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螺旋驅(qū)動(dòng)管內(nèi)機(jī)器人自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2017-1-20 來(lái)源：轉(zhuǎn)載 作者：-
摘要：為了提高螺旋驅(qū)動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人在直管道和不同曲率半徑彎管道中的環(huán)境適應(yīng)能力，對(duì)自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理這一問(wèn)題展開(kāi)研究。考慮管道環(huán)境特點(diǎn)，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)建模的基礎(chǔ)上，分別提出直行運(yùn)動(dòng)機(jī)理、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)理和負(fù)載能力調(diào)節(jié)機(jī)理。調(diào)節(jié)螺旋輪傾角能夠使螺旋驅(qū)動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人具有環(huán)境自適應(yīng)性，并能夠避免運(yùn)動(dòng)干涉和滾輪打滑的問(wèn)題。基于自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理，提出一種基于自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的螺旋驅(qū)動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人。自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)偏心臂反饋環(huán)境信息，并利用差動(dòng)原理改變螺旋輪傾角。動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果表明：該機(jī)器人能夠機(jī)械自適應(yīng)地通過(guò)直管和不同曲率半徑的彎管,同時(shí)能夠通過(guò)自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)負(fù)載能力。
關(guān)鍵詞：螺旋驅(qū)動(dòng)；管內(nèi)機(jī)器人；自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)機(jī)理
0.前言
管道是石油、天然氣、工廠、城市供水系統(tǒng)的主要運(yùn)輸工具。隨著使用年限的增加，管道容易出現(xiàn)腐蝕、老化、裂縫等故障。近年來(lái)，管道事故頻發(fā)，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境破壞。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)發(fā)了各種各樣的管內(nèi)機(jī)器人應(yīng)用于管道的缺陷檢測(cè)和故障維護(hù)。相比于傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方式，機(jī)器人檢測(cè)具有安全、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同，目前管內(nèi)機(jī)器人主要可以分為9類(lèi)：pig式[1]，內(nèi)窺鏡式[2]，直接驅(qū)動(dòng)輪式[3-4]，螺旋驅(qū)動(dòng)式[5-7]，履帶式[8]，腿式[9]，尺蠖式[10]，彈力支撐式[11]，仿蛇式[12]。
在眾多移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，螺旋驅(qū)動(dòng)方式具有易于微型化和能耗低的優(yōu)點(diǎn)，在小管徑管道中具有很大應(yīng)用潛力。國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者們對(duì)螺旋驅(qū)動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)行了一定研究。IWASHINA等[13]開(kāi)發(fā)的適用于20 mm管徑的螺旋驅(qū)動(dòng)原理的微小型管內(nèi)機(jī)器人；錢(qián)晉武等[14]利用螺旋驅(qū)動(dòng)原理開(kāi)發(fā)了管道渦流檢測(cè)機(jī)器人。以上機(jī)器人主要面向直管道環(huán)境，在彎管道中的運(yùn)動(dòng)能力很差。為了提高機(jī)器人的彎管運(yùn)動(dòng)能力，HORODINCA等[15]研制了適應(yīng)40mm、70 mm及170 mm管徑的多款具有萬(wàn)向軸結(jié)構(gòu)的螺旋驅(qū)動(dòng)管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人雖然能夠通過(guò)較大曲率半徑的彎管，但存在運(yùn)動(dòng)干涉和滾輪打滑的問(wèn)題NISHIMURA等[16]開(kāi)發(fā)的基于路徑選擇機(jī)構(gòu)的螺旋驅(qū)動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人雖然具有彎管和T型管道的通過(guò)能力，但面對(duì)不同曲率半徑的管道需要施加控制，而且由于滾輪不具有單獨(dú)調(diào)速的能力，依然存在運(yùn)動(dòng)干涉和滾輪打滑的問(wèn)題。以上機(jī)器人采用的是螺旋輪傾角固定的結(jié)構(gòu)，機(jī)器人的負(fù)載能力由電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)和機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)所確定。而直彎管內(nèi)的環(huán)境阻力具有較大的變化范圍，固定的負(fù)載能力限制了機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性。為了提高機(jī)器人對(duì)大范圍環(huán)境阻力的適應(yīng)性和電動(dòng)機(jī)的能量利用率，李特等[17]提出了基于螺旋輪傾角可調(diào)的管內(nèi)機(jī)器人及相應(yīng)的能量?jī)?yōu)化控制策略。
