一种应用于管道机器人的电子式三轴差速系统
阅读：596发布：2024-01-09
专利汇可以提供一种应用于管道机器人的电子式三轴差速系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种应用于管道 机器人 的 电子 式三轴差速系统,由三台相同直流 电动机 及一套电子控制系统组成。三台直流电动机 捆 绑在一起构成正三 角 形结构，其 输出轴 分别与三组管道机器人的行走机构相连，每组行走机构各有一个 驱动轮 ；一套电子控制系统由三组直流电动机恒转矩控制系统组成。当管道机器人在直管中运行时，管道机器人三个驱动轮所受阻 力 相同，如使三台直流电动机所加的主磁通、电枢 电压 、电枢 电阻 相同，则三台电动机所产生的电磁转矩相同，这样三个驱动轮的转速相同，即作同步运动；当管道机器人在弯管中运行时，管道机器人三个驱动轮所受阻力不同，使三台电动机的电磁转矩保持相同，这样三个驱动轮因阻力不同而转速不同，即作差速运动。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利，下面是一种应用于管道机器人的电子式三轴差速系统专利的具体信息内容。
1.一种应用于管道机器人的电子式三轴差速系统，其特征是：
机架(8)上设置有3台直流电动机(7)、3套行走机构、3套辅助支撑、3根预紧拉簧(6)，所述的行走机构设置在机架(8)的一端，辅助支撑设置在机架(8)的另一端；
3台直流电动机(7)捆绑在一起构成正三角形结构，即周向均布，3台直流电动机(7)的输出轴分别与3套行走机构相连接，3套行走机构也呈周向均布；所述的行走机构的由蜗杆(5)、蜗轮(4)、系杆(3)、斜齿轮(2)及驱动轮(1)组成，蜗杆(5)连接直流电动机(7)的输出轴，蜗杆(5)与蜗轮(4)啮合，蜗轮(4)与斜齿轮(2)啮合，斜齿轮(2)连接驱动轮(1)，系杆(3)的一端与机架(8)铰接；所述的辅助支撑由摆杆(9)、行走轮(10)组成，其摆杆(9)的一端与机架(8)铰接；所述的行走机构与所述的辅助支撑沿机架(8)轴线对称布置；所述的预紧拉簧(6)的两端分别与系杆(3)的另一端及摆杆(9)的另一端相连，使驱动轮(1)与行走轮(10)压在管道内壁上；
直流电动机(7)的励磁电路并联接到同一直流电源，直流电动机(7)的电枢电压和/或电枢电路附加电阻可调。
一种应用于管道机器人的电子式三轴差速系统
技术领域
背景技术
[0002] 管道机器人是一种可沿狭小管道内部行走，携带一种或多种传感器及操作设备，在工作人员的操控或自动控系统的控制下，进行一系列管内作业的机电一体化系统。管道机器人根据驱动方式不同大致可分为介质压差式、轮式、履带式、蠕动式、腿式等。轮式管道机器人因其结构简单、行走速度较快且平稳而获得广泛应用。如同汽车在弯道上行驶一样，轮式管道机器人在弯管内行走时需要解决驱动轮的差速运动问题，而且是三轴的差动问题。三轴差动问题的解决方式与管道机器人所选的驱动方式有关：如果管道机器人选择单台电机集中驱动，一般通过机械差速方式加以解决，如国内哈尔滨工业大学实用新型的由四个圆锥齿轮差速器按照一定逻辑关系组合而成的三轴差速轮系(管道机器人三轴差动式驱动单元的设计研究[J]，机器人，2008年第1期)，以及韩国成均馆大学实用新型的由两级圆柱齿轮差速器串联而成的三轴差速机构(Novel robot mechanism capable of 3D differential driving inside pipelines[A],IEEE/RSJ International conference on intelligent robot and systems，Chicago,USA,2014,1944-1949)；如果管道机器人选择多台电机分别驱动，一般通过电子差速方式加以解决，目前的做法是依据机器人在管道内运行时的理想运动模型，通过自动控制各电动机的输出转速而自动控制各驱动轮的行走转速，以实现机器人无运动干涉的差速过弯运动，如文献“六独立轮驱动管内检测牵引机器人[J]，机械工程学报，2005年第9期”所述。