畢業(yè)設(shè)計論文-剛度可調(diào)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

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1、 編號 題 目 剛度可調(diào)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 學生姓名 學 號 學 院 專 業(yè) 班 級 指導教師 剛度可調(diào)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 摘 要 隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,人們的生產(chǎn)生活在追求更好質(zhì)量，更低成本，更高效率的同時，對于產(chǎn)品精度和安全性的要求也越來越高，高效率，高自動化，高精度，高可靠性的機器人技術(shù)成為了至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。現(xiàn)在的機器人技術(shù)主要采用剛性關(guān)節(jié)，控制精度高的同時

2、，人機交互存在安全隱患，隨著機器人環(huán)境友好、安全可靠的發(fā)展趨勢,可變剛度關(guān)節(jié)成為了研究熱點。變剛度關(guān)節(jié)能夠緩沖碰撞,消除機械震蕩,提高機器人對人和環(huán)境的安全性。因此，研究出具有類似人類肌肉特性的變剛度（柔性）關(guān)節(jié)對提高機器人的安全性、環(huán)境適應(yīng)性以及未來更好地為人類服務(wù)具有重要的現(xiàn)實意義。 在充分了解了國內(nèi)外提出的各種變剛度關(guān)節(jié)設(shè)計模型和工作原理的前提下，本文重點分析了一種國外的叫做AwAS-II的變剛度關(guān)節(jié)。該關(guān)節(jié)是由兩個拮抗放置的扭轉(zhuǎn)彈簧連接到杠桿一端，使關(guān)節(jié)再受到外力時具備一定的柔度，再通過滾珠絲杠驅(qū)動杠桿的支點移動，來改變兩側(cè)力臂的大小，以達到改變剛度的目的。為此，本文使用solidw

3、orks軟件繪制其三維模型，對AwAS-II的結(jié)構(gòu)方案與運動學、動力學特性進行探索與仿真分析。 關(guān)鍵詞：柔性關(guān)節(jié)，剛度可調(diào)，杠桿，運動分析，仿真 Structural Design of Joint with Adjustable Stiffness Abstract With the continuous development of science and technology, our need to product accuracy and safety requirements are getting higher and higher, hi

4、gh 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 developmen

5、t 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 signific

6、ance 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 prop

7、osed 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 bal

8、l 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 explorati

9、on and simulation analysis. Key Words: flexible joint, stiffness adjustable, lever, motion analysis, simulation 目 錄 摘 要.....................................................................i Abstract ..................................................................ii 第1章 引 言.......

10、......................................................1 1.1 課題研究的背景及來源................................................1 1.2 課題研究的目的和意義................................................2 1.3 變剛度關(guān)節(jié)的發(fā)展現(xiàn)狀................................................2 1.3.1 變剛度關(guān)節(jié)在國外的研究現(xiàn)狀.......................

11、...............2 1.3.2 變剛度關(guān)節(jié)在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀......................................5 1.4 課題研究的主要內(nèi)容..................................................6 1.5 本章小結(jié)............................................................7 第2章 流體驅(qū)動管道機器人速度波動的機理分析..............................8 2.1 流體驅(qū)動管道機器人運動原理.....

12、................................. 2.2 管道機器人在管內(nèi)運動的受力分析................................. 2.3 流體驅(qū)動管道機器人產(chǎn)生速度波動的影響因素........................ 2.3.1 影響管道機器人產(chǎn)生速度波動的外部因素....................... 2.3.2 影響管道機器人產(chǎn)生速度波動的內(nèi)部因素....................... 2.4 本章小結(jié)...........................................

13、............ 第3章 流體驅(qū)動管道機器人力學平衡設(shè)計............................ 3.1 管道機器人驅(qū)動力設(shè)計原理...................................... 3.1.1 管道機器人支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的流體壓差驅(qū)動力................... 3.1.2 管道機器人外設(shè)葉片機構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力....................... 3.2 管道機器人阻力設(shè)計原理........................................ 3.2.

14、1 管道機器人外設(shè)摩擦輪機構(gòu)產(chǎn)生的可調(diào)阻力.................... 3.2.2 管道機器人本體重力產(chǎn)生的不可調(diào)阻力........................ 3.3 管道機器人平衡分析............................................ 3.4 本章小結(jié)...................................................... 1 第4章 流體驅(qū)動管道機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計...................................

