紧凑的发展和评价机器人模仿寄生蟹检查管道的外表面

文摘

陆地寄居蟹是一种隐士螃蟹生活在陆地上,而典型的寄居蟹在大海。他们有一个垂直爬上树的能力。爪子让他们挂在树上。在这项研究中,一个外管检查机器人了。其运动机制是在模仿开发陆地寄居蟹的爪子。它配备了两个无框的轮子。每个辐条的钉着一块钕磁铁,它允许机器人保持连接到垂直钢管。此外,机器人有一个机制来调整左、右车轮的外倾角,管道直径不同,允许它严格控制。实验检查机器人的性能使用不同直径的钢管,放置水平,垂直或斜。机器人试图沿着管道移动一定距离,和它的成功率是衡量。 It was found that the robot could successfully travel along pipes with vertical orientations, although it sometimes fell from oblique or horizontal pipes. The most likely reason for this is identified and discussed. Certain results were obtained in laboratory. Further experiments in actual environment are required.

1。介绍

有许多老化石化工厂,使得维护的一个重要问题。这种植物含有大量的钢管运行水平,垂直,间接,检查他们既昂贵又耗时。它也可以是一个困难的过程在管道密集的地区。由于这些原因,有一种强烈的需求实际管道检测机器人来帮助这个任务。

管道检测机器人分为两种类型。一种类型是一种内管检查机器人移动内部管(1- - - - - -4]。另一种类型是动作外管外管检查机器人。在这项研究中,我们侧重于后者,因为预计管道检测机器人将会应用于桥梁等结构检查电缆和管道检查。几个外管和桥梁缆索检测机器人已经被开发出来,他们能够沿着管道和电缆。然而,一种类型是无法克服障碍表面的管道和电缆(5- - - - - -7]。另一个有一个专门的机制来克服障碍,但机制过于笨重,允许他们使用狭窄的管道(8]。因此需要这样的外管检查机器人,可以沿着狭窄的管道和克服障碍。如果是不限于管道检测机器人,永磁粘附机制是一个移动的表面结构的方法(9,10]。

陆地隐士螃蟹生活在陆地上,而典型的寄居蟹在大海。他们有一个垂直爬上树的能力。爪子让他们挂在树上。模仿陆地寄居蟹的运动机制,我们之前已经开发出了一辆四轮驱动的轨道桥梁检测机器人无框的轮子(11]。地面隐士螃蟹腿。前腿的一对巨大的爪子。寄居蟹时而两爪子挂在树表面,爬上树。寄居蟹的攀岩运动鼓舞了我们开发桥梁检测机器人拥有无边的轮子。谈到了无边的车轮是构造模拟寄居蟹的爪子。每个辐条的钉着一块永久磁铁,使机器人在移动扁钢表面,包括墙壁和天花板。当机器人爬墙钢轧制无框的轮子,每个辐条高度在墙上的序列。序列的运动类似于登山运动的寄生蟹用爪子。机器人也能克服障碍的沿途,由于其无框的轮子。 However, it cannot be used on pipes because it does not have the ability to remain attached to cylindrical surfaces, except if the diameter is considerably larger than the robot itself. Nevertheless, the rimless wheel concept is considered to be promising for a pipe-climbing robot also.

在目前的研究中,一个原型两轮外管检查机器人开发,可垂直移动沿着狭窄的管道或电线。它配备相同的无边的轮子模仿寄居蟹的爪子。机器人的性能评估使用管道具有不同直径和方向。

2。外管检查机器人的一般描述

2.1。要求Pipe-Inspection机器人

下列条件被认为是必不可少的管道机器人能够进行检查。(1)机器人应该能够沿着管道的外表面,不管他们的直径或方向。(2)它应该能够克服障碍表面上的弯管和谈判。(3)应该能够保持连接到管道长时间为了执行一个检查。它应该是轻和使用电力。它应该有一个大容量电池和时消耗较少电能管上,一动不动。(4)它应该能够支持的重量传感器检测腐蚀或裂缝。

