液压定位的仿蚯蚓管道机器人
管道机器人是近几十年逐步发展壮大的一种机器人，不仅可以使人免于进入环境恶劣的管道，也可以进入一些人无法深入的区域执行任务，主要用于对工业管道进行检测和维修。发展至今，管道机器人的种类已经非常之多，应用领域也越发广泛，是机器人的一个重要分支。本文将设计一种可应用于工业管道的基于液压定位的仿蚯蚓管道机器人。该管道机器人由前后两个端部和中间蠕动部分三个部分组成，以液压系统为基础，以液压缸为主要执行元件，可以在管道内实现类蚯蚓的运动。为完成本次设计，主要有以下几方面工作：研究蚯蚓运动原理，确定管道机器人驱动方式管道机器人的结构设计与分析液压系统设计和系统验证三维模型建模与运动仿真对关键零部件进行有限元分析，进行强度和应力分析关键字：管道机器人；仿蚯蚓；液压系统；结构设计与分析；运动仿真目录
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2国内外管道机器人研究现状 1
1.2. 1 蠕动式管道机器人 3
1.2.2 轮式管道机器人 4
1.2.3 履带式机器人 5
1.2. 4 SMA 式机器人 6
1.3 现状分析与总结 6
1.3. 1 能源供给问题 6
1.3. 2 可靠性问题 6
1.3. 3 速度及位置识别 7
1.3.4 多任务型 7
1.4论文研究内容 7
第二章 管道机器人运动原理分析 8
2.1蚯蚓蠕动方式简述 8
2.2管道机器人运动原理 8
2.2.1管道机器人结构 8
2.2.2管道机器人运动原理 8
2.3本章小结 9
第三章 管道机器人结构设计 10
3.1结构设计 10
3.1.1设计要求 10
3.1.2结构组成 10
3.2零部件设计 11
3.3本章小结 12
第四章 液压系统设计 13
4.1液压系统概述 13
4.2液压缸设计 14
4.2.1伸缩液压缸液压缸设计 14
4.2.2端部支撑液压缸
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
.1结构设计 10
3.1.1设计要求 10
3.1.2结构组成 10
3.2零部件设计 11
3.3本章小结 12
第四章 液压系统设计 13
4.1液压系统概述 13
4.2液压缸设计 14
4.2.1伸缩液压缸液压缸设计 14
4.2.2端部支撑液压缸设计 17
4.3液压元件选择 19
4.3.1动力元件 19
4.3.2控制元件 20
4.3.3辅助元件 21
4.4液压系统性能验算 21
4.4.1压力损失 21
4.4.2功率损失 22
4.5本章小结 23
第五章 运动仿真与强度分析 24
5.1运动仿真 24
5.2运动分析 25
5.3强度分析 26
5.4本章小结 29
第六章 总结与展望 30
6.1总结 30
6.2不足与展望 30
参考文献 31
致谢 33
第一章 绪论
1.1 研究背景
随着工业社会的不断发展，各种各样的管道遍布于我们的周围，承担着越来越多的任务，为人类带来越来越多的便捷，可是随之而来的是日益增多的管道故障，人类也难以对管道进行迅捷的操作和维修，这时候管道机器人应运而生。顾名思义，管道机器人是专门为在管道内执行任务而设计的，可以携带各种机械对管道进行检测和维修，使人类无需再进入环境复杂恶劣的管道中，可以说是一项伟大的发明。目前国内外针对管道机器人的研发已经有很多，管道机器人的种类也纷繁复杂：以驱动力来划分，主要有压电式、电机式、电磁驱动等；以行进方法来划分，现在主要有轮式管道机器人、爬行式管道机器人、仿蚯蚓式管道机器人等；以应用来划分，有适用于工业管道的管道机器人，有用于医疗手术的微型管道机器人。
本文研究的是基于液压定位的仿蚯蚓管道机器人，采用液压装置在管道内对管道机器人进行定位，行进方式属于蠕动式间歇行进，可用于在工业管道内执行检测和维修任务。
1.2 国内外管道机器人研究现状
管道机器人的发展源自上个世纪中叶，PIG猪是首先应用于管道内执行任务的设备，它向前运动的动力来自管道中的流体在该设备前后两端产生的压差。由于PIG类设备无法自主行进，导致运行速度以及执行任务的位置无法人为控制，这是一个较大的问题，一直困扰着人们。20世纪80年代，随着相关科学技术的迅猛发展，计算机、自动化、微电子等技术越来越成熟，管道机器人的发展进入了一个新的时期。
