CN113503423A - 非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人及运动建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人及运动建模方法，管道机器人包括电机、一对非圆齿轮、一对同步圆齿轮、两个偏心块和外部壳体，电机输出轴与主动非圆齿轮固定连接，从动非圆齿轮与同步圆齿轮中的一个连接，两个同步圆齿轮分别与偏心块连接，两个偏心块形状相同，且保持对心旋转，外部壳体与管道内壁保持弹性接触。本发明提出的双质体冲击式管道机器人动力系统完全密封，不需要外部驱动部件，其尺寸、密封、耐腐蚀等性能更有优势，不但具有在普通管道环境下行走的能力，也具有在输送腐蚀、易燃介质或直径较小的特种管道系统中高效率运行的能力。

Description

非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人及运动建模方法

技术领域

本发明涉及管道机器人领域，具体涉及非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人及运动建模方法。

背景技术

管网是输水、供暖、通讯、天然气、石油化工以及核工业等领域的重要基础设施，但对于一些恶劣、较为危险的管道环境(比如具有辐射性、腐蚀性、有毒物质等)，或者是空间狭窄(比如下水道)的管道环境中，工作人员无法进行管道内的检测和维修，而传统的检测方法因为其工作量大、检测效率低、检测维修费用高、以及会造成资源的浪费，无法进行推广运用。

管道机器人是一类集多类传感器及操作装置(录像机、清理装置、焊接装置、防腐喷漆装置、机械手、位置传感器、超声波传感器等)一身的机器人，面对庞大的管网系统，管道机器人可以代替人工对生产安装过程中的管道质量进行检测；可以对使过程中焊缝情况、腐蚀破损等故障进行诊断；以及恶劣环境下进行管道清扫、焊接等维护工作,管道机器人已成为管网智慧管理必不可少的智能设备。

外部驱动的管道机器人，其整体结构较大，无法适用小口径管道，且重量较大，因此难以实现小型化、轻量化以及密封化。如公开号为CN112228698A的发明型专利，公开了一种斜向轮式转向管道机器人，包括：两个斜向滚轮组、两个固定支架、万向节连接件、万向节、两个驱动电机以及两个转向推杆。该斜向轮式转向管道机器人采用双驱斜向滚轮结构，滚轮轮毂采用的是多幅式分支结构，各辐条均能够单独地控制各自相应的橡胶轮径向伸缩，因而具有自适应管径大小变化的能力。公开号为CN 112325051 A的发明型专利，公开了一种新型管道机器人，包括：V型机械臂单元、一对支撑臂、滚动件、拉伸单元以及支撑单元。其采用V型反交叉结构设计，使用轮式驱动，使机器人拥有较强驱动力、转向能力的同时，具备较大的管径自适应性，并拥有越障等环境自适应性。

公开号为CN 212338592U的发明型专利，公开了一种管道检测机器人，包括底板。其通过伺服电机带动主动轮的转动，通过传送带从而带动从动轮的转动，通过将轮子设置成履带轮使管道机器人更便于检测。

公开号为CN108916533A的发明型专利，公开了一种非对称变径轮式防水管道机器人。包括防水行走机构、变径机构、摄像检测装置和防卡死装置。四轮的行走机构组成单个防水行走机构，运行效率高，负载能力大，虽然该发明设置了防水行走机构，但是驱动系统与管道环境之间为动密封，在高压、易燃、腐蚀性等恶劣环境下存在极大的动力隐患。