2.2。概念设计的外管检查机器人

在目前的研究中,一个紧凑的two-wheel-drive设计被选中,因为这被认为是能够满足上述要求。如示意图说明图所示1,机器人使用左右无框的轮辐式轮毂。如果有小的道路上的障碍,通过辐条机器人可以进步。钕每个辐条的钉着一块永久磁铁,它允许机器人保持永久附在钢管。这种两轮机器人的一个常见的问题是,他们的身体就由于反应时从电动机转矩的旋转轮子转过身,阻止他们连续移动。为了解决这个问题,机器人在当前研究中配备了后轮消除俯仰运动。图2示意图显示了机器人在管道的外表面。它有一个链接机制调整车轮的外倾角,以便它可以适应不同管道直径。最初的尝试管道机器人在移动,但均没有成功。其中一个轮子移动和产生偏航运动,导致机器人从管道。要克服的问题左右摇摆,机器人配备了指导管如图1。

2.3。机器人和钢管之间的磁力

如图3,每一个无边的轮子有八个辐条,一端是永久磁铁5毫米的长度和直径8毫米。为了确保机器人可以保持连接到管不管机器人或管的取向,两者之间的吸引磁力必须超过重力作用于机器人。

图4说明了磁力代理之间的一个车轮辐条和扁钢表面。不同距离的函数永久磁铁和钢铁之间的表面。图5显示的依赖在,计算使用的计算工具磁通密度和吸收力从NeoMag有限公司有限公司

因为很难执行一个磁力时的理论分析太小了,14.7 N的值mm是用于所有的距离毫米。说话时不垂直,而是让一个角度纵轴,磁铁之间的距离和钢铁表面不均匀,如图6,所以磁力随。报告的作者之一源于以下方程的磁力11]。磁力是由 在哪里磁铁的半径。图7显示之间的关系和。车轮有8个辐条。因此,当车轮轧制钢管,其脱离管在说话= 22.5°。当= 22.5°, 1.2 N,大约8%的价值= 0°。因此,磁铁可以脱离钢管的一个小得多的力量。基于这些结果,一个原型机器人,如以下部分所述。

3所示。建筑的原型机器人

图8显示了一个示意图的原型机器人。它重380克,长度180毫米,宽度124毫米,110毫米高。为了减少机器人的重量,碳纤维增强塑料和硬铝用于构建框架。永久磁铁涂以橡胶水泥防止滑倒在钢管上。机器人使用直流减速电机驱动的配备与行星齿轮变速箱。这些汽车是光(15克),能够产生的转矩很大。评估其性能,逐渐受到一个负载转矩的外加电压1.5或3.0 V。当电机停止旋转,扭矩测量为0.0908 Nm为1.5 V和0.181 Nm为3.0 V (12]。因此,电动机转矩大约是与输入电压成正比。的外加电压7.4 V,电机转矩可以因此计算0.446海里。此外,两个减少齿轮连接到机器人,和37 116齿轮齿,齿轮传动比为3.14。如果减少齿轮的传动效率为0.9,机器人的扭矩是0.446×3.14×0.90 = 1.26海里。图9显示了信号流用于控制机器人。信号传输(T6J,双叶有限公司)无线接收器(R2106GF,双叶有限公司)的机器人。现场可编程门阵列(FPGA;XC6SLX9-2TQG144C, Xilinx有限公司)是用于过程的PWM信号接收机和信号问题包括定向控制电机驱动程序,导致马达旋转。机器人也配备了伺服电动机调整车轮的外倾角。指南是由弯曲的线的长度。两个小轮子连接到后方的压抑俯仰运动的机器人。这些轮子不破坏管道的表面。

4所示。原型机器人的性能

从一个实际的外管检查机器人将会携带传感器和其他设备,墙上的最大动载荷在垂直运动第一次被确定,结果如表所示1。机器人将在墙上移动垂直而不滑。动加载不滑动,滑动测量。表2显示了不同的电力消费机器人的负载。

