毕业设计论文-刚度可调关节结构设计

编号 题 目刚度可调关节结构设计学生姓名学 号学 院专 业班 级指导教师刚度可调关节结构设计摘 要随着科学技术的不断发展,人们的生产生活在追求更好质量，更低成本，更高效率的同时，对于产品精度和安全性的要求也越来越高，高效率，高自动化，高精度，高可靠性的机器人技术成为了至关重要的环节。现在的机器人技术主要采用刚性关节，控制精度高的同时，人机交互存在安全隐患，随着机器人环境友好、安全可靠的发展趋势,可变刚度关节成为了研究热点。变刚度关节能够缓冲碰撞,消除机械震荡,提高机器人对人和环境的安全性。因此，研究出具有类似人类肌肉特性的变刚度（柔性）关节对提高机器人的安全性、环境适应性以及未来更好地为人类服务具有重要的现实意义。在充分了解了国内外提出的各种变刚度关节设计模型和工作原理的前提下，本文重点分析了一种国外的叫做AwAS-II的变刚度关节。该关节是由两个拮抗放置的扭转弹簧连接到杠杆一端，使关节再受到外力时具备一定的柔度，再通过滚珠丝杠驱动杠杆的支点移动，来改变两侧力臂的大小，以达到改变刚度的目的。为此，本文使用solidworks软件绘制其三维模型，对AwAS-II的结构方案与运动学、动力学特性进行探索与仿真分析。关键词：柔性关节，刚度可调，杠杆，运动分析，仿真Structural Design of Joint with Adjustable StiffnessAbstractWith the continuous development of science and technology, our need to product accuracy and safety requirements are getting higher and higher, high efficiency, high automation, high precision , High reliability of the robot technology has become a vital link. Nowadays, the robot technology has the advantages of rigid joints and high control precision. At the same time, the human-computer interaction has the hidden danger. With the development trend of robot environment friendly, safe and reliable, the variable stiffness joint becomes the research hotspot. Variable stiffness joints can cushion the collision, eliminate mechanical shocks, improve the robot on the human and environmental safety. Therefore, it is of great practical significance to develop a variable stiffness (flexible) joint with similar human muscle properties to improve the safety, environmental adaptability and future better service of the robot.Under the premise of fully understanding the various variable stiffness joint design models and working