水下油气管道外检测机器人设计及其动力学分析

油气管道由于腐蚀、外力等原因会造成管壁变薄,发生穿孔、泄漏和开裂等事故。管道投入运行时间和管道长度不断增加,以及工作环境日趋恶劣,加大了水下油气管道的检测难度。基于SolidWorks软件设计了一款用于检测水下油气管道腐蚀缺陷的机器人,包括管道直行机构和旋转小车,并对关键零部件及控制系统进行了分析设计;通过ANSYSFLUENT软件模拟不同水流速度、不同移动速度下机器人壁面受力情况,分析水流速度、移动速度对机器人前端壁面受力的影响规律,发现：随着水流速度与移动速度不断增大,机器人前端壁面受力不断增大,但当移动速度增大到0.4m/s时,变化不再明显;计算得到最大阻力为170.77N,所选用推进器最大推力为110.74N,因此采用双推进器驱动能够支撑机器人前移,满足设计要求。     

无源管道机器人推进系统的摩擦阻力计算

皮碗式机器人在输气管道内运行需要克服与管壁间摩擦力的影响,研究摩擦力与皮碗结构的关系,从而控制机器人运动速度是当前输气管道检测的重要课题。文章建立了皮碗式无源管道机器人受力模型,根据力的叠加原理把皮碗与管壁间的压紧力分解成圆筒壁挤压力和悬臂梁的弯曲力,推导得出皮碗所受压紧力与皮碗各部分结构间的关系式。通过实例计算得出压紧力与皮碗厚度等的关系曲线,从而为机器人在输气管道内运行的速度控制提供了理论依据。     

基于简单波的无限长竖直管道内检测器运动状态研究

针对管道内检测器（包括输油和输气管道）通过盾构井时运行状态,建立了理想输气管道内检测器突然转向无限长竖直管段物理模型.基于简单波理论对该物理模型的运动状态进行了研究,并采用有限体积法进行了波动影响区的验证.分析结果表明：检测器在突然转向无限长竖直管段后会失去平衡,开始一段加速度逐渐减小的加速运动,但很快有达到另一种平衡态.     

长输管道竖向弹性敷设组合变形研究

文中提供了埋地管道弹性敷设自重作用下的变形和自重与内压共同作用下的变形及受力情况,并利用有限元软件ANSYS分析管道爬坡的垂直敷设分析自重与内压组合受力的变形及其应力,为管道弹性敷设提供参考。     

差动式自适应管道机器人的设计与运动分析研究

针对管道机器人过弯时驱动轮与管壁间的相对滑动问题以及机体对管径尺寸的适应问题,设计了采用单电机进行驱动并具有自主差动特性和自适应变径特性的管道机器人。分析了机体差动机构的传动特性,从理论上推导了管道机器人变径机构工作状态时的受力方程,得到了机器人运行时驱动轮与管壁之间的力学关系式。构建了机器人在管内的运动位姿模型,并研究了机器人在不同位姿条件下的模型中各个变量之间的对应关系。分别建立了管道机器人在弯管和变径管中运行的虚拟样机模型,最后通过仿真实验对管道机器人的自主差动特性和自适应变径特性进行了验证。研究结果表明,管道机器人可以无干涉地通过弯管,在变径管中运行时也能有效地实现自主变径,并展现出了良好的驱动性能。     

管道机器人差速转向控制研究

研究双无刷直流电机管道巡检机器人在不同工况下的转向姿态,优化机器人转向的控制方法。为分析管道机器人的运行状况,建立机器人在弯管内运行的精确位姿模型,并求得机器人驱动轮轮心以及前后驱动轴心与管内地面触点的位置,以位姿模型为基础对机器人各边驱动轮的速度进行相对性分析,得出管道机器人过弯管时各驱动轮之间的理论速度比。对机器人驱动轮与管内的正压力进行分析,建立机器人在运动中的受力分析,搭建实验平台并完成对管道机器人系统的运动性能测试,对实验结果进行分析,验证管道机器人姿态及转向理论的可实施性以及实用性。     

液液混合两相流中内螺旋管道机器人运行性能分析

作为一类重要的无创肠道机器人,目前对螺旋管道机器人的研究都是针对单相液体流,但由于各类流质食物的存在,肠道环境为液液多相流状态。采用计算流体力学(CFD)方法数值,计算内螺旋管道机器人在液液混合两相流中的轴向推进力、流体动压承载量、机器人周向阻力矩和管道内壁所受最大压力等运行性能参数。结果表明:往液体环境管道中加入另一均匀分散的高黏度液体时,随着加入液体体积分数的增大,机器人轴向推进力、流体动压承载量、机器人周向阻力矩和管道内壁所受最大压力均随之增大;当加入的高黏度液体分散不均匀时,随着加入液体体积分数的增大,机器人轴向推进力呈波浪状增大,周向阻力矩也随之增大,但基本都小于高黏度液体均匀分散时的情况。     