15、 4.1 管道機器人支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計.......................................... 4.1.1 管內(nèi)主支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計.......................................... 4.1.2 管內(nèi)輔助部件支撐機構(gòu)設(shè)計.................................... 4.2 管道機器人緊固聯(lián)結(jié)機構(gòu)設(shè)計...................................... 4.2.1 前后支撐輪盤的聯(lián)結(jié)設(shè)計...................................... 4.2.

16、2 功能部件聯(lián)結(jié)設(shè)計............................................ 4.2.3 防松結(jié)構(gòu)設(shè)計................................................ 4.3 管道機器人主體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計..................................... 4.3.1 驅(qū)動功能主體結(jié)構(gòu)設(shè)計........................................ 4.3.2 阻礙功能主體結(jié)構(gòu)設(shè)計........................................ 4

17、.4 本章小結(jié)........................................................ 第5章 流體自驅(qū)動管道機器人平衡的Matlab數(shù)值仿真分析....................... 5.1 管道流量變化引起的驅(qū)動力數(shù)值變化................................... 5.1.1 流體壓差驅(qū)動力數(shù)值變化......................................... 5.1.2 葉片驅(qū)動力數(shù)值變化..........................................

18、... 5.2 管道流量變化引起的可調(diào)阻力數(shù)值變化................................. 5.3 管道機器人隨管道流量的平衡數(shù)值分析................................. 5.4 本章小結(jié)........................................................... 第6章 流體自驅(qū)動管道機器人輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)............................ 6.1 管道機器人可調(diào)阻力設(shè)計機構(gòu)的靜平衡分析.........................

19、... 6.2 管道機器人恢復(fù)彈簧的參數(shù)設(shè)計....................................... 6.2.1 驅(qū)動軸彈簧設(shè)計參數(shù)............................................ 6.2.2 支撐輪彈簧設(shè)計參數(shù)............................................ 6.3 本章小結(jié).......................................................... 第7章 總結(jié)與展望...........................

20、.......................... 參考文獻................................................................. 致謝.................................................................... 2 第1章 引 言 1.1 課題研究的背景及來源 隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,人們的生產(chǎn)生活在追求更好質(zhì)量，更低成本，更高效率的同時，對于產(chǎn)品精度和安全性的要求也越來越高，高效率，高自動化，高精度，高可靠性的機器人技術(shù)成為了高

21、端產(chǎn)業(yè)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。目前，由于對控制精度和響應(yīng)速度要求較高，機器人驅(qū)動器大部分采用剛性關(guān)節(jié)，但隨著機器人技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣,如工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域、醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域、特定服務(wù)機器人以及特殊環(huán)境作業(yè)機器人等，機器人的工作環(huán)境越來越復(fù)雜，與人的接觸機會越來越多,我們對于能夠應(yīng)用于人機交互環(huán)境中,對環(huán)境友好，且不對外界環(huán)境造成危害的機器人系統(tǒng)的需要越來越迫切,因此機器人的安全性和環(huán)境適應(yīng)性逐漸成為了近年來機器人技術(shù)研究的重點方向。 在機器人技術(shù)環(huán)境友好、安全可靠的發(fā)展趨勢下,能夠?qū)ν鈦頉_擊產(chǎn)生一定緩沖，減小機械振動，提高能量利用率，并大大提升人機交互中安全性的可變剛度柔性關(guān)節(jié)成為了研究熱點，越來越受到

22、關(guān)注。 近年來各種可變剛度柔性關(guān)節(jié)相繼出臺，應(yīng)用于諸如腿假體裝置，腿外骨骼的步行輔助系統(tǒng)，醫(yī)療康復(fù)機器人，仿人機械臂等方面，這些可變剛度的驅(qū)動系統(tǒng)通常采用兩個驅(qū)動器單元與被動彈性元件的組合來獨立地控制驅(qū)動關(guān)節(jié)的剛度和平衡位置。變剛度驅(qū)動關(guān)節(jié)能夠模擬人類的肌肉，遭遇沖擊的時候能夠產(chǎn)生適當?shù)膹澢跃彌_碰撞所產(chǎn)生的能量，同時感知外界阻力并做出反應(yīng)，從而能夠保證手臂和外界環(huán)境的安全性。此外，彈性元件像肌肉一樣吸收、儲存、再利用沖擊能量，不僅可以提高能量的利用率，而且能從一定程度上消除機械震蕩，減小機械損傷。出色的環(huán)境適應(yīng)性和高安全性使可變剛度柔性關(guān)節(jié)具有編號的發(fā)展前景。 1.2 課題研究的目的

