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2010年IEEE/RSJ国际会议

智能机器人与系统

2010年10月18-22日，台北，台湾。

一个联动类型机械式离合器管道检测机器人

摘要

本文提出了一种新的管道检查机器人联动型机械式离合器，它被设计用于直径100mm的管道进行检查。

该机器人具有三动力轮链的每一个都有一个机械离合器。

使用并行设计的机械式离合器联动机制。

管道的运动模型的检测机器人被驱动，并且已经开发它的原始类型。

该机器人系统的性能都会验证仿真和实验。

引言

管道机器人机制，它在机器人技术的发展上具有悠久的历史，可以分为几种初等形成的运动模式。

因此，已经开发了许多种机制轮型，尺蠖型，腿式移动型等，螺杆式，履带式，猪型和被动型。

其中，轮型管道检测机器人大多是流行[1]-[9]。

在近10年中，差分驱动型机制进行了研究集中在[10]-[12]。

差分驱动型通常有三动力链。

每条链的速度控制独立，机器人能够通过肘部和T-支行。

此外，它有一个大的折叠范围较轮型，螺旋型，PIG型。

近日，管道检测机器人系统与其超过100毫米的小直径已经被关注、自从100mm的管道市场是越来越大了。

该大多数室内管道的直径小于100mm。

具体来说，清除室内管道直接有关人类健康。

因此，清洗和检查在内部管道成为一个重要问题。

通常情况下，管道巡检机器人系统是由机器人机构组成，通信系统，一个电源供应，而中一个用户界面。

然而，为了将它应用到真正的的环境中，一些实用的的方面（，如易用的用户）的界面，安全性，水的的证明，和检索功能应该定考虑在内。

具体而言，检索功能至关重要的，因为管道内工作的机器人，可以是无序的任何时间。

此外，机器人可以卡在在操作过程中的任何原因的管道。

在这种情况下，机器人需要采取的管道，通过使用一些检索功能。

离合器的概念是一个很好的解决方案检索功能的实现。

有两种类型的离合器机械离合器磁粉离合器。

通常，该机械式离合器保证了强劲的动力，但它通常是大型，重型，具有复杂的结构。

在相反，电磁离合器相对小尺寸，重量轻，有一个简单的结构，但它在电力中有一个限制。

Chang,etal.[13]设计了一种压电离合器机制，其中包含连接到驱动部件直流电动机和被驱动部件连接到机械加载。

Maekawa,etal.[14]提出了一种非接触式负载响应的传输。

由于没有机械在非接触式磁性离合器摩擦解析问题的磨损和维护，震荡切换离合器的同时大大降低，和致动器从超载保护由磁粉离合器打滑。

Roh,etal.[15]采用磁制动，连接或电机和驱动轮之间的断开电源的机制。

不过，通常这种电磁式离合器机制仍过于庞大和复杂，适用于小于直径100mm的小型机器人。

也磁式具有限制商行夹持。

在本文中，我们引入一个新的差分驱动型紧凑的尺寸联动式的管道检测机器人机械离合器，100毫米的管道。

机器人机制的设计使其能使用并行联动提供两个功能;可折叠的特性和机械式离合器。

可折叠的特性允许轮机构的壁内的适应管道。

机械离合器功能也可以实现由平行连杆机构设计。

这种机械离合器从典型的大型机械式离合器不同两大板块。

第二部分介绍的特性的机器人系统。

运动学分析节III。

我们都表明该机器人系统的有效性仿真和实验第四节。

最后，我们绘制的结论。

机器人特征

A整个系统和机械手设备

在图中的所述的机器人系统。

1是由一个控制箱和一个机器人装置组成。

它使用的的模块化，机器人设备和控制箱是分开的。

机器人的移动设备包括一本体，三轮链，和三个离合轮零件，如图所示，在图中2该机器人的长度为80mm，外径为100mm。

通过机械检索功能的实现联动设计是有意义的，因为它消除打滑等缺点，动力传动限制，尺寸的限制。

图1管道检测机器人系统的机械离合器。