评价机器人的性能,实验使用不同直径的钢管。几个实验与外管检查机器人。我们准备好的SGP管道各种直径。下界一个碳钢管道用于运输的天然气,石油,在日本和其他材料。名义的外部直径钢管15(21.7毫米),50(60.5毫米),65(76.3毫米),90(101.6毫米)。管子被涂上一层耐蚀涂料。图10显示了实验装置用于测试机器人的能力去旅行一个固定的距离。这显示了水平和垂直的情况下只有运动,但全系列的倾斜角度是0°(水平),30°、45°,60°、90°(垂直)。水平的情况下,所需的旅行距离机器人是1500毫米,和所有其他角度是1200毫米。实验由每个20倍的路线。图11显示了移动速度和倾角之间的关系。数据12和13机器人的照片显示例子进行垂直和水平运动,分别。

表3显示了不同倾斜角度的成功率和管道直径。可以看出,机器人无法完成的整个距离的情况下管直径21.7毫米,不管倾角。这个狭窄的管道,这是因为这两个无框的车轮不能接触管在同一时间。虽然还需要进一步的调查,很可能如果辐条更长,机器人将能够旅行即使在这样一个狭窄的管道。对于其他管道直径,成功率在85%以上,除了60.5毫米直径的情况下水平管,成功率为65%。通常,认为这将是更加困难的机器人在一个倾斜的角度而不是水平,但这在目前的研究并非如此。因此,我们仔细观察机器人旅行时的行为水平在60.5毫米直径管道。图14显示原理图的机器人移动水平时的态度和斜管。可以看出管道倾斜时,前面和后面的车轮接触管,使其稳定,不太可能脱落。事实并非如此时,管是水平的,因为机器人对其前轮倾斜,使它的后轮失去接触管道。情况可能会被重新设计避免了机器人,使其重心在其前面无边的轮子。

机器人有时不仅从水平管还斜管。斜管机器人运行时,它保持稳定,因为后轮触摸管道。机器人从管道突然下降。这个结果表明,机器人的磁力不足以保持机器人的钢管。验证假设,我们使用仿真模型的无框轮磁力的动态分析。图15显示了磁力旋转角度之间的关系,在整个无框轮。磁力在整个轮周期性变化时旋转45°因为无边的轮有8个磁铁。动态分析结果表明,最小附加力无边的车轮是1.69 N。管道检测机器人的重量是380克。当两个左翼和右翼无框的车轮产生最小附加力,附加力只有3.38 N。因此,从钢管机器人将会下降。机器人下降的原因取决于磁铁的磁力短缺。永久磁铁应该是用来交换的能产生更强的附加力。然而,磁力必须尽可能低的电机旋转。进一步的工作需要选择合适的磁铁产生的力量。

5。结论

一个原型机器人开发检测钢管的外表面。机器人配备了无边的轮子的辐条的钕磁铁均附呈。它也有一个链接机制,允许其左、右车轮的外倾角调整。指南是连接到机器人的后方,它不接受偏航运动在钢管上。实验测试表明,它是能够沿着管道直径的60.5 - 101.6毫米,尽管它从管道直径21.7毫米。然而,它被认为是可能的,如果辐条是由长,旅行的机器人也能够在这样一个狭窄的管道。机器人的磁力不足以保持机器人的钢管。永久磁铁应该是用来交换的能产生合适的附加力。动负载没有滑移是155 g,这将允许它携带一个小相机检查管道。结果在实验室。 Further experiments in actual environment are required.

如果有小障碍管道,管道检测机器人可以泰然自若的无边的轮子。另一方面,大型的机器人不能进步。我们应该阻止机器人撞的障碍。然而,后指导机器人的防止改变移动方向的管道。我们将重新设计的机器人实际应用改变移动方向。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

引用

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