输气管道内检测器压力-速度模型及速度调整策略

内检测器的运行速度在输气管道无损检测过程中会影响数据检测的精度.针对内检测器运行速度调节问题进行研究,内检测器速度调节可以看作不同稳态条件下速度的变化.将漏磁内检测器与上下游气体视为一个整体,并根据流体力学原理分析了平稳状态下管道压力与内检测器运行速度之间的关系,建立了内检测器的压力-速度模型.通过所建立的压力-速度模型,计算出管道不同稳态条件下的内检测器速度,并以此作为内检测器速度调节的依据.通过在西气东输二线管道模拟运行表明该模型可以准确地计算出内检测器的运行速度并可以有效的进行速度调节.     

一种新型的微型机器人

提出了一种新型的微型机器人的驱动机构。此种微型机器人能够在充满液体的弯曲的微型管道内运行。当它在充满液体的微型管道内运行时 ,在它的周围会自动形成一层液体动压润滑膜 ,此润滑膜能避免它与管道壁发生直接接触。详细分析计算和试验研究了此种微型机器人在具有不同半径、不同粘度液体的管道内运行时的速度和形成的液体动压润滑膜厚度。结果表明 ,此种微型机器人能以较快速度在管内悬浮运行。此种微型机器人特别适用于进入人体内腔和血管     

线性直角运动机器人结构分析及优化

针对车间多工位间的物品输送,提出了线性直角运动机器人方案。该机器人通过上、下2套底盘交错运动实现横向和纵向行驶,为现代无人工厂提供了一种高效的输送方案。通过在横向和纵向2种运动状态下对底盘的受力分析和有限元计算,预测上底盘受力和变形情况,优化了机器人结构。通过制作实验样机,建立实验模拟场地,在不同速度和承载力下进行了3次运行测试,得出了承载能力、运行速度和定位精度的关系,验证了机器人结构优化的合理性,论证了该机器人技术方案的可行性。     

高速运动机器人动力学分析与研究

当机器人运行于高速条件下时,整个系统将处于一种不稳定的状态。对高速运动条件下的机器人动力学进行了深入的研究。首先,对研制的6自由度搬运机器人平台硬件结构进行了介绍。在此基础上,对高速运动的机器人的动力学表达式式进行了分析,得到了造成机器人高速运动动力学效应的状态参量—机器人的关节角θ、关节角速度θ觶与关节角加速度θ咬,结合机器人样机的PID主控制器,定性探索了机器人的动力学参量与PID控制器参量间的关系规律,为后续的控制器设计提供依据。     

基于ADAMS的垂直弹跳机器人动力学仿真

针对一种垂直弹跳机器人,利用Pro/E软件创建三维实体模型,然后利用Pro/E与ADAMS的数据接口软件Mechanism/Pro将模型及其特征参数导入ADAMS中,并在几何模型上施加适当的约束、接触力、驱动、传感器等,最后进行动力学仿真,主要分析了弹簧刚度对机器人的弹跳高度、弹跳速度和弹跳加速度等的影响.     

输电线巡检机器人行走动力特性与位姿分析

根据跨越超高压输电线路障碍物的类型,提出一种新的双臂自主越障巡检机器人机构。该机器人采用复合轮爪机构在架空地线上连续行走并跨越障碍。由于架空地线呈悬链线状,机器人在连续行走过程中会出现上坡和下坡,对行走动力特性的影响非常明显。在上坡时行走电动机提供驱动力矩,在下坡时行走电动机提供制动力矩,以保持匀速巡线。详细分析了机器人在架空地线上行走时所处的加速、匀速、减速和停止的各个状态,驱动机器人所需的驱动力矩以及它们与机构参数之间的关系,并应用优化方法给出各个状态电动机驱动力矩最小时,机器人机构参数对应的最优解,为巡检机器人的设计和控制系统方案的确定提供了理论依据。     

高速重载码垛机器人刚柔耦合模型建立及动态特性分析方法

针对高速码垛机器人高速、高加速度、大负载的工作特性,提出一种考虑关节柔性的高速重载码垛机器人结构建模及动态特性分析方法。首先,建立刚柔耦合动力学模型,对高速重载码垛机器人的关节柔性进行描述; 其次,基于建立的刚柔耦合动力学模型,对机器人的重要动态特性——振动模态进行分析; 最后,设计力锤瞬态激励实验,对2种方法的有效性进行验证。实验结果表明,该结构建模方法有效地分析了高速重载码垛机器人关节柔性的影响,动态特性分析方法有效地分析了机器人的振动模态。     

