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中国机械工程 2021年第14期32卷 1659-1668页

作者：郭登辉陈原山东大学机电与信息工程学院威海264209

设计了一种能自适应吸附不同直径管道的非接触变磁隙式攀爬机器人。采用矢量磁位法和有限元法建立了吸附机构的磁场分布模型和磁吸附力模型。基于空间力系统的平衡方程建立了机器人的力学模型,得出爬壁机器人需要的最小磁吸附力。基于... 详细信息

设计了一种能自适应吸附不同直径管道的非接触变磁隙式攀爬机器人。采用矢量磁位法和有限元法建立了吸附机构的磁场分布模型和磁吸附力模型。基于空间力系统的平衡方程建立了机器人的力学模型,得出爬壁机器人需要的最小磁吸附力。基于磁场和磁吸附力的理论模型与Maxwell仿真,通过离散组合法得到了最优磁铁宽度和磁吸附力。通过不同磁场和磁吸附力的对比计算,在最优磁铁宽度为80 mm时,得出近似圆弧机构单位体积的磁吸附力为0.0078 N/mm3,大于矩形磁铁单位体积的磁吸附力0.0047 N/mm3,它产生的磁吸附力满足单个机构所需的最小磁吸附力2100 N的负载要求。最后,通过实验获得了磁吸附机构的磁吸附力特性,证明了磁吸附机构优化设计的可行性。

关键词：非接触变磁吸附管道攀爬机器人优化分析磁感应强度

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管道攀爬机器人结构设计及行走动力特性分析

管道攀爬机器人结构设计及行走动力特性分析

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作者：罗洁武汉科技大学

学位级别：硕士

管道机器人普遍应用在各种危险的工作环境中代替人工作业，极大降低了人工检测的风险和作业成本，应用前景非常广阔，因此逐渐成为工业机器人研究的热门领域之一。本文所研究的管道攀爬机器人是一种可在管道外表面自动攀爬、具备转弯过... 详细信息

管道机器人普遍应用在各种危险的工作环境中代替人工作业，极大降低了人工检测的风险和作业成本，应用前景非常广阔，因此逐渐成为工业机器人研究的热门领域之一。本文所研究的管道攀爬机器人是一种可在管道外表面自动攀爬、具备转弯过渡和一定越障能力，通过加装相应的检测设备能对管道进行检测维修操作的新型机器人。论文对国内外现有管道攀爬机器人的应用背景、技术发展现状和管道环境状况做出了调查、分析和研究，论证和总结了管道攀爬机器人的研究现状，提出了一种轻型关节式管道攀爬机器人总体设计方案，并在行走动力特性分析的基础上对机器人结构进行了优化设计。主要的研究工作如下： 1.研究管道攀爬机器人总体方案的可行性，确定了该攀爬机器人的攀爬步态可分为蠕虫式攀爬步态和翻转式攀爬步态，并分别对机器人采用这两种步态进行攀爬的状态、过程及越障能力进行了分析与讨论。 2.针对实际生产中管道环境状况及检测需求，设计了管道攀爬机器人的总体结构，并进行了机器人的结构分析和三维实体建模。 3．基于ADAMS对管道攀爬机器人的攀爬过程进行了仿真分析，确定在满足运动平稳、可靠的条件下，机器人攀爬的速度和各关节电机的输出力矩大小。 4.对管道攀爬机器人的手爪机构进行参数化建模与最优化设计，在此基础上确定了机器人整体结构的最优尺寸及相关的爬行动力参数。 5.制作管道攀爬机器人物理样机并进行爬行实验研究，实验结果验证了总体设计方案的可行性和仿真分析的有效性，也为今后攀爬机器人的进一步研究提供了参考。

关键词：管道攀爬机器人步态分析运动仿真动态特性结构优化

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非接触变磁吸附式管道攀爬机器人的结构创新设计与姿态跟踪控制