对于惯性驱动管道机器人目前多数形式为压电式。公开号为CN108799693A的发明型专利，公开了一种管道机器人。包括两个驱动模组、两个气囊、气泵组件和至少两根软轴。改变气囊的状态，可改变管道机器人的状态及运动模式，可以使管道机器人能够更好地适应管道内复杂的环境。气囊式机器人气流由外界提供通过管道输送，由于管道的限制，大大降低了管道机器人的工作距离。另外如公开号为CN108758166A的发明型专利，公开了一种单驱动蠕动式管道机器人。包括前支撑机构和后支承机构以及推进机构。前支撑机构与后支承机构依次接触管道内壁，推进机构的作用是推动前支撑机构相对于后支撑机构运动。该单驱动蠕动式管道机器人仅通过电机实现前支撑机构和后支撑机构的交替伸缩和相对运动，结构简单，可靠性高，自适应转向能力良好，但推进机构裸露外管道环境中，不可以在高压、易燃、腐蚀性等恶劣环境下运行。

综上所述，外部驱动的管道机器人结构较为复杂，难以小型化，并且密封性较差，所以针对输送腐蚀、易燃介质或直径较小的特种管道系统，对机器人尺寸、密封、耐腐蚀等性能提出更加严苛的要求，现有的轮式或腿式驱动的管道机器人也无法发挥其优势，因此动力系统完全密封、无可动轮/腿、尺寸更小的惯性管道机器人更具适应性。

发明内容

针对外部驱动管道机器人结构较为复杂，难以小型化，现有惯性驱动的机器人不适用于恶劣管道环境的问题，本发明提出非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人及运动建模方法，该系统通过内部惯性力和环境摩擦力共同作用实现移动，采用这样的方式驱动可以从根本上避免传统驱动方式的驱动装置与执行装置之间必须要密封的缺陷，解决了机器人尺寸、密封、耐腐蚀等性能的问题，利用碰撞的冲击力进行驱动，最大限度的提升了机器人的移动速度。

具体地，本发明提供一种非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人，其包括电机、一对非圆齿轮、一对同步圆齿轮、两个偏心块和外部壳体，所述一对非圆齿轮包括主动非圆齿轮和从动非圆齿轮，所述电机的输出轴与主动非圆齿轮固定连接，从动非圆齿轮与同步圆齿轮中的一个连接，两个同步圆齿轮分别与两个偏心块连接，两个偏心块形状相同且保持对心旋转，所述外部壳体与管道内壁保持弹性接触，所述电机、两个非圆齿轮、两个同步圆齿轮以及两个偏心块的回转轴均通过轴承固定在一个内部振子上，内部振子置于外部壳体之内，内部振子通过第一弹簧和第一阻尼器与外部壳体的第一端连接，第一弹簧和第一阻尼器的受力方向与机器人移动方向平行，所述外部壳体的第二端安装有一个挡板，所述挡板与外部壳体通过第二弹簧和第二阻尼器连接，第二弹簧和第二阻尼器的受力方向与机器人移动方向平行，静平衡状态下，内部振子与挡板间存在一定间隙，所述非圆齿轮的传动比为

式中，i₂₁为从动非圆齿轮与主动非圆齿轮的角速度之比，ω₁、ω₂分别为主、从动非圆齿轮的角速度，n₁、n₂为主、从动非圆齿轮的阶数，

为主动非圆齿轮的极角，i_j为从动非圆齿轮与主动非圆齿轮的阶数之比，i_j＝n₂/n₁，n为傅里叶级数的项数，a_n、b_n分别为各项的系数。

优选地，所述机器人壳体与管道内壁依靠弹性支撑足接触，所述弹性支承足包括弹簧和滑靴；滑靴上设置有固定的套筒，外部壳体表面设置有导向杆，滑靴的套筒与导向杆间隙配合，弹簧置于滑靴和外部壳体之间。

优选地，本发明还提供一种非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人的运动建模方法，用于构建机器人管道行走过程的运动微分方程，其中：确定非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人两自由度运动微分方程包括以下步骤：

S1、确定偏心块瞬时角度：

式中，

为偏心块回转中心和重心的连线与从动非圆齿轮上最大向径的夹角；

S2、确定偏心块在机器人移动方向上的加速度：

式中，R为偏心块回转中心和重心间的距离，x₁为内部振子在机器人移动方向的上的位移；

S3、确定内部振子与外部壳体间的作用力：

式中，k₁为第一弹簧的刚度，k₂为第二弹簧的刚度，c₁为第一阻尼器的阻尼，c₂为第二阻尼器的阻尼，b为静平衡状态下内部振子与挡板间的间隙值，x₂为外部壳体的位移；