彎管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)干涉和打滑問(wèn)題會(huì)加劇機(jī)器人傳動(dòng)部件的磨損，而且不利于機(jī)器人的管內(nèi)定位和能量?jī)?yōu)化。負(fù)載能力可調(diào)能增強(qiáng)機(jī)器人對(duì)大范圍環(huán)境阻力的適應(yīng)性，有利于提高驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的能量利用率。因此，為了提高螺旋驅(qū)動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人對(duì)直管和多曲率半徑彎管的環(huán)境適應(yīng)性，需要首先對(duì)機(jī)器人的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理這一問(wèn)題進(jìn)行深入研究，以指導(dǎo)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。
本文在對(duì)螺旋驅(qū)動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人直彎管內(nèi)建模分析的基礎(chǔ)上，提出了自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理。自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理主要包括直行運(yùn)動(dòng)機(jī)理、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)理和負(fù)載能力調(diào)節(jié)機(jī)理。基于自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理，提出了一種基于自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的螺旋驅(qū)動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人。通過(guò)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析，該機(jī)器人能夠滿足自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理，并具有通過(guò)直管和不同曲率半徑彎管的能力。最后通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的有效性。
1.自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析
直彎道和各種曲率半徑的彎管道是工程管道系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。由于管道安裝位姿的不同和管內(nèi)障礙物等，作用于機(jī)器人的管內(nèi)環(huán)境阻力具有較大的波動(dòng)范圍。因此，需要考慮管道的幾何結(jié)構(gòu)和環(huán)境阻力因素，對(duì)直行運(yùn)動(dòng)機(jī)理、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)理和負(fù)載能力調(diào)節(jié)機(jī)理展開(kāi)研究。
1.1 直行運(yùn)動(dòng)機(jī)理
直管道是最基本的管道類(lèi)型，將機(jī)器人在直管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理稱(chēng)為直行運(yùn)動(dòng)機(jī)理。忽略重力對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，機(jī)器人的合速度方向始終與管道軸線方向一致。下面建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型，以研究直行運(yùn)動(dòng)機(jī)理。
圖1 直管內(nèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)系示意圖
1.2 轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)理
彎管是管道系統(tǒng)最常用的換向連接部件。彎管中，機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)類(lèi)似于汽車(chē)轉(zhuǎn)彎的過(guò)程。由于各個(gè)滾輪在相同時(shí)間內(nèi)的路徑和行程不一致，滾輪速度必須滿足一定的比例關(guān)系才能柔順轉(zhuǎn)向，以避免運(yùn)動(dòng)干涉和打滑現(xiàn)象。為了研究彎管轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)理，首先分析機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)滾輪速度與管道幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。
如圖所示 2，在全局坐標(biāo)系{O}中，彎管幾何約束方程可表示如下
式中，R 表示彎管曲率半徑，φ表示轉(zhuǎn)向角，β 表示管道徑向截面上的偏轉(zhuǎn)角。
在圖 2 中，Ri(i=1,2,3)是各滾輪的轉(zhuǎn)向半徑，vi(i=1,2,3)是各滾輪的速度分量。只有當(dāng)滿足式(11)時(shí)，機(jī)器人才能柔順轉(zhuǎn)向
圖2 彎管內(nèi)機(jī)器人轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)原理圖
圖3 彎管內(nèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)系示意圖
從圖 4 可以看出，彎管轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)理主要有以下關(guān)系。
(1) 螺旋輪傾角αi按照一定規(guī)律變化可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的彎管轉(zhuǎn)向。