非接触变磁吸附式管道攀爬机器人的结构创新设计与姿态跟踪控制

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作者：郭登辉山东大学

学位级别：硕士

磁吸附式攀爬机器人的吸附机构采用固定形状的永久磁铁或电磁铁来提供磁吸附力。但是,由于磁吸附力对于磁隙的敏感性,当机器人在曲面管道上作业时,磁隙的不均匀变化会导致磁吸附力的剧烈波动,造成攀爬机器人吸附稳定性降低等问题。所以... 详细信息

磁吸附式攀爬机器人的吸附机构采用固定形状的永久磁铁或电磁铁来提供磁吸附力。但是,由于磁吸附力对于磁隙的敏感性,当机器人在曲面管道上作业时,磁隙的不均匀变化会导致磁吸附力的剧烈波动,造成攀爬机器人吸附稳定性降低等问题。所以,本文设计了非接触变磁吸附式管道攀爬机器人,其主要研究内容如下:1.针对不同直径管道,创新设计了一种具有直径自适应能力的近似圆弧磁隙调节机构。首先,建立了二自由度串联型近似圆弧磁隙调节机构的运动学模型。然后,采用矢量磁位法、有限元模拟法和空间力系的平衡方程,构建了吸附机构磁场的分布模型、磁吸附力模型以及管道攀爬机器人的动力学模型。最后,基于磁场和磁吸附力的理论模型,通过离散组合型法的MAXWELL的仿真计算,得到了最优磁铁宽度区间和攀爬机器人需要的最小磁吸附力。2.为了适应不同直径和曲面,采用三次多项式差值的方法对近似圆弧磁隙调节机构进行轨迹规划和姿态控制。通过变论域模糊控制算法实现了直径的自动调节和磁隙的自动适应功能。提出了一种自动直径检测算法,通过自适应模糊滑模控制算法实现对姿态的控制。最后,通过实验证实了近似圆弧磁隙调节机构和攀爬机器人的曲面适应和灵活运动等功能。

关键词：非接触变磁吸附管道攀爬机器人变论域模糊控制自适应模糊滑模控制

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面向电厂管道的攀爬机器人运动规划与仿真

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中南大学学报（自然科学版） 2018年第8期49卷 1936-1943页

作者：寇重光谢涛陈潇游鹏辉肖晓晖武汉大学动力与机械学院湖北武汉430072

针对电厂管道检测作业,围绕多屏平行管道环境中直管、管间和管屏间的攀爬作业需求,设计一种5自由度攀爬机器人,并进行运动规划分析。首先,分析运动需求,确定攀爬机器人的构型;其次,针对直管攀爬、管间过渡和管屏过渡的攀爬运动进行规划... 详细信息

针对电厂管道检测作业,围绕多屏平行管道环境中直管、管间和管屏间的攀爬作业需求,设计一种5自由度攀爬机器人,并进行运动规划分析。首先,分析运动需求,确定攀爬机器人的构型;其次,针对直管攀爬、管间过渡和管屏过渡的攀爬运动进行规划,提出3种步态;之后,采用基于D-H法建立的机器人运动学模型,采用逆运动学求解对应位姿点的关节角度;再通过5次多项式插值得到角度-时间序列;最后,采用ADAMS虚拟样机技术进行仿真,分析攀爬过程中的能耗及各关节的受力情况。研究结果表明:所规划的步态能够满足运动需求;直管攀爬中随着步距由50 mm增大至150 mm,机器人最大转矩增加17.76%,总能耗降低39.94%,在保证关节转矩足够的情况下可通过增大步距以降低能耗;各工况中,管间过渡的旋转关节与管屏过渡的夹持手爪所需力矩最大,在步态优化与样机设计时需重点校核。

关键词：管道攀爬机器人运动规划运动学仿真分析

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冷库排管攀爬机器人自主运动规划方法研究

冷库排管攀爬机器人自主运动规划方法研究

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作者：马彬盐城工学院

学位级别：硕士

近年来,随着我国冷链行业的快速发展,冷库的数量和规模也在急剧上升。由于冷库内部长期处于高湿低温的环境,使得冷库制冷管道极易结霜。目前,排管冷库的除霜方式主要有人工除霜、电加热除霜、热气除霜和喷水除霜等。这些传统的除霜方式... 详细信息