在国外[1~7]，1998年，德国H. B. Kuntze等开发了一种管道机器人，可以执行探测管道故障的任务；1999年，西班牙人JorgeMoraleda等开发了以水向后喷出形成的作用力作为驱动器的管道机器人，可以在管道内进行故障检测和动态检测；1999年，日本东京工业大学Shigeo Hidetaka等采用伺服电机、传动机构、斜轴驱动轮构成螺旋推进运动，研制出螺旋轮管道机器人系统；日本东京油气有限公司曾开发出世界上第一台无缆管道爬行机器人；TOKYO Toshiba 公司开发了世界上第一台微型管道检测机器人。此外，韩国的ASIA PROTECH 公司所研制的管道清洁机器人在世界上有很成功的应用。2007年韩国汉阳大学Lim等设计了一种气囊式蠕动式小口径管内机器人，该机器人巧妙地采用一根气管对三个气囊进行顺序充气或排气，实现了机器人本体的前进与后退，并在此基础上成功研发了直径为 10mm的试验样机。
2012年，中国矿业大学的魏明生等人针对管道机器人在金属管道内行进的跟踪定位问题，对管道机器人的无线电磁自适应定位技术进行了研究，设计了一种如图11所示的由管内电磁脉冲发射和管道外传感器接受装置组成的定位系统，定位误差最大为27.5cm[8]。
图11 定位系统原理图
电缆作为管道机器人的供能装置，也存在很多问题，刘向权等人在管道机器人电缆恒张力控制系统方面进行了研究，希望能够实现电缆的自动收房。该控制系统分为两个子系统：硬件系统设计，软件系统开发。能够实现绞盘随着管道机器人的运行实时进行电缆的收放，同时还能保证电缆线处于恒张力状态，有效的防止了电缆的堆积和拉断[9]。此外，上海交通大学的陈雯雯等人研究设计了一种结肠诊疗微型管道机器人，如图12所示，可以携带摄像头观察肠道影像，也可以对结肠进行热疗手术。缺点是抗干扰能力弱[10]。
图12 结肠诊疗机器人
哈尔滨工业大学的杜爱国等人提出了宏—微机器人遥控焊接核环境管道，采取重力补偿、自适应装配、弧长自动调节等技术，可以代替人工进行核设施管道的焊接维修，优点是灵活、迅速、焊接质量高[11]。中国矿业大学的张峰设计了一种可以一定程度上适应管道内径变化的煤矿管道检测机器人，在行进途中遇到管道直径发生变化时，可通过变径驱动电机促使相应的机构来调整管道机器人的直径，实现在多种管道内执行任务的功能[12]。
1.2.1 蠕动式管道机器人
蠕动式管道机器人是基于蚯蚓运动的原理开发出来的一种机器人，起初形态较
小，应用范围有限。但是随着科学技术的不断发展，人们也开发出了体型较大的管道机器人，适用范围也越来越广泛。一般来说蠕动式管道机器人的运动部件由前后端的固定部件和中间的驱动部件组成。其运动原理是：头部与接触面接触固定，蠕动部分带动尾部一起前行，随后尾部固定，蠕动部分带动头部前行。鉴于管道内部环境恶劣难
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2国内外管道机器人研究现状 1
1.2. 1 蠕动式管道机器人 3
1.2.2 轮式管道机器人 4
1.2.3 履带式机器人 5
1.2. 4 SMA 式机器人 6
1.3 现状分析与总结 6
1.3. 1 能源供给问题 6
1.3. 2 可靠性问题 6
1.3. 3 速度及位置识别 7
1.3.4 多任务型 7
1.4论文研究内容 7
第二章 管道机器人运动原理分析 8
2.1蚯蚓蠕动方式简述 8
2.2管道机器人运动原理 8
2.2.1管道机器人结构 8
2.2.2管道机器人运动原理 8
2.3本章小结 9
第三章 管道机器人结构设计 10
3.1结构设计 10
3.1.1设计要求 10
3.1.2结构组成 10
3.2零部件设计 11
3.3本章小结 12
第四章 液压系统设计 13
4.1液压系统概述 13
4.2液压缸设计 14
4.2.1伸缩液压缸液压缸设计 14
4.2.2端部支撑液压缸
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
.1结构设计 10
3.1.1设计要求 10
3.1.2结构组成 10
3.2零部件设计 11
3.3本章小结 12
第四章 液压系统设计 13
4.1液压系统概述 13
4.2液压缸设计 14
4.2.1伸缩液压缸液压缸设计 14
4.2.2端部支撑液压缸设计 17
4.3液压元件选择 19
4.3.1动力元件 19
4.3.2控制元件 20
4.3.3辅助元件 21
4.4液压系统性能验算 21
4.4.1压力损失 21
4.4.2功率损失 22
4.5本章小结 23
第五章 运动仿真与强度分析 24
5.1运动仿真 24
5.2运动分析 25
5.3强度分析 26
5.4本章小结 29
