[01167552]面向工业管道环境的管道机器人高效驱动关键技术研究

一、课题来源与背景 本项目旨在解决面向工业管道环境的管道机器人在管内行走过程中机器人的姿态调节困难、避障能力弱、弯管通过性能力差、驱动效率低下的实际问题。 拟通过设计一种单电机四轮全驱式自适应高效驱动机构解决上述问题,该驱动机构可解决管道机器人在弯管、直管段的快速自适应行走问题,避免运动干涉。 二、研究目的及意义 本项目研制一种用于管道检测的机器人高效驱动装置,要求所设计的管道机器人驱动机构的牵引力大、驱动效率高、灵活性强、具有避障能力、能适应复杂的管道环境,为后期的管道检测提供运动载体。机器人内部采用单个电机驱动进行工作,当机器人在弯管中行走时,可以自主调节各个驱动轮的转速,进而消除驱动轮与管壁之间的相对滑动。当机器人的运行管道管径尺寸变化或遇到障碍物时,机器人能够利用变径机构来适应外部环境的改变,提高机器人在管道中的运动柔顺性。 三、主要论点与论据 项目以面向工业管道环境的机器人高效驱动结构为研究对象,分别针对宏观尺度下的管径和微尺度下的管道进行了驱动行为研究,宏观尺度下选择了三轴差动机构轮式管道机器人驱动机构进行驱动能力研究,微尺度下选择了电热驱动机构进行研究,主要研究结论如下： 1. 结合管道检测机器人的功能要求与管道内部环境,提出牵引力大,灵活性高的四轮全驱式管道机器人的总体设计方案,对比分析各机构设计方案的特点,完成机器人驱动机构、传动机构、支撑机构和转向机构等的设计; 2. 建立了管道机器人在直管道中的动力学模型和运动学方程,分析了管道机器人的封闭力、弹簧力和牵引力等的力学特性;建立了机器人驱动轮在转向过程中的位姿模型,分析了转向过程的力学特性;建立了机器人在弯管道的运动模型,确定了机器人的运动轨迹方程和转向速比;分析了机器人管内自转体机制,提出了相应的抑制方法; 3. 建立机器人支撑机构的优化模型,并对支撑机构的相关参数进行优化,增强了管道机器人的管径变化适应能力;构建管道机器人的仿真环境,并进行最大牵引力,弯管通过性,姿态调节与避障的虚拟仿真,仿真结果表明所设计的管道机器人能满足设计要求。 项目还针对微尺度下管道机器人驱动技术进行了研究,设计制作的基于电热驱动的机器人用微驱动机构,建立了摩擦式微驱动机构的动力学分析模型,分析了摩擦式微驱动机构的运动特性,并测试了啮合式微驱动机构的性能,研究了微驱动机构的主要失效形式和电热微驱动器的热疲劳失效机理。对电热驱动摩擦式微驱动机构的运动性能进行试验研究,探索不同驱动条件下,微驱动机构的位移、速度和加速度与电参数、结构参数的关系,研究试验中发现的特殊运动现象。建立电热驱动摩擦式微驱动机构的动力学分析模型,理论分析了机构的运动特性,解释了滑杆仅在一组致动器驱动下产生前推运动和后拉运动的形成机理,并分析了影响微驱动性能的关键因素,提出了提高摩擦式微驱动机构传动特性的措施。实测电热驱动啮合式微驱动机构的运动特性,包括直接驱动啮合式微驱动机构、推拉驱动啮合式微驱动机构以及典型多级微驱动机构。 四、创新点 本项目的特色与创新点包括采用单个电机作为驱动系统的动力源,动力通过传动机构分别传递到四个驱动轮,四个驱动轮的转速根据管道弯管曲率半径和管道几何参数自动调节,从而实现管道机器人的自适应管道环境驱动。 五、社会经济效益,存在的问题 1. 该项目立足甘肃省优势产业,形成了一支专业结构合理、学科优势突出的科研团队并在管道机器人、特种功能机器人等方面取得了一系列有影响力的科研成果。 2. 项目完全实行项目负责人管理机制,团队成员职责明确,责权分明。资金管理完全按照兰州城市学院科研项目相关管理制度执行,项目组成员实行每月一总结、每学期一次推进会等形式开展项目研究,对团队的科研工作起到了良好的促进作用。 六、存在的问题 1. 科研条件和科研平台缺失。团队工作室与相关设施、科研实验室硬件基础十分薄弱,对项目研讨、科研攻关、学术交流、人员交往等工作造成极大的限制和掣肘,需进一步加大人力、财力、物力等方面的投入力度。 2. 学科融合有待深入。科研人员的研究方向还需继续凝练,学科间的凝聚力还不够强大,还需进一步形成学科间的优势互补,提炼学科方向。 未来应围绕实施“中国制造2025”、“工业4.0”等战略规划,学科团队将充分发挥人才优势、依托已获准立项的科研项目,加强科研平台建设和成果转化。积极培养和大力引进高端人才,大力扶持中青年骨干教师外出访学,参加高水平学术会议,打造一流学术团队;持续提升科研水平,通过项目建设锻炼团队成员,继续加大横向项目力度,提高项目研究水平,推进科学研究与社会服务,争取获得高水平标志性成果。