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微小型螺旋推进管道机器人设计与分析

作者：郭瑜 Publish: 2007-10-18 Hits:-

【中文题名】

微小型螺旋推进管道机器人设计与分析

【英文题名】

Design & Analysis of the Micro Screw Locomotion In-pipe Robot

【学科专业】

机械工程

【论文级别】

硕士论文

【投稿时间】

2007-10-18

【中关键词】

微小机器人,管道,螺旋推进,虚拟样机,,

【英关键词】

Micro-Robot,Pipeline,Screw locomotion,Virtual prototype,

【分类导航】

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>专用机器人

【论文摘要】

在化工、制冷、核电站等领域,采用常规方法对微小管道检测费时费力,且存在中毒、辐射等危险。因此,微小管道机器人在细小管道检测方面具有良好的应用前景。本文针对管道内径为?15mm的微小型管道检测机器人研究,提出了基于螺旋推进原理的微小型管道机器人的解决方案。设计了新型的螺旋头和保持架结构,使此管道机器人的牵引力达到8.512N,移动速度大于10mm/s,满足了管道机器人的“微小化”和“大牵引力”的要求。本文介绍了螺旋推进管道机器人的组成及工作原理,分析了其运动力学性能,应用机械系统动力学仿真软件ADAMS和有限元分析软件ANSYS,建立了管道机器人的虚拟样机模型。通过计算机仿真得到机器人牵引力、驱动力矩与机器人的驱动轮位置参数和尺寸参数之间的关系以及管道机器人轮子所受的正压力对牵引力的影响,证明了理论分析的正确性,并对模型参数进行了优化,使其综合性能达到最优。对机器人的各部分结构进行了详细的机械设计计算,分析了其在弯管内的几何与运动约束条件和越障能力。最后对机器人进行了有限元强度分析和模态分析,得到最大等效应力、最大变形和各阶固有频率,分别为机器人强度设计、机器人的末端位置精度补偿和...

【论文题纲】

摘要	7-8
ABSTRACT	8-9
第一章绪论	9-18
1.1 课题来源、研究背景及意义	9-10
1.1.1 课题来源	9
1.1.2 课题研究背景及意义	9-10
1.2 管道机器人的发展状况	10-16
1.2.1 国外发展状况	10-13
1.2.2 国内发展状况	13-16
1.3 课题研究的主要内容与性能指标	16-17
1.3.1 研究的主要内容	16-17
1.3.2 主要性能指标	17
1.4 本章小结	17-18
第二章微小管道机器人移动方案设计	18-26
2.1 管道机器人设计的基本要求	18-19
2.1.1 实现管内行走的基本条件	18
2.1.2 移动机构及驱动器	18-19
2.1.3 操作方式的选择	19
2.2 不同移动方案的分析与比较	19-21
2.3 移动方案的确定	21-25
2.3.1 汽缸蠕动式管道机器人	21
2.3.2 电机螺旋推进管道机器人	21-25
2.4 本章小结	25-26
第三章微小型螺旋推进管道机器人结构参数分析与优化	26-38
3.1 虚拟样机技术及ADAMS软件简介	26-28
3.1.1 虚拟样机概念、特点及应用	26-27
3.1.2 多体系统动力学与ADAMS软件	27-28
3.2 管道机器人虚拟样机的实现	28-31
3.2.1 几何模型的创建	28-30
3.2.2 定义约束和运动	30
3.2.3 施加作用力	30-31
3.3 管道机器人结构参数分析与优化	31-37
3.3.1 结构参数对牵引力的影响	32-34
3.3.2 结构参数对移动速度的影响	34-35
3.3.3 结构参数对电机输出转矩的影响	35-36
3.3.4 结构参数优化	36-37
3.4 本章小结	37-38
第四章微小型螺旋推进管道机器人机械结构设计	38-47
4.1 管道机器人整体结构组成	38-39
4.2 管道机器人螺旋头设计	39-43
4.2.1 螺旋驱动头方案	39-40
4.2.2 驱动轮弹簧设计	40-42
4.2.3 螺旋驱动头设计	42-43
4.3 保持架设计	43-44
4.3.1 保持架方案	43
4.3.2 保持架设计	43-44
4.3.3 模块的串联扩展	44
4.4 电机减速箱输出轴卸载设计	44-45
4.4.1 电机型号选择	44-45
4.4.2 电机减速箱输出轴卸载设计	45
4.5 本章小结	45-47
第五章管道机器人运动性能分析	47-58
5.1 管道机器人的几何尺寸及运动约束	47-50
5.1.1 单元体结构尺寸在弯管内的约束	47
5.1.2 轮间距离在弯管内的约束	47-48
5.1.3 运动干涉分析	48-50
5.2 机器人越障能力分析	50-53
5.2.1 凸起障碍	50-51
5.2.2 凹陷障碍	51
5.2.3 越障仿真	51-53
5.3 管道机器人所需牵引力分析	53-57
5.3.1 管道机器人本体重量	53-54
5.3.2 线缆重量计算	54
5.3.3 管道机器人所需的牵引力	54-57
5.4 本章小结	57-58
第六章机器人结构有限元分析	58-64
6.1 有限元及ANSYS简介	58-59
6.1.1 有限元概念	58
6.1.2 ANSYS简介	58-59
6.2 关键零部件静力分析	59-62
6.2.1 万向节静力分析	59-60
6.2.2 轮轴静力分析	60
6.2.3 电机外筒、驱动头头架静力分析	60-61
6.2.4 机器人整体骨架静力分析	61-62
6.3 有限元模态分析	62-63
6.3.1 建立模型	62
6.3.2 加载与求解	62
6.3.3 扩展模态	62-63
6.3.4 观察结果	63
6.4 本章小结	63-64
第七章总结与展望	64-65
7.1 总结	64
7.2 展望	64-65
致谢	65-66
参考文献	66-69
附录一螺旋推进管道机器人结构图	69-71
附录二攻读学位期间发表的论文	71

【DOI】

LunWen.ID:2.2008.385294



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