部視頻圖像的實(shí)時采集和管道機(jī)器人的實(shí)時監(jiān)控。

介紹了4種支承輪式管道機(jī)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(jī)構(gòu)具有更高的驅(qū)動效率。在此基礎(chǔ)上,基于虛功原理分析了絲杠螺母—支承桿變徑機(jī)構(gòu)的驅(qū)動特性,并應(yīng)用多體動力學(xué)仿真軟件adams對其進(jìn)行了動力學(xué)仿真驗(yàn)證,結(jié)果顯示絲杠螺母—支承桿變徑機(jī)構(gòu)具有更高的驅(qū)動效率和更強(qiáng)的管徑適應(yīng)能力,并給出了其驅(qū)動電動機(jī)隨管徑變化的一般動力學(xué)特性,為支承輪式管道機(jī)器人推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

討論了管道機(jī)器人的數(shù)學(xué)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(jī)器人的幾何方程,使得機(jī)器人可能通過各種彎管。其結(jié)果可對機(jī)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(jī)器人.分析了該機(jī)器人的機(jī)構(gòu)組成及工作原理,研究了其運(yùn)動學(xué)和力學(xué)特性.實(shí)驗(yàn)證明,該機(jī)器人測量精度達(dá)到0.002mm,多次測量的重復(fù)性誤差小于0.002mm,并且可靠性高.

排水管道機(jī)器人通常采用模塊化設(shè)計(jì),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(jī)器人各模塊現(xiàn)有技術(shù)特點(diǎn),并結(jié)合智能控制技術(shù),展望未來排水機(jī)器人發(fā)展方向。

提出了一種描述管道機(jī)器人彎道通過性的數(shù)學(xué)模型,該模型由一組組合約束構(gòu)成.通過對約束方程的分析討論,得出了規(guī)律性的結(jié)論.管道機(jī)器人在彎道處的姿態(tài)、單元體的幾何尺寸、行走輪結(jié)構(gòu)形式對其通過性都有不同程度的影響.所提出數(shù)學(xué)模型是管道機(jī)器人彎道自主行走控制策略設(shè)計(jì)和相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ).

課程設(shè)計(jì) 螺旋式管道機(jī)器人 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 1設(shè)計(jì)方案過程及特點(diǎn) 按照上述的過程方案，由三維建?？梢赃M(jìn)一步確定機(jī)器人的可靠外形結(jié)構(gòu)。 安裝加工出的理想外形經(jīng)過安裝調(diào)試環(huán)節(jié)成為完整的機(jī)器人，最后完善整個樣機(jī) 使其在螺旋管道內(nèi)能順利工作，幫助人們順利解決難題。 2機(jī)械結(jié)構(gòu) 一、當(dāng)前狀況 目前國內(nèi)外已研制出的管道機(jī)器人類型很多，從機(jī)械結(jié)構(gòu)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(nèi)的運(yùn)動，即把管道看作汽缸， 把具有一定彈性和硬度的機(jī)器人看作活塞。在結(jié)構(gòu)上，機(jī)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(jī)器人克服了管壁與活塞之間的摩擦阻力 而向前運(yùn)動。機(jī)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(shè)計(jì)流程圖 （2）滾輪移動式，利用滾輪驅(qū)動式的行走結(jié)構(gòu)，以電機(jī)作原動機(jī)，為了增 加牽引力，一般采用多輪驅(qū)動式，由于

上海交通大學(xué) 碩士學(xué)位論文 電纜管道機(jī)器人視頻監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā) 姓名：戚偉 申請學(xué)位級別：碩士 專業(yè)：電力電子與電力傳動 指導(dǎo)教師：黃成軍;江秀臣 20080101 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 -i- 電纜管道機(jī)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(shè)，電力電纜采用自動化敷設(shè)方法，可以 避免人工敷設(shè)帶來的效率低下、操作不便等諸多問題，改善電纜敷設(shè)質(zhì) 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(jī)器人系統(tǒng)，通過前端的攝像 監(jiān)測裝置實(shí)時監(jiān)視管道前方及管壁的圖像，不僅能在機(jī)器人穿越管道的 同時，完成敷設(shè)電纜的要求；而且能夠?qū)艿乐械耐两堅(jiān)M(jìn)行清掃， 有效地促進(jìn)電纜排管土建質(zhì)量及電纜施工中的敷設(shè)質(zhì)量，為電纜敷設(shè)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(jì)效益。 本文涉及的電纜管道機(jī)器人系

針對管道機(jī)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(jī)器人爬行器和絞盤間電纜的恒張力控制來實(shí)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(jìn)行了仿真研究,結(jié)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(jī)器人系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)有價值。

