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流体驱动式管道机器人驱动特性研究
作 者: 王文飞
导 师: 唐德威
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 机械设计及理论
关键词: 管道机器人 流体驱动 速度波动 振动 节流
分类号: TP242.2
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 68次
引 用: 1次
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内容摘要
流体驱动式管道机器人依靠首尾两端流体介质的压力差实现自驱动,很好地解决了能源供给问题,尤其适合长距离在役油气管线的检测作业。然而,此类管道机器人多无自主行走能力,运行过程中经常出现时走时停或时快时慢的速度波动现象。速度波动不仅会造成机器人本体的损伤,还会严重影响检测数据的精度,甚至导致检测数据不可用。本文在分析机器人速度波动机理的基础上,设计了一种具有速度控制功能的新型管道机器人驱动单元,并对其驱动特性进行了理论分析和实验验证。本文分析了管道机器人速度波动机理,确定了产生和维持速度波动的主要原因。对机器人进行动力学分析,建立了机器人速度波动的数学模型。通过数值仿真得到了机器人速度波动特性曲线,确定了各参数对速度波动的影响。在理论分析的基础上,提出了多种驱动方案,包括振动减摩方案,调节法向压力方案和调节流体压力差方案。引入了振动减摩宏观力学模型,建立了基于流体力学的节流调速理论模型。通过方案比较和优选,将凸轮振动减摩方案和双盘节流调速方案综合在一起,使驱动单元具备双重速度调节功能。完成了流体驱动式管道机器人驱动单元的设计和分析,利用三维设计软件建立了驱动单元整体装配模型。分析了驱动单元各系统的功能及工作原理,建立了振动执行机构的动力学模型,推导了流体驱动力与节流盘开口夹角的关系表达式,对辅助支撑系统进行管径适应能力分析和整体受力分析。搭建了流体驱动式管道机器人驱动特性实验平台,完成了两种简易原理样机的设计和制作。通过振动减摩性能实验和节流调速性能实验,验证了本文理论分析的正确性和驱动单元设计的合理性,为流体驱动式管道机器人技术的进一步研究奠定了基础。
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全文目录
摘要 3-4 Abstract 4-6 目录 6-9 第1章 绪论 9-21 1.1 课题的背景及来源 9-11 1.2 课题研究的目的和意义 11 1.3 流体驱动式管道机器人发展状况 11-20 1.3.1 流体驱动式管道机器人的发展历程 11-13 1.3.2 国外流体驱动式管道机器人研究现状 13-17 1.3.3 国内流体驱动式管道机器人研究现状 17-20 1.4 课题主要研究内容 20-21 第2章 流体驱动式管道机器人速度波动机理研究 21-38 2.1 管道机器人速度波动现象分析 21-24 2.1.1 管道机器人速度波动的外部影响因素 21-22 2.1.2 管道机器人速度波动产生的原因 22-23 2.1.3 管道机器人速度波动过程描述 23 2.1.4 管道机器人速度波动的几种情况 23-24 2.2 管道机器人速度波动的数学模型 24-29 2.2.1 力学模型的简化 24-26 2.2.2 管道机器人受力分析 26-27 2.2.3 速度波动现象的动力学分析 27-29 2.3 管道机器人速度波动的数值仿真分析 29-36 2.3.1 运动时摩擦阻力突然增大的情况 30-32 2.3.2 运动时摩擦阻力突然减小的情况 32-33 2.3.3 静止时摩擦阻力突然减小的情况 33-35 2.3.4 三种情况的比较 35-36 2.3.5 数值仿真结果讨论 36 2.4 本章小结 36-38 第3章 流体驱动式管道机器人驱动方案研究 38-51 3.1 管道机器人驱动方案设计原则 38-39 3.1.1 降低摩擦阻力突变值ΔF 38 3.1.2 降低速度影响系数α 38-39 3.1.3 调节流体压力差 39 3.2 振动减摩方案 39-44 3.2.1 振动减摩的理论依据 39-43 3.2.2 振动减摩方案设计 43-44 3.3 调节法向压力方案 44-45 3.3.1 调节法向压力的理论依据 44 3.3.2 调节法向压力方案设计 44-45 3.4 调节流体压力差方案 45-49 3.4.1 调节流体压力差的理论依据 45-48 3.4.2 调节流体压力差方案设计 48-49 3.5 合理选用密封圈材料 49-50 3.5.1 选用密封圈材料的理论依据 49 3.5.2 密封圈材料的选择 49-50 3.6 本章小结 50-51 第4章 流体驱动式管道机器人驱动单元设计与分析 51-70 4.1 管道机器人驱动单元整体设计 51-52 4.2 振动减摩系统设计与分析 52-61 4.2.1 振动减摩系统的工作原理 52-53 4.2.2 驱动机构设计 53-54 4.2.3 凸轮机构设计 54-56 4.2.4 执行机构设计 56 4.2.5 振动减摩系统理论分析 56-61 4.3 节流调速系统设计与分析 61-65 4.3.1 节流调速系统的工作原理 61-62 4.3.2 转盘机构设计 62-63 4.3.3 密封圈组件设计 63 4.3.4 节流调速系统理论分析 63-65 4.4 辅助支撑系统设计与分析 65-69 4.4.1 辅助支撑系统的结构和功能 65-66 4.4.2 辅助支撑系统理论分析 66-69 4.5 本章小结 69-70 第5章 流体驱动式管道机器人驱动特性实验研究 70-76 5.1 管道机器人驱动特性实验平台 70-71 5.2 振动减摩性能实验 71-73 5.2.1 驱动单元原理样机 71 5.2.2 振动减摩实验方案 71-72 5.2.3 实验结果分析 72-73 5.3 节流调速性能实验 73-75 5.3.1 驱动单元原理样机 73 5.3.2 节流调速实验方案 73-74 5.3.3 实验结果分析 74-75 5.4 本章小结 75-76 结论 76-77 参考文献 77-82 致谢 82
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人 > 工业机器人
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