外管式爬壁机器人的设计

外管式爬壁机器人的设计关键词：外管机器人，爬管机器人，管道检测，机构设计植物中的管道，包括发电厂和化工厂，需要稳定的保养，因为管道内流体的腐蚀和磨损和外部环境的发生。但是，作为检查管道的过程不是自动的，手工检查是一个非常耗时的工作。因此，为了减少检查时间和成本，我们提出了管道爬壁机器人管道检测。所提出的机器人是适用于工厂的操作，因为这个机器人是一个出管式，它允许它移动以外的管道。并且机器人可以覆盖直的和弯曲的长度可调的独立控制和驱动轮在不同直径的管道。该机器人的机构和控制系统的设计已经提出并且所推荐的机器人的可行性已被攀登实验证明。1.简介各种植物，包括核电厂，在其结构体系中使用各种管道。由于在管道内的流体和外部环境存在的连续腐蚀和磨损，管道的检查对植物和设备的维护是至关重要的。作为检验过程，通常是无损检测（无损检测），因此，管道是不是自动化的，这样的手动测试通常是非常耗时的任务，通常由设置检查位置，安装的无损检测设备，释放的无损检测设备我的管道，并改变检查位置。因此这个过程的自动化有一个稳定的迫切需求。然而，大多数的原型已经是沿管道内移动的管道类型。使用这些设备如果不先关闭工厂是困难的。因此，我们提出了一种可以克服管道机器人模型限制的外管式爬壁机器人。一些研究小组报告了管式机器人。基姆等人。提出了一种尺蠖式巡检机器人重加压水反应堆核电站。但是这个机器人是用于小型管道并且它的最大移动速度由继承的限制它的结构和移动基于尺蠖原理限制到1.5毫米/秒。和二汤川，等人报道了磁轮式管道机器人可避免对管法兰，但无法移动沿遏制管道。并联机器人是由日本坂等人提出的。这个机器人有一个圆形的扫描轨道，可以沿着弯曲的管道移动。但它不能主动覆盖管道的不同半径。由于这项研究的最终目标是开发一个机器人包括直管和弯管和覆盖范围在10英寸（254毫米）和30英寸（762毫米）之间的直径，我们提出了一个管式管道机器人能够沿着直线和各种管径管道弯曲。在第二章中，对结构和执行器的设计进行了描述。在第二章中，对结构和执行器的设计进行了描述。直管和弯管的实验结果在4章提出了。2.设计2.1机构设计我们的第一个设计目标是创建一个模型能够覆盖的范围内在254和762毫米之间的管道直径，但因为508毫米的覆盖直径太大不能用一个机器人覆盖，我们决定设计2种类型的机器人相对于覆盖直径。因为每个机器人的结构和工作原理是相同的，我们将提出的覆盖直径为从300毫米到500毫米的机器人。机构设计的主要目的是使一个机器人能够沿直线和弯曲的管道移动，以及覆盖管的一个大品种的直径。图1显示了由主机，驱动模块，固定和运动稳定器组成的设计机器人的概述。主机是机器人的基础上，驱动模块和持有人连接。主机是驱动模块和稳定器连接的机器人的基础。它有一个开放的'碳'的形状结构，以避免障碍，其直径为1000毫米，以覆盖300毫米和500毫米之间如图2所示的大口径管道。在驱动模块和支持机构的结构和更换的线性致动器的轻微修改，覆盖范围可以很容易改变。驱动模块由一个线性致动器和一个驱动轮组成，并产生2度的自由运动：在管的轴向方图1所设计出的管道式管道爬壁机器人图4额外的稳定器，运动的稳定剂，和加强筋。图2所提出的机器人的覆盖范围图5钢筋主机与131牛反应力各三点变形。表1大型机的零件清单图3由直线驱动装置和驱动轮组成的驱动模块向上的驱动运动和管的径向方向的直线运动如图3所示。驱动轮的径向运动的线性致动器具有100毫米冲程，并调整在径向方向上的车轮的位置。由线性驱动装置提供的正力允许机器人在没有滑动的情况下保持连接的管道，不管管道直径。主机上有三个驱动模块，每个驱动零件名称尺寸（毫米）材料主机的弯曲部分（hfs6）A30×30,R500A6061加强筋的直线部分（hfs5)A20×20A6061加强筋的弯曲部分（hfs5）A20×20,R500A6061轮独立控制，机器人可以沿着弯曲的管道移动。