(2) αi的調(diào)制規(guī)律與彎管曲率半徑有關(guān)，曲率半徑越小，αi調(diào)整的幅值越大。
(3) αi始終滿足式(18)。當(dāng)α0是常數(shù)，即螺旋輪傾角初值不變時(shí)，對(duì)等式兩邊進(jìn)行時(shí)間求導(dǎo)， iα.滿足
1.3 負(fù)載能力調(diào)節(jié)機(jī)理
管道安裝時(shí)位姿各異，受重力、摩擦阻力及纜繩阻力等的影響，管內(nèi)環(huán)境阻力變化范圍較大。因此，為了增強(qiáng)大范圍環(huán)境阻力的適應(yīng)性，需要對(duì)負(fù)載能力調(diào)節(jié)機(jī)理進(jìn)行研究。
圖4 轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)αi自適應(yīng)調(diào)制關(guān)系
負(fù)載能力是指機(jī)器人所能克服的最大環(huán)境阻力。當(dāng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)、電動(dòng)機(jī)等選定后，負(fù)載能力一般是不變的。因此，需要對(duì)機(jī)器人受力模型進(jìn)行研究，以分析負(fù)載能力調(diào)節(jié)機(jī)理。如圖 5 所示，環(huán)境阻力Fa等效地作用在機(jī)器人軸線方向，即Xs軸方向。fni和fti分別代表作用滾輪上的法向摩擦力和切向摩擦力。理想情況下滾輪不打滑，因此fni屬于靜摩擦力，fti屬于滾動(dòng)摩擦力。滾動(dòng)摩擦力相對(duì)很小，在下文分析中忽略不計(jì)。螺旋驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)1 輸出轉(zhuǎn)矩τ，其在滾輪上的等效作用力用Fτ表示。根據(jù)Xs軸上的力平衡關(guān)系可以得到負(fù)載阻力Fa的關(guān)系式
圖5 機(jī)器人受力關(guān)系示意圖
假設(shè)τ足夠大，fni,max由結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定，機(jī)器人所能承受的最大環(huán)境阻力，即負(fù)載能力(記為Fd)僅與αi有關(guān)。因此，負(fù)載能力調(diào)節(jié)機(jī)理有如下關(guān)系。
通過(guò)以上分析，自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理對(duì)螺旋驅(qū)動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人的螺旋輪傾角具有以下約束：① 1 個(gè)輸入控制3 個(gè)螺旋輪傾角輸出；② 3 個(gè)角速度之和等于輸入角速度的3 倍；③ 3 個(gè)螺旋輪傾角之和等于輸入角度的3 倍；④ 3 個(gè)角速度可以成任意比例。這些特性與三軸差速機(jī)構(gòu)的特性相符。0 α. 看作三軸差速機(jī)構(gòu)的輸入，αi看作輸出。通過(guò)合理的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)，可以滿足自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理的要求。因此，融合自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理約束，可以得到如圖6 所示的機(jī)器人整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。該機(jī)器人主要由保持體單元、旋轉(zhuǎn)體單元兩大部分組成。
圖6 基于自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖
保持體單元主要包含保持架、螺旋驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)1、三組120°對(duì)稱(chēng)分布的彈性支撐臂和彈性臂末端的被動(dòng)滾輪。彈性支撐機(jī)構(gòu)保證末端被動(dòng)滾輪實(shí)時(shí)地與管道內(nèi)壁緊密接觸，而不受管道安裝位姿的影響。電動(dòng)機(jī)1 固定在保持架上，經(jīng)過(guò)減速器后通過(guò)聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞給旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)架。旋轉(zhuǎn)體在電動(dòng)機(jī)1 的驅(qū)動(dòng)下整體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
旋轉(zhuǎn)體單元主要包括旋轉(zhuǎn)架、自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和三組120°對(duì)稱(chēng)分布的彈性支撐臂。彈性臂末端的螺旋輪傾角由自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制。旋轉(zhuǎn)體單元旋轉(zhuǎn)，使被動(dòng)滾輪對(duì)管道內(nèi)壁產(chǎn)生作用力，該作用反力推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。
以上就是融合自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理約束，提出的一種基于自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的螺旋驅(qū)動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人。
2.2 彈性支撐機(jī)構(gòu)
保持體單元和旋轉(zhuǎn)體單元各有3 組彈性支撐機(jī)構(gòu)，兩者稍有不同。如圖7a 所示的是安裝在保持體上的彈性支撐機(jī)構(gòu)。它主要由滑桿、套管、滑塊和被動(dòng)滾輪組成。滑塊在滑槽中的移動(dòng)能夠改變彈性支撐機(jī)構(gòu)的整體長(zhǎng)度。而裝在套管內(nèi)的壓縮彈簧使彈性臂具有一定的柔性，增加了機(jī)器人對(duì)臺(tái)階、彎管等不規(guī)則結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應(yīng)性。
