差动式自适应管道机器人的设计与运动分析研究

差动式自适应管道机器人的设计与运动分析研究

王子明

哈尔滨剑桥学院 150069

摘要：本文针对管道内检测作业的需求，设计了一种差动式自适应管道机器人，并对其进行了运动学分析。利用 ADAMS软件对差动式自适应管道机器人的越障能力进行了仿真分析，得到了其速度、加速度等运动参数的变化规律。对差动式自适应管道机器人在管道内的运动进行了动力学建模，并运用 MATLAB软件对其运动过程进行了仿真分析。结果表明：差动式自适应管道机器人的越障能力较强，速度变化范围大，且具有良好的自适应能力，其运动稳定可靠。这为差动自适应管道机器人的研制和应用奠定了基础。

关键词：差动自适应；自适应能力；运动学分析

一、差动式自适应管道机器人的结构及机构原理

差动式自适应管道机器人是一种基于“差动式”的自适应轮式管道机器人。差动机构的两个驱动轮组可以实现速度差和转速差的相互转换。差动式自适应管道机器人主要由三部分组成：①主动轮；②从动轮；③轮毂电机。

1.1机器人结构

1.1.1主动轮

主动轮是差动式自适应管道机器人的关键部件，其运动特性对整个机器人的性能起着至关重要的作用。主动轮的运动特性可由差动式自适应管道机器人的正逆运动学模型。当主动轮转动时，其可通过对主动齿轮与从动轮之间的传动比进行调节来实现对机器人前进和后退速度差的调节。由于在主动轮转动过程中，与其从动轮之间的传动比为0，因此可视为固定不变。

1.1.2从动轮

从动轮是差动式自适应管道机器人的主要执行机构，其结构设计主要由两个轮毂电机组成，其中一个轮毂电机为正转运动，另一个轮毂电机为反转运动。轮毂电机的旋转方向与主动轮旋转方向相反，而与从动轮的旋转方向相同。当主动轮在X、Y轴上做正反转运动时，从动轮也做正、反转运动，两者相互转化。

当机器人行走时，从动轮正侧与主动轮负侧之间存在转速差，所以从动轮在X、Y轴上也做正、反转运动。从动轮的转速通过从动轮正侧和负侧之间的转速差转换得到。由于从动轮正、负侧之间存在转速差，所以从动轮在X、Y轴上做正反转运动时，从动轮的转动惯量与主动轮转动惯量之间存在耦合关系，即从动轮在X轴上做正逆运动时，主动轮正侧和负侧的转动惯量和转速差是相同的。

1.1.3轮毂电机

轮毂电机的作用是实现差动式自适应管道机器人的差动运动，并对差动机构的运动特性进行调解，使其工作在最佳状态。其中轮毂电机主要由定子、转子及轴承等组成。定子由铁心和绕组组成，磁路为单相感应磁路，通过铁心的气隙形成磁场。通过对绕组施加电流，磁通的变化带动绕组产生电磁转矩，从而使转子转动。当转子与定子之间存在相对运动时，由于受到重力作用，转子会沿切向力的方向做运动，而不会沿径向力的方向运动。在励磁线圈中通以电流时，其产生的电磁力使转子绕组在空间产生旋转磁场。由于转子转动过程中存在离心力，所以当转子做旋转运动时会产生一个径向力，其大小与转子的转速成正比。通过改变励磁线圈的匝数来改变磁场强度的大小，进而调节转子旋转速度及力矩等运动特性。

1.2差动机构的传动原理

机器人差速减速器主要由太阳轮，行星轮、内齿圈和行星架构成，三个行星轮负荷均各分担，并采用齿式悬浮机构，或在太阳轮或行星架上悬浮，或在太阳轮和行星架上一起悬浮。减速装置中的齿轮均为直齿或渐开线圆柱齿轮，因此具有体质轻、尺寸小、传动效率高、传动范围广、运行平稳、噪声较低等优势。在目前的集中差速减速机上，将太阳轮与主轴连接了起来，内齿圈和外传动轮通过枪机以及开口销联系在一起，形成了一个整体，内齿圈经由外牙轮来旋转，太阳轮也和内齿圈一起旋转，从而转动了行星轮，行星轮再通过销轴传送到输出主轴上。由于它拥有很大的承载量，且能在不同轮子中实现回转操作，所以被广泛作为移动工具，更加贴近于现实使用。

