畢業(yè)設計論文-剛度可調關節(jié)結構設計

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1、 編號 題 目 剛度可調關節(jié)結構設計 學生姓名 學 號 學 院 專 業(yè) 班 級 指導教師 剛度可調關節(jié)結構設計 摘 要 隨著科學技術的不斷發(fā)展,人們的生產生活在追求更好質量，更低成本，更高效率的同時，對于產品精度和安全性的要求也越來越高，高效率，高自動化，高精度，高可靠性的機器人技術成為了至關重要的環(huán)節(jié)。現(xiàn)在的機器人技術主要采用剛性關節(jié)，控制精度高的同時

2、，人機交互存在安全隱患，隨著機器人環(huán)境友好、安全可靠的發(fā)展趨勢,可變剛度關節(jié)成為了研究熱點。變剛度關節(jié)能夠緩沖碰撞,消除機械震蕩,提高機器人對人和環(huán)境的安全性。因此，研究出具有類似人類肌肉特性的變剛度（柔性）關節(jié)對提高機器人的安全性、環(huán)境適應性以及未來更好地為人類服務具有重要的現(xiàn)實意義。 在充分了解了國內外提出的各種變剛度關節(jié)設計模型和工作原理的前提下，本文重點分析了一種國外的叫做AwAS-II的變剛度關節(jié)。該關節(jié)是由兩個拮抗放置的扭轉彈簧連接到杠桿一端，使關節(jié)再受到外力時具備一定的柔度，再通過滾珠絲杠驅動杠桿的支點移動，來改變兩側力臂的大小，以達到改變剛度的目的。為此，本文使用solidw

3、orks軟件繪制其三維模型，對AwAS-II的結構方案與運動學、動力學特性進行探索與仿真分析。 關鍵詞：柔性關節(jié)，剛度可調，杠桿，運動分析，仿真 Structural Design of Joint with Adjustable Stiffness Abstract With the continuous development of science and technology, our need to product accuracy and safety requirements are getting higher and higher, hi

4、gh efficiency, high automation, high precision , High reliability of the robot technology has become a vital link. Nowadays, the robot technology has the advantages of rigid joints and high control precision. At the same time, the human-computer interaction has the hidden danger. With the developmen

5、t trend of robot environment friendly, safe and reliable, the variable stiffness joint becomes the research hotspot. Variable stiffness joints can cushion the collision, eliminate mechanical shocks, improve the robot on the human and environmental safety. Therefore, it is of great practical signific

6、ance to develop a variable stiffness (flexible) joint with similar human muscle properties to improve the safety, environmental adaptability and future better service of the robot. Under the premise of fully understanding the various variable stiffness joint design models and working principle prop

7、osed at home and abroad, this paper focuses on a kind of foreign variable joint called AwAS-II. The joint is composed of two antagonistic torsion springs connected to the end of the lever, so that the joint and then by the external force with a certain degree of flexibility, and then through the bal

8、l screw drive lever fulcrum movement, to change the size of both sides of the arm to achieve the purpose of adjusting the stiffness. To this end, this paper uses solidworks software to draw its three-dimensional model, the AwAS-II structure scheme and kinematics, dynamic characteristics of explorati

9、on and simulation analysis. Key Words: flexible joint, stiffness adjustable, lever, motion analysis, simulation 目 錄 摘 要.....................................................................i Abstract ..................................................................ii 第1章 引 言.......

10、......................................................1 1.1 課題研究的背景及來源................................................1 1.2 課題研究的目的和意義................................................2 1.3 變剛度關節(jié)的發(fā)展現(xiàn)狀................................................2 1.3.1 變剛度關節(jié)在國外的研究現(xiàn)狀.......................

11、...............2 1.3.2 變剛度關節(jié)在國內的研究現(xiàn)狀......................................5 1.4 課題研究的主要內容..................................................6 1.5 本章小結............................................................7 第2章 流體驅動管道機器人速度波動的機理分析..............................8 2.1 流體驅動管道機器人運動原理.....

12、................................. 2.2 管道機器人在管內運動的受力分析................................. 2.3 流體驅動管道機器人產生速度波動的影響因素........................ 2.3.1 影響管道機器人產生速度波動的外部因素....................... 2.3.2 影響管道機器人產生速度波動的內部因素....................... 2.4 本章小結...........................................

13、............ 第3章 流體驅動管道機器人力學平衡設計............................ 3.1 管道機器人驅動力設計原理...................................... 3.1.1 管道機器人支撐結構產生的流體壓差驅動力................... 3.1.2 管道機器人外設葉片機構產生的驅動力....................... 3.2 管道機器人阻力設計原理........................................ 3.2.