principle proposed at home and abroad, this paper focuses on a kind of foreign variable joint called AwAS-II. The joint is composed of two antagonistic torsion springs connected to the end of the lever, so that the joint and then by the external force with a certain degree of flexibility, and then through the ball screw drive lever fulcrum movement, to change the size of both sides of the arm to achieve the purpose of adjusting the stiffness. To this end, this paper uses solidworks software to draw its three-dimensional model, the AwAS-II structure scheme and kinematics, dynamic characteristics of exploration and simulation analysis.Key Words: flexible joint, stiffness adjustable, lever, motion analysis, simulation 目 录摘 要.iAbstract .ii第1章 引 言.1 1.1 课题研究的背景及来源.1 1.2 课题研究的目的和意义.2 1.3 变刚度关节的发展现状.21.3.1 变刚度关节在国外的研究现状.21.3.2 变刚度关节在国内的研究现状.5 1.4 课题研究的主要内容.6 1.5 本章小结.7第2章 流体驱动管道机器人速度波动的机理分析.8 2.1 流体驱动管道机器人运动原理. 2.2 管道机器人在管内运动的受力分析. 2.3 流体驱动管道机器人产生速度波动的影响因素.2.3.1 影响管道机器人产生速度波动的外部因素.2.3.2 影响管道机器人产生速度波动的内部因素. 2.4 本章小结.第3章 流体驱动管道机器人力学平衡设计. 3.1 管道机器人驱动力设计原理. 3.1.1 管道机器人支撑结构产生的流体压差驱动力. 3.1.2 管道机器人外设叶片机构产生的驱动力. 3.2 管道机器人阻力设计原理. 3.2.1 管道机器人外设摩擦轮机构产生的可调阻力. 3.2.2 管道机器人本体重力产生的不可调阻力. 3.3 管道机器人平衡分析. 3.4 本章小结.1 第4章 流体驱动管道机器人的结构设计. 4.1 管道机器人支撑结构设计.4.1.1 管内主支撑结构设计.4.1.2 管内辅助部件支撑机构设计. 4.2 管道机器人紧固联结机构设计.4.2.1 前后支撑轮盘的联结设计.4.2.2 功能部件联结设计.4.2.3 防松结构设计. 4.3 管道机器人主体功能结构设计.4.3.1 驱动功能主体结构设计.4.3.2 阻碍功能主体结构设计. 4.4 本章小结.第5章 流体自驱动管道机器人平衡的Matlab数值仿真分析. 5.1 管道流量变化引起的驱动力数值变化.5.1.1 流体压差驱动力数值变化.5.1.2 叶片驱动力数值变化. 5.2 管道流量变化引起的可调阻力数值变化. 5.3 管道机器人随管道流量的平衡数值分析. 5.4 本章小结.第6章 流体自驱动管道机器人辅助结构设计参数. 6.1 管道机器人可调阻力设计机构的静平衡分析. 6.2 管道机器人恢复弹簧的参数设计.6.2.1 驱动轴弹簧设计参数.6.2.2 支撑轮弹簧设计参数. 