23、和意義 可變剛度柔性關(guān)節(jié)能夠緩沖碰撞,減小機械震蕩,提高能量利用率，提升機器人對于人和環(huán)境的安全性。它的提出，使得日新月異，飛速發(fā)展的機器人技術(shù)得到了良好的安全性和環(huán)境適應(yīng)性保障，使其能夠在各種環(huán)境條件下應(yīng)對各種突發(fā)情況，并可以直接應(yīng)用于發(fā)展?jié)摿薮蟮娜藱C交互機器人上，大大拓寬了機器人技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，推動高端科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對未來機器人能夠更好地為人類服務(wù)具有重大深遠的現(xiàn)實意義。 1.3 變剛度關(guān)節(jié)的發(fā)展現(xiàn)狀 1.3.1 變剛度關(guān)節(jié)在國外的研究現(xiàn)狀 變剛度關(guān)節(jié)的概念最初由國外提出，并進行此方面的研究，取得了豐富全面的研究成果，將其融入到輕型機器臂中，使，開發(fā)出性能優(yōu)異的柔性臂。具有

24、機械彈性的仿人機器人已經(jīng)發(fā)展了近二十年之久，其靈活性和安全性能與日俱增。它們主要分為兩種類型：具有連續(xù)彈性接頭的機器人（SEA），以及具有可變剛度關(guān)節(jié)（VSJ）的機器人。 SEA關(guān)節(jié)具有各自獨立的彈簧特性，每個接頭中僅具有一個驅(qū)動器，這促成了更加簡單輕便的關(guān)節(jié)的產(chǎn)生，但是有關(guān)節(jié)剛度不能適應(yīng)于不同環(huán)境的缺點。 意大利技術(shù)研究所(IIT)的 G.Metta 等人設(shè)計出了一種基于 SEA 的緊湊型變剛度關(guān)節(jié)，應(yīng)用于他們研發(fā)的“i Cub”機器人（擁有 53個自由度，小孩大小的人形機器人）的關(guān)節(jié)中，如圖： 一種基于 SEA 的緊湊型變剛度關(guān)節(jié) 還有其他一些研究人員開發(fā)出各種各樣的基于

25、SEA 的變剛度關(guān)節(jié)。Lagoda C.等人設(shè)計出了一種用于步態(tài)康復(fù)訓練的機器人關(guān)節(jié) e SEAJ(electric Series Elastic Actuated Joint)。Stienen A.H.A 等人開發(fā)出了一種用于上肢康復(fù)的外骨骼機器人關(guān)r HEA(rotational Hydro Elastic Actuator)，如圖： 國外幾種典型的 SEA 變剛度關(guān)節(jié) 為了解決 SEA 關(guān)節(jié)不能適應(yīng)各種環(huán)境的局限性，一些學者在 SEA 的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種冗余的關(guān)節(jié)驅(qū)動器，采用了兩個電機，一個電機控制關(guān)節(jié)輸出位置，另一個調(diào)節(jié)輸出剛度。根據(jù)電機的連接方式不同，主要分為三大類：并聯(lián)型、串聯(lián)

26、型和可變物理結(jié)構(gòu)型。并聯(lián)型是指關(guān)節(jié)的輸出力矩是兩個電機的力矩之和，串聯(lián)型是指關(guān)節(jié)的末端位置是兩個電機的輸出位移之和。 并聯(lián)型結(jié)構(gòu)： Junho Choi 等人設(shè)計出了一種較為復(fù)雜的拮抗式并聯(lián)結(jié)構(gòu)的變剛度關(guān)節(jié) VSJ。利用片彈簧的變形實現(xiàn)剛度的改變，片彈簧一端固定于主軸，另一端自由，相當于懸臂梁。兩電機以對稱的方式放在兩端，分別帶動連桿 a 和連桿 b 運動，當兩電機的轉(zhuǎn)速一致時，中樞在片彈簧上的位置不發(fā)生改變，關(guān)節(jié)剛度就保持不變；當兩電機的轉(zhuǎn)速不同時，中樞在片彈簧上的位置則會改變，中樞沿著片彈簧移動，導致關(guān)節(jié)剛度發(fā)生改變。如圖： 基于片彈簧的變剛度關(guān)節(jié) VSJ 串聯(lián)型結(jié)構(gòu)： 德

