一种核管道机器人结构设计与驱动力分析

针对人工方式进行核电管道检测与维护存在效率低的问题,将管道机器人技术应用到核电站管道维护中,代替人工进行现场故障监测、异物探测和清理。设计了直径为300 mm的管道机器人的机械结构,分析了机器人在管道中的受力情况以及驱动特性。同时设计了一种全新的单电机全驱动机构,这种设计使机器人整体结构更为紧凑,提高了机器人行进速度以及驱动负载能力。并利用ADAMS动力学仿真软件对机器人驱动特性进行了研究和分析。结果表明,机器人的驱动能力能够满足实际作业需求,并且其驱动能力与摩擦系数、斜坡度有关;其中驱动力与摩擦系数成正比,即摩擦系数越大机器人的驱动力越大;驱动力与斜坡度成反比,即斜坡度越大驱动力越小。该研究结果可为后续机器人优化设计提供理论依据。     

一种水管机器人的结构和弯道通过性分析

楼房自来水旧有金属管道的内衬涂覆可有效避免水在这种管道内输送时的二次污染,从而为直饮水推广提供必要条件,但在内表面处理后没有合适的技术来进行涂覆质量的检查,利用管道机器人可以实现这一目的.文中主要讨论了直径≤50 mm,曲率半径约75 mm管道机器人的机械结构的设计,并分析了机器人在弯道处的通过性.提出了一种新型的管外驱动的方式,极大地提高了机器人的行进速度和负载携带能力.通过采用SMA(shape memory alloy)作为主动导向驱动,在视觉系统的辅助下能够顺利地通过L型和T型管道.该机器人可望具有良好的越障、转弯能力和行进速度.     

球面二自由度冗余驱动并联机器人系统动力学参数辨识及控制

以伺服电机驱动的球面2-DOF冗余驱动并联机器人为研究对象,首先,建立了机构惯性参数辨识模型,并规划了惯性参数辨识轨迹;其次,建立了机构运动副摩擦参数辨识模型和驱动系统的摩擦参数辨识模型,分别分析了二者的辨识原理,并规划了摩擦参数辨识轨迹;再次,通过辨识实验得到了机构惯性参数、机构转动副摩擦参数和驱动系统摩擦参数的辨识结果,利用辨识结果对原机构参数进行修正,获得了更为准确的机器人系统动力学模型,并通过轨迹测试实验,对辨识结果进行了验证;最后,制定了基于机器人系统动力学模型的前馈控制策略,与传统的机构运动学闭环控制策略进行实验对比,验证了该控制策略的可行性。     

螺旋推进管道机器人的驱动头与保持架调节机构设计

为了使基于螺旋推进的管道机器人能在微小的管径中获得较大的牵引力,介绍了不同的螺旋驱动头与保持架调节机构.分析了每种调节压紧机构的力学特性,并给出了计算结果,比较了各种调节机构的优缺点.应用机械系统动力学仿真软件ADAMs,建立了管道机器人的虚拟样机,通过计算机仿真得到机器人输出牵引力的仿真数据,为研制微小型螺旋式管道机器人提供,设计依据.     

一种新型管外旋转机构的设计研究

基于挠性体摩擦传动的欧拉公式和链传动理论,提出并设计了应用于X射线检测实时成像管道机器人图像采集系统中的一种新型管外同步旋转机构,并给出了管外同步旋转机构旋转平稳性和承载能力主要影响因素及其定量分析,完成了样机的制造。该机构满足了X射线实时成像检测技术的工艺要求。     

具有偏置结构的非对称惯性压电旋转驱动器

为改善惯性压电驱动器输出性能,提出了一种新型具有偏置结构的非对称惯性压电旋转驱动器。在非对称夹持的基础上,定义了一种偏置结构。为了解偏置结构对驱动器输出性能的影响,建立了机构的力学模型方程,推导并仿真分析了驱动器的动力学特性。设计、制作了试验样机,搭建了试验系统;进行了试验测试并与无偏置结构驱动器进行了性能对比。结果表明:偏置距离为15mm时,驱动器输出步距角速度最大。与无偏置结构驱动器相比,驱动电压为100V、23Hz时,驱动器输出最大角速度从3.48rad/s增加至5.39rad/s,增幅达54.88%,驱动器最大驱动力矩从2.41N·mm增加至3.62N·mm,增幅达50.2%;驱动电压为100V,4Hz时,驱动器稳定运行时的承载量达1 300g。理论与试验结果表明,提出的有偏置结构的驱动器具有输出步距角速度和驱动力矩更大的特点。     