6.3 本章小结.第7章 总结与展望.参考文献.致谢.2 第1章 引 言1.1 课题研究的背景及来源随着科学技术的不断发展,人们的生产生活在追求更好质量，更低成本，更高效率的同时，对于产品精度和安全性的要求也越来越高，高效率，高自动化，高精度，高可靠性的机器人技术成为了高端产业中至关重要的环节。目前，由于对控制精度和响应速度要求较高，机器人驱动器大部分采用刚性关节，但随着机器人技术的应用范围越来越广,如工业生产领域、医疗设备领域、特定服务机器人以及特殊环境作业机器人等，机器人的工作环境越来越复杂，与人的接触机会越来越多,我们对于能够应用于人机交互环境中,对环境友好，且不对外界环境造成危害的机器人系统的需要越来越迫切,因此机器人的安全性和环境适应性逐渐成为了近年来机器人技术研究的重点方向。在机器人技术环境友好、安全可靠的发展趋势下,能够对外来冲击产生一定缓冲，减小机械振动，提高能量利用率，并大大提升人机交互中安全性的可变刚度柔性关节成为了研究热点，越来越受到关注。近年来各种可变刚度柔性关节相继出台，应用于诸如腿假体装置，腿外骨骼的步行辅助系统，医疗康复机器人，仿人机械臂等方面，这些可变刚度的驱动系统通常采用两个驱动器单元与被动弹性元件的组合来独立地控制驱动关节的刚度和平衡位置。变刚度驱动关节能够模拟人类的肌肉，遭遇冲击的时候能够产生适当的弯曲，以缓冲碰撞所产生的能量，同时感知外界阻力并做出反应，从而能够保证手臂和外界环境的安全性。此外，弹性元件像肌肉一样吸收、储存、再利用冲击能量，不仅可以提高能量的利用率，而且能从一定程度上消除机械震荡，减小机械损伤。出色的环境适应性和高安全性使可变刚度柔性关节具有编号的发展前景。1.2 课题研究的目的和意义可变刚度柔性关节能够缓冲碰撞,减小机械震荡,提高能量利用率，提升机器人对于人和环境的安全性。它的提出，使得日新月异，飞速发展的机器人技术得到了良好的安全性和环境适应性保障，使其能够在各种环境条件下应对各种突发情况，并可以直接应用于发展潜力巨大的人机交互机器人上，大大拓宽了机器人技术的应用领域，推动高端科技产业的发展，对未来机器人能够更好地为人类服务具有重大深远的现实意义。1.3 变刚度关节的发展现状1.3.1 变刚度关节在国外的研究现状变刚度关节的概念最初由国外提出，并进行此方面的研究，取得了丰富全面的研究成果，将其融入到轻型机器臂中，使，开发出性能优异的柔性臂。具有机械弹性的仿人机器人已经发展了近二十年之久，其灵活性和安全性能与日俱增。它们主要分为两种类型：具有连续弹性接头的机器人（SEA），以及具有可变刚度关节（VSJ）的机器人。SEA关节具有各自独立的弹簧特性，每个接头中仅具有一个驱动器，这促成了更加简单轻便的关节的产生，但是有关节刚度不能适应于不同环境的缺点。意大利技术研究所(IIT)的 G.Metta 等人设计出了一种基于 SEA 的紧凑型变刚度关节，应用于他们研发的“i Cub”机器人（拥有 53个自由度，小孩大小的人形机器人）的关节中，如图：一种基于 SEA 的紧凑型变刚度关节还有其他一些研究人员开发出各种各样的基于 SEA 的变刚度关节。Lagoda C.等人设计出了一种用于步态康复训练的机器人关节 e SEAJ(electric Series Elastic Actuated Joint)。Stienen A.H.A 等人开发出了一种用于上肢康复的外骨骼机器人关r HEA(rotational Hydro Elastic Actuator)，如图：国外几种典型的 SEA 变刚度关节为了解决 SEA 关节不能适应各种环境的局限性，一些学者在 SEA 的基础上开发出一种冗余的关节驱动器，采用了两个电机，一个电机控制关节输出位置，另一个调节输出刚度。根据电机的连接方式不同，主要分为三大类：并联型、串联型和可变物理结构型。并联型是指关节的输出力矩是两个电机的力矩之和，串联型是指关节的末端位置是两个电机的输出位移之和。