这个机器人机构可以工作在两个不同的模式：

驾驶模式和检索模式。

驱动方式表示，该机器人是运动的，检索模式意味着检索机器人的状态的入口的位置。

（a）

（b）

图2用的管道检测机器人系统的整体结构的机械式离合器：

（a）的三维模型，（b）本机器人。

对于这两种模式的实现，我们使用三轮驱动电机和一个主轴驱动马达驱动机器人装置如图2：

我们使用三个轮驱动电机可以控制的向前和向后运动，在肘部的转向运动。

从一种模式切换到另一个，可以通过使用主轴驱动电机。

B本体

如图3所示，主体由两个螺母，两个关键滑块，两个压缩弹簧，轴驱动马达组成。

螺母的传递功率的主轴线的每一侧，关键在于滑块滑动螺母的槽，它是连接到轮链的联动。

压缩弹簧适应改变的轮链的外径。

这种设计允许一个可折叠性机器人的身体。

主轴线在中间的正齿轮，一个左旋螺杆和一个右旋螺杆。

力量主轴驱动器的电机的正转的主轴线通过直齿圆柱齿轮。

模式的变化可以通过主轴驱动电机。

主轴旋转产生螺钉的平移运动。

结果在位移的螺母以及在同一键滑块时间。

图3本体的结构。

C轮链和离合器部分。

主轴线的左端连接到离合器上述螺杆的前端的位置的手柄部分。

轮链由一个平行连杆机构，车轮驱动用电动机（6φ），主动轮和惰轮。

如该图所示。

图2和图。

如图4所示，每个轮链链接到离合器的一部分。

图4轮链和离合器轮的结构。

车轮驱动用电动机驱动的主动轮，通过锥齿轮动力传输。

离合器部分包含了离合轮和连杆连接的离合器轮的主轴线。

离合轮也是惰轮。

如图6所示，轮链链接的主轴线使用四和五杆机构。

一个平行四边形机制以保持水平姿势的轮链。

轮链的运动耦合到通过四杆连接的离合器轮的运动主轴线的轮链的上部。

D机器人设备的驾驶和检索模式

当机器人被插入到管道的外通过主轴驱动器来调整机器人的直径。

图5（a）表示机器人的状态插入到管道中的驱动模式，其中两个螺母位于中间。

当机器人的车轮传递通过一个不规则的表面或里面的一个小的保险杠管道，一个外部的力施加到车轮链。

结果，键滑块连接到轮链的行为如像图5（b）所示。

位于两侧的压力弹簧主轴线起到减震的作用。

当机器人走过保险杠部分，关键的滑块可以回到图5（a）中有恢复力的压缩弹簧。

图5的驱动方式。

图6展示出了检索模式。

激活主轴驱动电机，主轴的初始配置集合，此配置均相距较远的两个螺母。

结果，驱动车轮的三个车轮链洛斯与管道壁接触。

与此相反，第被动轮每个车轮链获得与日接触墙上。

因此，机器人可以从管道检索拉的导线连接到机器人的后侧。

图7和图8所示细节行为。

图6检索模式。

当主动轮驱动模式启用，轮链位于外侧位置相比离合器轮的位置，如图7（a）所示。

在这种模式下，机器人可以移动，因为主动轮驱动的电动机的内表面接触管道。

相反，在图7（b）中，驱动模式切换到检索模式时，位于主动轮的内位置。

在这种模式下，离合轮（无源）接触管道的内表面上。

因此，两个之间的接触线惰轮形成。

其结果，可以实现检索机器人。

此外，如果电源的机器人系统忽灭，该模式自动更改为由于轴驱动器的下齿轮比为检索模式电机支持作用在车轮上的外部负载。

因此，机器人就可很容易地检索。

图7管道检测机器人系统的机械离合器：

（a）驱动模式下，（b）离合器模式。

运动机制

在本节中，离合器轮的位置、活跃轮和惰轮将导出以便显示离合器的行为在主要的轴驱动电动机输入下。

轮子链和离合器轮部件如图8所示。

每轮链由两个四杆机制和一个五杆机构。

一个四连杆机制包括四个转动关节。

腿部机制包括四个转动关节和一个棱镜联合。

当施加一个外力外车轮,轮链的高度ld是改变。

主轴线的中心点P是静止的，而ψ之间的主轴线和五杆的纽带可以使用余弦定律计算

图8工作模式的原理图：

（a）驾驶模式（b）检索模式。