如圖 7b 所示，旋轉(zhuǎn)體單元的彈性支撐機(jī)構(gòu)增加了軸承和傘齒輪。軸承使彈性臂具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。傘齒輪與彈性臂末端固連，并與自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出齒輪相配合。這樣，彈性支撐機(jī)構(gòu)能夠在自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制下改變螺旋輪傾角的角度，從而增加了機(jī)器人對(duì)管道環(huán)境的適應(yīng)性。
圖7 彈性支撐機(jī)構(gòu)
2.3 自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理
自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)利用差動(dòng)原理和管道環(huán)境約束力調(diào)節(jié)螺旋輪傾角，以滿足螺旋驅(qū)動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理需求。
如圖 8 所示，自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)以小功率電動(dòng)機(jī)2 作為輸入，三個(gè)與螺旋輪傾角固連的傘齒輪作為輸出。電動(dòng)機(jī)2 外殼固定在旋轉(zhuǎn)架上，并通過(guò)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給行星輪系1 的行星架H1。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)使動(dòng)力傳遞具有單向性，在電動(dòng)機(jī)2 掉電的情況下也能使行星架H1 保持不動(dòng)。三個(gè)120°對(duì)稱(chēng)放置的行星輪2 通過(guò)軸承與行星架H1 相連。太陽(yáng)輪1 作為輪系的一個(gè)輸出端。環(huán)齒輪3 與行星輪系2 的行星架H2 同軸且相連。行星輪4 和4′共軸并通過(guò)軸承與行星架H2 相連。太陽(yáng)輪6 和環(huán)齒輪5 是輪系的另外兩個(gè)輸出。兩組行星輪系組成一個(gè)三軸差速機(jī)構(gòu)。行星架H1 是三軸差速輪系的輸入，太陽(yáng)輪1、太陽(yáng)輪6 和環(huán)齒輪5 是差速輪系的三個(gè)輸出。輪系輸出分別通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制彈性臂上的螺旋輪傾斜角。以太陽(yáng)輪6 為例：直齒輪6′與直齒輪7 咬合，并通過(guò)傘齒輪7′和8 變換旋轉(zhuǎn)方向，傘齒輪8 與彈性臂桿相連，從而控制螺旋輪傾角。
圖8 自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖
圖9 直管內(nèi)環(huán)境阻力反饋示意圖
從機(jī)器人進(jìn)入彎管開(kāi)始，由于結(jié)構(gòu)變化，各滾輪受到不同的附加力。在偏心臂機(jī)構(gòu)的反饋下，作用于彈性臂軸向的附加阻力矩也不同，導(dǎo)致阻力矩Mr1≠Mr2≠Mr3，為了使受力重新平衡，避免運(yùn)動(dòng)干涉和打滑，自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作。根據(jù)最小能耗原理，行星輪2、行星輪4 和行星輪4′開(kāi)始自轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)iα. ，使αi在α0附近變化，從而使?jié)L輪速度滿足式(11)。由于旋轉(zhuǎn)體是始終旋轉(zhuǎn)的，各滾輪的移動(dòng)路徑也在實(shí)時(shí)改變，因此自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)一直工作以滿足轉(zhuǎn)向速度需求。
2.4 自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的有效性分析
自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸入與輸出特性與其機(jī)構(gòu)配合關(guān)系和齒輪傳動(dòng)比有關(guān)。為了驗(yàn)證自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的有效性，即能否滿足自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理的要求，需要對(duì)自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和受力關(guān)系進(jìn)行分析。
自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的爆炸視圖如圖10 所示。電動(dòng)機(jī)2 是該機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸入，其與行星架H1 的角速度關(guān)系如下
圖10 自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)爆炸視圖
3 仿真驗(yàn)證
為了驗(yàn)證基于自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的螺旋驅(qū)動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人在直管和各種曲率彎管中運(yùn)動(dòng)的有效性，在動(dòng)力學(xué)仿真軟件中做了3 組試驗(yàn)。分別是直行運(yùn)動(dòng)機(jī)理、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)理和負(fù)載能力調(diào)節(jié)機(jī)理驗(yàn)證試驗(yàn)。表1 中是機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù)。
表 1 機(jī)器人參數(shù)
3.1 直行運(yùn)動(dòng)機(jī)理仿真驗(yàn)證