注水管内移动机器人的驱动建模方法研究

为了满足注水管内机器人检测系统运动平稳性的要求,研究了机器人防滑转牵引驱动的动力学建模方法。通过建立驱动轮与检测系统的动力学综合模型,并适当变换控制参数,以机器人的输出牵引力为反馈输入,使驱动轮转矩跟随附着系数达到运动速度调整。仿真结果表明,驱动系统能够获得自行调节能力,维持牵引运动平稳,验证了模型的有效性与可行性。基于附着系数进行牵引力反馈输入,可以满足机器人运动控制的要求。     

基于流固耦合的管道机器人清淤装置外载荷参数优化

为验证管道机器人清淤装置的清淤能力,应用流固耦合和参数优化的方法,在刚度和强度约束条件下,对结构的许用载荷进行分析。建立管道机器人模型并进行简化,导入到ANSYS中并划分六面体网格,首先将模型进行流固耦合下的强度仿真,验证了流体对清淤装置的强度影响很小; 然后进入结构分析模块,应用参数优化的方法,以刮刀端部锥面受到轴向和切向外载荷为目标函数,以应力与应变为约束条件进行参数设置,对清淤装置的刮刀、扇形盘以及整体进行仿真计算; 得到目标函数与约束条件的关系曲线、轴向与切向可行域曲线。研究结果表明,流体对结构的强度影响极小; 轴向力许用范围0～5 000 N,切向力许用范围0～3 500 N,外载荷的可行域为研究清淤装置的清淤能力,以及过载保护系统具有指导性意义。     

基于神经网络负载波动模拟的换挡机械手动力学分析

提出了一种换挡负载波动模拟方法,分析了负载波动下的驾驶机器人换挡机械手的动力学特性。搭建了包含机械手末端负载波动模型的换挡机械手动力传递模型。在负载波动模型中,将负载分解为挂挡方向负载和选挡方向负载。提出了一种神经网络挂挡负载模型,并通过试验数据对比验证了该模型的有效性。对换挡机械手在负载波动下的动力学特性进行了分析,对末端负载变化对换挡机械手换挡轨迹跟踪的影响进行了验证。     

新型全液压重载锻造机器人机构设计及分析

针对全液压重载锻造机器人载荷大、搬运速度快和定位精度高的特点提出了一种新型机构方案,该方案能够实现车身回转、夹钳伸缩、夹钳升降、夹钳回转和钳头夹紧五个自由度的运动,其运动主体为一种混联机构,由三组平行四边形连杆机构构成,采用三组液压缸并联驱动,可有效增大机器人工作空间,使负载分配合理,易于控制。建立了运动学和动力学模型,采用正弦曲线将机器人夹钳末端的位移规划为直线运动,在MATLAB中求解出机器人的工作空间,得到了直线运动下各组液压缸的位移和驱动力变化曲线,验证了该模型的正确性和机构的合理性,为重载锻造机器人机构设计提供了一种解决方案。     

Kinematics and dynamics analysis of a quadruped walking robot with parallel leg mechanism

It is desired to require a walking robot for the elderly and the disabled to have large capacity,high stiffness,stability,etc.However,the existing walking robots cannot achieve these requirements because of the weight-payload ratio and simple function.Therefore,Improvement of enhancing capacity and functions of the walking robot is an important research issue.According to walking requirements and combining modularization and reconfigurable ideas,a quadruped/biped reconfigurable walking robot with parallel leg mechanism is proposed.The proposed robot can be used for both a biped and a quadruped walking robot.The kinematics and performance analysis of a 3-UPU parallel mechanism which is the basic leg mechanism of a quadruped walking robot are conducted and the structural parameters are optimized.The results show that performance of the walking robot is optimal when the circumradius R,r of the upper and lower platform of leg mechanism are 161.7 mm,57.7 mm,respectively.Based on the optimal results,the kinematics and dynamics of the quadruped walking robot in the static walking mode are derived with the application of parallel mechanism and influence coefficient theory,and the optimal coordination distribution of the dynamic load for the quadruped walking robot with over-determinate inputs is analyzed,which solves dynamic load coupling caused by the branches’ constraint of the robot in the walk process.Besides laying a theoretical foundation for development of the prototype,the kinematics and dynamics studies on the quadruped walking robot also boost the theoretical research of the quadruped walking and the practical applications of parallel mechanism.     