使用图9中得符号，有余弦定理：

整理

（1）得出

升的高度din的轮链由下式给出

图9轮链的原理图。

在图10中，Pm的由下面表达式给出

Pw的位子也可用表达式求出

同时Pc1的位置也可以求出

图10轮链和离合轮的一部分的原理图

离合轮部分的位置分析通过使用DYAD分析[16]。

在图11所示，已知111DYAD的参数分别为C1升和C2升的，未知111DYAD参数为ψ1和ψ2。

长度D被给定为

角度β可以被表示为

图11111DAYD的分析

图12离合器轮位置的分析

上述位置分析的基础上提出运动的学模型，通过用matlab仿真。

图13所示模拟结果。

当轮机构当输入din是正确的，离合器轮（PC4）的位置的移动，而轮链的位置（Pc1）向下移动。

我们可以找到合适的参数，通过使用该联动运动学仿真。

图14还显示了历史的角度ψ1和ψ2就在din在D111的分析中。

图13运动仿真的结果。

图14历史数据ψ1和ψ2。

实施

A控制器

如图15所示机器人控制器由一个控制器和一个机器人移动设备组成。

机器人控制被执行通过串行通信。

在这个系统中，我们使用两个MCU（Atmega128）。

一个MCU来计算的角速度操纵杆接口和机器人的线速度该。

其他MCU产生PWM计算电机的转速信号。

它可以控制所有的微型直流马达。

所有电机驱动器和MCU集成在控制箱。

通过使用安装在机器人本体前面的微型CMOS摄像头传输管道的视图提供给用户。

此模块使得它可以检查内管道的内部。

机器人装置配备了一个摄像头和照明装置，如图15所示。

图15机器人控制装置。

B机器人装置

这个电机嵌入到马达盒轮子机制。

这个峰值扭矩是17.5Nm。

Maxon公司的RE6和GP6齿轮头用在机器人上。

表1描述了该规范的电动机和齿轮头。

表1规格的电机（MAXONRE6）减速机（GP6A）

规范

值

直径

6毫米

额定电压

6伏特

额定转速

5320转

最大连续电流

0.118安

减少减速

221:

1

最大连续扭矩

0.331毫牛/米

减速机最大连续转矩

30毫牛/米

表二显示了规范的机器人。

机器人模块的长度为80毫米，机器人的身体外部直径变化从90毫米到110毫米。

机器人设备的总长度包括摄像机和照明设备为122毫米。

机器人的重量是189克。

在本文中,一个直径为100毫米的管道用作为一个测试床。

表2机器人说明

规范

Tbot-100

机器人模块总量

189克

电机直径

6毫米

机器人模块长度

80毫米

机器人总长度

122毫米

外观直径

90-110毫米

线性速度

14厘米/秒

串行通信

15米

实验结果

由管道的6弯头管线作为一个测试床。

弯头是一个商业产品。

测试床的总长度为3m。

如图16所示，为测试床实验。

图17所示驱动和检索模式的机器人。

图18表明，管道巡检机器人能够去通过几个肘部，并能也成功地检索图如图19所示。

图16测试床

因此，提出的机器人系统的性能通过这个实验进行了验证。

附加的视频剪辑显示了实验结果。

结论与未来的工作

我们开发了一种新的差动驱动式与联动式机械离合管道检测机器人，它用于100毫米管道的检测。

提出的行为运动学模型通过数值模拟测试。

管道检测机器人系统通过了各种环境试验台下实验的验证。

未来的工作,最优参数化的压缩弹簧,齿轮比的主要轴驱动电动机和运动尺寸将进行实验。

致谢

这部分工作的支持由职业生涯中期研究员通过NRF补助资助计划MEST（NO.2010-0000247号），部分支持由GRRC程序京道（GRRHANYANG2010-A02）部分由知识经济部（MKE）和韩国产业技术财团（KOTEF）通过人力资源培训项目战略技术和成果的统筹能源与资源支持发展计划知识经济部（MKE）支持。