主动避障式管道机器人结构设计及动力学仿真

为了解决轮式管道机器人在管道内越障能力不足的问题,设计一种主动避障管道机器人,并运用ADAMS进行动力学仿真分析。首先分析了管道机器人结构原理和运动特性。随后运用ADAMS建立虚拟样机,对管道机器人的避障能力、直行能力以及过弯能力进行仿真分析。仿真结果表明,该管道机器人可自动适应148～152 mm管径;可通过的最小转弯半径为304 mm;可实现在管道内部主动避障,同时具有良好的动力特性。     

油/气管道检测机器人

在轮式和履带式机器人的基础上,设计开发了一种新的管内移动机器人.机器人的3组驱动轮沿圆周方向120°均布,在轴向截面内,前后两组驱动轮布置在同一组平行四边形机构上,驱动电动机通过蜗轮蜗杆副驱动3组驱动轮,调节电动机通过滚珠丝杠螺母副和压力传感器使3组驱动轮始终以稳定的正压力紧贴在管道内壁,使机器人具有充裕并且稳定的牵引力.该机器人机构紧凑,工作可靠,适用于管径为 400～650mm的管道.     

轮式管道机器人过弯动态特性分析

为了详细地了解管道机器人过弯时的动态特性,设计了一种全驱动轮式管道机器人。基于坐标转换法,分析了机器人过弯时质心与管道中线的相对距离Δx发生变化对机器人运动特性的影响;基于力学虚功原理,分析了机器人过弯时Δx发生变化对机器人受力情况的影响。通过Adams软件对机器人过弯过程中的运动状态和受力情况进行了仿真,经分析发现管道机器人在过弯过程中,Δx先快速增大后略低速减小,在运动特性方面,随着Δx增大,外驱动轮运动速度随之增大,内驱动轮运动速度则有所减小。当内驱动轮速度达到最低时,外驱动轮与内驱动轮的速度之比会发生小幅度波动;在受力情况方面,随着Δx增大,内、外驱动轮与管壁的接触力随之增加,此仿真模型中,在入弯阶段外驱动轮和内驱动轮与管壁接触力大小之比为1.4,出弯阶段此接触力之比约降为0.9。从平稳性角度来看,与入弯和出弯两个阶段相比,过渡阶段在运动和受力上均相对不稳定,故当机器人过弯时,将Δx的变化纳入运动分析方程有利于获得其更加精确的动态特性。     

管道机器人弯管运动转体原因分析

为避免管道机器人弯管内运行时发生转体现象而影响管内任务的执行,对机器人转体的原因进行了深入研究.以建立的管道机器人弯管运行的位姿模型为基础,对机器人的受力状况进行了分析,建立了机器人过弯时的转体力矩模型.通过对转体力矩的分析,揭示了管道机器人弯管运行时发生转体的根本原因,并指出了管道机器人弯管运行的最佳姿态角.理论计算表明:当机器人以最佳姿态角运行时,机器人转体力矩几乎为0,不发生转体;当机器人以其他姿态角运行时,将出现一个不为0的转体力矩,该力矩使机器人向平衡姿态角方向转体,直至机器人姿态稳定为止.在实际应用时,使机器人在平衡姿态角运行为最佳.仿真结果与理论计算基本一致,该研究为人弯管内的姿态稳定运行提供了一定的理论依据.     

床椅一体化机器人设计与实现

针对床椅机器人在室内狭小空间灵活行走的问题,研制一款四轮独立驱动转向的床椅一体化机器人。根据室内狭小空间的转向需求,确定了底盘总体布局方案和主要技术参数。对重要部件进行了理论计算、有限元分析,对驱动轮支架进行了应力及形变分析,仿真结果表明,驱动轮支架的强度和刚度均满足设计要求。在ADAMS软件中建立了床椅机器人的动力学仿真模型,进行了稳定性分析,仿真结果表明,床椅机器人的各项指标符合国家相关标准的规定。样机试验进一步验证了仿真分析的结果,确认了床椅一体化机器人的稳定性、越障性能和在室内狭小空间的转向性能。     

基于遗传算法的插接管道焊缝扫查机器人能量最小轨迹优化

针对插接管道焊缝扫查机器人末端执行器连续轨迹规划必须满足的运动限制条件,建立了安装高度可调节的全局能量最小优化多目标组合模型,该模型综合考虑了机器人的避障、末端轨迹精度、动力学约束与冗余度能量最小优化问题.基于遗传算法给出了针对该能量最小优化模型的轨迹搜索方法.仿真结果验证了该方法的有效性,并可推广应用到其他类型机器人.     