并联型结构：Junho Choi 等人设计出了一种较为复杂的拮抗式并联结构的变刚度关节 VSJ。利用片弹簧的变形实现刚度的改变，片弹簧一端固定于主轴，另一端自由，相当于悬臂梁。两电机以对称的方式放在两端，分别带动连杆 a 和连杆 b 运动，当两电机的转速一致时，中枢在片弹簧上的位置不发生改变，关节刚度就保持不变；当两电机的转速不同时，中枢在片弹簧上的位置则会改变，中枢沿着片弹簧移动，导致关节刚度发生改变。如图：基于片弹簧的变刚度关节 VSJ串联型结构：德宇航(DLR)的 Wolf .S 等人设计出了一种变刚度关节 VS-J(Variable Stiffness Joint)，运用于 DLR 柔性臂的关节中 。该关节利用谐波减速器的差动特性，关节电机与波发生器相联接，柔性轮作输出端，变刚度机构VSM(Variable Stiffness Mechanism)与刚性轮相联接。工作时，弹簧沿主轴方向的变形转化为绕主轴的力矩，调节刚度的电机带动底座滑块压缩弹簧改变关节的整体刚度，当关节受到外界载荷而产生被动变形时，驱动关节的电机静止不动，关节的输出刚度仅与 VSM 有关，通过改变凸轮的曲面形状即可得到不同刚度特性的关节。如图：DLR 研究变刚度关节的相关成果可变物理结构型：AWAS(Actuator with Adjustable Stiffness)采用了调整杠杆力臂长度的原理，关节驱动电机 M1 和中间连杆刚性连接起来，用于调整关节位置，中间连杆和输出连杆之间安装一对拮抗放置的弹簧，两个弹簧是预压缩的，运动中总的长度保持不变；刚度调节电机 M2 通过滚珠丝杠机构移动弹簧位置，从而改变弹簧作用点与关节旋转中心之间的距离（即有效力臂），以此来改变关节的输出刚度。AWAS-II在 I 型的基础上做出了改进，固定弹簧的位置而改变杠杆支点的位置，有效地扩大了关节刚度的调节范围并且提升了较小刚度时调整的响应速度。如图：AWAS 工作原理及实物AWAS-II 原型及工作原理1.3.2 变刚度关节在国内的研究现状国内在变刚度关节方面的研究起步较晚，尚处在探索阶段。研究成果比较少。对于可变刚度机构设计，哈尔滨工业大学的尹鹏等人研制出了一种面向足式机器人的新型可调刚度柔性关节，该关节采用了一种变传动比杠杆机构作为核心部件，实现了刚度的连续可调功能。关节结构及驱动方式设计紧凑，满足了足式机器人系统对重量及体积的要求，通过分析关节相关结构参数与关节输出刚度系数之间的关系，选择较为敏感的参数，提高刚度调节的灵敏性。面向足式机器人的新型可调刚度柔性关节1.4 课题研究的主要内容本文由变刚度关节的运用背景和研究进展出发，分析国内外提出的各种可变刚度关节的特性，对其原理和工作方式进行分析研究。在众多方案中，选择AWAS-II作为主要研究目标，并建立关节的数学模型,推导关节刚度计算公式,实现刚度的调节控制。为达到仿人的目的，可变刚度关节需有适当的结构参数设计，以在不同条件下完成工作要求，并而出三维模型，进行仿真测试，验证可变刚度关节在刚度调节方面的有效性。本课题研究和解决的问题：1）查阅相关文献，收集有关资料，了解各种关节的方案设计，分析可变刚度关节的特性，对其变化刚度的原理和工作方式进行分析；2）建立AWAS-II的数学模型,推导关节刚度计算公式,实现刚度的调节控制。3）根据要求对AWAS-II进行相关参数以及零件的设计。4）根据设计参数使用三维软件solidworks对变刚度关节进行建模，完成动力学仿真以及静应力分析，对其结构做出优化，得出课题研究的主要结论。1.5 本章小结 本章主要对变刚度关节研究的社会背景和现实意义进行了详细说明，分析了国内外对变刚度关节的研究现状。在最后，提出了本课题研究需要解决的问题和需要完成的任务。第2章 AWAS-II的工作原理和数学模型分析2.1 AWAS-II的概念为了阐明应用于AwAS-II的机构与其它采用杠杆机构的可变刚度驱动器相比的优点，本文讨论了AwAS和AwAS-II两个机构的概念。