单电机驱动凸轮轴软体管道机器人的设计.pdf

摘要

管道检测是确保管道的正常工作一个必不可少的过程。研究设计管道机器

人替代人进行管道的定期的检测与维护，可以使得管道检测工作安全性与可靠

性进一步提高。传统的刚性管道机器人有着负载大、速度快的特点，然而主要

由于金属零件装配得到，所加工制造得到的机器人有着体积大，质量重的劣势，

难以在较小管径的管道内进行工作。目前，作为管道机器人研究的热点方向，

软体管道机器人主要由柔性材料构成，具备着适应管道环境强、柔顺性好、人

机交互安全等优势。当前的软体管道机器人仍然存在着以下问题。首先，有柔

性材料制作得到的管道机器人大多数需要三个及以上的动力源对机器人进行驱

动；其次，目前软体管道机器人多数需要外接线路对机器人进行供能，这限制

了机器人在管道内进行检测工作。

本文提出的一种有刚性零件与软体材料相结合的软体管道机器人。受到蚯

蚓蠕动运动的启发，该机器人采用了周期性蠕动的运动步态。在结构设计方面，

该机器人由三个运动模块构成，通过单个微型直流电机对机器人三个模块的凸

轮轴进行驱动，实现各模块的规律性运动，让机器人能在一个运动周期内在管

道中向前运动。为保证软体管道机器人能够在管道中正常的工作，对机器人进

行了静力学分析。对机器人的刚性零件进行静力学分析，探究机器人在运动工

作中所需要克服的最大阻力。对由硅胶材料得到的软体膨胀模块进行有限元分

析，借助Abaqus软体对其建立力与形变曲线，得到软体膨胀模块所需的最小驱

动，并与机器人刚性零件的静力学分析相结合，验证软体管道机器人运动的可

行性。为实现机器人无外接线路在管道内进行工作，机器人通过锂电池对微型

直流电机进行驱动，并安装有蓝牙通信控制模块。可在管道外对机器人进行“前

进、停止、后退”的操作。

在以上工作基础上，加工机器人各模块零件，装配机器人实物样机，搭建

管道实验环境。开展机器人在管道内蓝牙通信运动控制实验；开展机器人在不

同管道种类环境运动实验；开展机器人在同一管道种类不同管道直径运动实验。

本文设计的软体管道机器人实现了使用单电机对机器人的三个模块自由度进行

驱动，也解决了软体管道机器人在无外接线路的条件下实现在管道内的勘探任

务。

关键词:管道机器人；软体机器人；单电机驱动凸轮轴；蓝牙通信

Keywords:pipelinerobot,softrobot,singlemotordrivencamshaft,bluetooth

communication

目录

摘要I

ABSTRACTII

第1章绪论1

1.1课题来源及研究背景和意义1

1.1.1课题来源1

1.1.2课题研究背景和意义1

1.2软体管道机器人及其理论的发展概况2

1.2.1基于形状记忆合金驱动的软体管道机器人2

1.2.2基于水凝胶驱动的软体管道机器人4

1.2.3基于静电薄膜的机器人驱动方式4

1.2.4基于气压驱动的软体管道机器人5

1.2.5基于磁流体的软体机器人驱动方式9

1.2.6基于折纸机构的软体机器人驱动方式10

1.3本文主要研究内容11

第2章软体管道机器人的结构设计12

2.1引言12

2.2软体管道机器人需求分析12

2.2.1软体管道机器人需求分析12

2.2.2软体管道机器人运动方式选择13

2.2.3软体管道机器人驱动方式的选择14

2.3单电机驱动软体管道机器人的结构设计16

2.3.1单电机驱动软体管道机器人运动原理分析16

2.3.2单电机驱动软体管道机器人结构设计19

2.4本章小结25

第3章软体管道机器人静力学分析26

3.1引言26

3.2软体管道机器人内部静力学分析与凸轮轨迹优化26

3.2.1膨胀模块的凸轮槽与推杆的静力学分析27

3.2.2躯干伸长模块的凸轮槽与推杆的静力学分析30

软体膨胀模块有限元分析32

3.3.1软体膨胀模块的材料模型32

3.3.2软体