山西中北大學機械與動力工程學院　陳伶　閆宏偉　范倩倩　焦彪彪　王朝陽　楊晉

六輪支撐式管道機器人彎管通過性仿真分析

山西中北大學機械與動力工程學院陳伶閆宏偉范倩倩焦彪彪王朝陽楊晉

針對管道機器人對彎管自適應性差的問題，建立彎管機器人虛擬樣機裝置模型，采用彈簧預緊支撐機構的有源調節(jié)方式，增強對管徑變化的適應性。在Motion運動仿真環(huán)境下進行彎管約束條件下的仿真分析。通過對支撐輪上的速度曲線以及彈簧支撐機構線性位移曲線的分析，證明該機器人在彎管內(nèi)移動的運動平穩(wěn)性和可行性。通過比較不同條件下的試驗結果，得出在彎管內(nèi)穩(wěn)定行走的影響因素。

彎管機器人；機構自適應性；虛擬樣機；運動學仿真

引言

在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中，1管道已經(jīng)成為一種不可或缺的運輸工具，管道機器人在惡劣環(huán)境下對管道內(nèi)部的檢測和維修，促進了管內(nèi)機器人的發(fā)展。目前研制的管內(nèi)機器人多是針對水平的直管以及傾斜30°以內(nèi)的上升管道，但在變徑管道、彎管上的研究才剛剛起步，通用性較差。因此對彎管內(nèi)的機器人進行通過性和穩(wěn)定性分析研究具有重要的實際意義。

管道機器人若想平穩(wěn)地通過彎管處，關鍵在于尺寸幾何約束和設計機構合理。而管道機器人僅從理論分析其通過性和運動平穩(wěn)性是遠遠不夠的，必須通過管道內(nèi)的試驗操作。運用仿真分析技術可以對管道機器人的運動狀態(tài)和通過彎管進行動態(tài)模擬，不僅能觀察其運動過程，還能在虛擬環(huán)境下進行結構修改，從而改善其性能，縮短產(chǎn)品周期，降低開發(fā)的成本［1-3］。

本設計通過SolidWorks軟件建立計算機虛擬樣機整體模型，并針對該產(chǎn)品的工作狀況運用Motion插件進行彎管內(nèi)的仿真分析［4］，對彎管內(nèi)的機器人的運動狀態(tài)的和影響因素的分析提供了有效的方法。

1　虛擬樣機建模

本次設計的彎管機器人由彈簧預緊支撐機構、動力機構、減速機構、絲杠螺母有源調節(jié)機構組成，如圖1所示。

圖1　彎管機器人機構模型

管道機器人若想通過彎管，則其整體機構單元尺寸需滿足幾何約束條件［5］：

式中，R—彎管曲率半徑；

r—管道半徑；

d—機器人外輪廓半徑；

Lmax—機器人允許最大單元體長。

則機器人在彎管中的狀態(tài)簡化如圖2所示。

圖2　機器人通過彎管幾何關系

在本設計中建立幾何約束條件為長275mm，內(nèi)徑為265mm，適用于壓差在2～4MPa的天然氣管道內(nèi)檢測。機器人前后共有六個支撐輪呈對稱分布，以提供足夠的支撐力，后輪與連桿機構連接，通過彈簧被壓縮提供支撐力，初始的支撐位置由電機帶動減速運動機構通過絲杠螺母進行調節(jié)。

2　運動約束和仿真參數(shù)設置

在完成彎管機器人的建模后，進入Motion運動仿真環(huán)境。運動仿真之前，需要對建立的虛擬樣機模型添加必要的運動約束和設置仿真參數(shù)。裝配體模型在載入仿真環(huán)境時，軟件系統(tǒng)會把已知的零部件之間的裝配關系自動添加運動副和固定約束，如轉動副、圓柱副、球面副、萬向副和平面副。同時定義靜止零部件和運動零部件，以及實體接觸約束等［6］。

在仿真之前，將彎管設置為靜止零部件，即固定顯示。彈簧預緊支撐機構、動力機構、減速機構、絲杠螺母有源調節(jié)機構則設置為運動零部件，同時設置機器人的六個支撐輪與管道內(nèi)部為實體接觸。機器人機構材料選擇為普通碳鋼。然后，對質量單位、時間單位、仿真時間、重力加速度單位以及幀數(shù)等基本參數(shù)進行設定。因在本例支撐結構中為壓縮彈簧支撐，故在創(chuàng)建虛擬彈簧時，選擇彈簧類型為線性彈簧，彈性力表達式指數(shù)為1，彈簧常數(shù)設定為20N/mm，初始自由長度設定為35.54mm，其中彈簧的初始仿真長度即為彈簧的最小載荷長度，其所受載荷大小由壓縮彈簧、彈簧套筒和伸縮裝置單元體的重力確定。

由于本次研究內(nèi)容為彎道機器人的

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