高输送气流速度下竖直管道内物料的运动分析

分析在稀相气力输送中,输送气流速度超出最佳经济速度时,物料在竖直管道中的运动情况,并提出一种在输送气流速度大于最佳经济速度时,增加气流速度以加快输送物料的解决方法。利用Fluent软件对其进行仿真模拟分析,并对不同入口气流速度对物料运动的影响进行研究分析。结果表明：在高输送气流速度下,物料在给定高度竖直管道中一直处于加速状态,且在入口处加速度较大,随着运动高度的增加,加速度逐渐减小;在物料粒径和管道内径不变时,改变入口处气流速度,物料的运动速度随着入口气流速度的增大而增大,同时管道内的压力损失也随着增大。     

8自由度移动式机器人行走数学模型

建立了一种具有非线形8自由度全方位移动轮式机器人的行走数学模型,该模型被用来控制机器人过高移动自由度冗余度产生的滑移所带来的行走不稳定性,并且能够分配机器人整体运动参数和对机器人行走进行有效的位置计算与速度预测.     

蠕动式气动软体管道机器人设计与实验

仿照蠕虫运动机理,利用自主研发的径向膨胀和轴向伸缩软体驱动器,研制了一种蠕动式气动软体管道机器人。研究了两种驱动器的结构设计和工艺流程;并进行了静力学实验,获得了驱动器静力学特性;依据轴向伸缩软体驱动器的形变原理,建立了机器人的运动学模型,获得了在不同气压、频率和负载情况下机器人的运动性能。结果表明,管道机器人具有较好的灵活性和适应性,可在一定直径范围的管道内自由爬行,爬行最大运动速度可达4.64 mm/s,负载能力为1000 g。     

大范围平动并联机器人运动学解耦与速度自适应规划

并联机器人是一种多支链、多关节、强耦合非线性系统,具有高速、高刚度和大负载等明显优势而被广泛应用到工业领域。然而,随着关节数量的增加导致该类机器人运动学解耦和高精度平稳控制的难度较大。为实现大范围平动3-RRRU并联机器人自动化轨迹跟踪和控制的平稳性,针对运动学解耦和速度自适应规划方法展开了系统、深入地研究。首先,应用DH法建立了机器人运动学模型,基于结构约束条件完成运动学解耦计算,并在S型控制策略中加入速度自适应修正机制,依据不同轨迹可自动计算并修正最大速度参数,实现自适应优化;其次,采用激光跟踪仪对机器人轨迹进行动态跟踪,对比分析了S型速度和梯型速度控制策略下的跟踪精度,梯型速度规划下其最大误差高达4.513 mm,是S型控制策略的3倍,且位置误差曲线出现多个尖峰值,说明因速度突变导致运动平稳性较差;最后,测试S型速度规划下采用自适应修正机制前、后机器人的平稳性以及轨迹跟踪精度。实验结果表明:当规划路径难以实现机器人加速到原预设最大速度时,在轨迹末端存在较大的惯性速度,产生位置尖峰误差为2.676 mm,是修正后最大误差的2.4倍,且伴随着明显的冲击效应。引入自适应修正机制后圆轨迹的起点和终点位置误差分别为0.722 mm和0.382 mm,二者相对位置偏差仅为0.34 mm,且末端定位误差相比修正前降低了一个数量级,有效解决了机器人存在惯性冲击效应的难题,大幅提高了机器人整体轨迹跟踪的精度和控制的平稳性。     

水下捕捞机器人水动力学性能分析

海参捕捞机器人在水下捕捞作业时的性能受姿态变化的影响较大，为了使海参捕捞机器人始终保持最佳性能，需要在实际应用前对不同姿态下的捕捞机器人进行水动力学分析。利用计算流体力学软件 中的RNG 湍流模型作为仿真模型，考虑到仿真计算的精度，对近壁区域的处理进行了研究，在湍流模型的基础上加入了标准壁面函数。应用该模型对水下捕捞机器人水平直航、水平斜航和垂直斜航3种姿态下的水阻力和水阻力矩进行分析。结果表明:不同的姿态将影响水下捕捞机器人所受到的水阻力和水阻力矩的大小；在水平直航时捕捞机器人受到垂直向下的作用力较大，而产生的俯仰力矩较小；在水平斜航时漂角对捕捞机器人的影响较大；在垂直斜航时捕捞机器人的垂向力和俯仰力矩均随着流速和攻角的增大而增加。