【摘要】：水是生命的源泉,是人類賴以生存和發(fā)展的不可缺少的最重要的物質(zhì)資源之一。城市居民日常生活也離不開自來水,自來水供給絕大多數(shù)采用管道運(yùn)輸技術(shù)。然而,供水管道因長久運(yùn)行,會(huì)出現(xiàn)腐蝕、外泄、沉積物等,嚴(yán)重影響居民用水安全。因此,這也一定程度上促進(jìn)著管道清洗技術(shù)的發(fā)展。本文針對(duì)城市大口徑自來水管道沉積物清洗問題,提出了一種新型自來水管道清洗機(jī)器人,采用高壓水射流清洗技術(shù)。在設(shè)計(jì)完成機(jī)器人基礎(chǔ)上,采用理論分析與仿真分析結(jié)合的方法,完成了高壓水噴射裝置對(duì)自來水管道清洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能影響研究。具體研究工作如下:首先,給出了管道清洗機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案,并借助三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks,完成了管道清洗機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計(jì)。其次,通過分析機(jī)器人載體牽引力輸出及越障原理,建立了壓緊機(jī)構(gòu)力學(xué)模型和機(jī)器人載體典型障礙的力學(xué)模型,完成了管道清洗機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能研究。然后,研究了高壓水射流清洗作用機(jī)理,找到影響高壓水噴射裝置的關(guān)鍵相關(guān)參數(shù),完成了這些參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化�；诙鄤傮w動(dòng)力學(xué)、機(jī)械振動(dòng)學(xué)理論,研究了高壓水噴射裝置對(duì)機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)性能的影響,建立了管道清洗機(jī)器人系統(tǒng)的多剛體力學(xué)模型及簡化二自由度有阻尼振動(dòng)模型。最后,基于多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS,建立了管道清洗機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。基于仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)機(jī)器人載體的可行性,驗(yàn)證了高壓水噴嘴裝置相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)的可靠性。并得知機(jī)器人的振動(dòng),質(zhì)量分布及高壓水噴射裝置的高速旋轉(zhuǎn),對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能都有很大程度影響。合理布置機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)布局,使得機(jī)器人盡可能滿足質(zhì)量分布系數(shù)ε=1,取管內(nèi)姿態(tài)角φ=0°,是提高運(yùn)動(dòng)性能的有效措施;要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人載體和高壓水噴射裝置協(xié)同穩(wěn)定工作,必須在機(jī)器人載體運(yùn)行到穩(wěn)定設(shè)定速度后,再低速啟動(dòng)高壓水噴射旋轉(zhuǎn)臂,同時(shí)必須保證足夠的張緊彈簧預(yù)緊力。
【圖文】：

目前，國內(nèi)很多大學(xué)及科研單位從事于管道機(jī)器人的研究，主要是針對(duì)通風(fēng)管道、中央空調(diào)管道等清掃作業(yè)方面，且有多年研究基礎(chǔ)[29]。其中有中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國石油天然氣管道局、天津大學(xué)、上海大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和太原理工大學(xué)等[30-60]1.2.1 國外研究現(xiàn)狀上世紀(jì) 70 年代末，由法國人 J.Vertut 成功開發(fā)一種管內(nèi)輪腿式行走機(jī)構(gòu)，首次實(shí)現(xiàn)機(jī)器人管內(nèi)自主作業(yè)行走，能夠較好適應(yīng)管徑的變化[16]。它的出色之處在于，兩個(gè)行走輪配合四個(gè)腿式結(jié)構(gòu)，增加了機(jī)構(gòu)本體的靈活度。但此機(jī)構(gòu)也僅能實(shí)現(xiàn)在管道內(nèi)行走，無法攜帶其他工具進(jìn)一步完成管內(nèi)作業(yè)。由德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所的Dipl.-Ing. AndreasZagler研制的管道機(jī)器人，長度為 0.75m，寬度為 0.6m，高度為 0.6m，最大作業(yè)速度 0.1m/s。機(jī)器人空氣中重量為 20kg，利用八個(gè)足爬行驅(qū)動(dòng)，額外負(fù)載能力 15kg[17]。

圖 1.2 MAKRO 管道檢測(cè)機(jī)器人Fig1.2 MAKRO in-pipe inspection robot2002 年，美國弗羅里達(dá)大學(xué)智能機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室成功研制一款管道清理機(jī) OPCR-OH’S。OPCR-OH’S 主要有三大模塊：頭部模塊、穩(wěn)定控制模塊及模塊，適用管徑范圍較大，機(jī)器人本體采用一對(duì)微電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠快速高效轉(zhuǎn)彎動(dòng)作[19]。但它的不足之處在于牽引力不足，且僅能有效檢測(cè)到管道內(nèi)需洗污漬的位置，無法攜帶清洗作業(yè)工具完成管道清洗工作。2005 年，由日本兩位學(xué)者 Tomoyasu Oya 和 Tokuji Okada 共同研制了一款新道機(jī)器人，此款機(jī)器人整體為伸縮式的，能夠較好地適應(yīng)管道內(nèi)徑變化。機(jī)可根據(jù)管道工況變化整體結(jié)構(gòu)，具有一定程度上的越障能力，管徑適應(yīng)范圍40mm 到 210mm，并且自身采用 maxon 伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)，，整體采用合架，所以主動(dòng)輪動(dòng)力十足[20]。
【學(xué)位授予單位】：沈陽理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP242

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3 李

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