14、1 管道機器人外設摩擦輪機構產生的可調阻力.................... 3.2.2 管道機器人本體重力產生的不可調阻力........................ 3.3 管道機器人平衡分析............................................ 3.4 本章小結...................................................... 1 第4章 流體驅動管道機器人的結構設計...................................

15、 4.1 管道機器人支撐結構設計.......................................... 4.1.1 管內主支撐結構設計.......................................... 4.1.2 管內輔助部件支撐機構設計.................................... 4.2 管道機器人緊固聯(lián)結機構設計...................................... 4.2.1 前后支撐輪盤的聯(lián)結設計...................................... 4.2.

16、2 功能部件聯(lián)結設計............................................ 4.2.3 防松結構設計................................................ 4.3 管道機器人主體功能結構設計..................................... 4.3.1 驅動功能主體結構設計........................................ 4.3.2 阻礙功能主體結構設計........................................ 4

17、.4 本章小結........................................................ 第5章 流體自驅動管道機器人平衡的Matlab數(shù)值仿真分析....................... 5.1 管道流量變化引起的驅動力數(shù)值變化................................... 5.1.1 流體壓差驅動力數(shù)值變化......................................... 5.1.2 葉片驅動力數(shù)值變化..........................................

18、... 5.2 管道流量變化引起的可調阻力數(shù)值變化................................. 5.3 管道機器人隨管道流量的平衡數(shù)值分析................................. 5.4 本章小結........................................................... 第6章 流體自驅動管道機器人輔助結構設計參數(shù)............................ 6.1 管道機器人可調阻力設計機構的靜平衡分析.........................

19、... 6.2 管道機器人恢復彈簧的參數(shù)設計....................................... 6.2.1 驅動軸彈簧設計參數(shù)............................................ 6.2.2 支撐輪彈簧設計參數(shù)............................................ 6.3 本章小結.......................................................... 第7章 總結與展望...........................

20、.......................... 參考文獻................................................................. 致謝.................................................................... 2 第1章 引 言 1.1 課題研究的背景及來源 隨著科學技術的不斷發(fā)展,人們的生產生活在追求更好質量，更低成本，更高效率的同時，對于產品精度和安全性的要求也越來越高，高效率，高自動化，高精度，高可靠性的機器人技術成為了高

21、端產業(yè)中至關重要的環(huán)節(jié)。目前，由于對控制精度和響應速度要求較高，機器人驅動器大部分采用剛性關節(jié)，但隨著機器人技術的應用范圍越來越廣,如工業(yè)生產領域、醫(yī)療設備領域、特定服務機器人以及特殊環(huán)境作業(yè)機器人等，機器人的工作環(huán)境越來越復雜，與人的接觸機會越來越多,我們對于能夠應用于人機交互環(huán)境中,對環(huán)境友好，且不對外界環(huán)境造成危害的機器人系統(tǒng)的需要越來越迫切,因此機器人的安全性和環(huán)境適應性逐漸成為了近年來機器人技術研究的重點方向。 在機器人技術環(huán)境友好、安全可靠的發(fā)展趨勢下,能夠對外來沖擊產生一定緩沖，減小機械振動，提高能量利用率，并大大提升人機交互中安全性的可變剛度柔性關節(jié)成為了研究熱點，越來越受到

22、關注。 近年來各種可變剛度柔性關節(jié)相繼出臺，應用于諸如腿假體裝置，腿外骨骼的步行輔助系統(tǒng)，醫(yī)療康復機器人，仿人機械臂等方面，這些可變剛度的驅動系統(tǒng)通常采用兩個驅動器單元與被動彈性元件的組合來獨立地控制驅動關節(jié)的剛度和平衡位置。變剛度驅動關節(jié)能夠模擬人類的肌肉，遭遇沖擊的時候能夠產生適當?shù)膹澢?，以緩沖碰撞所產生的能量，同時感知外界阻力并做出反應，從而能夠保證手臂和外界環(huán)境的安全性。此外，彈性元件像肌肉一樣吸收、儲存、再利用沖擊能量，不僅可以提高能量的利用率，而且能從一定程度上消除機械震蕩，減小機械損傷。出色的環(huán)境適應性和高安全性使可變剛度柔性關節(jié)具有編號的發(fā)展前景。 1.2 課題研究的目的

23、和意義 可變剛度柔性關節(jié)能夠緩沖碰撞,減小機械震蕩,提高能量利用率，提升機器人對于人和環(huán)境的安全性。它的提出，使得日新月異，飛速發(fā)展的機器人技術得到了良好的安全性和環(huán)境適應性保障，使其能夠在各種環(huán)境條件下應對各種突發(fā)情況，并可以直接應用于發(fā)展?jié)摿薮蟮娜藱C交互機器人上，大大拓寬了機器人技術的應用領域，推動高端科技產業(yè)的發(fā)展，對未來機器人能夠更好地為人類服務具有重大深遠的現(xiàn)實意義。 1.3 變剛度關節(jié)的發(fā)展現(xiàn)狀 1.3.1 變剛度關節(jié)在國外的研究現(xiàn)狀 變剛度關節(jié)的概念最初由國外提出，并進行此方面的研究，取得了豐富全面的研究成果，將其融入到輕型機器臂中，使，開發(fā)出性能優(yōu)異的柔性臂。具有

