柔性蠕动管道机器人的力学特性分析

为提高对管道复杂环境的适应性,实现机器人平稳、可靠行走,对柔性蠕动管道机器人进行了结构优化设计和力学特性分析.该机器人由前机体、导向头、后机体、柔性弹簧轴和行走轮组成,在管道中可实现蠕动行走,并能在一定范围内自主适应管道内径和形状的变化.通过机器人运动特性分析,对机器人在管道内行走时的支撑力、行走牵引力及通过弯管时的受力进行了分析,并分别建立了数学模型.根据机器人驱动力和阻力的分析结果,推导了机器人蠕动行走的条件.搭建了实验测试平台,对机器人进行实验的结果证明了设计和分析的有效性.     

蠕动式管道机器人结构设计与运动特性分析

为提高管道机器人在管道内行走的安全性及可靠性,本文针对管径为457 mm的天然气运输管道,设计一款液压驱动蠕动式爬行管道检测机器人,用以对管道内壁的损伤及管体腐蚀开裂情况进行离线检测。根据管道内工况需求,利用蠕动爬行原理对管道机器人整体结构设计。计算管道机器人的驱动能力和越障能力,并采用多体动力学仿真技术对其进行分析,得出管道机器人运行过程中所能达到的最大驱动力及能够通过的最大障碍高度,并制作了物理样机并对其各项性能进行测试。结果表明：管道机器人的运动特性与理论分析结果一致,机器人运行过程平稳可靠,能够保证足够的管道通过性能及驱动能力,可实现复杂工况下的运行和检测。     

介质流压差驱动式管道机器人的驱动、调速原理分析及结构设计

提出了一种利用管道所传输的流体介质本身的能量完成驱动和调速的管道机器人.该机器人完全浸润在充满流动介质的管道内,利用流体自身压力以及流体速度的能量获得驱动力,机器人由管内流体的流动推进.研究中发现机器人行走时主要需要克服惯性质量以及与管壁之间的摩擦阻力的影响,而对于不同的流体介质及应用场合,机器人需要根据工作要求自动进行速度调节,通过对机器人的结构和尺寸进行合理设计,根据管道内的流体力学条件,设计出速度控制装置,实现机器人速度可调.     

支撑轮式管道机器人牵引机构结构设计

管道机器人可以在油气管道内进行特殊作业,运动方式是其核心。介绍了一种新型管道机器人牵引机构,采用支撑轮式运动方式。首先介绍了机构的整体设计和技术特点,并详细阐述了驱动机构和支撑机构的设计方案和工作原理,同时对其力学特性进行了分析。该机构行走速度快,驱动能力强,工作可靠并可以适应较大的管径变化,可以用于油气管网作业。     

前轮驱动自行车机器人直线运动的控制实现

提出一种无配重调节器的前轮驱动自行车机器人的欠驱动力学模型,重点讨论了仅靠前轮驱动和车把转动实现水平面直线平衡行走的控制方法.通过转弯半径分析推导出用前轮速度和车把速度表示的系统动能,采用拉格朗日方法建立系统的力学模型.以此为基础,将有驱动输入的前轮、车把转角线性化,将欠驱动的车架横滚角作为内部动态,设计出机器人的直线运动平衡控制器.仿真控制结果验证了控制策略的有效性.样机实验结果进一步证明了控制器可以在合理输入力矩下实现自行车机器人的直线平衡行走.     

高压直流巡检机器人的磁力驱动方法

针对架空高压输电线路轮臂式巡检机器人易打滑问题,提出基于高压直流磁场的磁力驱动方法.利用载流线圈在高压直流磁场中受到的安培力作为牵引机器人移动的驱动力,取代以电机驱动的轮轨式移动方式,从而彻底消除打滑问题.根据高压直流输电线路周围的磁场特性和对机器人驱动力的要求,建立实现磁力驱动力的物理模型,分析磁力驱动力与物理模型尺寸及线圈匝数之间的关系,提出利用磁场力来平衡横风力矩的方法.利用COMSOL软件对磁力驱动模型进行仿真,将磁力驱动力的仿真结果与理论计算值进行比较分析.结果表明,提出的磁力驱动方法理论上是正确的.依据提出的磁力驱动模型建立磁力驱动装置并进行实验,实验结果表明,提出的磁力驱动方法在技术上是可行的.     