应用于AwAS的机构的概念基于可变杆臂。 假设一个围绕其枢轴旋转的杠杆（如图1）。 两个弹簧拮抗地连接到杠杆并且可以靠近或远离枢轴移动。 有效长度是枢轴和弹簧之间的距离。 杆端的表观刚度可以通过改变有效臂来调节。 有效臂越长，杠杆越硬，刚度越大。 因此可实现的最大刚度取决于最大有效臂长（有效的杠杆长度 ）和弹簧的弹性。 图1 . AwAS的概念:通过移动弹簧的位置改变有效臂长来改变刚度然而，AwAS-II的概念是基于可变比杠杆机构。如图2所示调节刚度，力和弹簧的位置保持固定，而枢轴的位置发生改变,在杠杆长度一定的情况下，枢轴和弹簧之间的距离与枢轴和施加力的作用点之间的距离即杠杆两臂，其比率也发生改变，从而改变刚度。 如果枢轴到达连接到弹簧的杆的端部，则比率等因此刚度变为零，而如果到达另一端，则杆变得刚性。 这个结论并不受杠杆的长度与弹簧的弹性限制。 图 3. AwAS-II的概念; 通过在弹簧的位置保持固定的同时移动枢轴的位置来改变杠杆的比率，从而改变刚度 AWAS-II，它是AWAS的改进版本，所述的新颖之处在于，弹簧和载荷施加到杆的作用点的位置保持固定，而是枢轴位置发生改变，变化的是杠杆两臂长度的比值。该比值理论上可以在零到无限之间变化，因此刚度可以从非常软到完全刚性。该范围不取决于杠杆的长度和弹簧的弹性。因此，我们在设计中可以对弹簧和杠杆减少要求，使用更短的杆和更经济的弹簧，这使得AwAS-II的结构与AwAS相比更轻更紧凑，成本也更低。同时，更短的杆还有一个优势，在于能够更快地调节刚度水平（从最小刚度到最大刚度的行程距离更短）。2.2 AwAS-II的机械结构图3. AwAS-II的基本结构在AwAS-II的机械结构中，在图3中可以看到，两个拮抗放置的扭转弹簧以预偏转的方式固定到输出连杆的一侧，并且另一侧连接到杠杆的一端。 杠杆的另一端通过旋转接头连接到输出连杆。 中间连杆刚性地连接到驱动关节运动的主电动机（以下称为M1）。图4. 滑块的位置由M2通过滚珠丝杠机构改变枢轴是放置在杠杆内并连接到滑块的凸轮从动件，其由被另一电动机（以下称为M2）驱动的滚珠丝杠机构移动。 穿过滑块的直线导轨防止滑块围绕滚珠丝杠的旋转，并且当输出连杆从其平衡位置偏转时起一定支撑作用。两个电机的运动是相对独立的，M1控制关节的中间连杆运动，而M2用来控制刚度。刚度取决于杠杆两臂的比率L1 / L2，定义L1是枢轴和连接到弹簧的杠杆的端部之间的距离，L2是枢轴和连接到输出连杆的杠杆的另一端之间的距离。 杠杆可以相对于输出连杆围绕该后端旋转，也可以围绕枢轴旋转，因此如果连杆偏离其平衡位置，则弹簧根据枢轴的位置而发生偏转。 当枢轴与M1的旋转中心对准时，该比率变为零（L1 = 0），并且关节呈现零刚度，中间连杆与输出连杆之间可以随意转动。 将枢轴远离该端部移动，增加刚度，直到枢轴到达另一端并且与输出连杆和杆之间的接头的轴线对准。在该位置，比率变为无限大（L2 = 0），并且关节变为刚性。当连杆偏离其平衡位置时，连接到弹簧的杠杆的端部沿着弹簧的一端滑动，为了减小滑动摩擦，在杠杆和每个弹簧之间放置滚轮。图5. AwAS-II实物图2.3 AwAS-II调节刚度的数学模型电机M2驱动滚珠丝杠机构独立地调节系统刚度，与中间连杆保持刚性连接，并不参与系统受外力后的变形过程。中间连杆由电机M1驱动，此时中间连杆上的枢轴通过两个弹簧的作用力来带动输出连杆一起旋转，在平衡状态下，输出连杆和中间连杆保持同步旋转。在输出连杆受到外力作用时，输出连杆相对于中间连杆会以枢轴为中心发生一定偏转，从而引起杠杆另一端弹簧的形变。两个弹簧是拮抗放置的，形变造成的弹力差用来平衡杠杆另一端的外力，此时系统处于非平衡状态。为了方便得到系统的关节刚度的模型，我们用等效虚拟压缩弹簧来替代扭转弹簧，如图6所示：图6. 