基于遗传算法的插接管道焊缝扫查机器人能量最小轨迹优化

针对插接管道焊缝扫查机器人末端执行器连续轨迹规划必须满足的运动限制条件，建立了安装高度可调节的全局能量最小优化多目标组合模型，该模型综合考虑了机器人的避障、末端轨迹精度、动力学约束与冗余度能量最小优化问题。基于遗传算法给出了针对该能量最小优化模型的轨迹搜索方法．仿真结果验证了该方法的有效性，并可推广应用到其他类型机器人．     

关节履带式管道检测机器人越障性能优化

针对一种特殊管道内部检测,设计了一种小体积紧凑型的关节履带式机器人.根据本机器人结构设计,建立了描述机器人姿态的各参数与越障性能之间的数学关系式.探讨了该机器人在越障过程中的姿态调整对越障能力的影响.在此基础上采用最优化方法求解了该机器人的最大越障高度,并确定了适合的姿态调整方法.Matlab仿真及实验验证了该设计和优化计算对于提高机器人越障性能的有效性.     

未知环境下基于VFH+物理仿真耦合模型的机器人避障

针对传统机器人避障实验流程繁琐、实验成本高等问题,基于改进的向量场直方图算法建立算法模型,再将算法模型与动态仿真(Simulink)模块下建立的物理仿真模型相耦合,实现耦合模型的机器人避障仿真.基于改进前后两种算法的耦合模型,控制相同机器人在同一障碍物环境下进行避障实验.研究结果表明:该模型成功实现了未知环境下机器人系...     

智能机器人的模糊神经网络避障算法

针对机器人避障过程中影响因素复杂及难以建立精确模型的问题,采用超声波传感器和定位传感器获取机器人所处环境的输入信息,对其进行模糊处理,并建立三层BP神经网络,进而提出机器人模糊神经网络避障控制算法。仿真结果表明:机器人能从起点安全、无碰撞地避开途中的障碍物,顺利到达终点,实现了安全避障,进而证明该算法能够使机器人在未知环境中准确地避障。     

管道形轮腿式月球探测机器人的运动学建模

针对月球的微重力特性、地形的不连续性、部分驱动轮打滑、部分车轮短时间离开地面甚至机器人发生侧翻的复杂情况，用移动机器人在不同时刻不同斜面上的运动学模型组成机器人在崎岖不平地面上行驶的复合运动学模型的方法(TPCM)，为管道形轮腿式月球探测机器人(PWLER)建立了正向和逆向运动学模型．运用正向运动学模型，根据PWLER各驱动轮的转速可估算出机器人相对于绝对坐标系的位置和姿态．运用逆向运动学模型，根据PWLER期望的前进速度和转弯半径可确定出各驱动轮的速度．从而为PWLER在三维地形上的自主导航和路径跟踪提供了理论依据。     

管道封堵机器人锚定装置设计与分析

设计了一种电机驱动斜块式锚定装置,研究管道封堵机器人在小管径、低压力油气运输管道维抢修作业时的管道内卡紧能力.理论分析锚定齿模型,研究推力角与锚定深度及驱动力的关系;仿真分析锚定齿与管道内壁接触应力关系,验证理论研究的正确性;分析锚定齿齿尖钝化圆角对锚定深度的影响,得出径向载荷与锚定齿压入管道内壁深度的关系;搭建锚定深...     

柔性蠕动式管道机器人弯道驱动能力研究

为了研究柔性蠕动式管道机器人处于弯管处的驱动能力,从受力分析、几何约束出发,针对机器人在弯管处的驱动能力与管道曲率及机器人跨距之间的关系进行了研究.分析了机器人在弯管处的受力特征及机器人软轴失稳状态对受力特征的影响,建立了机器人通过弯管时驱动能力与管道曲率及跨距关系模型,并对模型进行了仿真和实验研究.结果表明:仿真和实验结果与理论分析基本一致,证实了所建模型的正确性和有效性,为对柔性蠕动式管道机器人软轴跨度的选取以及机器人通过弯道时步距控制提供了方法和理论基础.     

面向小孔径T形管道的气动软体机器人转向策略

近年来,新型机器人技术被广泛应用于管道的维护与检查.为了克服刚性管道机器人的局限性,提高机器人的灵活性,软材料制成的机器人已被开发并用于管道探测.由于管道内部管路分支较多,软体机器人在管道内的转向控制面临较大挑战.针对此问题,设计一种小孔径管道软体机器人,并建立运动学模型,在此基础上提出了机器人在T形弯管中的柔顺转向策略.最后,通过实验验证了转向策略的有效性和准确性.实验结果表明,提出的转向策略能有效提高软体管道机器人在T形弯管中的通过性和智能性.     