黏滑驱动式小型精密运动平台

为满足微纳操作系统对精密驱动技术的需求,本文提出了一种基于黏滑原理的小型精密运动平台。该平台将柔性铰链、惯性质量块以及弹性元件结合为独立的定子基座,并与压电叠堆、陶瓷球固连为定子,安装在平台基座底部,通过螺钉调节弹性元件端部垂直方向的位置,就可以改变定子与移动台间的预压力,进而获得最佳的驱动力。为研究黏滑驱动的运动机理,分析各参数对平台运动的影响,进行了力学建模;而摩擦力作为黏滑驱动的关键因素,为了能准确地表达黏滑驱动的摩擦机理,在力学建模中引入了LuGre摩擦模型,并利用Matlab/Simulink软件进行了仿真分析。设计加工的黏滑驱动平台的整体尺寸为40mm×40mm×18mm,质量为32g。试验表明:该平台最小可实现10nm的运动步长,速度最高可达2.5mm/s,行程为22mm。     

机器人负载惯性参数的快速辨识

机器人的惯性参数辨识是基于动力学模型控制器设计的基础,除了需要辨识机器人自身的惯性参数外,还需要快速准确地辨识负载的惯性参数。针对需要更换负载的工作场景,提出了一种快速辨识负载的激励轨迹,该轨迹不需要经过优化,即可在短时间内覆盖更多的机器人运动状态,从而获得更为全面的采样参数集,提高了辨识效率的同时增强了辨识模型的泛化能力。实验表明,辨识的结果与负载模型的CAD参数符合,机器人关节理论力矩能较好地拟合实际驱动力矩,验证了负载参数的正确性。     

水下作业机具液压系统管路动态特性的简化建模

针对一种具有长管路的水下作业机具液压系统,根据管路及其流体传输特点,基于流体传输管路动力学理论建立了考虑管路效应的液压系统数学模型,探讨了管路阻抗模型及其参数的选择。对照充液管路的质量-弹簧-阻尼模型,采用频域模型降阶方法对原管路模型进行了简化,给出了简化模型的参数计算公式并进行了仿真分析,结果表明,得到的简化模型对原模型有很高的近似度,比原模型更便于工程应用。     

基于黏滑运动原理的单自由度纳米定位台设计与动力学分析

为解决基于扫描电镜纳米操作系统定位驱动方面的关键技术,分别研制能够实现水平定位和垂直定位的单自由度纳米定位台。定位台采用黏滑驱动原理,驱动机构采用柔性铰链设计,O形调节圈的引入既实现摩擦力的精密调节又保证整体结构的紧凑。为研究黏滑驱动原理和辅助纳米定位台设计,建立单自由度纳米定位台的动力学模型。考虑压电陶瓷的动态特性和摩擦力的非线性变化,对压电驱动模型进行线性化处理,引入LuGre模型实现对摩擦力的表达。试验结果表明该动力学模型能够有效地描述黏滑定位台的运动状态。单自由度水平和垂直纳米定位台的最大外形尺寸分别为24 mm×24 mm×17 mm和24 mm×24 mm×34 mm,均具有8 nm定位分辨率和50 mm行程,最大负载质量可达66 g。利用所设计的两种纳米定位台搭建基于SEM的双探针纳米操作系统,纳米线双探针操作试验表明该两种纳米定位台完全满足SEM下进行纳米操作的要求。     