欠驱动双足步行机器人动力学建模与稳定性分析

对具有膝关节的欠驱动双足行走机器人的被动行走步态进行了建模与数值仿真,分析了该模型被动行走步态的动态过程及机器人质量分布的优化配置问题,通过大量的仿真,验证了所选参数的合理性.通过建立具有膝关节自由度的被动步态模型,揭示双足行走的动态特性,能对欠驱动双足步行机器人原型机的机械设计提供参考.     

直进轮式微型管道机器人的行走系统设计

微型管道机器人是一种适合小口径管内移动作业的微型机器人,其移动机构是机器人研究领域重要的研究内容之一.介绍了直进轮式微型管道机器人行走机构的设计.提出了管道内受限微机器人的动力学模型,并分析了微型管道机器人的动力学稳定性.该移动机构具有结构紧凑,驱动效率高,安装方便,工作可靠,成本较低的特点.     

机械差速式管道机器人运动特性及仿真分析

针对支撑轮式管道机器人在过弯时驱动轮与管道内壁易发生打滑的问题,设计了一种可适应140～150 mm管内径的机械差速式管道机器人.对机器人的结构组成及驱动原理进行了介绍,建立了机器人变径支撑、越障条件及过弯阶段的理论模型.运用ADAMS软件对管道机器人进行运动仿真分析.结果表明,仿真数据与理论模型分析结果误差较小,验证了该机构的合理性.本文设计的机器人驱动轮在过弯时具有差速功能,避免了与管道内壁之间的打滑,提高了运动稳定性.     

欠驱动异构式下肢康复机器人动力学分析及参数优化

针对现有外骨骼机器人人机自由度不匹配和关节对中性差的问题,提出欠驱动下肢康复机器人. 欠驱动机器人只有4个直线驱动,驱动的直线运动通过推杆和人机连接机构转化为人下肢在矢状面内的屈伸运动,带动人体进行步态康复训练. 建立机器人系统的人机耦合模型,进行模型的动力学分析,对人机耦合模型中影响动力学结果的参数进行分析,建立驱动力与肢体推动力之间的关系模型,并以推力系数最大为目标进行参数分析与优化,得到最佳的结构参数. 根据优化后的结构参数搭建康复机器人实验系统,对髋、膝关节驱动力与角度进行对比. 实验结果表明最大髋关节角度误差为2.9°,最大膝关节角度误差为6.4°,最大误差均约为9%,验证了动力学模型和参数优化结果的正确性.     

平行四杆联动式管道机器人弯管过渡阶段的速度控制

为提高平行四杆联动式管道机器人弯管过渡阶段的通过能力,提出一种基于机器人过弯偏角变化的速度控制模型。通过对机器人弯管过渡阶段的运行状态的分析,建立了机器人在该阶段运行的位姿模型,求解该位姿模型可得到机器人各驱动轮的轮心以及驱动轮与管壁接触点的位置坐标。以建立的位姿模型为基础,结合无干涉条件下的驱动轮运行速度与驱动转速之间的关系,得到各驱动轮驱动转速基于偏角变化的速比关系,即速度控制模型。对所提出的基于偏角变化的速度控制模型进行仿真验证,仿真结果与理论计算基本一致,验证了该控制模型的正确性。     

三轴差动式管道机器人的驱动特性及仿真研究

为解决轮式管道机器人弯管运行的干涉问题,研制一种具有差动运行功能的轮式管道机器人——三轴差动式管道机器人.首先介绍了机器人的结构组成和基本原理,对机器人的牵引力、越障能力等驱动特性进行分析,建立相应的理论分析模型.同时,建立机器人的虚拟样机仿真模型,对其牵引力、越障能力进行仿真研究,仿真结果与理论分析基本一致.机器人在弯管运行的仿真结果表明:机器人能够顺利通过弯管,三轴差动机构具有较好的差动效果.     

Traveling property of wheel-type pipeline robot with different configurations

In order to improve the travelling ability of the wheel-type pipeline robot in elbow section of pipeline,the model of drive ratios is proposed aiming at the pipeline robots with different configurations.Through the movement analysis of the robot with different configurations in elbow section,the pose model of the robot is established,and the coordinates of the wheel centers and the contact points can be got through the calculation of the pose model.Based on the pose model established,the corresponding drive ratios are obtained combining with the relations of the velocities of wheel centers and rotative velocities of wheels under the movement condition with no interference.The virtual simulations and prototype experiments are carried out,and the drive ratios accuracy of the model when the robot moved in elbow without interference is validated.     