S4、确定外部壳体与管道间的摩擦力：

式中，μ为机器人支承足与管道内壁间的摩擦系数，N为机器人支承足与管道内壁间的支承力；

S5、分别构建内部壳体和外部振子的两自由度运动微分方程：

式中，α为机器人移动方向与地平面间的夹角，g为重力加速度，将式(2)，式(3)，式(4)和式(5)代入式(6)，可得到非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人运动模型。

优选地，将非圆齿轮的相关参数代入式(6)通过数值计算能够得到管道机器人的位移和速度曲线，从而对机器人的位移和速度进行判断。

优选地，将计算出的位移和速度数据代入式(3)，能够得到偏心块在机器人前进方向的加速度，将该值与偏心块质量相乘后，能够到偏心块在机器人前进方向上激发的惯性力。

优选地，将计算出的位移和速度数据代入式(4)，能够得到内部振子对外部壳体的作用力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用惯性冲击驱动的驱动方式可以将动力系统完全密封，不需要外部驱动部件，机器人的弹性支承足可以使得机器人在管道直径发生变化时顺利通过管道，避免了传统驱动方式的驱动构件与驱动足之间必须要密封的缺陷。

(2)本发明采用无可动轮/腿、尺寸更小的非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人，其尺寸、密封、耐腐蚀等性能更有优势，因此更具适应性，不但具有在普通管道环境下行走的能力，也具有在输送腐蚀、易燃介质或直径较小的特种管道系统中高效率运行的能力。

(3)本发明还提供一种非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人的运动建模方法，用于构建机器人管道行走过程的运动微分方程，并借助于仿真系统计算可得到管道机器人的位移和速度曲线，增加机器人的移动性能。

附图说明

图1双质体冲击管道机器人结构简图；

图2非圆齿轮节曲线图；

图3管道机器人的位移曲线；

图4管道机器人的速度曲线；

图5偏心块产生的激振力曲线图；

图6内部振子与外部壳体间的作用力曲线图。

部分附图标号如下：1—主动非圆齿轮；2—从动非圆齿轮；3、4—同步直齿圆齿轮，5—第一弹簧；6—第一阻尼器；7—下偏心块；8—内部振子；9—外部壳体；10—挡板；11—滑靴；12—第二弹簧；13—导向杆套筒；14—上偏心块；15—导向杆；16—减震弹簧；17—第二阻尼器。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

具体而言，双质体冲击管道机器人的结构简图如图1所示，主动非圆齿轮1通过平键安装在电机输出轴上，从动非圆齿轮2与同步直齿圆齿轮3以及下偏心块7依靠同一平键安装在同一传动轴，同步直齿圆齿轮4与上偏心块14通过同一平键安装在同一传动轴，主动非圆齿轮1和从动非圆齿轮2回转中心的连线与管道机器人移动的矢量方向相同，两个同步直齿圆齿轮3、4的模数、齿数、齿宽均相等，且两个同步直齿圆齿轮回转中心连线与机器人移动的矢量方向垂直，下偏心块7与上偏心块14的形状、质量均相同，旋转时保持对心，偏心块的质心向径与从动非圆齿轮2的对称轴垂直，外部壳体9上安装有弹性支撑足，其中弹性支承足包括滑靴11、导向杆套筒13、导向杆15及减震弹簧16，导向杆15和导向杆套筒13均安装在减震弹簧16内部，且导向杆15能够相对于导向杆套筒13做往复运动，导向杆套筒13和滑靴11固定连接，减震弹簧16一端与滑靴11连接另一端直接与外部壳体9连接，在弹性支承足的作用下管道机器人与管道内壁能够保持弹性接触。电机、两个非圆齿轮1、2、两个同步圆齿轮3、4以及两个偏心块7、14的回转轴均通过轴承固定在一个内部振子8上，内部振子8置于外部壳体9之内，内部振子8通过第一弹簧5和一个第一阻尼器6与外部壳体9的一端连接，弹簧5和阻尼器6的受力方向与机器人移动方向平行，在内部壳体8的另一端安装一个挡板10，挡板10与内部壳体8通过一根弹簧12和一个阻尼器17连接，弹簧12和阻尼器17的受力方向与机器人移动方向平行。