用等效虚拟压缩弹簧代替扭转弹簧在这种情况下，压缩弹簧的弹性系数须用扭转弹簧的系数来表示。图中，扭转弹簧在距弹簧中心rt的臂处受到力Ft的作用。 假设力Ft总是水平作用，rt保持不变。则：力 Ft使得扭力弹簧发生偏转： =Ftx （1）其中 x 是 图6中所示的扭转弹簧的受力臂的线性位移。扭转弹簧的合成扭矩为： Tt=Ftrt (2)由方程（1）和（2），扭力弹簧的弹性系数可以由下式得出： Kt=Tt=Ftxrt2=Ksrt2 (3)其中Ks表示等效虚拟压缩弹簧的弹性系数。 图7示出当输出连杆通过角偏转=q-时偏离其平衡位置时的AwAS-II示意图。图7在非平衡位置的AwAS-II刚度取决于比率，其定义为L1L2。旋转接头的角偏转是输出连杆和中间连杆之间的角度差。角偏转使杠杆围绕枢轴旋转并且以另一侧的速率Ks压缩弹簧x。 因此，由弹簧产生的力Fs为： Fs=Ksp+x-Ksp-x=2KsL1sin (4)其中，p为弹簧的预压缩长度，x为中间连杆垂直于弹簧方向的位移。由于杠杆另一端连接到输出连杆，因此施加到输出连杆的力F可以为： F=FsL1L2=Fs （5）在受力处的合成转矩为： T=FL1+L2 (6)连杆的角偏转可以基于杠杆围绕其枢轴的旋转来公式化为： sin=L2L1+L2sin (7)由等式（3）和（7），刚度可以推导如下： K=T=2rt2Kt2L1+L22cos (8)在平衡位置，刚度可以写为： K=2rt2Kt2L1+L22 (9)从上述等式可知，系统的刚度取决于杠杆的比率，弹簧的弹性系数，弹簧臂的长度，杠杆的长度以及角偏转。 然而，理论上比率可以在零与无限大之间变化，其他参数受设计上的限制有一定局限性，对刚度范围的影响较小。因此，通过调节枢转位置来改变比率，可以将刚度设置为任何所需的水平，其余参数仅影响刚度曲线的非线性。 2.4 本章小结 本章分析了AwAS-II的工作原理和结构，并建立了其刚度的数学模型。从结论上看，调节枢轴位置改变比率，可以将刚度设置为任何所需的水平，而其余参数对刚度曲线影响不大，因此在设计上可以使用更短的杆和更易得到的弹簧，使其结构较之AwAS原型更紧凑，成本更低，同时有更快的调节速度。 第3章 变刚度关节的模型和仿真分析3.1 管道机器人驱动力原理设计 管道机器人在管道中受到流体作用的驱动力可以划分为两个主要来源，即由于管道支撑体在管道内产生的流体压差驱动力和机器人外设计结构叶片产生的驱动力。管道支撑体在管道内产生的驱动力取决于固定的管道支撑体的结构和流体运动参数，结构体无法动态变化。机器人外设计同样由于固有零件的尺寸限制，结构体也不会发生动态变化，驱动力大小只取决管道流体的运动参数。3.1.1 管道机器人支撑结构产生的流体压差驱动力根据现有的流体力学基础理论知识，获得现有的流体压差驱动力计算方法。如图3.1所示，分析流体压差驱动力计算模型13。图3.1 流体管道截面变化时的压差阻力计算 流体在流经截面变化的管道时会产生截面两侧的压差，且流体在变截面流动之前由于流体与管道截面的相互作用产生流体的压力损失。 图示中，设管道流体变截面前流体速度为，压强为，流动流体横截面积为。流体流经的变截面时，流体速度为，压强为，流动流体的横截面积为。通过变面后，流体速度为，压强为，流动流体的横截面积为。根据流体介质在管道流动的伯努利方程： 式中：为动能修正系数。 流体进入变截面前流体的压力； 流体介质的密度； 流体进入变截面前流体的速度； 流体离开变截面后流体的压力； 流体离开变截面后流体的速度； 沿程损失，距离较小，可以忽略； 管道截面收缩时的局部损失； 管道截面扩张时的局部损失；局部损失的表达式： 式中：局部阻力系数； 管道收缩时的局部阻力系数的计算方法为 式中：管道变截面前的截面积； 管道变截面时的截面积； 对于管道截面面积突然变大的局部阻力系数的计算方法为 式中：管道截面变大后的截面积；模型中，管道变截面前后的流体截面面积 ，则流体流经管道机器人前后的流量满足： 联立上述各式，可得流体流经变截面的前后压差为： 式中：入口系数，01, 变截面处入口越光滑，越小；流体经过变截面时，由变截面前后的压差可以求得流体此时对变截面体(管道机器人)的作用力为： 式中：流体流经变截面时，实体面积，； 流体对变截面的作用力； 上述相关公式的推导，是计算流体自驱动管道机器人支撑体在流体管道中所受到流体的驱动力的理论依据。