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1、第5卷第3期中国工程机械学报Vol.5No.32007年7月CHINESEJOURNALOFCONSTRUCTIONMACHINERYJul.2007圆管道机器人驱动机构的研究与开发许明恒,于涛,高宏力,景国玺,谭强,何常红(西南交通大学机械工程学院,四川成都610031)摘要:针对现有工业、民用领域管道机器人的特点,研究开发了一种新型的圆管道机器人螺旋驱动机构.开发出的杠杆变径机构使机器人在不同管径(50~90cm)内行进.对驱动机构进行了理论分析,采用MATLAB建模,得到最优的驱动机构设计方案.关键词:圆管道;机器人;螺旋驱动;杠
2、杆变径中图分类号:TP242.3文献标识码:A文章编号:1672-5581(2007)03-0336-04ResearchanddevelopmentonthedrivemechanismofatuberobotXUMingheng,YUTao,GAOHongli,JINGGuoxi,TANQiang,HEChanghong(SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)Abstract:Pertainingtothetube
3、robotsappliedinindustrialandcivilengineering,anovelscrewdrivenmechanismisinvestigatedandemployedfortuberobots.Bythemeansofascrewdrivenlever,therobotscancreepthroughthetubewhoseinnerdiameterspansfrom50cmto90cm.Furthermore,theoreticalanalysisandMATLABTMbasedmodelingareconductedon
4、thescrewdrivenmechanismtoselecttheoptimaldesignalternative.Keywords:tube;robot;screwdriven;variableradiuslever目前,工业、民用领域有大量的管道工程需要机器人完成清洗工作.市场上出现的部分管道清洁机器人,大多是针对方型管道而设计,比如中央空调系统的专用机器人.部分圆管道机器人的驱动机构存在结构复杂、工作效率低等缺点,并且其驱动方式主要是蠕动驱动原理,即利用两个驱动体的配合而工作.这种机器人在实际制造和运行中,存在难以加工制造、主动力不足、
5、适应性和可靠性差等问题.研究开发一种由螺旋驱动机构驱动的圆型管道机器人是必要的.这种机器人可以在不同管径(50~90cm)的管内行进,其关键装置是螺旋驱动机构.1螺旋驱动机构1.驱动轮架;2.驱动轮;3.弹性元件槽;4.纵向导轮;5.侧向轮架;6.连接板;7.电机固驱动机构组成如图1所示,机器人前进时,只有驱动轮架旋转,定板;8.直流减速驱动电机;9.驱动轮杆滚动轮的运动轨迹是螺旋线,但机器人的其他部分并不旋转,仅仅图1机器人驱动部分组成结构图做轴向直线运动.Fig.1Structureoftherobot直流减速电机带动螺旋架进行旋转运动,纵向导轮与
6、圆管壁间drivingcomponent作者简介:许明恒(1947-),男,教授,博士生导师.Email:mhxu@163.com第3期许明恒,等:圆管道机器人驱动机构的研究与开发337[1]的摩擦力足够大,阻止机器人机体的反向旋转,使机器人直线前进.[2]2驱动原理分析驱动轮与管道壁摩擦产生的摩擦力沿轴向的分力使机器人在纵向导轮的作用下沿轴向前进.机器人前进时,设定电机输出扭矩为T,转速为n,驱动轮中心到电机轴线的距离为R.以电机轴线为图2驱动分析坐标系[3]x轴,建立如图2所示坐标系.Fig.2Referenceframeofdriving
7、analyse视驱动轮做等速回转螺旋运动,旋转方向与电机方向相反.设驱动轮所受轴杆的力为F,侧向力为N,管壁摩擦力为f1,侧面摩擦力为f2,管壁对其压紧力为P(图2中未标出),驱动轮轴线与管道横截面夹角为,即螺纹升角,设轴向牵引力为Fz,得到Fz=(Fcos-f2)sin(1)式中:F=T/R;f2为滑动摩擦力,f2=2N,2为转动轮侧向摩擦系数,f2与压紧力P和滑动摩擦系数有关.当驱动轮杆上套上弹性元件时,对驱动轮杆组受力分析:由力矩平衡得NaR1P=R式中:Na为弹性元件对驱动轮杆的拉力;R1为驱动轮中心点到驱动轮杆中心连接处的径向垂直距离
8、.当驱动轮杆上套上弹性元件时,轴向牵引力又为Fz=F
