关键词:
变径机构
管道机器人
机电一体化设计
模糊PID
摘要:
管道机器人作为特种机器人的一种,专门用于在管道内部进行作业。由于小管径内空间条件的限制,对于适应管径在150mm以下的可变径管道机器人研究较少。本文针对机器人在小管径内变径问题,设计了一种具备精准定位、自动定心和可适应小管径变径特性的管道机器人,并研究了机器人的机电一体化系统,包括结构设计、控制系统软硬件设计以及实验验证机器人的变径、爬坡及定位性能。
在机械结构方面,针对小管道内径的特点和机器人的工作要求,设计了包含变径和驱动的结构系统。其中变径部分提出了一种新型丝杠螺母-弹簧压块连杆支撑变径机构,通过丝杠螺母副来调节滑块摇杆,可实现径向体积小变径幅度大的功能;驱动部分使用单电机配合蜗轮蜗杆传动机构,确保机器人三个轮子呈径向均匀分布且自动定心。
在结构优化方面,基于提高结构性能的考虑,研究了整体结构的力学特性,由此得到机器人姿态角与驱动轮受力之间的关系,通过机器人自动定心和携带负载的作业条件,得出机器人运行时驱动轮变径范围与管道内壁之间的力学关系,最后通过SQP算法进行杆件优化。
在控制系统方面,针对管道机器人的结构特点和定位精度要求进行了软硬件设计。在硬件层方面,基于性能参数和功能需求,选择基于PC-单片机控制系统的方案,并在此基础上完成了系统的硬件选型及控制器电路设计。在软件层方面,采用了模块化设计理念,包括控制算法、下位机控制系统和上位机界面设计。针对管道机器人的使用场景提出了基于模糊PID算法的控制策略并进行了验证。下位机软件设计涵盖主程序、驱动控制程序和数据通信程序。上位机交互界面设计包含监控、控制机器人状态及数据通信功能。
在性能测试方面,所设计的管道机器人可以满足小管径内的变径需求,可以进行一定角度的爬坡。通过传感器的标定获取了倾角传感器和激光传感器的误差模型,根据标定结果进行了定位精度实验并进行误差分析,实验证明设计的可变径管道机器人满足技术指标需求。