依据此模型，可以求出流体的压差驱动力。3.1.2 管道机器人外设叶片机构产生的驱动力流体的压差驱动力受机器人变截面条件的固定约束，无法进行对管道机器人管道内所受摩擦力的动态调节。所以在流体驱动管道机器人中设置了动态的可以间接用于调节摩擦力的外设叶片机构产生的驱动力。依据流体力学的知识，我们对叶片在变截面管道内的轴向力进行了理论分析。下述为外设叶片机构产生的驱动力的理论依据。利用单纯的动量方程和伯努利方程并不能仔细分析叶片推进器的工作情况，但是利用这些方程可以分析其工作原理并且指导设计工作14。图3.2 叶片推动器模型计算 如图3.2 所示，叶片推动器计算模型。设叶片推进器前后一定距离的压力分布均匀。取14截面及图示流管为控制面，此时控制体内流体受到的力只有叶片推进器对流体的作用力(流体对叶片驱动器的作用力为)。由计算模型知： 式中：叶片实体截面的面积； 叶片实体截面前后的流体压强，； 流体进入叶片推动器前的流体流速； 流体流出叶片推动器后的流体流速； 流体在叶片截面的平均流速； 流体在管道内的流量； 流体介质的密度；(3-8)式中消去得 列1，2及3，4截面的伯努利方程得： 考虑到在长距离管道运输中，由(3-10),(3-11)两式可得： 联立上述方程式，得： 在设计流体驱动管道机器人结构时采用叶片推动器使流体产生对机器人的驱动力，使用该驱动力来调整机器人遇到的摩擦阻力，实现动态调节。下文将对叶片产生的驱动力如何来调节阻力进行分析。3.2 管道机器人阻力设计原理流体驱动管道机器人在管道中会受到机器人与管道内壁的摩擦力，由经典摩擦定律可知，物体所受摩擦力的大小与接触面所受的正压力成正比。管道机器人与管道内壁的正压力取决与机器人本体的重力和机器人的设计结构在驱动力的作用下产生的正压力。管道流量变化，促使机器人叶片机构驱动力发生变化，从而改变机器人与管道内壁的正压力，最后改变作用在管道机器人的摩擦阻力。上述的调节过程使管道所受的驱动力和所受的摩擦阻力具有达到平衡的可能性。3.2.1 管道机器人外设摩擦轮机构产生的可调阻力 外设摩擦轮机构阻力的可调来源于叶片推进器在流体的作用下产生的驱动力的动态变化。设计一种三爪分支的管道机器人，在叶片推进器的外驱动力作用下，三爪分支机构撑开，摩擦轮紧贴管道内壁，摩擦轮与管道内壁的正压力与外驱动力成正比。 三爪分支机构的简易模型如下：图3.3 空间三爪支撑结构简易模型(空间内一个）此模型中，为支撑轮架，其中,以及为四个铰接点，设模型中的尺寸满足：= ,=, .图示中的夹角分别为。由理论力学知识计算模型的平衡（此管道机器人设计的刚性静力学平衡），平面力学平衡： 式中：管道内壁与支撑轮的正压力； 支撑杆的正压力； 节点处的水平方向力； 节点处的竖直方向力；上述支撑结构的刚性力学平衡，主要可以得到的相互代数关系表达式： 设计的刚性支撑轮结构是空间3x120均匀分布的，有三个相同的分支。当支撑杆的正压力与叶片推进器的轴向力在轴向方向平衡时，其受力结构模型为：图3.4 支撑结构受力模型(空间内一个）由理论力学知识计算模型的平衡，实际为空间力系，只计算轴线方向： 式中：三个支撑杆的正压力； 叶片推进器的轴向力； 上述等式主要得到的代数关系式： 综合(3-17)与（3-20）得到的代数关系式为： 设计的支撑架的外摩擦轮与管道内壁的摩擦为滑动摩擦，其设计的目的是为了让可调摩擦阻力成为影响管道机器人平衡因素的主要摩擦阻力。