第六章 总结与展望 30
6.1总结 30
6.2不足与展望 30
参考文献 31
致谢 33
第一章 绪论
1.1 研究背景
随着工业社会的不断发展，各种各样的管道遍布于我们的周围，承担着越来越多的任务，为人类带来越来越多的便捷，可是随之而来的是日益增多的管道故障，人类也难以对管道进行迅捷的操作和维修，这时候管道机器人应运而生。顾名思义，管道机器人是专门为在管道内执行任务而设计的，可以携带各种机械对管道进行检测和维修，使人类无需再进入环境复杂恶劣的管道中，可以说是一项伟大的发明。目前国内外针对管道机器人的研发已经有很多，管道机器人的种类也纷繁复杂：以驱动力来划分，主要有压电式、电机式、电磁驱动等；以行进方法来划分，现在主要有轮式管道机器人、爬行式管道机器人、仿蚯蚓式管道机器人等；以应用来划分，有适用于工业管道的管道机器人，有用于医疗手术的微型管道机器人。
本文研究的是基于液压定位的仿蚯蚓管道机器人，采用液压装置在管道内对管道机器人进行定位，行进方式属于蠕动式间歇行进，可用于在工业管道内执行检测和维修任务。
1.2 国内外管道机器人研究现状
管道机器人的发展源自上个世纪中叶，PIG猪是首先应用于管道内执行任务的设备，它向前运动的动力来自管道中的流体在该设备前后两端产生的压差。由于PIG类设备无法自主行进，导致运行速度以及执行任务的位置无法人为控制，这是一个较大的问题，一直困扰着人们。20世纪80年代，随着相关科学技术的迅猛发展，计算机、自动化、微电子等技术越来越成熟，管道机器人的发展进入了一个新的时期。
在国外[1~7]，1998年，德国H. B. Kuntze等开发了一种管道机器人，可以执行探测管道故障的任务；1999年，西班牙人JorgeMoraleda等开发了以水向后喷出形成的作用力作为驱动器的管道机器人，可以在管道内进行故障检测和动态检测；1999年，日本东京工业大学Shigeo Hidetaka等采用伺服电机、传动机构、斜轴驱动轮构成螺旋推进运动，研制出螺旋轮管道机器人系统；日本东京油气有限公司曾开发出世界上第一台无缆管道爬行机器人；TOKYO Toshiba 公司开发了世界上第一台微型管道检测机器人。此外，韩国的ASIA PROTECH 公司所研制的管道清洁机器人在世界上有很成功的应用。2007年韩国汉阳大学Lim等设计了一种气囊式蠕动式小口径管内机器人，该机器人巧妙地采用一根气管对三个气囊进行顺序充气或排气，实现了机器人本体的前进与后退，并在此基础上成功研发了直径为 10mm的试验样机。
2012年，中国矿业大学的魏明生等人针对管道机器人在金属管道内行进的跟踪定位问题，对管道机器人的无线电磁自适应定位技术进行了研究，设计了一种如图11所示的由管内电磁脉冲发射和管道外传感器接受装置组成的定位系统，定位误差最大为27.5cm[8]。
图11 定位系统原理图
电缆作为管道机器人的供能装置，也存在很多问题，刘向权等人在管道机器人电缆恒张力控制系统方面进行了研究，希望能够实现电缆的自动收房。该控制系统分为两个子系统：硬件系统设计，软件系统开发。能够实现绞盘随着管道机器人的运行实时进行电缆的收放，同时还能保证电缆线处于恒张力状态，有效的防止了电缆的堆积和拉断[9]。此外，上海交通大学的陈雯雯等人研究设计了一种结肠诊疗微型管道机器人，如图12所示，可以携带摄像头观察肠道影像，也可以对结肠进行热疗手术。缺点是抗干扰能力弱[10]。
图12 结肠诊疗机器人
哈尔滨工业大学的杜爱国等人提出了宏—微机器人遥控焊接核环境管道，采取重力补偿、自适应装配、弧长自动调节等技术，可以代替人工进行核设施管道的焊接维修，优点是灵活、迅速、焊接质量高[11]。中国矿业大学的张峰设计了一种可以一定程度上适应管道内径变化的煤矿管道检测机器人，在行进途中遇到管道直径发生变化时，可通过变径驱动电机促使相应的机构来调整管道机器人的直径，实现在多种管道内执行任务的功能[12]。
1.2.1 蠕动式管道机器人
蠕动式管道机器人是基于蚯蚓运动的原理开发出来的一种机器人，起初形态较
小，应用范围有限。但是随着科学技术的不断发展，人们也开发出了体型较大的管道机器人，适用范围也越来越广泛。一般来说蠕动式管道机器人的运动部件由前后端的固定部件和中间的驱动部件组成。其运动原理是：头部与接触面接触固定，蠕动部分带动尾部一起前行，随后尾部固定，蠕动部分带动头部前行。鉴于管道内部环境恶劣难
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/3291.html
