管外行走机器人抱紧机构及其参数优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种管外行走机器人抱紧机构及其参数优化设计方法，所述的抱紧机构是一种演化的四连杆机构，通过优化设计方法，使得该管外行走机器人抱紧机构可根据不同工作参数需要，快速获得最佳的各个设计变量的参数值，以使得管外行走机器人抱紧机构结构紧凑，输出夹紧力大，传动效率高，不发生运动干涉，能保证抱紧机构的各支点间相隔均匀，及抱紧机构顺利夹紧或松开工作管道。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种管外行走机器人抱紧机构的优化设计方法。
技术介绍
本专利技术申请人在2012.05.17申请了“管外行走机器人机械结构及其工作方法”的专利技术专利，专利号ZL201210164627.1，授权公告号CN102700643B，该专利在结构设计上，采用了抱紧机构来实现对管道的夹紧。由于管外行走机器人主要服务于各种工业管道、民用管道、大桥斜拉索、电缆等圆柱型体的质量检测、维护修复等作业，所以抱紧机构的外形尺寸不能设计得很大，而且要求有足够的夹紧力，各个支点间相隔要尽量均匀，能保证顺利夹紧或松开工作管道，具有较好传动效率及各构件不能发生干涉等。因此如何在有限的结构空间和有限的驱动装置行程内实现上述抱紧机构要求，是本领域技术人员需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的，是为解决上述问题而专利技术一种管外行走机器人抱紧机构。本专利技术同时提供这种管外行走机器人抱紧机构位置参数的优化设计方法。为达到上述目的，本专利技术的管外行走机器人抱紧机构是一种演化的四连杆机构，该四连杆机构的结构是：在车体架上固定安装一个直线电机体，直线电机体的芯部是一根螺杆轴，螺杆轴与车体架呈垂直关系，螺杆轴的输出端下部安装有驱动盘，驱动盘顶部套上连杆架，连杆架上左右两端对称铰接有连杆，两个连杆的外端分别铰接上行走滚轮支架，每个行走滚轮支架的上端各自铰接在车体架上；行走滚轮支架上安装有旋转电机带动行走滚轮转动；两个行走滚轮的安装轴线呈八字形对称布置，当直线电机体驱动螺杆轴向下运动时，连杆架推动两个连杆向外张开，进而推着左右行走滚轮支架向外张开，使行走滚轮松开管道，反之，则左右行走滚轮支架向内合拢，使行走滚轮抱紧管道。为满足上述管外行走机器人抱紧机构对空间紧凑、有足够夹紧力，各个支点间相隔要尽量均匀，能保证顺利夹紧或松开工作管道，具有较好传动效率及各构件不能发生干涉等要求，本专利技术提供了一种上述管外行走机器人抱紧机构参数优化设计方法，其步骤如下：第一步、确定设计变量及其它参数的选取由于抱紧机构左右对称，故分析其左侧即可，对其结构进行合理抽象。设左行走滚轮支架上端铰链支座的中心点为C，驱动盘沿螺杆轴的上移端点为M、驱动盘沿螺杆轴的下移端点为M’；取夹紧状态下连杆架铰链支座的中心点J到螺杆轴的垂直距离JM长度为设计变量x1，单位：m；取夹紧状态下连杆架铰链支座的中心点J到左行走滚轮支架下端铰链支座的中心点B间的距离JB长度为设计变量x2，单位：m；取夹紧状态下左行走滚轮支架上端铰链支座的中心点C到螺杆轴的垂直距离CL长度为设计变量x3，单位：m；取夹紧状态下左行走滚轮支架上端铰链支座的中心点C到左行走滚轮支架下端铰链支座的中心点B间的距离CB长度为设计变量x4，单位：m；取夹紧状态下左行走滚轮支架上端铰链支座的中心点C到左行走滚轮支架拐点A的距离CA长度为设计变量x5，单位：m；取夹紧状态下左行走滚轮支架拐点A到夹持点I间的距离AI长度为设计变量x6，单位：m；取夹紧状态下∠CAI为x7，单位：度；故抱紧机构有7个设计变量，即：X＝[x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7]T(1)第二步、根据具体的设计要求确定x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7的取值范围并进行随机初始化赋值：x1∈[0.01,0.04]x2∈[0.05,0.08]x3＝[0.03,0.05]x4∈[0.09,0.12]x5∈[0.09