27、宇航(DLR)的 Wolf .S 等人設(shè)計出了一種變剛度關(guān)節(jié) VS-J(Variable Stiffness Joint)，運用于 DLR 柔性臂的關(guān)節(jié)中 。該關(guān)節(jié)利用諧波減速器的差動特性，關(guān)節(jié)電機與波發(fā)生器相聯(lián)接，柔性輪作輸出端，變剛度機構(gòu)VSM(Variable Stiffness Mechanism)與剛性輪相聯(lián)接。工作時，彈簧沿主軸方向的變形轉(zhuǎn)化為繞主軸的力矩，調(diào)節(jié)剛度的電機帶動底座滑塊壓縮彈簧改變關(guān)節(jié)的整體剛度，當關(guān)節(jié)受到外界載荷而產(chǎn)生被動變形時，驅(qū)動關(guān)節(jié)的電機靜止不動，關(guān)節(jié)的輸出剛度僅與 VSM 有關(guān)，通過改變凸輪的曲面形狀即可得到不同剛度特性的關(guān)節(jié)。如圖： DLR 研究

28、變剛度關(guān)節(jié)的相關(guān)成果 可變物理結(jié)構(gòu)型： AWAS(Actuator with Adjustable Stiffness)采用了調(diào)整杠桿力臂長度的原理，關(guān)節(jié)驅(qū)動電機 M1 和中間連桿剛性連接起來，用于調(diào)整關(guān)節(jié)位置，中間連桿和輸出連桿之間安裝一對拮抗放置的彈簧，兩個彈簧是預(yù)壓縮的，運動中總的長度保持不變；剛度調(diào)節(jié)電機 M2 通過滾珠絲杠機構(gòu)移動彈簧位置，從而改變彈簧作用點與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心之間的距離（即有效力臂），以此來改變關(guān)節(jié)的輸出剛度。AWAS-II在 I 型的基礎(chǔ)上做出了改進，固定彈簧的位置而改變杠桿支點的位置，有效地擴大了關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)范圍并且提升了較小剛度時調(diào)整的響應(yīng)速度。如圖：

29、 AWAS 工作原理及實物 AWAS-II 原型及工作原理 1.3.2 變剛度關(guān)節(jié)在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 國內(nèi)在變剛度關(guān)節(jié)方面的研究起步較晚，尚處在探索階段。研究成果比較少。 對于可變剛度機構(gòu)設(shè)計，哈爾濱工業(yè)大學的尹鵬等人研制出了一種面向足式機器人的新型可調(diào)剛度柔性關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)采用了一種變傳動比杠桿機構(gòu)作為核心部件，實現(xiàn)了剛度的連續(xù)可調(diào)功能。關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及驅(qū)動方式設(shè)計緊湊，滿足了足式機器人系統(tǒng)對重量及體積的要求，通過分析關(guān)節(jié)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與關(guān)節(jié)輸出剛度系數(shù)之間的關(guān)系，選擇較為敏感的參數(shù)，提高剛度調(diào)節(jié)的靈敏性。 面向足式機器人的新型可調(diào)剛度柔性關(guān)節(jié) 1.4 課題研究的主要內(nèi)

30、容 本文由變剛度關(guān)節(jié)的運用背景和研究進展出發(fā)，分析國內(nèi)外提出的各種可變剛度關(guān)節(jié)的特性，對其原理和工作方式進行分析研究。在眾多方案中，選擇AWAS-II作為主要研究目標，并建立關(guān)節(jié)的數(shù)學模型,推導關(guān)節(jié)剛度計算公式,實現(xiàn)剛度的調(diào)節(jié)控制。為達到仿人的目的，可變剛度關(guān)節(jié)需有適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，以在不同條件下完成工作要求，并而出三維模型，進行仿真測試，驗證可變剛度關(guān)節(jié)在剛度調(diào)節(jié)方面的有效性。 本課題研究和解決的問題： 1）查閱相關(guān)文獻，收集有關(guān)資料，了解各種關(guān)節(jié)的方案設(shè)計，分析可變剛度關(guān)節(jié)的特性，對其變化剛度的原理和工作方式進行分析； 2）建立AWAS-II的數(shù)學模型,推導關(guān)節(jié)剛度計算公式,實現(xiàn)