一种管道机器人的自适应主动螺旋式驱动机理分析

对变径管道的机器人爬行工况进行分析,提出了一种由液压驱动的主动螺旋式自适应爬行结构。该驱动系统分别实现了驱动轮及其螺旋转角的三轴差速运动,并通过限流系统限制了驱动轮打滑和空转时的功率输出,使系统保持稳定的驱动力。提出了以系统内部压力感知机构运动的负载变化,并通过控制各驱动轮转角来调节整体负载能力的机理,实现了由传统驱动到螺旋式驱动的相互转化。最后通过虚拟样机技术对提出的负载调节和差速运动过程进行了数值模拟。     

介质压差驱动管道机器人在线取能方法研究

提出一种摩擦轮式在线取能的研究方法,阐述了新型锥阀调节式介质压差驱动管道机器人的运行调控机理。通过分析管道机器人驱动单元在管道内工况下运行速度、压力差及所受驱动力之间的关系,得到其负载特性。进而利用CFD软件对流体系统进行建模、合理设置参数及网格划分,验证了其在实际工况下的负载特性,仿真结果表明满足管道机器人检测作业的功率需求不小于200 W。依据能量参数指标和管道行业技术要求,管道内壁正压力不大于800 N的指标,研制出了具有按需自动启动停止收放、压力可调、跨越障碍等功能的摩擦轮式在线取能单元,与驱动单元协同作业实现在线取能,并存储于蓄电池中。为管道机器人在长输管道内作业的能源供给提供了新的解决方案。     

可变胞并联机械臂样机的研制与误差分析

提出了一种通过驱动副锁定组合实现变胞的超冗余并联机械臂,其基础构型是3-PUPS并联机构,对机械臂进行了误差建模与分析,并通过标定系统测量了机械臂实验样机的定位误差。首先,提出了通过对3-PUPS机构各驱动副的组合锁定实现机械臂变胞的设计思路,从而使机械臂可以根据任务需求改变自身构型和性能;然后,采用含误差源的闭环矢量回路法,建立了机械臂3-PUPS机构的误差传递模型,并以此为基础,分析了机械臂的各误差源对其运动平台输出误差的影响规律;接着,根据各误差源对机械臂的输出误差影响程度,确定了各主要运动副配合零件的加工精度等级及公差,在此基础上研制出机械臂的实验样机;最后,采用一套高精度的工业机器人标定系统对机械臂的实验样机进行了定位误差测量,实验表明:机械臂的运动平台的位置误差均在0.005~0.038mm之间,姿态误差均在0.010~0.044°之间,位置误差比通用式工业机器人的位置重复定位精度0.05mm略有提高,姿态误差与通用式工业机器人的姿态重复定位精度0.045°相当。     

管道机器人清淤装置设计与动力特性研究

为疏通城市排污管道,设计一种新型管道清淤机器人,为证明其清淤作业的稳定性和可行性,对清淤装置进行了动力学特性研究。建立该管道机器人三维模型,对其清淤装置进行原理分析; 对清淤盘模型进行运动学建模与仿真,并将MATLAB运动仿真曲线与ADAMS运动仿真曲线进行拟合,验证运动方程的正确性; 建立清淤盘动力学数学模型,并基于ADAMS 软件进行仿真,研究动力学正、逆问题,得到扇形盘的运动曲线和受力曲线。结果表明,运动方式和运动规律满足清淤方式为刮削—搅拌—过滤—推进—四位一体的清淤作业要求,动态性能稳定。     

后坐力激励下的小型履带机器人位姿变化研究

为提高小型履带式机器人的射击精度与控制稳定性,通过有限元分析的方法研究了武器发射后坐力下小型履带式机器人位姿（位置与姿态）变化的情况;基于自动武器动力学、车辆地面力学,在有限元分析软件Abaqus中建立了某武装小型履带式机器人多体系统有限元模型;分析了缓冲器阻尼系数在0.5～4.0Ns/mm、弹簧刚度在1～8N/mm范围内对机器人最终位移量的影响,并得出了最优的缓冲器方案;分析了负载在0～5kg、仰角在0～30°的范围内对机器人最终位姿的影响,并拟合出负载与仰角关于机器人最终位姿参数的回归方程。结果表明,缓冲器的参数变化、机器人的负载与发射仰角变化均对机器人在后坐力作用下的位姿变化产生显著影响,其中机器人负载和发射仰角与最终位姿参数具有强相关性。