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应用于微小管道检测机器人的压电冲击驱动机构：建模与优化设计

作　者: 熊信文
导　师: 刘长军; 章文俊
学　校: 华东理工大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 管道机器人 摩擦-惯性 压电驱动 冲击驱动
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


在工业中,管道检测是非常重要的工作。本文以管道检测机器人的工业应用为背景,对其进行研究。目前微小管道机器人检测技术的研究很多,但离实现工程实际应用仍然存在较大差距。其主要问题有以下三个方面：(1)机器人的负载能力不足；(2)机器人的运行速度慢：(3)管道内径和管道内壁状况的不均匀造成管道机器人的工作稳定性差。本文主要围绕前两个方面的问题展开研究。本文的主要思路是应用摩擦惯性驱动原理驱动机器人自主运行,并采用压电驱动效应来增加机器人的负载能力。文中在综合应用上述两种原理的基础上,对应用于管道的自主运行的机器人驱动机构进行研究。本文主要研究有：(1)着重考虑压电驱动器质量对驱动机构运动性能的影响,建立基于压电-摩擦驱动惯性原理的管道检测机器人驱动机构的动力模型；(2)基于建立的模型,优化设计该机构,使之适用于管道检测；(3)搭建实验平台与制备样机验证文中所构造的模型和优化设计的合理性。文章的研究结论如下：(1)为了构造可以更为精确地应用于预测和模拟的压电-摩擦惯性驱动机构的动力模型,考虑压电驱动器本身的质量意义重大；(2)输入电压和系统质量的综合考虑对优化系统性能具有重要意义。本文现阶段的研究为管道检测机器人特别是压电摩擦惯性驱动机构的研究领域注入了新的知识。创新之处有建立了包括压电驱动器质量的运动模型、研究分析了输入电压和系统质量对系统驱动性能的影响。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-20
  1.1 概述  10
  1.2 管道检测机器人驱动机构研究现状  10-17
    1.2.1 电机驱动  10-12
    1.2.2 功能材料驱动器  12-15
    1.2.3 气、液压驱动  15-16
    1.2.4 电磁驱动  16-17
  1.3 微型管道机器人驱动方式特点分析  17-19
  1.4 论文研究主要内容  19-20
第2章 压电材料特性分析  20-27
  2.1 引言  20
  2.2 压电材料的特性分析  20-24
    2.2.1 压电晶体的压电性  20-22
    2.2.2 机电耦合系数  22-23
    2.2.3 其他性质  23-24
  2.3 压电驱动器的材料选取  24-26
  2.4 小结  26-27
第3章 压电摩擦惯性驱动理论建模  27-43
  3.1 引言  27
  3.2 压电驱动机构的确定  27-31
    3.2.1 压电摩擦-惯性驱动原理分析  27-29
    3.2.2 压电驱动器  29-30
    3.2.3 压电驱动机构的选择  30-31
  3.3 压电摩擦惯性驱动机构的建模  31-42
    3.3.1 系统动态模型  31
    3.3.2 包含压电质量的系统动态模型的建立  31-39
    3.3.3 摩擦力的确定方法  39-41
    3.3.4 压电驱动力Fp的确定方法  41-42
  3.4 小结  42-43
第4章 微管道检测机器人的驱动机构设计  43-62
  4.1 引言  43
  4.2 微检测机器人驱动机构的设计要求  43-45
  4.3 驱动机构关键参数的确定  45-47
  4.4 基于模型的仿真设计  47-57
    4.4.1 主物块的摩擦力设计  48-50
    4.4.2 驱动电压波形的设计  50-57
  4.5 改变正压力的优化设计  57-61
    4.5.1 有向摩擦表面  58
    4.5.2 改变正压力  58-59
    4.5.3 基于管道环境的新的改变正压力的方法  59
    4.5.4 仿真分析改变正压力对系统速度的影响  59-61
  4.6 小结  61-62
第5章 实验测试与结果分析  62-72
  5.1 实验样机的制备  62-63
  5.2 样机驱动与测试系统  63-64
  5.3 实验内容与方法  64-65
    5.3.1 实验内容  64
    5.3.2 实验测试方法  64-65
  5.4 实验过程与结果分析  65-70
    5.4.1 驱动电压对驱动机构运动性能的影响以及模型的验证  65-69
    5.4.2 主物块和反冲体质量对机构的运动性能的影响  69-70
  5.5 结论  70-72
第6章 总结与展望  72-73
  6.1 总结  72
  6.2 展望  72-73
参考文献  73-78
致谢  78

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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
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