31、剛度的調(diào)節(jié)控制。 3）根據(jù)要求對AWAS-II進行相關(guān)參數(shù)以及零件的設(shè)計。 4）根據(jù)設(shè)計參數(shù)使用三維軟件solidworks對變剛度關(guān)節(jié)進行建模，完成動力學仿真以及靜應(yīng)力分析，對其結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化，得出課題研究的主要結(jié)論。 1.5 本章小結(jié) 本章主要對變剛度關(guān)節(jié)研究的社會背景和現(xiàn)實意義進行了詳細說明，分析了國內(nèi)外對變剛度關(guān)節(jié)的研究現(xiàn)狀。在最后，提出了本課題研究需要解決的問題和需要完成的任務(wù)。  第2章 AWAS-II的工作原理和數(shù)學模型分析 2.1 AWAS-II的概念 為了闡明應(yīng)用于AwAS-II的機構(gòu)與其它采用杠桿機構(gòu)的可變剛度驅(qū)動器相比的優(yōu)點，本文討論了Aw

32、AS和AwAS-II兩個機構(gòu)的概念。 應(yīng)用于AwAS的機構(gòu)的概念基于可變桿臂。 假設(shè)一個圍繞其樞軸旋轉(zhuǎn)的杠桿（如圖1）。 兩個彈簧拮抗地連接到杠桿并且可以靠近或遠離樞軸移動。 有效長度是樞軸和彈簧之間的距離。 桿端的表觀剛度可以通過改變有效臂來調(diào)節(jié)。 有效臂越長，杠桿越硬，剛度越大。 因此可實現(xiàn)的最大剛度取決于最大有效臂長（有效的杠桿長度 ）和彈簧的彈性。 圖1 . AwAS的概念:通過移動彈簧的位置改變有效臂長來改變剛度 然而，AwAS-II的概念是基于可變比杠桿機構(gòu)。如圖2所示調(diào)節(jié)剛度，力和彈簧的位置保持固定，而樞軸的位置發(fā)生改變,在杠桿長度一定的情況下，樞軸和彈簧之間

33、的距離與樞軸和施加力的作用點之間的距離即杠桿兩臂，其比率也發(fā)生改變，從而改變剛度。 如果樞軸到達連接到彈簧的桿的端部，則比率等因此剛度變?yōu)榱?，而如果到達另一端，則桿變得剛性。 這個結(jié)論并不受杠桿的長度與彈簧的彈性限制。 圖 3. AwAS-II的概念; 通過在彈簧的位置保持固定的同時移動樞軸的位置來改變杠桿的比率，從而改變剛度 AWAS-II，它是AWAS的改進版本，所述的新穎之處在于，彈簧和載荷施加到桿的作用點的位置保持固定，而是樞軸位置發(fā)生改變，變化的是杠桿兩臂長度的比值。該比值理論上可以在零到無限之間變化，

34、因此剛度可以從非常軟到完全剛性。該范圍不取決于杠桿的長度和彈簧的彈性。因此，我們在設(shè)計中可以對彈簧和杠桿減少要求，使用更短的桿和更經(jīng)濟的彈簧，這使得AwAS-II的結(jié)構(gòu)與AwAS相比更輕更緊湊，成本也更低。同時，更短的桿還有一個優(yōu)勢，在于能夠更快地調(diào)節(jié)剛度水平（從最小剛度到最大剛度的行程距離更短）。 2.2 AwAS-II的機械結(jié)構(gòu) 圖3. AwAS-II的基本結(jié)構(gòu) 在AwAS-II的機械結(jié)構(gòu)中，在圖3中可以看到，兩個拮抗放置的扭轉(zhuǎn)彈簧以預(yù)偏轉(zhuǎn)的方式固定到輸出連桿的一側(cè)，并且另一側(cè)連接到杠桿的一端。 杠桿的另一端通過旋轉(zhuǎn)接頭連接到輸出連桿。 中間連桿剛性地連接到驅(qū)動關(guān)節(jié)運動

35、的主電動機（以下稱為M1）。 圖4. 滑塊的位置由M2通過滾珠絲杠機構(gòu)改變 樞軸是放置在杠桿內(nèi)并連接到滑塊的凸輪從動件，其由被另一電動機（以下稱為M2）驅(qū)動的滾珠絲杠機構(gòu)移動。 穿過滑塊的直線導軌防止滑塊圍繞滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)，并且當輸出連桿從其平衡位置偏轉(zhuǎn)時起一定支撐作用。 兩個電機的運動是相對獨立的，M1控制關(guān)節(jié)的中間連桿運動，而M2用來控制剛度。剛度取決于杠桿兩臂的比率L1 / L2，定義L1是樞軸和連接到彈簧的杠桿的端部之間的距離，L2是樞軸和連接到輸出連桿的杠桿的另一端之間的距離。 杠桿可以相對于輸出連桿圍繞該后端旋轉(zhuǎn)，也可以圍繞樞軸旋轉(zhuǎn)，因此如果連桿偏離其平衡位置，則彈簧根據(jù)