根据经典摩擦理论得： 式中：管道机器人摩擦轮与管道内壁相对滑动的摩擦系数；由上述力学分析，推导出可调摩擦阻力的计算方法。3.2.2 管道机器人本体重力产生的不可调阻力 设计的流体自驱动管道机器人采用的是管道内柱体圆盘支撑的的形式，在圆盘的径向安装6x60的径向轮，设计的径向轮与管道内壁的摩擦为滚动摩擦，该摩擦阻力是由管道机器人本体重力产生的不可调摩擦阻力。为了使管道机器人所受的驱动力和摩擦阻力尽可能达到平衡的状态，从而最大限度地减少管道机器人在流体作用下的速度波动，所以设计径向轮与管道内壁的摩擦为滚动摩擦。 圆盘径向轮的简易模型如下：图3.5 圆盘径向支撑简易模型利用理论力学平面静平衡的理论知识对模型进行力学分析：作用在支撑的正压力主要为，对于支撑圆盘上半部分的正压力忽略为0，因为重力的作用点为支撑圆盘的中心。受力分析得： 由上述方程式得：；支撑圆盘的径向轮为滚动摩擦，由滚动阻碍的性质15, 式中：最大滚动阻力偶； 滚动阻碍系数，单位：mm； 径向轮与管道内壁的摩擦系数； 径向正压力； 滚动摩擦轮的半径；综合上式：径向轮与管道内壁的摩擦力满足， 此计算模型中，的值取决与的组合，取；则由此计算出单个支撑圆盘与管道内壁的不可调摩擦阻力为： 通过上述对简易模型的分析，我们得出了管道机器人本体重力产生的不可调摩擦阻力的计算方法。接下来我们将对管道机器人所受的驱动力和摩擦阻力进行平衡分析。3.3 管道机器人平衡分析 前几节我们对拟定设计的流体驱动管道机器人在管道中受到驱动力和摩擦阻力产生的机理进行了详细的理论分析。本节，我们将利用已经分析过的力学模型，建立起流体驱动管道机器人真整体的简易力学模型，并且利用建立的力学模型，对流体驱动管道机器人进行平衡分析。 流体驱动管道机器人的整体简易模型如图3.6 所示，对该流体驱动管道机器人的简易模型进行静平衡分析：设支撑结构的压差驱动力为； 式中：管道内流体介质的密度； 机器人支撑结构流体流过的横截面积； 运输管道的横截面积； 运输管道截面内流体的流动速度； 入口系数，01, 变截面处入口越光滑，越小；设外设叶片机构产生的驱动力为； 式中：叶片实体截面面积； 流体进入叶片推动器前的流体流速； 流体流出叶片推动器后的流体流速；设外设摩擦轮(3个)机构产生的可调阻力为； 式中：外设叶片机构产生的驱动力；设管道机器人本体重力产生的不可调阻力为； 式中：机器人的质量； 滚动阻碍系数，单位：mm； 滚动摩擦轮的半径；流体驱动管道机器人平衡需要满足的条件： 由前几节对流体力学原理的陈述，我们分析了流体驱动管道机器人力学平衡模型，并由此得到了机器人力学平衡条件。3.4 本章小结 本章主要叙述了流体驱动管道机器人的特定结构在流体中运动的计算方法。通过对支撑结构、叶片机构、外设摩擦轮和固定摩擦的流体力学原理的分析计算，我们获得了流体驱动管道机器人满足受力平衡的条件，为机器人的结构设计提供了理论依据。第4章 流体驱动管道机器人的结构设计4.1 管道机器人支撑结构设计4.1.1 管内主支撑结构设计4.1.2 管内辅助部件支撑结构设计4.2 管道机器人紧固联结机构设计4.2.1 前后支撑轮盘的联结设计4.2.2 功能部件联结设计4.2.3 防松结构设计4.3 管道机器人主体功能结构设计4.3.1 驱动功能主体结构设计4.3.2 阻碍功能主体结构设计 第5章 流体自驱动管道机器人平衡的Matlab数值仿真分析5.1 管道流量变化引起的驱动力数值变化5.1.1 流体压差驱动力数值变化5.1.2 叶片驱动力数值变化5.2 管道流量变化引起的可调阻力数值变化5.3 管道机器人随管道流量变化的平衡数值分析5.4 本章小结第6章 流体自驱动管道机器人辅助结构设计参数6.1 管道机器人可调阻力设计机构的静平衡分析6.2 管道机器人恢复弹簧的参数设计6.2.1 驱动轴弹簧的参数设计6.2.2 支撑轮弹簧的参数设计6.3 本章小结第7章 总结与展望