以上所述解决过弯差速驱动问题的方式都还存在一些缺点：机械式差速器虽具自主、自适应差速功能，但存在机构复杂、体积庞大和机械传动摩擦损耗较大等问题；电子式差速系统虽具有传动简洁、传动效率较高等优点，但存在着需提前预知或实时判断管道的环境参数(如弯管曲率半径等)，以及由于管道环境复杂，环境信息采集及处理困难，致使控制系统复杂且稳定性、实时性和柔顺性不够理想等一系列问题。发明内容
[0003] 为克服现有机械式差速机构和电子式差速系统的不足，本实用新型借鉴机械式汽车差速器的工作原理，根据刚体绕定轴转动的动力学原理，提供一种基于驱动轮阻力实时反馈而具有自主、自适应功能，并通过对各驱动电机实施恒转矩控制而实现的新型电子式差速系统。
[0004] 对称式锥齿轮汽车差速器的差动原理可以按如下解读：
[0005] 如图1所示，汽车发动机输出的转矩经变速器及主减速器(齿轮4’、齿轮5’)的减速增扭，传给差速器壳H一转矩T0，差速器壳将此转矩转换成一驱动力P0作用到行星轮轴H上，行星轮轴H又通过空套在其上的行星轮3’将此力等量地分配给故左、右半轴齿轮1’、2’，使左、右半轴同时获得等量的驱动转矩 并以此带动左、右驱动轮6’、7’转动。这种状态无论汽车在直线行驶还是在转弯时都客观存在。
[0006] 当汽车直线行驶时，左、右驱动轮6’、7’在驱动转矩 作用下，对地面产生切向力FtL和FtR，且FtL＝FtR＝Ft，同时，地面反作用给左、右驱动轮6’、7’以摩擦阻力FfL和FfR，且FfL＝FfR＝Ff。左、右驱动轮6’、7’的摩擦阻力分别经过左、右半轴齿轮1’、2’，又反作用到行星齿轮“杠杆”3’上，分别记为PfL和PfR，且PfL＝PfR＝Pf，故行星齿轮“杠杆”3’因静力平衡而不转动，即差速器不起差速作用，差速器可看作为一个刚体推动驱动左、右驱动轮6’、7’同速运动。这时汽车左、右半轴的动力学方程均可表示为 其中Tf为由Ff转换过来的阻力矩。从中可知，左、右半轴的动态转矩相同，转动惯量相同，所以角加速度也相同，加之初速度相同(同时启动)，这样瞬时速度也相同。这就是以左、右半轴为分析对象，从动力学角度解释在汽车直线行驶时，其左、右驱动轮6’、7’保持同速运动的根本原因。
[0007] 当汽车刚从直线行驶开始向左转弯行驶时，差速器尚未起差速作用，左、右驱动轮6’、7’仍以相同的转速转动。为了适应转弯时内侧(左侧)驱动轮6’行程小于外侧(右侧)驱动轮7’行程之需要(最小能耗原理)，内侧(左侧)驱动轮6’势必一边滚动一边原地滑转地行走，而外侧(右侧)驱动轮7’必将一边滚动一边滑拖地行走。左、右驱动轮6’、7’的滑转与滑拖必将受到附加阻力，所受附加阻力大小相等、方向相反。附加阻力反作用到行星轮“杠杆”
3’上，产生一力偶，使行星轮3’转动且处在加速转动状态，即差速器起差速作用且处在不断扩大速度差的状态，从而使左、右侧驱动轮6’、7’转速不同且处在一个在减速，另一个在加速的状态。当左、右侧驱动轮6’、7’转速达到转弯时的理想速度(两驱动轮的转速与两驱动轮的转弯半径成正比)，滑转与滑拖现象消失，附加阻力也消失，行星轮3’转为匀速转动，左、右侧驱动轮6’、7’转为以理想(纯滚动)速度稳定行走。同样，这个过程汽车的左、右半轴的动力学方程可表示为 和 从两公式可知，
开始转弯时两者的动态转矩不同，转动惯量相同，则角加速度不同，这样，左、右驱动轮6’、