論文根據(jù)集中空調(diào)管道清掃的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種新型的空調(diào)管道機(jī)器人,并以自行研發(fā)的集中空調(diào)管道機(jī)器人樣機(jī)為例,介紹了其傳動機(jī)構(gòu)、運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)以及由些引出來上位機(jī)與下位機(jī)的通信方式的問題。設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)51單片機(jī)控制端與pc機(jī)的通信。在操作員的遠(yuǎn)距離遙控操作下,空調(diào)管道機(jī)器人在管道內(nèi)部自動行走,并攜有操作機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備(ccd攝像機(jī)、管道清潔掃等),進(jìn)行一系列管道清掃作業(yè)。

研究了一種輪式全驅(qū)動管道機(jī)器人質(zhì)量的優(yōu)化問題,提出一種基于遺傳算法的質(zhì)量選擇的優(yōu)化模型,分析了輪式管道機(jī)器人在滿足拖動能力、行進(jìn)速度等性能指標(biāo)的要求下,通過輪徑、輪距、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的改變,能夠使機(jī)器人的質(zhì)量得到一個較小、較優(yōu)的數(shù)值,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的整機(jī)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(jié)果證明了該算法是有效的、穩(wěn)定的。通過機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件adams進(jìn)行拖動力仿真試驗(yàn),證明了該優(yōu)化方法的正確性。

提出了一種內(nèi)螺旋管道機(jī)器人(簡稱內(nèi)螺旋機(jī)器人)。設(shè)計(jì)了該機(jī)器人的結(jié)構(gòu),建立了機(jī)器人的動力學(xué)方程,數(shù)值計(jì)算了機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)行時管道內(nèi)壁所受的壓力、機(jī)器人的軸向推進(jìn)力和液體對機(jī)器人的周向阻力矩。結(jié)果表明,當(dāng)驅(qū)動為外磁場驅(qū)動時,內(nèi)螺旋機(jī)器人軸向推進(jìn)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(jī)器人軸向推進(jìn)力和能效指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo),采用正交優(yōu)化方法得到一組最優(yōu)的內(nèi)螺旋槽幾何參數(shù)。根據(jù)內(nèi)螺旋機(jī)器人的工作原理,設(shè)計(jì)制造了內(nèi)螺旋驅(qū)動樣機(jī),該樣機(jī)在充滿201甲基硅油管道中的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)證明了內(nèi)螺旋機(jī)器人的可行性。提出的內(nèi)螺旋機(jī)器人表面光滑,能懸浮運(yùn)行,對管壁的損傷小,可用于人體內(nèi)腔的微細(xì)管道中。

簡要綜述了國內(nèi)外排水管道清淤作業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案,分析了各自特點(diǎn)和局限性。提出了一種基于組合機(jī)構(gòu)的新型蠕動式排水管道機(jī)器人。給出了機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)組成,以及行走機(jī)理分析,建立了其行走運(yùn)動模型和驅(qū)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(jī)器人的虛擬樣機(jī),完成了其虛擬樣機(jī)仿真分析。綜合理論數(shù)值分析和虛擬樣機(jī)仿真分析驗(yàn)證了方案的可行性和設(shè)計(jì)理論及分析結(jié)論是正確的。該方案的排水管道清淤作業(yè)機(jī)器人具有大拖動力、作業(yè)距離長的特點(diǎn)。

針對圖書館圖書借閱、上下架和傳送整理的智能化需求,設(shè)計(jì)、開發(fā)了一種基于分布式結(jié)構(gòu)的圖書整理機(jī)器人系統(tǒng).該系統(tǒng)由循跡移動底盤、圖書夾取機(jī)械臂和人機(jī)交互界面3部分組成.圖書整理機(jī)器人系統(tǒng)采用plc和單片機(jī)作為主控單元,利用超聲波傳感器和灰度循跡傳感器作為障礙檢測及巡線定位模塊,采用三軸直角坐標(biāo)運(yùn)動平臺和mg995舵機(jī)作為機(jī)械臂的三維運(yùn)動機(jī)械臂的驅(qū)動裝置.通過visu＋開發(fā)的人機(jī)交互界面選取圖書信息,可以在無人干預(yù)的情況下,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的巡線定位、超聲波避障、自動取/還書籍和實(shí)時通信.經(jīng)過原理樣機(jī)的搭建和實(shí)際測試,驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和正確性.該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、節(jié)能環(huán)保、自動化執(zhí)行效率高,能夠降低圖書館員的勞動強(qiáng)度,適用于各類大、中、小型圖書館和閱覽室,具有廣闊的應(yīng)用空間.

