[01127380]机械自适应型管道机器人移动载体的虚拟样机技术研究

机器人通过弯管或者内部几何尺寸不规则管道时，要求机器人的各驱动轮具有不同的驱动速度。近几年，具有驱动速度调整功能、管径适应调整功能的轮式驱动管道机器人成为国内外学者的研究热点。但是由于管道环境的时变性及复杂性，目前基于先进控制算法的管道机器人适应环境的平顺性、实时性不够理想，还存在一定的功率内耗。因此，本文提出了一种新型结构对称的空间三轴差动机构，使管道机器人各驱动轮能够根据自身姿态及管道环境状态，通过运动反馈机构实时地调整各自的驱动速度，无需主动控制，依靠机械传动系统根据外部环境状况实时调整驱动轮组的速度，从而避免了运动干涉现象的发生。自2004.3～2006.12，课题组开展了机械自适应型管道机器人移动载体的研究工作，并获得一系列研究成果：(1)机械自适应型管道机器人驱动单元的三轴差速机构的设计研究研究了由四个差动轮系组成，具有由一路输入运动获得三路差动输出功能的结构对称的空间差速机构，完成了型综合设计，建立了三轴差速机构的运动学方程与力矩传递方程，理论分析表明，三轴差速机构能够根据不同工况进行差速，具有很好的机械自适应特性。通过虚拟样机技术分析了三轴差速机构在直管与弯管的差速特性与力矩特性，三轴差速机构满足理论分析建立的运动学方程与力矩传递方程。在满足结构具有对称性、运动具有拓扑差速自适应性的约束条件下，对三轴差速机构进行机构优化设计。对该差速器的运动学特性、力矩传递特性进行理论分析，通过虚拟样机技术验证理论分析的正确性。(2)机械自适应型管道机器人驱动单元的设计研究设计了以三轴差速机构与管径适应机构为核心，具有拓扑差速、封闭力调节与变径能力的机械自适应型轮式驱动管道机器人驱动单元—机械自适应型管道机器人驱动单元。此驱动单元可适应因锈蚀等原因造成的管径的摄动，即具有适应管道微变径能力；又可适应管道直径Φ297mm～Φ660mm的管径变化，即具有大范围管径适应能力。(3)机械自适应型管道机器人驱动单元的机械自适应特性的理论分析与虚拟样机技术研究对构建的三轴差动式驱动单元对管径的适应性进行系统的理论分析。构建驱动单元在直管、弯管处与管壁接触点的运动约束方程；分析了驱动单元的差速特性，确定驱动单元各行走轮的运动状态为纯滚动，未发生滑移与滑转，无寄生功率产生；建立驱动单元在直管、弯管处运行时的行走力学模型，分析了驱动单元的拖动能力。理论分析表明，机械自适应型管道机器人驱动单元能够跟随管道拓扑实时差速，驱动单元能够提供足够的拖动力。建立了机械自适应型管道机器人驱动单元的虚拟样机模型，模拟了驱动单元在不同运动姿态下的差速特性与拖动性能，仿真的研究结果理论分析相符。课题的研究成果丰富了管道机器人机构学理论。对差动式管道机器人的理论发展和完善具有重要的学术意义与工程应用价值。此课题的研究也使得我国在管道机器人研究领域另辟蹊径，同时，丰富和推动了此领域的研究和发展。