7’虽初速度相同，但一个在减速，另一个在加速，故瞬时速度不同，从而实现差速运动；当转弯进入理想状态(纯滚动)时，附加阻力消失，两者的动态转矩恢复相同，转动惯量相同，则角加速度恢复相同，左、右驱动轮6’、7’以各自的理想速度稳定运行(转速差不扩大)。这就是以左、右半轴为分析对象，从动力学角度解释左、右驱动轮6’、7’能够实现差速运动和保持差速运动的根本原因。
3’上，产生一力偶，使行星轮3’转动且处在加速转动状态，即差速器起差速作用且处在不断扩大速度差的状态，从而使左、右侧驱动轮6’、7’转速不同且处在一个在减速，另一个在加速的状态。当左、右侧驱动轮6’、7’转速达到转弯时的理想速度(两驱动轮的转速与两驱动轮的转弯半径成正比)，滑转与滑拖现象消失，附加阻力也消失，行星轮3’转为匀速转动，左、右侧驱动轮6’、7’转为以理想(纯滚动)速度稳定行走。同样，这个过程汽车的左、右半轴的动力学方程可表示为 和 从两公式可知，
开始转弯时两者的动态转矩不同，转动惯量相同，则角加速度不同，这样，左、右驱动轮6’、
7’虽初速度相同，但一个在减速，另一个在加速，故瞬时速度不同，从而实现差速运动；当转弯进入理想状态(纯滚动)时，附加阻力消失，两者的动态转矩恢复相同，转动惯量相同，则角加速度恢复相同，左、右驱动轮6’、7’以各自的理想速度稳定运行(转速差不扩大)。这就是以左、右半轴为分析对象，从动力学角度解释左、右驱动轮6’、7’能够实现差速运动和保持差速运动的根本原因。
[0008] 基于上述理解，本实用新型提出了一种应用于管道机器人的新型电子式差速系统。它由三台相同直流电机(相同额定参数)及一套电子控制系统组成。三台直流电动机捆绑在一起构成正三角形结构(即周向均布)，其输出轴分别与三组管道机器人的行走机构相连；一套电子控制系统主要由三组直流电机恒转矩控制系统组成。当管道机器人在直管中运行时，管道机器人各驱动轮所受阻力矩TL相同，若使三台直流电机所加的主磁通、电枢电压、电枢电阻相同，则三台电机所产生的电磁转矩TM相同。根据刚体绕定轴转动的动力学方程 这时三轴的动态转矩Td＝TM-TL相同，加之三轴的转动惯量选择相同，则三驱动轮的行走速度相同，即作同速运动；当管道机器人转入弯管中运行过程中，开始时管道机器人三驱动轮所受附加阻力矩ΔTL(由附加阻力ΔFt转化过来)不同，保持三台直流电机的主磁通相同，通过调节电枢电压或电枢电阻(附加电枢电阻)，使三台电动机的电磁转矩保持相同，这时三轴的动态转矩Td＝TM-TL因阻力矩不同(实为附加阻力矩不同)而各不相同，导致三驱动轮的转速不同，有的在加速，有的在减速，且加或减的程度也可能不同。当三驱动轮转速达到过弯时的理想转速(各驱动轮的转速与它们的转弯半径成正比)，附加阻力(矩)消失，三驱动轮阻力(矩)恢复相同，电磁转矩仍保持不变，则三轴的动态转矩Td＝TM-TL恢复相同，这样三驱动轮将以各自的理想速度作稳定(转速差不扩大)的转弯运动。
[0009] 本实用新型的一种应用于管道机器人的电子式三轴差速系统，包括机架8，机架8上设置有3台直流电动机7、3套行走机构、3套辅助支撑、3根预紧拉簧6，所述的行走机构设置在机架8的一端，辅助支撑设置在机架8的另一端；
[0010] 3台直流电动机7捆绑在一起构成正三角形结构，即周向均布，3台直流电动机7的输出轴分别与3套行走机构相连接，3套行走机构也呈周向均布；所述的行走机构的由蜗杆5、蜗轮4、系杆3、斜齿轮2及驱动轮1组成，蜗杆5连接直流电动机7的输出轴，蜗杆5与蜗轮4啮合，蜗轮4与斜齿轮2啮合，斜齿轮2连接驱动轮1，系杆3的一端与机架8铰接；所述的辅助支撑由摆杆9、行走轮10组成，其摆杆9的一端与机架8铰接；所述的行走机构与所述的辅助支撑沿机架8轴线对称布置；所述的预紧拉簧6的两端分别与系杆3的另一端及摆杆9的另一端相连，使驱动轮1与行走轮10压在管道内壁上；
[0011] 3套辅助支撑起辅助支撑作用，其上的行走轮10为被动轮。
