利用流体能量的管道机器人速度计算与控制.pdfVIP

第43卷第8期 机械工程学报 v01．43No-8 2007年8月CHINESEJOURNALOF Allg． 2007 MECHANICALENGINEERrNG 利用流体能量的管道机器人速度计算与控制幸 李锻能 袁江南 杨宜民 (广东工业大学机电工程学院广州510006) 摘要：研究一种利用流体能量驱动和发电的管道机器人，该机器人完全浸润在充满流动介质的管道内，利用流体 压力以及流体速度能量获得驱动力。机器人随着管内流体的流动向前推进，需要克服惯性质量以及与管壁之间的 摩擦阻力的影响，对于不同的流体介质，机器人需要根据工作要求自动进行速度调节，因此必须对机器人的结构 和尺寸进行合理设计，确定管道内的流体力学条件，并设计速度控制装置，对机器人速度实现行为控制。 关键词：管道机器人能源自给流体压力 中图分类号：TP24 壁的约束导向外，机器人在充满流动介质的管道内 O前言 处于漂浮状态，以一定速度流动的介质自身就带有 能量，因此该机器入可以利用流体的压力以及流体 长输送管道用来输送流体介质，被广泛用于生 的运动能量所产生的驱动力进行运动。另方面还可 产生活当中，例如水、气和油等相关行业。长输送 利用发电机将流动介质的能量转换成电能储存起 管道一般为埋地敷设，当人们对管道内的异物或裂 来，为机器人实现控制功能提供源源不断的能量。 纹进行检查等特殊作业时，可以借助管道机器人完 机器人的推力是由于流体流速压力作用在机 成，而管道机器人的行走能力是其中核心问题之一， 器人有效横断面积上形成的，有效横截面积越大， 主要涉及到机器人的行走机构和能量输入两个方 总的推力就越大。但是如果机器人和管壁之间能保 面【l】。传统的机器人在管内移动时，要克服管壁和 持适合的间隙，既保证机器人与管壁不会产生干涉， 异物的阻力，拖动电缆线阻力和机器人在上升管道 又能对流体形成阻尼作用，由此在机器人横截面上 内自身的重力等，如果依靠传统的电池或电缆提供 形成静压力，则可以进一步增加流体的推动力。因 能量，其行走距离将受到很大限制，使机器人行走 此本研究设计一个调速机构【2】，既可以调节横截面 机构的设计与制造相对也比较复杂。 积大小，通过调节推力大小控制机器人速度，更重 本研究的能源自给式管道机器人是一种无缆 要的是调节机器人与管道壁之间的间隙，以获{!导更 的完全浸润在充满流动介质的管道内运动并进行工 大的推力，需要的时候靠摩擦力也能调节速度。 作的装置。利用流体压力以及流体流动所产生的能 能源自给式管道机器人的结构设计方案如图1 量驱动机器人随着管内流体的流动而前进是本文研 所示。结合文献[2】中的论述内容，本设计的管道机 究的一个基本问题。面对不同的流体介质，机器人 器人由三个主要部件组成，三个部件之间用弹簧连 需要克服不同的惯性质量以及与管壁之间的摩擦阻 接。由于弹簧只能承受拉力，由调速机构等部分组 力，然后根据工作要求保持合适的速度状态，因此 成牵引部件，流体的驱动力主要作用在该部件上， 必须研究机器人的结构和尺寸设计方法，以及计算 使其起到火车头的作用。 管道内必须具备的流体力学条件。作为一种智能机 器人，能够根据实际