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管道攀爬机器人夹持机构设计与优化

邵浩东 肖晓晖

邵浩东, 肖晓晖. 管道攀爬机器人夹持机构设计与优化[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(10): 1483-1489. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200479
引用本文: 邵浩东, 肖晓晖. 管道攀爬机器人夹持机构设计与优化[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(10): 1483-1489. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200479
SHAO Haodong, XIAO Xiaohui. Designing and Optimizing Clamping Mechanism of Pipe Climbing Robot[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(10): 1483-1489. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200479
Citation: SHAO Haodong, XIAO Xiaohui. Designing and Optimizing Clamping Mechanism of Pipe Climbing Robot[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(10): 1483-1489. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200479

管道攀爬机器人夹持机构设计与优化

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200479
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2018YFB2100903

详细信息
    作者简介:

    邵浩东(1996-), 硕士研究生, 研究方向为机器人机电一体化, 2503552685@qq.com

    通讯作者:

    肖晓晖, 教授, 博士, xhxiao@whu.edu.cn

  • 中图分类号: TH122

Designing and Optimizing Clamping Mechanism of Pipe Climbing Robot

  • 摘要: 针对目前夹持式管道攀爬机器人夹持机构存在的不足, 基于三点定心法设计了四连杆夹持机构。该夹持机构由四连杆夹持部分和丝杆传动部分组成, 通过丝杠传动带动四连杆运动实现夹持机构夹持和张开。本文首先进行夹持机构设计, 并进行了力封闭性分析; 其次对夹持机构连杆进行优化, 重量减轻了11.7%;接着通过ANSYS瞬态仿真分析夹持机构理论最大负载能力, 进行机器人负载试验验证了该夹持机构的可靠性。
  • 图  1  夹持机构示意图

    图  2  物体坐标系与接触点坐标系示意图

    图  3  夹持机构简图

    图  4  夹持机构夹紧状态下受力简图

    图  5  Pareto解集图

    图  6  优化前后模型对比

    图  7  夹持机构应力分布图

    图  8  机器人平面攀爬最大负载状态

    图  9  机器人空间攀爬最大负载状态

    图  10  仿真环境

    图  11  力负载仿真最大位移时间曲线

    图  12  空间负载仿真的位移时间曲线

    图  13  直管攀爬步态

    图  14  管间跨越步态

    图  15  机器人运动负载试验

    表  1  优化前后连杆长度对比

    连杆 x1 x2 x3 x4 x5
    优化前/mm 42 25 20 20 28.5
    优化后/mm 15 17 20 12 15
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    表  2  力负载仿真的输入负载

    时间/s 1 2 3 4
    夹持推力/N 2 000 2 000 2 000 2 000
    负载/N 0 200 600 1 000
    下载: 导出CSV

    表  3  力矩负载仿真的输入负载

    时间/s 1 2 3 4
    夹持推力/N 2 000 2 000 2 000 2 000
    负载/Nm 0 10 20 30
    下载: 导出CSV

    表  4  机器人运动负载试验结果

    试验项目 试验次数 成功次数 成功率/%
    直管攀爬 30 30 100
    管间跨越 30 29 96.7
    下载: 导出CSV
  • [1] 寇重光. 管道攀爬检测机器人自主作业控制[D]. 武汉: 武汉大学, 2018: 8-17

    KOU C G. Autonomous operation control of pipeline climbing detection robot[D]. Wuhan: Wuhan University, 2018: 8-17 (in Chinese)
    [2] 李瑞强. 火电厂锅炉四管泄漏问题研讨及防范[J]. 内燃机与配件, 2017(24): 110-111 doi: 10.3969/j.issn.1674-957X.2017.24.065