24、機械彈性的仿人機器人已經發(fā)展了近二十年之久，其靈活性和安全性能與日俱增。它們主要分為兩種類型：具有連續(xù)彈性接頭的機器人（SEA），以及具有可變剛度關節(jié)（VSJ）的機器人。 SEA關節(jié)具有各自獨立的彈簧特性，每個接頭中僅具有一個驅動器，這促成了更加簡單輕便的關節(jié)的產生，但是有關節(jié)剛度不能適應于不同環(huán)境的缺點。 意大利技術研究所(IIT)的 G.Metta 等人設計出了一種基于 SEA 的緊湊型變剛度關節(jié)，應用于他們研發(fā)的“i Cub”機器人（擁有 53個自由度，小孩大小的人形機器人）的關節(jié)中，如圖： 一種基于 SEA 的緊湊型變剛度關節(jié) 還有其他一些研究人員開發(fā)出各種各樣的基于

25、SEA 的變剛度關節(jié)。Lagoda C.等人設計出了一種用于步態(tài)康復訓練的機器人關節(jié) e SEAJ(electric Series Elastic Actuated Joint)。Stienen A.H.A 等人開發(fā)出了一種用于上肢康復的外骨骼機器人關r HEA(rotational Hydro Elastic Actuator)，如圖： 國外幾種典型的 SEA 變剛度關節(jié) 為了解決 SEA 關節(jié)不能適應各種環(huán)境的局限性，一些學者在 SEA 的基礎上開發(fā)出一種冗余的關節(jié)驅動器，采用了兩個電機，一個電機控制關節(jié)輸出位置，另一個調節(jié)輸出剛度。根據(jù)電機的連接方式不同，主要分為三大類：并聯(lián)型、串聯(lián)

26、型和可變物理結構型。并聯(lián)型是指關節(jié)的輸出力矩是兩個電機的力矩之和，串聯(lián)型是指關節(jié)的末端位置是兩個電機的輸出位移之和。 并聯(lián)型結構： Junho Choi 等人設計出了一種較為復雜的拮抗式并聯(lián)結構的變剛度關節(jié) VSJ。利用片彈簧的變形實現(xiàn)剛度的改變，片彈簧一端固定于主軸，另一端自由，相當于懸臂梁。兩電機以對稱的方式放在兩端，分別帶動連桿 a 和連桿 b 運動，當兩電機的轉速一致時，中樞在片彈簧上的位置不發(fā)生改變，關節(jié)剛度就保持不變；當兩電機的轉速不同時，中樞在片彈簧上的位置則會改變，中樞沿著片彈簧移動，導致關節(jié)剛度發(fā)生改變。如圖： 基于片彈簧的變剛度關節(jié) VSJ 串聯(lián)型結構： 德

27、宇航(DLR)的 Wolf .S 等人設計出了一種變剛度關節(jié) VS-J(Variable Stiffness Joint)，運用于 DLR 柔性臂的關節(jié)中 。該關節(jié)利用諧波減速器的差動特性，關節(jié)電機與波發(fā)生器相聯(lián)接，柔性輪作輸出端，變剛度機構VSM(Variable Stiffness Mechanism)與剛性輪相聯(lián)接。工作時，彈簧沿主軸方向的變形轉化為繞主軸的力矩，調節(jié)剛度的電機帶動底座滑塊壓縮彈簧改變關節(jié)的整體剛度，當關節(jié)受到外界載荷而產生被動變形時，驅動關節(jié)的電機靜止不動，關節(jié)的輸出剛度僅與 VSM 有關，通過改變凸輪的曲面形狀即可得到不同剛度特性的關節(jié)。如圖： DLR 研究

28、變剛度關節(jié)的相關成果 可變物理結構型： AWAS(Actuator with Adjustable Stiffness)采用了調整杠桿力臂長度的原理，關節(jié)驅動電機 M1 和中間連桿剛性連接起來，用于調整關節(jié)位置，中間連桿和輸出連桿之間安裝一對拮抗放置的彈簧，兩個彈簧是預壓縮的，運動中總的長度保持不變；剛度調節(jié)電機 M2 通過滾珠絲杠機構移動彈簧位置，從而改變彈簧作用點與關節(jié)旋轉中心之間的距離（即有效力臂），以此來改變關節(jié)的輸出剛度。AWAS-II在 I 型的基礎上做出了改進，固定彈簧的位置而改變杠桿支點的位置，有效地擴大了關節(jié)剛度的調節(jié)范圍并且提升了較小剛度時調整的響應速度。如圖：