機(jī)器人在內(nèi)徑為 150 mm的水平直管道中運(yùn)動(dòng)。螺旋輪傾角αi在初始時(shí)刻都等于15°。電動(dòng)機(jī)1 以3rad/s的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。如圖11 所示，αi的值有微小波動(dòng)，但基本保持在15°附近，而且αi之和始終滿足式(18)。在重力作用下彈性支撐機(jī)構(gòu)不等長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)非完全對(duì)稱(chēng)，各滾輪移動(dòng)速度不嚴(yán)格相等。因此αi自適應(yīng)地微調(diào)角度，以保持各滾輪具有一致的前進(jìn)速度。
圖11 直管內(nèi)螺旋輪傾角調(diào)制關(guān)系
由此可以看出，本文提出的機(jī)器人能夠滿足直管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)需求。
3.2 轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)理仿真驗(yàn)證
為了驗(yàn)證機(jī)器人在不同曲率半徑的彎管道中運(yùn)動(dòng)的有效性，在仿真中選擇了225 mm和300 mm兩種曲率半徑的彎管。初始角α0都是15°。圖12 顯示了曲率半徑為225 mm時(shí)的運(yùn)動(dòng)結(jié)果。機(jī)器人在2s處開(kāi)始進(jìn)入彎管，αi在自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的自動(dòng)調(diào)節(jié)下開(kāi)始隨管道結(jié)構(gòu)變化被動(dòng)改變。在4 s時(shí)，機(jī)器人完全進(jìn)入彎管，αi的曲線幅值達(dá)到最大±19°，并在4 s到6 s之間變化規(guī)律穩(wěn)定。從第6 s開(kāi)始，機(jī)器人開(kāi)始駛出彎管，進(jìn)入直管。αi逐漸回歸到15°附近，以適應(yīng)直管的管道結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：基于自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人能夠機(jī)械自適應(yīng)地通過(guò)彎管道環(huán)境。
為進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)器人對(duì)不同曲率半徑彎管的適應(yīng)能力，圖13 給出了曲率半徑為300 mm時(shí)的仿真結(jié)果。可以看出，αi的曲線與圖中曲線變化規(guī)律基本一致。唯一不同的是αi的曲線幅值在最大處只有將近±17°。這是因?yàn)榍拾霃皆龃螅瑥澒芙Y(jié)構(gòu)變化相對(duì)較小，因此機(jī)器人各滾輪的速度分量vi相差較小，導(dǎo)致αi的調(diào)節(jié)幅度也比較小。
圖13 R=300 mm 彎管內(nèi)螺旋輪傾角調(diào)制關(guān)系
因此兩個(gè)仿真結(jié)果表明機(jī)器人可以自適應(yīng)地通過(guò)不同曲率半徑的彎管。
3.3 負(fù)載能力調(diào)節(jié)機(jī)理仿真驗(yàn)證
如圖 14 所示，機(jī)器人在一個(gè)豎直放置的直管道中運(yùn)動(dòng)，并在機(jī)器人軸向上作用一個(gè)20 N的阻力。如圖14a所示，首先讓機(jī)器人以α0等于40°開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，可以發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在阻力作用下無(wú)法前進(jìn)。這說(shuō)明機(jī)器人在α0等于40°的情況下無(wú)法提供足夠大的負(fù)載能力以克服包含重力和摩擦阻力在內(nèi)的環(huán)境阻力。圖14b所示，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)2 減小α0，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)α0等于30°的時(shí)候機(jī)器人能夠前進(jìn)，但運(yùn)動(dòng)不夠穩(wěn)定，依然伴隨打滑現(xiàn)象。如圖14c所示，當(dāng)α0等于15°時(shí)，機(jī)器人能夠穩(wěn)定的前進(jìn)。仿真結(jié)果說(shuō)明：通過(guò)改變α0的大小，能夠有效地改變機(jī)器人的最大負(fù)載能力。
4.結(jié)論
(1) 本文提出了螺旋驅(qū)動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人在直管、多種曲率半徑彎管和大范圍環(huán)境阻力管道內(nèi)的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理，主要包括直行運(yùn)動(dòng)機(jī)理、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)機(jī)理和負(fù)載能力調(diào)節(jié)機(jī)理。基于自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)理，本文提出了一種基于自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的螺旋驅(qū)動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人。該機(jī)器人通過(guò)自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠以主動(dòng)控制和被動(dòng)自適應(yīng)兩種方式改變螺旋輪傾角，從而適應(yīng)管道環(huán)境。
圖14 機(jī)器人在相同負(fù)載外力以不同α0運(yùn)動(dòng)示意圖
(2) 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果表明：基于自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人能夠順利通過(guò)直管道和不同曲率半徑的彎管道；通過(guò)自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入電動(dòng)機(jī)調(diào)整螺旋輪傾角能夠有效改變機(jī)器人的負(fù)載能力。wen 5
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