一种柔性蠕动管道机器人机构及其控制方法研究

针对管道机器人在管道内运动的特殊要求，本项目提出了一种具有柔性软轴及自转向装置的柔性蠕动管道机器人。该机器人在管道内可实现蠕动行走和无动力压差行走。该机器人的特点在于只采用一个电机驱动即可实现转向和蠕动行走；可实现无动力和有动力两种行走方式；对变径管道具有自适应性；能够顺利通过T形管道。.针对所提出的管道机器人机构，本项目将开展基于这种机构类型的管道机器人的机构优化设计、运动力学分析、运动控制等研究工作，并研制出相应的原理样机对理论分析结果进行实验验证。.本项目面向工业管道系统检测需求，所提出的管道机器人涉及机械、电子、控制等技术领域。本项目的研究将不仅在管道检测机器人的机构设计、运动学、动力学、运动规划及控制的研究中具有重要的学术意义，而且其研究成果在实际管道检测中也有广泛的应用前景。

在当今社会，各种各样的管道得到了广泛地应用，管道检测机器人成为各种管道内环境状况检测的重要工具之一。本课题以柔性蠕动管道机器人为研究对象，考虑到管道工作环境的要求, 从结构设计、运动分析、力学特性和控制系统等方面进行了深入的研究和分析，并研制了管道机器人样机。通过课题研究，本项目的完成情况及取得的研究成果如下：.1、基于蚯蚓蠕动行走的原理，分析了管道机器人在管道中蠕动行走的基本条件。完成了柔性蠕动管道机器人的结构设计。综合考虑了机器人的机构合理性、运动可靠性、控制灵活性等方面的因素，确定方案，尤其是对导向装置和行走轮系统，分别设计了三套备选方案，并择优确定了最终方案，最终，完成了柔性蠕动管道机器人样机的研制。 .2、分析了机器人在管道中的运动学特性，对机器人在直线型管道、L型管道、T型管道的运动能力和导向头在L型弯管的通过性进行了研究。通过对机器人的运动特性进行仿真验证，结果证明了所设计的机器人能够满足预定的运动性能要求。 .3、开展了柔性管道机器人管内的动力学研究，分析了机器人管道内的受力情况，推导出机器人蠕动行走的力学条件，对机器人的越障能力、牵引能力等进行分析并建立模型。对特有的软轴结构进行研究，提出机器人蠕动运动失稳的概念，并根据机器人在直线型管道和L型弯管中不同的受力情况建立机器人软轴临界失稳条件，为下一步机器人的运动步距规划提供理论支持。 .4、研制了柔性蠕动管道机器人的控制系统。根据管道机器人的功能需要，提出了管道机器人控制系统整体方案，对各个子系统进行了详细的设计和选型，主要包括主控制子系统、执行子系统、传感器子系统、通讯子系统、电源子系统和控制端子系统。 .5、对柔性蠕动管道机器人进行相关的实验研究，研制了物理样机，并搭建了测试平台。先对管道机器人进行了定性实验，验证其在直线管道、L型弯管和T型弯管中运动的可行性。然后对管道机器人进行力学性能测试，测试其在管道中行走的牵引力、软轴效率和不同管道环境中的失稳情况。 .6、已发表EI检索论文6篇。获得国家发明专利2项，申请国家发明专利2项。培养硕士研究生2名。 .通过理论和实验研究，所研制的柔性蠕动管道机器人达到了如下预定的运动性能指标： (1) 蠕动行走速度能够达到2m/min；(2) 能够顺利通过T型弯管； .(3) 对变径管道具有一定的适应性。