29、 AWAS 工作原理及實物 AWAS-II 原型及工作原理 1.3.2 變剛度關節(jié)在國內的研究現(xiàn)狀 國內在變剛度關節(jié)方面的研究起步較晚，尚處在探索階段。研究成果比較少。 對于可變剛度機構設計，哈爾濱工業(yè)大學的尹鵬等人研制出了一種面向足式機器人的新型可調剛度柔性關節(jié)，該關節(jié)采用了一種變傳動比杠桿機構作為核心部件，實現(xiàn)了剛度的連續(xù)可調功能。關節(jié)結構及驅動方式設計緊湊，滿足了足式機器人系統(tǒng)對重量及體積的要求，通過分析關節(jié)相關結構參數(shù)與關節(jié)輸出剛度系數(shù)之間的關系，選擇較為敏感的參數(shù)，提高剛度調節(jié)的靈敏性。 面向足式機器人的新型可調剛度柔性關節(jié) 1.4 課題研究的主要內

30、容 本文由變剛度關節(jié)的運用背景和研究進展出發(fā)，分析國內外提出的各種可變剛度關節(jié)的特性，對其原理和工作方式進行分析研究。在眾多方案中，選擇AWAS-II作為主要研究目標，并建立關節(jié)的數(shù)學模型,推導關節(jié)剛度計算公式,實現(xiàn)剛度的調節(jié)控制。為達到仿人的目的，可變剛度關節(jié)需有適當?shù)慕Y構參數(shù)設計，以在不同條件下完成工作要求，并而出三維模型，進行仿真測試，驗證可變剛度關節(jié)在剛度調節(jié)方面的有效性。 本課題研究和解決的問題： 1）查閱相關文獻，收集有關資料，了解各種關節(jié)的方案設計，分析可變剛度關節(jié)的特性，對其變化剛度的原理和工作方式進行分析； 2）建立AWAS-II的數(shù)學模型,推導關節(jié)剛度計算公式,實現(xiàn)

31、剛度的調節(jié)控制。 3）根據(jù)要求對AWAS-II進行相關參數(shù)以及零件的設計。 4）根據(jù)設計參數(shù)使用三維軟件solidworks對變剛度關節(jié)進行建模，完成動力學仿真以及靜應力分析，對其結構做出優(yōu)化，得出課題研究的主要結論。 1.5 本章小結 本章主要對變剛度關節(jié)研究的社會背景和現(xiàn)實意義進行了詳細說明，分析了國內外對變剛度關節(jié)的研究現(xiàn)狀。在最后，提出了本課題研究需要解決的問題和需要完成的任務。  第2章 AWAS-II的工作原理和數(shù)學模型分析 2.1 AWAS-II的概念 為了闡明應用于AwAS-II的機構與其它采用杠桿機構的可變剛度驅動器相比的優(yōu)點，本文討論了Aw

32、AS和AwAS-II兩個機構的概念。 應用于AwAS的機構的概念基于可變桿臂。 假設一個圍繞其樞軸旋轉的杠桿（如圖1）。 兩個彈簧拮抗地連接到杠桿并且可以靠近或遠離樞軸移動。 有效長度是樞軸和彈簧之間的距離。 桿端的表觀剛度可以通過改變有效臂來調節(jié)。 有效臂越長，杠桿越硬，剛度越大。 因此可實現(xiàn)的最大剛度取決于最大有效臂長（有效的杠桿長度 ）和彈簧的彈性。 圖1 . AwAS的概念:通過移動彈簧的位置改變有效臂長來改變剛度 然而，AwAS-II的概念是基于可變比杠桿機構。如圖2所示調節(jié)剛度，力和彈簧的位置保持固定，而樞軸的位置發(fā)生改變,在杠桿長度一定的情況下，樞軸和彈簧之間

33、的距離與樞軸和施加力的作用點之間的距離即杠桿兩臂，其比率也發(fā)生改變，從而改變剛度。 如果樞軸到達連接到彈簧的桿的端部，則比率等因此剛度變?yōu)榱?，而如果到達另一端，則桿變得剛性。 這個結論并不受杠桿的長度與彈簧的彈性限制。 圖 3. AwAS-II的概念; 通過在彈簧的位置保持固定的同時移動樞軸的位置來改變杠桿的比率，從而改變剛度 AWAS-II，它是AWAS的改進版本，所述的新穎之處在于，彈簧和載荷施加到桿的作用點的位置保持固定，而是樞軸位置發(fā)生改變，變化的是杠桿兩臂長度的比值。該比值理論上可以在零到無限之間變化，