設(shè)計(jì)并研制了一種多孔板微陣列制備機(jī)器人系統(tǒng).該系統(tǒng)機(jī)械手采用3自由度移動懸臂式正交結(jié)構(gòu),利用有限元法對該機(jī)械手結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算.給出了分樣頭清洗干燥、空氣過濾凈化、濕度控制的設(shè)計(jì)方案,建立了控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能樹.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,樣機(jī)自動化程度高,運(yùn)行可靠,x、y軸機(jī)械手重復(fù)定位精度達(dá)到±3.6μm和±2.8μm,能滿足微陣列制需的生物學(xué)應(yīng)用需求.

根據(jù)管道機(jī)器人管內(nèi)適應(yīng)性的要求,提出一種面向矩形管道的新型自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。分析該機(jī)構(gòu)的工作原理、力學(xué)特性,建立其數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明:該機(jī)構(gòu)提高了管內(nèi)機(jī)器人對矩形管道的適應(yīng)性,并改善了牽引能力,為機(jī)構(gòu)參數(shù)的合理選取提供了科學(xué)依據(jù)。

蘇州大學(xué)的5名大學(xué)生合作發(fā)明了一種微型管道機(jī)器人。其能夠深入到核電廠蒸汽發(fā)生器的管道內(nèi)，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(dāng)有纜管道機(jī)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(yán)重影響了機(jī)器人作業(yè)時的最大行走距離及可靠性。為了克服該缺點(diǎn),本文采用kq-100e電源線載波調(diào)制解調(diào)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(shí)現(xiàn)了線纜內(nèi)電源線與信號線的復(fù)用。該研究成果已應(yīng)用于中央空調(diào)風(fēng)管清潔機(jī)器人中。應(yīng)用結(jié)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(jī)器人的可靠性,增大了其作業(yè)時的最大行走距離。

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(jī)器人。系統(tǒng)以stc12le5a16s2單片機(jī)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(jī)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(jī)控制的平滑性和連續(xù)性;以基于查表匹配結(jié)合分段匹配的差速轉(zhuǎn)向策略實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的萬向協(xié)調(diào)運(yùn)動的控制,提高了系統(tǒng)操控的便捷性和運(yùn)行的穩(wěn)定性。樣機(jī)的測試表明,管道機(jī)器人操控靈活、運(yùn)行穩(wěn)定、攜帶方便,在小型管道機(jī)器人領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用價值和推廣空間。

為提高伸縮式管道機(jī)器人的負(fù)載能力,研制一種基于凸輪自鎖原理的伸縮式管道機(jī)器人,牽引力不受限于某一固定摩擦力,可隨外載荷的增大而增大。應(yīng)用分析力學(xué)原理導(dǎo)出單向鎖止機(jī)構(gòu)各參數(shù)應(yīng)滿足的關(guān)系式,并給出可適應(yīng)管徑變化的凸輪輪廓設(shè)計(jì)方法,計(jì)算出移動機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的響應(yīng)時間,提出一套系統(tǒng)的管道機(jī)器人設(shè)計(jì)理論方法。利用提出的設(shè)計(jì)方法研制試驗(yàn)樣機(jī),并在管道中成功進(jìn)行一系列試驗(yàn)。研究成果提升了伸縮式管道機(jī)器人的負(fù)載能力與管道適應(yīng)性,完善了基于自鎖原理伸縮式管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)理論。

光纖激光作為第三代激光技術(shù)的代表,具有其他激光器無可比擬的技術(shù)優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用發(fā)展空間,將會逐步取代全球大部分高功率co2激光器和絕大部分yag激光器。利用光纖激光器的優(yōu)點(diǎn),集成開發(fā)了第五代全新的光纖激光機(jī)器人毛化系統(tǒng),系統(tǒng)以光纖激光器為載體,協(xié)同機(jī)器人及其他設(shè)備來完成軋輥毛化作業(yè)。光纖激光毛化柔性工作站與傳統(tǒng)的co2激光毛化設(shè)備相比取得了多項(xiàng)重大突破,如系統(tǒng)采用普通機(jī)床代替昂貴的磨床實(shí)現(xiàn)毛化功能,不僅節(jié)約大量的設(shè)備投資費(fèi)用,并大幅度提高生產(chǎn)效率;系統(tǒng)對軋輥旋轉(zhuǎn)時的軸向跳動容忍度大,毛化速度大幅度提高;光纖激光毛化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)毛化點(diǎn)形貌的任意設(shè)計(jì)以及毛化點(diǎn)的有序、無序排列;毛化成本大幅度降低,沒有三廢,是一種綠色制造技術(shù)。