三个驱动模块分别位于主机上以在120小时时间间隔支持机器人的运动，图4中的另外2个支架被安装以增加支架的支撑力，以使机器人需要保持扫描或紧急状态的位置。这2个稳定器是连接在主机上的180个时间间隔面对对方，并实施由线性致动器相同的驱动模块。在早期阶段，结构分析表明，该主机具有足够的刚度。然而，由于大型机是由螺栓连接三件组装，大型机的刚度减弱，变形过大。因此，我们增加了加强筋，如图4所示，在主机上。从加固主机的结构分析，图5所示，我们能够证明，新的主机减少了2的支护力计算的变形。该设备在主机两端经受的最大变形是7.4毫米，这被一个相比之前的无加强筋肋的模型的因子2减少。并且阻尼式运动稳定器安装在加强辅助机器人上保持稳定在运动过程中。图6管道与驱动轮之间的作用力图7控制程序和图形用户界面主机，加劲肋，和稳定剂是由商业化标准的铝合金框架（hfs5-6、三角、日本）组成为了节省生产时间和成本。表1中给出了详细的零件清单。2.2力分析图6所示为管道和驱动轮之间的力。在驱动轮与管道之间存在三种力：正常力、摩擦力和机器人的载荷。这些力量被定义如下：图8控制系统的布局f=m⋅gffriction=µ⋅PT=r⋅f其中，f是机器人的总负载，µ是管道和驱动轮之间的摩擦系数，m是机器人的质量，r是车轮的半径，P是来自管道正压力，并且T为电机所需的扭矩。这里摩擦力量应该是至少一样大的机器人的负载，以便于使机器人可以无滑移爬管。并且为了提供足够的摩擦力，高法向力和摩擦系数是必要的。因此，我们在车轮上采用摩擦系数几乎为0.5防滑橡胶板（sthvs4-10-10，MISUMI、日本）以增加摩擦力。我们计算所需的正压力，考虑了所需的196.2个相同的带有20公斤负载的机器人的摩擦阻力，所以，得到392.4牛的正压力。这个正压力由驱动模块中的线性驱动器提供，我们分别选择了最大负荷为+350N和100毫米冲程的线性致动器（kdsj002、OEM、中国）。自从我们使用三个线性执行器驱动，我们能够实现2.7的安全系数。并且相同的线性致动器实际上是作为附加的稳定器。因此，当机器人是静止的时候安全系数可以提高到4.5。在摩擦力足够的情况下防止滑动，所需的转矩计算由方程3得出9.82N•m，需要用一个50毫米半径轮子。要获得这个值，额定扭矩为29.9mNm的直流电机（RE—max29，MAXON电机，瑞士）被选择，瑞士）。但考虑到总的效率由三个扭矩是22.12纳米驱动轮提供。这是大于所需转矩的2.25倍，因此，有效载荷，例如扫描仪，以及其他设备的检查可以稍后安装。3。控制系统所提议的机器人将自主操作，但作为一个可行性结构的研究，机器人被操作员控制在本文。图7显示了图形用户界面。该界面采用VisualC++实现。图8显示了控制系统的结构和组成。每个驱动轮通过运动控制器独立控制（lx-508，comizoa，韩国）。各驱动轮的独立控制可以覆盖弯管。执行器在径向方向移动，例如额外的在驾驶模块的稳定器和线性驱动器通过DAQ板控制（lx-102，comizoa，韩国）。线性驱动的反馈信号是由线性电位器（lps-100s，东做技术，韩国）和旋转编码器（225778毫升，maxon电机驱动模块中，瑞士）提供车轮的旋转角度。只是为了显示所提出的系统的可能性，反馈位置控制并没有被应用于发动机，但除了线性执行器。为了增强性能，线性执行器的支持力应被控制并且驱动电机的位置也应控制适用。表2显示了所用零件的列表和规格。表2控制部件的规格图9攀爬弯管的实验装置4。实验直线和弯曲的管道爬坡实验已经被完成为了看到该机器人的可行性。图9显示了实验装置和所开发的机器人。