34、因此剛度可以從非常軟到完全剛性。該范圍不取決于杠桿的長度和彈簧的彈性。因此，我們在設計中可以對彈簧和杠桿減少要求，使用更短的桿和更經濟的彈簧，這使得AwAS-II的結構與AwAS相比更輕更緊湊，成本也更低。同時，更短的桿還有一個優(yōu)勢，在于能夠更快地調節(jié)剛度水平（從最小剛度到最大剛度的行程距離更短）。 2.2 AwAS-II的機械結構 圖3. AwAS-II的基本結構 在AwAS-II的機械結構中，在圖3中可以看到，兩個拮抗放置的扭轉彈簧以預偏轉的方式固定到輸出連桿的一側，并且另一側連接到杠桿的一端。 杠桿的另一端通過旋轉接頭連接到輸出連桿。 中間連桿剛性地連接到驅動關節(jié)運動

35、的主電動機（以下稱為M1）。 圖4. 滑塊的位置由M2通過滾珠絲杠機構改變 樞軸是放置在杠桿內并連接到滑塊的凸輪從動件，其由被另一電動機（以下稱為M2）驅動的滾珠絲杠機構移動。 穿過滑塊的直線導軌防止滑塊圍繞滾珠絲杠的旋轉，并且當輸出連桿從其平衡位置偏轉時起一定支撐作用。 兩個電機的運動是相對獨立的，M1控制關節(jié)的中間連桿運動，而M2用來控制剛度。剛度取決于杠桿兩臂的比率L1 / L2，定義L1是樞軸和連接到彈簧的杠桿的端部之間的距離，L2是樞軸和連接到輸出連桿的杠桿的另一端之間的距離。 杠桿可以相對于輸出連桿圍繞該后端旋轉，也可以圍繞樞軸旋轉，因此如果連桿偏離其平衡位置，則彈簧根據(jù)

36、樞軸的位置而發(fā)生偏轉。 當樞軸與M1的旋轉中心對準時，該比率變?yōu)榱悖↙1 = 0），并且關節(jié)呈現(xiàn)零剛度，中間連桿與輸出連桿之間可以隨意轉動。 將樞軸遠離該端部移動，增加剛度，直到樞軸到達另一端并且與輸出連桿和桿之間的接頭的軸線對準。在該位置，比率變?yōu)闊o限大（L2 = 0），并且關節(jié)變?yōu)閯傂浴? 當連桿偏離其平衡位置時，連接到彈簧的杠桿的端部沿著彈簧的一端滑動，為了減小滑動摩擦，在杠桿和每個彈簧之間放置滾輪。 圖5. AwAS-II實物圖 2.3 AwAS-II調節(jié)剛度的數(shù)學模型 電機M2驅動滾珠絲杠機構獨立地調節(jié)系統(tǒng)剛度，與中間連桿保持剛性連接，并不參與系統(tǒng)受外力后的變形過程。中間

37、連桿由電機M1驅動，此時中間連桿上的樞軸通過兩個彈簧的作用力來帶動輸出連桿一起旋轉，在平衡狀態(tài)下，輸出連桿和中間連桿保持同步旋轉。在輸出連桿受到外力作用時，輸出連桿相對于中間連桿會以樞軸為中心發(fā)生一定偏轉，從而引起杠桿另一端彈簧的形變。兩個彈簧是拮抗放置的，形變造成的彈力差用來平衡杠桿另一端的外力，此時系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)。 為了方便得到系統(tǒng)的關節(jié)剛度的模型，我們用等效虛擬壓縮彈簧來替代扭轉彈簧，如圖6所示： 圖6. 用等效虛擬壓縮彈簧代替扭轉彈簧 在這種情況下，壓縮彈簧的彈性系數(shù)須用扭轉彈簧的系數(shù)來表示。圖中，扭轉彈簧在距彈簧中心rt的臂處受到力Ft的作用。 假設力Ft總是水平作

38、用，rt保持不變。 則： 力 Ft使得扭力彈簧發(fā)生偏轉δγ： δγ=Ftx （1） 其中 x 是 圖6中所示的扭轉彈簧的受力臂的線性位移。 扭轉彈簧的合成扭矩為： Tt=Ftrt (2) 由方程（1）和（2），扭力彈簧的彈性系數(shù)可以由下式得出： Kt=Ttδ