基于人手遥控学习的旋翼飞行机器人控制研究

传统旋翼飞行机器人控制方法首先需要建立本体的动力学模型,然后根据该模型进行控制器设计。但由于旋翼飞行机器人系统具有强非线性,很难得到精确模型,因此增加了控制器的设计难度。本文以人的遥控过程为研究对象分析熟练操作手和不熟练操作手两类人进行操作的过程,分别设计了可反映操作手能力水平的熟练控制器和不熟练控制器,通过分析比较建立了具有熟练操作手特点的旋翼飞行机器人单通道PD控制系统。仿真实验表明,该控制器可以使旋翼飞行机器人在悬停、前飞和侧飞3种状态下实现姿态稳定控制。     

履带式移动机器人的转向特性

为了描述履带式移动机器人的转向特性,考虑机器人履带的横向阻力为线性分布、履带与地面的接触压力为线性分布的情形,分别建立低速和高速转向时机器人的转向阻力矩模型,以表征机器人转向时所受的地面阻力矩。基于直线运动总功率与转向运动总功率之比来表明机器人转向的难易程度,分析机器人在大半径和小半径转向运动时的灵活性。采用转向功率校核电动机的额定承载能力,分析机器人的结构参数、转向半径与转向功率的关系。研究结果表明:机器人的转向半径越大,转向越灵活,外侧履带驱动轮转向功率越小;机器人滑移角越大,转向功率校核系数越大,外侧履带驱动轮功率越大;为机器人的结构参数优化和电动机的选择提供依据。     

不确定环境下集矿机环境感知与实时避障研究

通过对海底集矿机作业特点及作业环境分析可知,采用传统势场法避障要解决的关键问题主要为局部极小问题,由此提出了基于人工势场法的改进算法。重新定义势函数,对斥力函数作了改进,建立了履带式集矿机的运动学模型,并成功应用于海底不确定环境下集矿机的实时避障。仿真结果表明:改进后的避障算法能够使机器人逃离局部极小,顺利避障并到达目标,具有较强的实用性与可行性。该研究对于海底采矿及水下机器人的避障具有一定的指导意义。     

潜游式管道机器人动力学分析

分析了管道机器人在充满液体的管道中运行时的受力状况,在此基础上建立了基于欧拉参数(四元数)的潜游式管道机器人六自由度空间运动的动力学模型。对于在特定的三维弯管道内沿规划路径游动的机器人,通过流体力学仿真软件Fluent计算出机器人的流场阻力并代入该动力学模型,在Mathematica环境下可计算出机器人的受力.利用该模型进行的动力学仿真得到了机器人在确定形状的弯曲管道中游动时所需的驱动力.欧拉参数(四元数)的引入有效地避免了奇异性.     

自适应支撑式管道检测机器人的通过性设计

针对电力和石油天然气领域中直径为250～350mm管道的检测需求,设计自适应支撑式管道检测机器人,研究其在无障碍弯管与环形台阶障碍管环境下的管道通过性。首先分析管道特点,结合丝杠螺母和弹簧机构设计具有变径自适应能力的机器人行走机构;其次,建立机器人弯管运动学模型及环形台阶障碍动力学模型,进行管内运动的几何约束分析、速度协调分析和动力学分析;然后,在ADAMS中建立虚拟样机仿真平台,对机器人在弯管和环形台阶处的通过性进行仿真研究;最后,搭建机器人管道通过性试验平台进行实验验证。研究结果表明:在无障碍管和障碍管环境下,机器人运行平稳,能顺利通过;在通过弯管时,采用速度协调模型,可减少电机力矩和降低能量消耗;在跨越环形台阶障碍时,机器人电机力矩随台阶高度增大而增加,可通过不高于15 mm的环形台阶障碍。     

新型四臂巡检机器人结构设计及转向越障研究

针对巡检机器人工作任务的需求和高压输电线路障碍物的特点,提出一种由三轴复合转动关节和双轴复合转动关节串联三个杆件组成的新型四臂巡检机器人,机器人可以通过各个关节之间的配合来实现转向越障中的重力平衡.分析了机器人转向越障的重力平衡条件和转向越障的步态,并利用Adams仿真软件对转向越障整体过程进行仿真分析,最后进行了样机的实验.通过对仿真结果和样机实验的分析表明,该巡检机器人具有转向越障的能力,并能够在转向越障中保证重力平衡.