具体而言，在安装初始位置处，主动非圆齿轮1的长轴(短轴)正对从动非圆齿轮2的短轴(长轴)，下偏心块7和上偏心块14同时处于管道机器人移动正方向，以保证两非圆齿轮的相位和两偏心块的相位相同。本实施例中，取系统的参数如表1所示。

表1系统的设计参数

具体而言，内部振子8与挡板10间存在一定间隙，非圆齿轮的阶数取1，传动比函数仅取傅里叶级数的第一项，且取b₁＝0，非圆齿轮的传动比为

式中，i₂₁为从动非圆齿轮2与主动非圆齿轮1的角速度之比，ω₁、ω₂分别为主、从动非圆齿轮1、2的角速度，n ₁为主动非圆齿轮1的阶数，

为主动非圆齿轮1的极角，i_j为从动非圆齿轮2与主动非圆齿轮1的阶数之比，i_j＝n₂/n₁＝1，非圆齿轮的节曲线如图2所示。

具体而言，运用非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人的运动建模方法，用于构建机器人管道行走过程的运动微分方程，确定非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人两自由度运动微分方程包括以下五个步骤：

S1、确定偏心块瞬时角度

式中，

为偏心块回转中心和重心的连线与从动非圆齿轮上最大向径的夹角；

S2、确定偏心块7在机器人移动方向x上的加速度

式中，R为偏心块回转中心和重心间的距离，x₁为内部振子在机器人移动方向的上的位移。

S3、确定内部振子与外部壳体间的作用力

式中，k₁为第一弹簧的刚度，k₂为第二弹簧的刚度，c₁为第一阻尼器的阻尼，c₂为第二阻尼器的阻尼，b为静平衡状态下内部振子与挡板间的间隙值，x₂为外部壳体的位移。

S4、确定外部壳体与管道间的摩擦力

式中，μ为机器人支承足与管道内壁间的摩擦系数，N为机器人支承足与管道内壁间的支承力，根据表一中的数据，壳体与管道间的最大摩擦力为30N。

S5、分别构建内部壳体和外部振子的两自由度运动微分方程

式中，α为机器人移动方向与地平面间的夹角，取α＝0，g为重力加速度，将式(8)，式(9)，式(10)和式(11)代入式(12)，可得到非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人运动模型，将表1中的数据代入方程(12)，通过数值计算可得到管道机器人的位移和速度曲线，如图3、图4所示。从图3中可知管道机器人位移呈增大趋势，可实现单向移动，图4中的速度曲线表明机器人的速度呈现间断性，静止和移动状态交替，

另外，根据计算出的位移和速度数据，还可以得到系统的其它必要参数，例如，将数据代入式(9)，可以得到偏心块在机器人前进方向的加速度，将该值与偏心块质量相乘后，可得到偏心块在机器人前进方向上激发的惯性力，如图5所示，惯性力在前进方向上的最大值为100N，在后退方向上的最大值为45N，图5中的直线分别代表前进和后退时的摩擦力，可见在非圆齿轮作用下，机器人可以产生非对称的惯性力。