39、γ=Ftxrt2=Ksrt2 (3) 其中Ks表示等效虛擬壓縮彈簧的彈性系數(shù)。 圖7示出當輸出連桿通過角偏轉Φ=q-θ時偏離其平衡位置時的AwAS-II示意圖。 圖7在非平衡位置的AwAS-II? 剛度取決于比率α，其定義為L1L2。旋轉接頭的角偏轉是輸出連桿和中間連桿之間的角度差。角偏轉使杠桿圍繞樞軸旋轉β并且以另一側的速率Ks壓縮彈簧δx。 因此，由彈簧產生的力Fs為： Fs=Ksp+δx-Ksp-δx=2KsL1sinβ (4) 其中，p為彈簧的預壓縮長度，δx為中間連桿垂直于彈簧

40、方向的位移。 由于杠桿另一端連接到輸出連桿，因此施加到輸出連桿的力F可以為： F=FsL1L2=Fsα （5） 在受力處的合成轉矩為： T=FL1+L2 (6) 連桿的角偏轉可以基于杠桿圍繞其樞軸的旋轉來公式化為： sinφ=L2L1+L2sinβ (7) 由等式（3）和（7），剛度可以推導如下： K=?T?δθ=2rt2Ktα2L1+L22cos

41、φ (8) 在平衡位置，剛度可以寫為： K=2rt2Ktα2L1+L22 (9) 從上述等式可知，系統(tǒng)的剛度取決于杠桿的比率，彈簧的彈性系數(shù)，彈簧臂的長度，杠桿的長度以及角偏轉。 然而，理論上比率α可以在零與無限大之間變化，其他參數(shù)受設計上的限制有一定局限性，對剛度范圍的影響較小。因此，通過調節(jié)樞轉位置來改變比率α，可以將剛度設置為任何所需的水平，其余參數(shù)僅影響剛度曲線的非線性。 2.4 本章

42、小結 本章分析了AwAS-II的工作原理和結構，并建立了其剛度的數(shù)學模型。從結論上看，調節(jié)樞軸位置改變比率α，可以將剛度設置為任何所需的水平，而其余參數(shù)對剛度曲線影響不大，因此在設計上可以使用更短的桿和更易得到的彈簧，使其結構較之AwAS原型更緊湊，成本更低，同時有更快的調節(jié)速度。 第3章 變剛度關節(jié)的模型和仿真分析 3.1 管道機器人驅動力原理設計 管道機器人在管道中受到流體作用的驅動力可以劃分為兩個主要來源，即由于管道支撐體在管道內產生的流體壓差驅動力和機器人外設計結構葉片產生的驅動力。管道支撐體在管道內產生的驅動力取決于固定的管道支撐

43、體的結構和流體運動參數(shù)，結構體無法動態(tài)變化。機器人外設計同樣由于固有零件的尺寸限制，結構體也不會發(fā)生動態(tài)變化，驅動力大小只取決管道流體的運動參數(shù)。 3.1.1 管道機器人支撐結構產生的流體壓差驅動力 根據(jù)現(xiàn)有的流體力學基礎理論知識，獲得現(xiàn)有的流體壓差驅動力計算方法。如圖3.1所示，分析流體壓差驅動力計算模型[13]。 圖3.1 流體管道截面變化時的壓差阻力計算 流體在流經截面變化的管道時會產生截面兩側的壓差，且流體在變截面流動之前由于流體與管道截面的相互作用產生流體的壓力損失。 圖示中，設管道流體變截面前流體速度為，壓強為，流動流體橫截面積為。流體流經的變截面時，流體速度為

44、，壓強為，流動流體的橫截面積為。通過變 面后，流體速度為，壓強為，流動流體的橫截面積為。 根據(jù)流體介質在管道流動的伯努利方程： 式中：為動能修正系數(shù)。 —流體進入變截面前流體的壓力； —流體介質的密度； —流體進入變截面前流體的速度； —流體離開變截面后流體的壓力； —流體離開變截面后流體的速度； —沿程損失，距離較小，可以忽略； —管道截面收縮時的局部損失； —管道截面擴張時的局部損失； 局部損失的表達式：

45、 式中：—局部阻力系數(shù)； 管道收縮時的局部阻力系數(shù)的計算方法為 式中：—管道變截面前的截面積； —管道變截面時的截面積； 對于管道截面面積突然變大的局部阻力系數(shù)的計算方法為 式中：—管道截面變大后的截面積； 模型中，管道變截面前后的流體截面面積 ，則流體流經管道機器人前后的流量滿足：

46、 聯(lián)立上述各式，可得流體流經變截面的前后壓差為： 式中：—入口系數(shù)，0<<1, 變截面處入口越光滑，越??； 流體經過變截面時，由變截面前后的壓差可以求得流體此時對變截面體(管道機器人)的作用力為： 式中：—流體流經變截面時，實體面積，； —流體對變截面的作用力； 上述相關公式的推導，是計算流體自驅動管道機器人支撐體在流體管道中所受到流體的驅動力的理論依據(jù)。依據(jù)此模型，可以求出流體的壓差驅動力。 3.1.2 管道機器人外設葉片機構產生的驅動力 流體的壓差驅動力受機器人變截