二、机器人弯管内的姿态与运动学分析

管道机器人的运动特性和管道内的环境有关，它要克服各种不同形状和大小的障碍物，并能在管道内以一定的速度、方向运动，因此机器人在弯曲管道内的运动特性和在弯管中的运动速度是整个管道机器人设计与研究中必须考虑的关键问题。对机器人弯管内运动特性进行分析，将决定了其能否通过弯管。首先建立机器人弯管内运动的模型，包括管道内壁、弯管和机器人等；然后对其进行运动学分析，即根据空间直角坐标系，将机器人在弯管内的运动过程建模为空间四连杆模型，并利用齐次坐标变换建立其运动学方程；最后利用 MATLAB软件对其进行仿真分析。

2.1MATLAB仿真分析

（1）运用 Matlab软件对其进行仿真分析。当机器人在弯管中的速度小于弯管速度时，其运动轨迹与直管中的运动轨迹相同，且两种情况下速度变化规律相同；当机器人在弯管中的速度大于弯管速度时，其运动轨迹与直管中的运动轨迹相同，且两种情况下速度变化规律相同。

（2）对机器人在弯管内运动时的稳定性进行仿真分析。当机器人在弯管内的速度小于弯管速度时，其运动过程稳定可靠；当机器人在弯管内的速度大于弯管速度时，其运动过程不稳定。

2.2运动学方程的推导

首先，采用齐次坐标变换的方法建立机器人的运动学方程，然后再利用 MATLAB软件对其进行仿真分析。由于运动学方程中没有关于旋转轴的速度、加速度和转动惯量的约束条件，因此可不考虑这几个约束条件。①当机器人在弯管内运动时，其运动状态是稳定的；②机器人在弯管中运动时，其速度和加速度随管道内壁、弯管和机器人等效关节角的变化而变化，即为速度和加速度是非线性的；③当机器人在弯管中运动时，其运动状态是稳定的。

三、机器人驱动轮的自适应变径机构分析

机器人在管道内的运动受到管道自身、环境和自身驱动轮的影响，为实现机器人对管道的适应，提出了自适应变径机构。该机构通过调节变径轮的半径实现了对管道直径的自适应调节，进而达到了对管道直径的适应性。左侧为机器人在管道内运动时的速度，机器人在管道内运动时，其速度变化范围较大，加速度也较大；机器人在管道内运动时，其速度变化范围小，加速度也较小。这是因为当机器人进入管道后，其速度、加速度均迅速增加；当机器人离开管道后，其速度、加速度逐渐减小。

为了进一步研究变径轮半径对机器人越障能力的影响规律，在 ADAMS中建立了机器人在管道内运动时的动力学模型。当变径轮半径随管径变化时，机器人在不同管径下所受到的反作用力是不同的。当变径轮半径为10 mm时，其所受到的反作用力最大；当变径轮半径为20mm时，其所受到的反作用力最小。这说明在该管径范围内变径轮越小越能减小其所受反作用力。

结语

总的来说，本文在分析了差动式自适应管道机器人的越障能力、运动学特性以及动力学特性的基础上，提出了一种基于差动式结构的自适应管道机器人的设计方案，并对其进行了运动学分析和动力学分析，通过 ADAMS软件对差动式自适应管道机器人进行了运动学仿真，得到了其速度、加速度等运动参数随时间的变化规律。同时，运用 MATLAB软件对差动式自适应管道机器人在管道内的运动过程进行了仿真分析。这些特性为其研制和应用奠定了基础。

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基金项目：2022年哈尔滨剑桥学院大学生创新创业训练计划项目（自适应性管道机器人（项目编号：X202213303053）阶段性研究成果）