一种新型石油管道检测机器人的设计

针对石油输油管道受蚀后,管壁变薄,容易产生裂缝,造成漏油的问题,设计了一种被动式石油管道检测机器人,分析了其总体机械结构和检测原理及方法。机器人通过轮伸缩机构来实现自适应管道直径的变化,万向节保证了机器人能够顺利通过一定曲率半径的弯道,提高了机器人的稳定性和灵活性。介绍了超声波检测的工作原理和具体方法。该机器人可用于输油管道的无损检测,在石油管道探测方面具有广阔的应用前景。     

邯郸市煤气管网安全性检测方案分析

邯郸市煤气管网经过20多年的运行已进入了事故多发期,出现了腐蚀漏气、防腐层老化变质等问题,因此必须对全市煤气管网进行全面的腐蚀情况普查和安全性分析。本文论述了钻孔探测法、开挖目测法及地质分析法对埋地煤气管网进行全面的普查。结果表明:主干线灰口铸铁管整体状况良好,只有局部轻度腐蚀;庭院无缝钢管腐蚀较严重;户内管道大多存在不同程度的锈蚀。对于腐蚀严重的无缝钢管进行了埋地环境调查,分析其受腐蚀的原因为土壤腐蚀、细菌腐蚀以及防腐层施工质量差。     

考虑土体阻力增长的管线轴向步进理论解

深海管线是海洋石油开采系统中重要的石油输送结构.为保证石油的流动性,在输送石油时需要对管线进行加热.管线在温度荷载循环加载的过程中会产生管线的轴向步进,使得管线出现整体性位移,严重威胁管线系统的安全.管线的一个荷载循环周期会持续很长时间,在此期间管线周围土体强度上升,管线在整个循环周期内受到的土体阻力并非定值.本文通过理论研究,分析土阻力变化前后的管线轴力分布曲线,推导了考虑单次荷载循环中土体阻力变化后轴向步进的理论解,并采用所推导的解析解对工程算例数据进行分析和计算.     

管桥耦合下管线悬索桥的动力特性和地震反应

为了研究管线悬索桥大直径管线和桥梁的耦合作用对结构动力特性和地震反应的影响,以澜沧江管线悬索桥为研究对象,利用有限元软件建立实桥模型,分析了管线悬索桥在管桥耦合作用下的动力特性,并研究了管桥耦合对桥梁地震反应的影响.结果表明,与未耦合时相比,管桥耦合作用下桥梁结构的自振周期较长,自振模态被激励的先后顺序发生变化;在地震波激励下,管桥耦合作用对管线悬索桥不同构件的受力和变形具有不同的影响,其中索塔顺桥向剪力和主梁横向位移均减小,主梁上弦杆轴力和竖向挠度均增大.在计算过程中考虑管桥耦合作用的影响能够比较真实地反映结构实际的动力特性.     

煤柱管道水力输送系统中若干环节的设计

根据煤柱管道水力输送的特点，对管道输送系统各个技术环节，如煤柱注入和排出，管道泵动力增压，管线折转和弯转，煤柱分枝管道分流等，提出了可行的设计方案和设计参数。     

爆破振动作用下邻近埋地混凝土管道动力响应特性

为保证埋地混凝土管道在爆破施工过程的安全性,采用现场监测和动力有限元数值模拟相结合的研究方法,对超浅埋地铁站通道爆破开挖邻近埋地混凝土管道的动力响应进行研究.通过建立管道拉应力峰值和振动速度峰值的函数关系,由最大拉应力强度理论得到管道的爆破控制振速.由管道不同断面最大振速与对应位置管道正上方地表振速之间关系,提出保证管道安全的地表爆破控制振速.结果表明:空管状态下,掌子面后方,管道断面底部和中部振速较为接近,顶部振速最小;掌子面前方,管道断面质点振速呈现出底部最大、中部次之、顶部最小的振动特征;沿着管道轴线方向,质点振速最大的位置出现在掌子面前方3 m管道断面底部位置.管道在空管和满水两种状态下质点振动特征基本一致,管道中水的存在能降低管道质点振速,最大降低幅度为7.3%.管道的爆破控制振速为10.84 cm/s,保证管道安全的地表爆破控制振速为4.53 cm/s.确定的爆破控制振速可以指导现场爆破施工.