47、面條件的固定約束，無法進行對管道機器人管道內所受摩擦力的動態(tài)調節(jié)。所以在流體驅動管道機器人中設置了動態(tài)的可以間接用于調節(jié)摩擦力的外設葉片機構產生的驅動力。 依據(jù)流體力學的知識，我們對葉片在變截面管道內的軸向力進行了理論分析。下述為外設葉片機構產生的驅動力的理論依據(jù)。 利用單純的動量方程和伯努利方程并不能仔細分析葉片推進器的工作情況，但是利用這些方程可以分析其工作原理并且指導設計工作[14]。 圖3.2 葉片推動器模型計算 如圖3.2 所示，葉片推動器計算模型。設葉片推進器前后一定距離的壓力分布均勻。取1~4截面及圖示流管為控制面，此時控制體內流體受到的力只有葉片推進器對流體的

48、作用力(流體對葉片驅動器的作用力為)。由計算模型知： 式中：—葉片實體截面的面積； —葉片實體截面前后的流體壓強，； —流體進入葉片推動器前的流體流速； —流體流出葉片推動器后的流體流速； —流體在葉片截面的平均流速； —流體在管道內的流量； —流體介質的密度； (3-8)式中消去得 列1，2及3，4截面的伯努利方程得： 考慮到在

49、長距離管道運輸中，，由(3-10),(3-11)兩式可得： 聯(lián)立上述方程式，得： 在設計流體驅動管道機器人結構時采用葉片推動器使流體產生對機器人的驅動力，使用該驅動力來調整機器人遇到的摩擦阻力，實現(xiàn)動態(tài)調節(jié)。下文將對葉片產生的驅動力如何來調節(jié)阻力進行分析。 3.2 管道機器人阻力設計原理 流體驅動管道機器人在管道中會受到機器人與管道內壁的摩擦力，由經典摩擦定律可知，物體所受摩擦力的大小與接觸面所受的正壓力成正比。管道機器人與管道內壁的正

50、壓力取決與機器人本體的重力和機器人的設計結構在驅動力的作用下產生的正壓力。管道流量變化，促使機器人葉片機構驅動力發(fā)生變化，從而改變機器人與管道內壁的正壓力，最后改變作用在管道機器人的摩擦阻力。上述的調節(jié)過程使管道所受的驅動力和所受的摩擦阻力具有達到平衡的可能性。 3.2.1 管道機器人外設摩擦輪機構產生的可調阻力 外設摩擦輪機構阻力的可調來源于葉片推進器在流體的作用下產生的驅動力的動態(tài)變化。設計一種三爪分支的管道機器人，在葉片推進器的外驅動力作用下，三爪分支機構撐開，摩擦輪緊貼管道內壁，摩擦輪與管道內壁的正壓力與外驅動力成正比。 三爪分支機構的簡易模型如下： 圖3.3

51、 空間三爪支撐結構簡易模型(空間內一個） 此模型中，為支撐輪架，其中,,以及為四個鉸接點，設模型中的尺寸滿足：= ,=, .圖示中的夾角分別為。 由理論力學知識計算模型的平衡（此管道機器人設計的剛性靜力學平衡），平面力學平衡： 式中：—管道內壁與支撐輪的正壓力； —支撐桿的正壓力； —節(jié)點處的水平方向力； —節(jié)點處的豎直方向力； 上述支撐結構的剛性力學平衡，主要可以得到的相互代數(shù)關系表達式： 設計的剛性支撐輪結構是空間3x12

52、0?均勻分布的，有三個相同的分支。當支撐桿的正壓力與葉片推進器的軸向力在軸向方向平衡時，其受力結構模型為： 圖3.4 支撐結構受力模型(空間內一個） 由理論力學知識計算模型的平衡，實際為空間力系，只計算軸線方向： 式中：—三個支撐桿的正壓力； —葉片推進器的軸向力； 上述等式主要得到的代數(shù)關系式： 綜合(3-17)與（3-20）得到的代數(shù)關系式為：

53、 設計的支撐架的外摩擦輪與管道內壁的摩擦為滑動摩擦，其設計的目的是為了讓可調摩擦阻力成為影響管道機器人平衡因素的主要摩擦阻力。根據(jù)經典摩擦理論得： 式中：—管道機器人摩擦輪與管道內壁相對滑動的摩擦系數(shù)； 由上述力學分析，推導出可調摩擦阻力的計算方法。 3.2.2 管道機器人本體重力產生的不可調阻力 設計的流體自驅動管道機器人采用的是管道內柱體圓盤支撐的的形式，在圓盤的徑向安裝6x60?的徑向輪，設計的徑向輪與管道內壁的摩擦為滾動摩擦，該摩擦阻力是由管道機