将计算出的位移和速度数据代入式(10)，可以得到内部振子对外部壳体的作用力，如图6所示，其中在机器人前进方向上，内部振子对外部壳体的最大作用力为1700N，而在后退方向上，内部振子对外部壳体的最大作用力为25N，可见在碰撞作用下，机器人外部壳体可以获得比内部振子激发的惯性力更大的驱动力，进而实现快速移动。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人，其特征在于：其包括电机、一对非圆齿轮、一对同步圆齿轮、两个偏心块和外部壳体，所述一对非圆齿轮包括主动非圆齿轮和从动非圆齿轮，所述电机的输出轴与主动非圆齿轮固定连接，从动非圆齿轮与同步圆齿轮中的一个连接，两个同步圆齿轮分别与两个偏心块连接，两个偏心块形状相同且保持对心旋转，所述外部壳体与管道内壁保持弹性接触，所述电机、两个非圆齿轮、两个同步圆齿轮以及两个偏心块的回转轴均通过轴承固定在一个内部振子上，内部振子置于外部壳体之内，内部振子通过第一弹簧和第一阻尼器与外部壳体的第一端连接，第一弹簧和第一阻尼器的受力方向与机器人移动方向平行，所述外部壳体的第二端安装有一个挡板，所述挡板与外部壳体通过第二弹簧和第二阻尼器连接，第二弹簧和第二阻尼器的受力方向与机器人移动方向平行，静平衡状态下，内部振子与挡板间存在一定间隙，所述非圆齿轮的传动比为

式中，i₂₁为从动非圆齿轮与主动非圆齿轮的角速度之比，ω₁、ω₂分别为主、从动非圆齿轮的角速度，n₁、n₂为主、从动非圆齿轮的阶数，

为主动非圆齿轮的极角，i_j为从动非圆齿轮与主动非圆齿轮的阶数之比，i_j＝n₂/n₁，n为傅里叶级数的项数，a_n、b_n分别为各项的系数。

2.根据权利要求1所述的非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人，其特征在于：所述机器人壳体与管道内壁依靠弹性支撑足接触，所述弹性支承足包括弹簧和滑靴；滑靴上设置有固定的套筒，外部壳体表面设置有导向杆，滑靴的套筒与导向杆间隙配合，弹簧置于滑靴和外部壳体之间。

3.一种用于权利要求1所述的非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人的运动建模方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、确定偏心块瞬时角度：

式中，

为偏心块回转中心和重心的连线与从动非圆齿轮上最大向径的夹角；

S2、确定偏心块在机器人移动方向上的加速度：

式中，R为偏心块回转中心和重心间的距离，x₁为内部振子在机器人移动方向的上的位移；

S3、确定内部振子与外部壳体间的作用力：

式中，k₁为第一弹簧的刚度，k₂为第二弹簧的刚度，c₁为第一阻尼器的阻尼，c₂为第二阻尼器的阻尼，b为静平衡状态下内部振子与挡板间的间隙值，x₂为外部壳体的位移；

S4、确定外部壳体与管道间的摩擦力：

式中，μ为机器人支承足与管道内壁间的摩擦系数，N为机器人支承足与管道内壁间的支承力；

S5、分别构建内部壳体和外部振子的两自由度运动微分方程：

式中，α为机器人移动方向与地平面间的夹角，g为重力加速度，将式(2)，式(3)，式(4)和式(5)代入式(6)，可得到非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人运动模型。

4.根据权利要求3所述的非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人的运动建模方法，其特征在于，将非圆齿轮的相关参数代入式(6)通过数值计算能够得到管道机器人的位移和速度曲线，从而对机器人的位移和速度进行判断。

5.根据权利要求4所述的非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人的运动建模方法，其特征在于，将计算出的位移和速度数据代入式(3)，能够得到偏心块在机器人前进方向的加速度，将该值与偏心块质量相乘后，能够到偏心块在机器人前进方向上激发的惯性力。

6.根据权利要求4所述的非圆齿轮驱动的双质体冲击式管道机器人的运动建模方法，其特征在于，将计算出的位移和速度数据代入式(4)，能够得到内部振子对外部壳体的作用力。

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