山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院　陳伶　閆宏偉　范倩倩　焦彪彪　王朝陽(yáng)　楊晉

六輪支撐式管道機(jī)器人彎管通過(guò)性仿真分析

山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院陳伶閆宏偉范倩倩焦彪彪王朝陽(yáng)楊晉

針對(duì)管道機(jī)器人對(duì)彎管自適應(yīng)性差的問(wèn)題，建立彎管機(jī)器人虛擬樣機(jī)裝置模型，采用彈簧預(yù)緊支撐機(jī)構(gòu)的有源調(diào)節(jié)方式，增強(qiáng)對(duì)管徑變化的適應(yīng)性。在Motion運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境下進(jìn)行彎管約束條件下的仿真分析。通過(guò)對(duì)支撐輪上的速度曲線以及彈簧支撐機(jī)構(gòu)線性位移曲線的分析，證明該機(jī)器人在彎管內(nèi)移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和可行性。通過(guò)比較不同條件下的試驗(yàn)結(jié)果，得出在彎管內(nèi)穩(wěn)定行走的影響因素。

彎管機(jī)器人；機(jī)構(gòu)自適應(yīng)性；虛擬樣機(jī)；運(yùn)動(dòng)學(xué)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(yùn)輸工具，管道機(jī)器人在惡劣環(huán)境下對(duì)管道內(nèi)部的檢測(cè)和維修，促進(jìn)了管內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展。目前研制的管內(nèi)機(jī)器人多是針對(duì)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(duì)彎管內(nèi)的機(jī)器人進(jìn)行通過(guò)性和穩(wěn)定性分析研究具有重要的實(shí)際意義。

管道機(jī)器人若想平穩(wěn)地通過(guò)彎管處，關(guān)鍵在于尺寸幾何約束和設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)合理。而管道機(jī)器人僅從理論分析其通過(guò)性和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須通過(guò)管道內(nèi)的試驗(yàn)操作。運(yùn)用仿真分析技術(shù)可以對(duì)管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和通過(guò)彎管進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，不僅能觀察其運(yùn)動(dòng)過(guò)程，還能在虛擬環(huán)境下進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改，從而改善其性能，縮短產(chǎn)品周期，降低開(kāi)發(fā)的成本［1-3］。

本設(shè)計(jì)通過(guò)SolidWorks軟件建立計(jì)算機(jī)虛擬樣機(jī)整體模型，并針對(duì)該產(chǎn)品的工作狀況運(yùn)用Motion插件進(jìn)行彎管內(nèi)的仿真分析［4］，對(duì)彎管內(nèi)的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(jī)建模

本次設(shè)計(jì)的彎管機(jī)器人由彈簧預(yù)緊支撐機(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)、絲杠螺母有源調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1　彎管機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型

管道機(jī)器人若想通過(guò)彎管，則其整體機(jī)構(gòu)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(jī)器人外輪廓半徑；

Lmax—機(jī)器人允許最大單元體長(zhǎng)。

則機(jī)器人在彎管中的狀態(tài)簡(jiǎn)化如圖2所示。

圖2　機(jī)器人通過(guò)彎管幾何關(guān)系

在本設(shè)計(jì)中建立幾何約束條件為長(zhǎng)275mm，內(nèi)徑為265mm，適用于壓差在2～4MPa的天然氣管道內(nèi)檢測(cè)。機(jī)器人前后共有六個(gè)支撐輪呈對(duì)稱(chēng)分布，以提供足夠的支撐力，后輪與連桿機(jī)構(gòu)連接，通過(guò)彈簧被壓縮提供支撐力，初始的支撐位置由電機(jī)帶動(dòng)減速運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)絲杠螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2　運(yùn)動(dòng)約束和仿真參數(shù)設(shè)置

在完成彎管機(jī)器人的建模后，進(jìn)入Motion運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境。運(yùn)動(dòng)仿真之前，需要對(duì)建立的虛擬樣機(jī)模型添加必要的運(yùn)動(dòng)約束和設(shè)置仿真參數(shù)。裝配體模型在載入仿真環(huán)境時(shí)，軟件系統(tǒng)會(huì)把已知的零部件之間的裝配關(guān)系自動(dòng)添加運(yùn)動(dòng)副和固定約束，如轉(zhuǎn)動(dòng)副、圓柱副、球面副、萬(wàn)向副和平面副。同時(shí)定義靜止零部件和運(yùn)動(dòng)零部件，以及實(shí)體接觸約束等［6］。

在仿真之前，將彎管設(shè)置為靜止零部件，即固定顯示。彈簧預(yù)緊支撐機(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)、絲杠螺母有源調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)則設(shè)置為運(yùn)動(dòng)零部件，同時(shí)設(shè)置機(jī)器人的六個(gè)支撐輪與管道內(nèi)部為實(shí)體接觸。機(jī)器人機(jī)構(gòu)材料選擇為普通碳鋼。然后，對(duì)質(zhì)量單位、時(shí)間單位、仿真時(shí)間、重力加速度單位以及幀數(shù)等基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。因在本例支撐結(jié)構(gòu)中為壓縮彈簧支撐，故在創(chuàng)建虛擬彈簧時(shí)，選擇彈簧類(lèi)型為線性彈簧，彈性力表達(dá)式指數(shù)為1，彈簧常數(shù)設(shè)定為20N/mm，初始自由長(zhǎng)度設(shè)定為35.54mm，其中彈簧的初始仿真長(zhǎng)度即為彈簧的最小載荷長(zhǎng)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?jī)?nèi)容為彎道機(jī)器人的

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