54、器人本體重力產生的不可調摩擦阻力。為了使管道機器人所受的驅動力和摩擦阻力盡可能達到平衡的狀態(tài)，從而最大限度地減少管道機器人在流體作用下的速度波動，所以設計徑向輪與管道內壁的摩擦為滾動摩擦。 圓盤徑向輪的簡易模型如下： 圖3.5 圓盤徑向支撐簡易模型 利用理論力學平面靜平衡的理論知識對模型進行力學分析： 作用在支撐的正壓力主要為，對于支撐圓盤上半部分的正壓力忽略為0，因為重力的作用點為支撐圓盤的中心。受力分析得： 由上述方程式得：； 支撐圓盤的徑向輪為滾動摩擦，由滾動阻礙

55、的性質[15], 式中：—最大滾動阻力偶； —滾動阻礙系數(shù)，單位：mm； —徑向輪與管道內壁的摩擦系數(shù)； —徑向正壓力； —滾動摩擦輪的半徑； 綜合上式：徑向輪與管道內壁的摩擦力滿足， 此計算模型中，的值取決與的組合，??； 則由此計算出單個支撐圓盤與管道內壁的不可調摩擦阻力為： 通過上述對簡易模型的分析

56、，我們得出了管道機器人本體重力產生的不可調摩擦阻力的計算方法。接下來我們將對管道機器人所受的驅動力和摩擦阻力進行平衡分析。 3.3 管道機器人平衡分析 前幾節(jié)我們對擬定設計的流體驅動管道機器人在管道中受到驅動力和摩擦阻力產生的機理進行了詳細的理論分析。本節(jié)，我們將利用已經分析過的力學模型，建立起流體驅動管道機器人真整體的簡易力學模型，并且利用建立的力學模型，對流體驅動管道機器人進行平衡分析。 流體驅動管道機器人的整體簡易模型如圖3.6 所示， 對該流體驅動管道機器人的簡易模型進行靜平衡分析： 設支撐結構的壓差驅動力為； 式中：—管道內流體介質的密度；

57、 —機器人支撐結構流體流過的橫截面積； —運輸管道的橫截面積； —運輸管道截面內流體的流動速度； —入口系數(shù)，0<<1, 變截面處入口越光滑，越?。? 設外設葉片機構產生的驅動力為； 式中：—葉片實體截面面積； —流體進入葉片推動器前的流體流速； —流體流出葉片推動器后的流體流速； 設外設摩擦輪(3個)機構產生的可調阻力為； 式中：—外設葉片機

58、構產生的驅動力； 設管道機器人本體重力產生的不可調阻力為； 式中：—機器人的質量； —滾動阻礙系數(shù)，單位：mm； —滾動摩擦輪的半徑； 流體驅動管道機器人平衡需要滿足的條件： 由前幾節(jié)對流體力學原理的陳述，我們分析了流體驅動管道機器人力學平衡模型，并由此得到了機器人力學平衡條件。 3.4 本章小結 本章主要敘述了流體驅動管道機器人的特定結構在流體中運

59、動的計算方法。通過對支撐結構、葉片機構、外設摩擦輪和固定摩擦的流體力學原理的分析計算，我們獲得了流體驅動管道機器人滿足受力平衡的條件，為機器人的結構設計提供了理論依據(jù)。  第4章 流體驅動管道機器人的結構設計 4.1 管道機器人支撐結構設計 4.1.1 管內主支撐結構設計 4.1.2 管內輔助部件支撐結構設計 4.2 管道機器人緊固聯(lián)結機構設計 4.2.1 前后支撐輪盤的聯(lián)結設計 4.2.2 功能部件聯(lián)結設計 4.2.3 防松結構設計 4.3 管道機器人主體功能結構設計 4.3.1 驅動功能主體結構設計 4.

60、3.2 阻礙功能主體結構設計 第5章 流體自驅動管道機器人平衡的Matlab數(shù)值仿真分析 5.1 管道流量變化引起的驅動力數(shù)值變化 5.1.1 流體壓差驅動力數(shù)值變化 5.1.2 葉片驅動力數(shù)值變化 5.2 管道流量變化引起的可調阻力數(shù)值變化 5.3 管道機器人隨管道流量變化的平衡數(shù)值分析 5.4 本章小結 第6章 流體自驅動管道機器人輔助結構設計參數(shù) 6.1 管道機器人可調阻力設計機構的靜平衡分析 6.2 管道機器人恢復彈簧的參數(shù)設計 6.2.1 驅動軸彈簧的參數(shù)設計 6.2.2 支撐輪彈簧的參數(shù)設計 6.3 本章小結 第7章 總結與展望