机器人悬挂在安全框架上，其大小为1500×1500×1800毫米。直管直径为435毫米，由聚乙烯制成。虽然它在表面上有皱纹，但有可能假设表面是平坦的。弯管是由如图9所示的45o肘关节实现。三个驱动轮移动52毫米到径向方向保持机器人连接到管道。因为我们无法直接控制支持力，通过试验和误差分析，得到了驱动轮在径向方向上的运动距离，并给出了足够的支零件型号名称特点伺服电机Maxon(RE-max29,22W,48V,（轴向运动）Gp32C,MR)411:1,500cpt直线电机KDSJ00212V,Str:100mm350N.g.m运动控制器COMIZOA8axes,PCItype(LX-508)数据采集COMIZOASE32CH,16CHDIO,2(LX-102)CHD/A驱动电机INTCLMD18200(AM-DC1-3D)1CH,3A电机驱动ⅡNTCL298(AM-DC2-2D)2CH,2A线性DongdoTech.str:100mm,10V电位器(LPS-100s)linearity:±0.4%F.SSubwheelYeahRacingAlloy,115mmsuspension(AxialAX10)图10机器人垂直运动（a）位置的测试结果（b）机器人姿态表3所开发的机器人的规格图11上升管（a）直管段的试验结果（b）弯管（照片从底部）持力。图10显示了垂直运动的测试结果。开环位置控制和三个驱动轮同步进行。编码器输出通过运动控制器被测量并且机器人的位置使用管道上的刻度进行测量。该机器人沿如图11（a）的直线管道（1500毫米）移动864毫米为32秒，并且近似的移动速度计算为30毫米/秒。因为命令驱动程序是真矩形波，其占空比为50%,所以移动速度受到限制。但理论最大速度可以是所获得的值的两倍。图10（b）显示机器人在垂直爬升时的姿势。倾斜的角度小于0.32o并且我们可以确保机器人保持垂直的运动方向和运动稳定器工作很好。这个机器人还可以爬上弯曲的管道如图11（b）。对于弯管，每个驱动轮独立控制。我们可以得到一个机器人的稳定的运动对于这两个实验。但作为支持力通过调节驱动轮的位置被间接控制，在移动过程中，机器人无法覆盖管道直径的变化。所以，当机器人沿着其直径不是常数弯曲的管道有滑动并且当机器人向下移动时，它的速度增加。然而，这些问题被期望通过采用支持力或应用合规性结构的驱动模块的反馈控制解决。此外，机器人使用的绝对位置信息的反馈位置可以是另一个解决方案。表3显示了所开发的机器人的规格。我们上传的网络上的实验视频，它可在=eGLW8O49ljI.获得。5。结论在本文中，管道爬壁机器人已经提出。由于这个机器人是管式的，它是适用于工厂的运作。而机器人可以覆盖直和弯曲的各种直径的管道用长度可调的驱动轮。本实验针对直径435毫米的直的和弯曲的管道应用开发的机器人被进行并且表明了所推荐的管道检查机器人的可行性。然而，由于驱动轮在径向方向上的位置控制间接控制了支承力，发生滑移。当支持力控制及合规机构被采用时这个问题可以解决。然而，在机制设计方面的进一步考虑和应用所提议的机器人在植物中的各种管道的控制策略应被采取。例如，机器人应该能够处理管道中典型的障碍，如法兰连接，管道支架，和T与Y结。在这里，最后2个障碍可以通过旋转机器人在圆周方向处理。因此，在主机上旋转驱动模块的机制与使用稳定器和DescriptionsValueMass20kgMax.diameter1000mmHeight35mmRatedmovingspeed30mm/sCoverabledia.ofpipe300~500mm驱动模块的相互作用的控制方法应该设计。此外，该机器人的串行连接可以是一个很好的对于覆盖的法兰型耦合和增加额外的接触点的稳定性的例子。确认这项工作是由安东国立大学2012研究基金资助的。