,0.15]x6∈[0.04,0.07]x7∈[120°,160°](2)第三步、当抱紧机构夹紧时，建立力学参数的数学模型：MC(F1)＝CS·F1＝x4·sinα·F/2·sinβ(3)MC(FN)＝-CP·FN＝-(x6-x5cosx7)·FN(4)式中：F为直线电机体的额定推力，单位：N；F1为夹紧状态下左行走滚轮支架下端铰链支座的中心点B所受的拉力，单位：N；FN为夹紧状态下左行走滚轮支架夹持点I处产生的夹紧力，单位：N；MC(F1)为夹紧状态下左行走滚轮支架下端铰链支座的中心点B所受的拉力F1对C点的矩，单位：N·M；MC(FN)为夹紧状态下左行走滚轮支架夹持点I处产生的夹紧力FN对C点的矩，单位：N·M；CS为夹紧状态下左行走滚轮支架上端铰链支座的中心点C到行走滚轮支架下端铰链支座的中心点B所受的拉力方向线的垂直距离，单位：m；CP点为夹紧状态下左行走滚轮支架上端铰链支座的中心点C到夹持点I处产生的夹紧力FN方向线的垂直距离，单位：m；α＝∠CBJ、β＝∠JBM'都是因变量，单位：度，可根据机构中设计变量利用几何和三角函数知识编程求得；第四步、根据直线电机体安装空间，各构件的安装空间，夹紧时保证左滚轮及支撑轮在管道外呈120°左右分布，左行走滚轮支架张开时左滚轮能够顺利取出管道、不能发生运动干涉等要求，确定设计变量的约束函数如下：(1)各个构件在安装、运动过程中不能发生运动干涉，应满足以下要求：x1+x2>x3x4<0.9·x520°≤α≤40°λ+δ≥100°(5)式中:α＝∠CBJ、λ＝∠BCJ、δ＝∠JCL都是因变量，单位：度，可根据机构中设计变量及运动中的位置关系，利用几何和三角函数知识编程求得；L为车体架下端面与螺杆轴的垂足。(2)在抱紧机构夹紧管道时，滚轮和支撑轮之间形成的夹角呈120°±10°分布，这样能够保证管外行走机器人在运动过程中的稳定性，所以IO与OT之间的夹角∠IOT应满足大于55°，小于65°，其中：O为管道的中心点；T为管道的下端点；用公式表示为：λ＝∠BCJ、δ＝JCL、γ＝∠BCI都是因变量(单位:度)，可根据机构中设计变量及运动中的位置关系，利用几何和三角函数知识编程求得。(3)左行走滚轮支架的末端要与管道相切，这样能够保证管外行走机器人抱紧机构提供最大的夹紧力。式中：λ＝∠BCJ、δ＝JCL、γ＝∠BCI都是因变量(单位:度)，可根据机构中设计变量及运动中的位置关系，利用几何和三角函数知识编程求得。(4)当连杆架与连杆共线时，抱紧机构达到最大开合状态，此时应满足抱紧机构左行走滚轮支架最末端点I＇到螺杆轴的垂直距离I＇Z＇长度大于等于0.075m，从而保证左行走滚轮支架最末端点I＇能顺利从管道取出。式中：θ′＝∠B'CR'、γ′＝∠B'CI'都是因变量(单位:度)，可根据根据机构中设计变量及运动中的位置关系，利用几何和三角函数知识编程求得。B＇为抱紧机构达到最大开合状态时左行走滚轮支架下端铰链支座的中心点；R＇为抱紧机构达到最大开合状态时过左行走滚轮支架上端铰链支座的中心点C与连杆垂足；I＇为抱紧机构达到最大开合状态时左行走滚轮支架最末端点；Z＇为抱紧机构达到最大开合状态时左行走滚轮支架最末端点I＇与螺杆轴的垂足。第五步、建立以直线电机体在夹紧状态时抱紧机构能够对管道产生最大的夹紧力为目标函数：根据设计的要求，抱紧机构各部分要求尽量紧凑，所以F2(x)＝x1+x2+x3+x4+x5+x6(10)因此本问题可表示为多目标函数：f(x*)＝minf(x)＝ω1F1(x)+ω2F2(x)(11)式中：F1(x)为直线电机体提供的驱动力与抱紧机构产生的夹紧力的比值；F2(x)为抱紧机构各结构尺寸之和。f(x)为不同加权因子条件下，在夹紧状态时直线电机体提供的驱动力与抱紧机构产生的夹紧力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种管外行走机器人抱紧机构，其特征在于，它是一种演化的四连杆机构，该四连杆机构的结构是：在车体架上固定安装一个直线电机体，直线电机体的芯部是一根螺杆轴，螺杆轴与车体架呈垂直关系，螺杆轴的输出端下部安装有驱动盘，驱动盘顶部套上连杆架，连杆架上左右两端对称铰接有连杆，两个连杆的外端分别铰接上行走滚轮支架，每个行走滚轮支架的上端各自铰接在车体架上；行走滚轮支架上安装有旋转电机带动行走滚轮转动；两个行走滚轮的安装轴线呈八字形对称布置，当直线电机体驱动螺杆轴向下运动时，连杆架推动两个连杆向外张开，进而推着左右行走滚轮支架向外张开，使行走滚轮松开管道，反之，则左右行走滚轮支架向内合拢，使行走滚轮抱紧管道。