近年来,随着我国冷链行业的快速发展,冷库的数量和规模也在急剧上升。由于冷库内部长期处于高湿低温的环境,使得冷库制冷管道极易结霜。目前,排管冷库的除霜方式主要有人工除霜、电加热除霜、热气除霜和喷水除霜等。这些传统的除霜方式在实际应用中往往存在一定的局限性,如除霜效率低、除霜成本高、使库温波动大以及对人体危险性高等。这不仅增加了企业的运营成本,还导致了能源浪费。因此,有必要开发出一种新的除霜方式来代替传统方法,而攀爬机器人技术的发展使其成为了可能。本文通过对国内外现有管道攀爬机器人的结构设计、应用背景和技术发展进行调查和研究,提出了一种四足机器人与机械夹爪相结合的管道攀爬机器人样机设计方案。该机器人结合路径规划技术,能够实现在复杂排管环境下的稳定爬行。本文的主要研究内容如下:(1)仿照自然界蜘蛛的身体结构和运动方式对机器人整体结构进行设计,并在Solidwords软件中建立管道攀爬机器人模型;采用ANSYS Workbench软件对机器人极限状态下关键部件的受力情况进行分析,验证机器人整体结构的可行性。(2)为提高机器人的工作效率和爬行稳定性,对机器人的运动步态进行规划。采用D-H参数法对机器人腿部进行运动学建模,并求解出运动学正、逆解方程;采用蒙特卡洛法对机器人腿部的工作空间进行求解,确定其运动范围。根据机器人的工作环境特点规划两种攀爬步态即爬行步态和越障步态。最后,在Adams软件中对所规划的步态进行仿真验证。(3)对现有路径规划算法进行改进。为解决管道攀爬机器人在复杂环境下的避障与路径规划问题,本文提出一种改进A*算法与改进动态窗口法(Dynamic window approach,DWA)相融合的路径规划方案。通过对传统A*算法的搜索方向、启发函数和冗余节点进行改进,并与DWA算法相融合,使机器人可以快速规划到全局最优路径,并获得动态避障的能力。(4)对管道攀爬机器人各零部件进行加工与组装,制作机器人物理样机。使用树莓派4B作为机器人的中心控制器,并结合其他传感器模块组成机器人的硬件控制系统。通过下位机对机器人腿部电机进行控制,并分别在实验室环境和冷库排管环境下对样机进行管道攀爬实验。

关键词：管道攀爬机器人机械结构设计运动学分析步态规划路径规划

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轮式管外攀爬机器人结构设计与动力特性分析

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机械设计与制造 2016年第12期 17-20页

作者：段宇侯宇武汉科技大学机械自动化学院湖北武汉430081

为了提高对高空运输管道检测的自动化水平,降低人工检测输送有毒气体管道的风险,设计了一种具有良好的越障性能和负载能力的轮式管外攀爬机器人。以机器人爬越直管、弯管以及适应不同管径变化为目标,设计了总体结构和关键尺寸。分析了... 详细信息

为了提高对高空运输管道检测的自动化水平,降低人工检测输送有毒气体管道的风险,设计了一种具有良好的越障性能和负载能力的轮式管外攀爬机器人。以机器人爬越直管、弯管以及适应不同管径变化为目标,设计了总体结构和关键尺寸。分析了机器人在垂直管道、水平管道的爬升稳定性,并进行了转弯过程分析。基于ADAMS进行了机器人爬行过程的动力特性分析,计算了垂直攀爬过程中的阻力与能耗。结果表明本设计的管道攀爬机器人具有较好的爬升效率、越障能力以及负载能力。

关键词：管道攀爬机器人结构设计动力特性负载能力

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