[0012] 直流电动机7的励磁电路并联接到同一直流电源，直流电动机7的电枢电压和/或电枢电路附加电阻可调。
[0013] 机架8的轴线沿机器人行走的管道的轴线布置。
[0014] 本实用新型的有益效果是：相比机械式差速机构，其机械结构简单；对比于现有的电子式差速系统，因该系统具有自主、自适应特征而无需提前预知或实时判断管道环境参数，也使得该系统的稳定性、实时性和柔顺性趋于理想。附图说明
[0015] 下面结合附图和实施例对本实用新型专利进一步说明。
[0016] 图1为现有机械式汽车差速器的工作原理图；
[0017] 图2a为本实用新型的管道机器人机构的主视图；
[0018] 图2b为图2a的左视图；
[0019] 图3为本实用新型的电子差速系统电路原理图。
具体实施方式
[0020] 下面结合附图进一步说明本实用新型的技术方案。
[0021] 如图1所示，本实用新型的一种应用于管道机器人的电子式三轴差速系统由3台直流电动机7、3套行走机构、3套辅助支撑、3根预紧拉簧6及一个机架8组成。3台直流电动机7捆绑在一起构成正三角形结构(即周向均布)，其输出轴分别与3套行走机构相连接，使3套行走机构也呈周向均布。3套行走机构的每一套均由蜗杆5、蜗轮4、系杆3、斜齿轮2及驱动轮1组成，其系杆3的一端与机架8铰接。3套辅助支撑的每一套均由摆杆9、行走轮10组成，其摆杆9的一端与机架8铰接。3套行走机构与3套辅助支撑沿机架8轴线对称布置。3根预紧拉簧6的每一根的两端分别与系杆3的另一端及摆杆9的另一端相连，使驱动轮1与行走轮10均以一定的压力压在管道内壁上。
[0022] 如图2所示，3台直流电动机7中的每一台均通过蜗杆5→蜗轮4→斜齿轮2的传动路径驱动各自的驱动轮1沿管壁行走。3套辅助支撑起辅助支撑作用，其上的行走轮10为被动轮。
[0023] 直流电动机(7)的励磁电路并联接到同一直流电源，直流电动机(7)的电枢电压和电枢电路附加电阻可调，也可以设置成电枢电压和电枢电路附加电阻其中之一可调。
[0024] 当管道机器人在直管中运行时，将三直流电动机的励磁电路并联接到同一直流电源当中，分别调节三直流电动机的电枢电压Ua1、Ua2、Ua3，使Ua1＝Ua2＝Ua3，同时分别调节三直流电动机的电枢电路附加电阻Rad1、Rad2、Rad3，使Rad1＝Rad2＝Rad3，从而使三直流电动机的电磁转矩TM相同，即TM1＝TM2＝TM3。由于此时三驱动轮所受阻力(矩)相同，所以三电动机所受阻力矩TL也相同,即TL1＝TL2＝TL3，这样三直流电动机的输出转速也相同，故三个驱动轮的转速也相同，也即三驱动轮同速且纯滚动行走。
[0025] 当管道机器人从直管转入弯管运行时，保持电枢电路附加电阻Rad1、Rad2、Rad3不变或相同分别调节电枢电压Ua1、Ua2、Ua3，或者，保持电枢电压Ua1、Ua2、Ua3不变或相同分别调节电枢电路附加电阻Rad1、Rad2、Rad3，使三直流电动机的电磁转矩TM相同或不变,即TM1＝TM2＝TM3，则因各驱动轮所受阻力(矩)TL不同(实为附加阻力(矩)不同)，即TL1≠TL2≠TL3，导致三直流电动机的输出转速不同，继而导致三驱动轮的转速不同，且三驱动轮的转速差不断地扩大。当三驱动轮转速达到过弯时的理想转速(各驱动轮的转速与它们的转弯半径成正比)，附加阻力(矩)消失，三驱动轮阻力(矩)恢复相等，仍使三直流电动机的电磁转矩不变，三驱动轮将以各自的理想速度作稳定的(转速差不扩大)转弯运动。
[0026] 本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。
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