    LI R Q. Discussion and prevention of leakage problem of four boiler tubes in thermal power plant[J]. Internal Combustion Engine & Parts, 2017(24): 110-111 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1674-957X.2017.24.065
    [3] LAM T L, XU Y S. A flexible tree climbing robot: treebot-design and implementation[C]//Proceedings of 2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Shanghai, China: IEEE, 2011: 5849-5854
    [4] LAM T L, XU Y S. Climbing strategy for a flexible tree climbing robot-treebot[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2011, 27(6): 1107-1117 doi: 10.1109/TRO.2011.2162273
    [5] 赵慧如, 鲁守银, 石利荣. 输电铁塔攀爬机器人夹持机构的设计与分析[J]. 机械传动, 2019, 43(11): 47-53 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXCD201911008.htm

    ZHAO H R, LU S Y, SHI L R. Design and analysis of Clamping mechanism for transmission tower climbing robot[J]. Journal of Mechanical Transmission, 2019, 43(11): 47-53 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXCD201911008.htm
    [6] 卢伟, 王鹏, 王玲, 等. 褐菇无损采摘柔性手爪设计与试验[J]. 农业机械学报, 2020, 51(11): 28-36 doi: 10.6041/j.issn.1000-1298.2020.11.003

    LU W, WANG P, WANG L, et al. Design and experiment of flexible gripper for mushroom non-destructive picking[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(11): 28-36 (in Chinese) doi: 10.6041/j.issn.1000-1298.2020.11.003
    [7] 寇重光, 谢涛, 陈潇, 等. 面向电厂管道的攀爬机器人运动规划与仿真[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2018, 49(8): 1936-1943 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZNGD201808014.htm

    KOU C G, XIE T, CHEN X, et al. Motion planning and simulation of climbing robot for power plant pipelines[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2018, 49(8): 1936-1943 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZNGD201808014.htm
    [8] 江励. 双手爪式模块化仿生攀爬机器人的研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2012: 17-21

    JIANG L. Development and analysis of a Bio-inspierd modular biped climbing robot[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2012: 17-21 (in Chinese)
    [9] KIM J H, LEE J C, CHOI Y R. PiROB: vision-based pipe-climbing robot for spray-pipe inspection in nuclear plants[J]. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2018, 15(6): 1729881418817974
    [10] DU Q L, LI Y, LIU S N. Design of a micro pole- climbing robot[J]. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2019, 16(3): 172988141985281
    [11] 朱海飞, 管贻生, 蔡传武, 等. 具有多种运动方式的小型模块化双手爪机器人MiniBibot[J]. 机器人, 2012, 34(2): 176-181+189 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JQRR201202009.htm

    ZHU H F, GUAN Y S, CAI C W, et al. MiniBibot: a miniature modular biped robot with multi-locomotion modes[J]. Robot, 2012, 34(2): 176-181+189 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JQRR201202009.htm
    [12] FAIZAL M I N, OTHMAN W A F W, HASSAN S S N A S. Development of pole-like tree climbing robot[C]//2015 IEEE International Conference on Control System, Computing and Engineering. Penang, Malaysia: IEEE, 2016
    [13] 吴永宏, 李群明. 机械手夹持接触力及力封闭分析[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2009, 40(6): 1580-1586 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZNGD200906022.htm

    WU Y H, LI Q M. Analysis of gripping contact force and force-closure of manipulator[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2009, 40(6): 1580-1586 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZNGD200906022.htm
    [14] GOLDMAN A J, TUCKER A W. Polyhedral convex cones in linear inequality and related systems[M]. Princeton: Princeton University Press, 1956
    [15] 徐丁峰, 章军, 王强. 基于遗传算法的变掌机械手结构优化[J]. 机械设计, 2020, 37(7): 14-18 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXSJ202007003.htm

    XU D F, ZHANG J, WANG Q. Structural optimization of the variable palm manipulator based on the genetic algorithm[J]. Journal of Machine Design, 2020, 37(7): 14-18 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXSJ202007003.htm
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  • 收稿日期:  2020-11-02
  • 刊出日期:  2022-10-25

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