【技术特征摘要】
1.一种管外行走机器人抱紧机构，其特征在于，它是一种演化的四连杆机构，该四连杆机构的结构是：在车体架上固定安装一个直线电机体，直线电机体的芯部是一根螺杆轴，螺杆轴与车体架呈垂直关系，螺杆轴的输出端下部安装有驱动盘，驱动盘顶部套上连杆架，连杆架上左右两端对称铰接有连杆，两个连杆的外端分别铰接上行走滚轮支架，每个行走滚轮支架的上端各自铰接在车体架上；行走滚轮支架上安装有旋转电机带动行走滚轮转动；两个行走滚轮的安装轴线呈八字形对称布置，当直线电机体驱动螺杆轴向下运动时，连杆架推动两个连杆向外张开，进而推着左右行走滚轮支架向外张开，使行走滚轮松开管道，反之，则左右行走滚轮支架向内合拢，使行走滚轮抱紧管道。2.一种如权利要求1所述的管外行走机器人抱紧机构位置参数的优化设计方法，其特征在于，其步骤如下：第一步、确定设计变量及其它参数的选取由于抱紧机构左右对称，故分析其左侧即可，对其结构进行合理抽象；设左行走滚轮支架上端铰链支座的中心点为C，驱动盘沿螺杆轴的上移端点为M、驱动盘沿螺杆轴的下移端点为M’；取夹紧状态下连杆架铰链支座的中心点J到螺杆轴的垂直距离JM长度为设计变量x1，单位：m；取夹紧状态下连杆架铰链支座的中心点J到左行走滚轮支架下端铰链支座的中心点B间的距离JB长度为设计变量x2，单位：m；取夹紧状态下左行走滚轮支架上端铰链支座的中心点C到螺杆轴的垂直距离CL长度为设计变量x3，单位：m；取夹紧状态下左行走滚轮支架上端铰链支座的中心点C到左行走滚轮支架下端铰链支座的中心点B间的距离CB长度为设计变量x4，单位：m；取夹紧状态下左行走滚轮支架上端铰链支座的中心点C到左行走滚轮支架拐点A的距离CA长度为设计变量x5，单位：m；取夹紧状态下左行走滚轮支架拐点A到夹持点I间的距离AI长度为设计变量x6，单位：m；取夹紧状态下∠CAI为x7，单位：度；故抱紧机构有7个设计变量，即：X＝[x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7]T(1)第二步、根据具体的设计要求确定x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7的取值范围并进行随机初始化赋值：x1∈[0.01,0.04]x2∈[0.05,0.08]x3＝[0.03,0.05]x4∈[0.09,0.12]x5∈[0.09,0.15]x6∈[0.04,0.07]x7∈[120°,160°](2)第三步、当抱紧机构夹紧时，建立力学参数的数学模型：MC(F1)＝CS·F1＝x4·sinα·F/2·sinβ(3)MC(FN)＝-CP·FN＝-(x6-x5cosx7)·FN(4)式中：F为直线电机体的额定推力，单位：N；F1为夹紧状态下左行走滚轮支架下端铰链支座的中心点B所受的拉力，单位：N；FN为夹紧状态下左行走滚轮支架夹持点I处产生的夹紧力，单位：N；MC(F1)为夹紧状态下左行走滚轮支架下端铰链支座的中心点B所受的拉力F1对C点的矩，单位：N·M；MC(FN)为夹紧状态下左行走滚轮支架夹持点I处产生的夹紧力FN对C点的矩，单位：N·M；CS为夹紧状态下左行走滚轮支架上端铰链支座的中心点C到行走滚轮支架下端铰链支座的中心点B所受的拉力方向线的垂直距离，单位：m；CP点为夹紧状态下左行走滚轮支架上端铰链支座的中心点C到夹持点I处产生的夹紧力FN方向线的垂直距离，单位：m；α＝∠CBJ、β＝∠JBM'都是因变量，单位：度，根据机构中设计变量利用几何和三角函数知识编程求得；第四步、根据直线电机体安装空间，各构件的安装空间，夹紧时...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊炳辉，付秀强，王传江，李燕，王凯，刘登彪，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37