36、樞軸的位置而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 當樞軸與M1的旋轉(zhuǎn)中心對準時，該比率變?yōu)榱悖↙1 = 0），并且關(guān)節(jié)呈現(xiàn)零剛度，中間連桿與輸出連桿之間可以隨意轉(zhuǎn)動。 將樞軸遠離該端部移動，增加剛度，直到樞軸到達另一端并且與輸出連桿和桿之間的接頭的軸線對準。在該位置，比率變?yōu)闊o限大（L2 = 0），并且關(guān)節(jié)變?yōu)閯傂浴? 當連桿偏離其平衡位置時，連接到彈簧的杠桿的端部沿著彈簧的一端滑動，為了減小滑動摩擦，在杠桿和每個彈簧之間放置滾輪。 圖5. AwAS-II實物圖 2.3 AwAS-II調(diào)節(jié)剛度的數(shù)學模型 電機M2驅(qū)動滾珠絲杠機構(gòu)獨立地調(diào)節(jié)系統(tǒng)剛度，與中間連桿保持剛性連接，并不參與系統(tǒng)受外力后的變形過程。中間

37、連桿由電機M1驅(qū)動，此時中間連桿上的樞軸通過兩個彈簧的作用力來帶動輸出連桿一起旋轉(zhuǎn)，在平衡狀態(tài)下，輸出連桿和中間連桿保持同步旋轉(zhuǎn)。在輸出連桿受到外力作用時，輸出連桿相對于中間連桿會以樞軸為中心發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)，從而引起杠桿另一端彈簧的形變。兩個彈簧是拮抗放置的，形變造成的彈力差用來平衡杠桿另一端的外力，此時系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)。 為了方便得到系統(tǒng)的關(guān)節(jié)剛度的模型，我們用等效虛擬壓縮彈簧來替代扭轉(zhuǎn)彈簧，如圖6所示： 圖6. 用等效虛擬壓縮彈簧代替扭轉(zhuǎn)彈簧 在這種情況下，壓縮彈簧的彈性系數(shù)須用扭轉(zhuǎn)彈簧的系數(shù)來表示。圖中，扭轉(zhuǎn)彈簧在距彈簧中心rt的臂處受到力Ft的作用。 假設(shè)力Ft總是水平作

38、用，rt保持不變。 則： 力 Ft使得扭力彈簧發(fā)生偏轉(zhuǎn)δγ： δγ=Ftx （1） 其中 x 是 圖6中所示的扭轉(zhuǎn)彈簧的受力臂的線性位移。 扭轉(zhuǎn)彈簧的合成扭矩為： Tt=Ftrt (2) 由方程（1）和（2），扭力彈簧的彈性系數(shù)可以由下式得出： Kt=Ttδ

39、γ=Ftxrt2=Ksrt2 (3) 其中Ks表示等效虛擬壓縮彈簧的彈性系數(shù)。 圖7示出當輸出連桿通過角偏轉(zhuǎn)Φ=q-θ時偏離其平衡位置時的AwAS-II示意圖。 圖7在非平衡位置的AwAS-II? 剛度取決于比率α，其定義為L1L2。旋轉(zhuǎn)接頭的角偏轉(zhuǎn)是輸出連桿和中間連桿之間的角度差。角偏轉(zhuǎn)使杠桿圍繞樞軸旋轉(zhuǎn)β并且以另一側(cè)的速率Ks壓縮彈簧δx。 因此，由彈簧產(chǎn)生的力Fs為： Fs=Ksp+δx-Ksp-δx=2KsL1sinβ (4) 其中，p為彈簧的預(yù)壓縮長度，δx為中間連桿垂直于彈簧

40、方向的位移。 由于杠桿另一端連接到輸出連桿，因此施加到輸出連桿的力F可以為： F=FsL1L2=Fsα （5） 在受力處的合成轉(zhuǎn)矩為： T=FL1+L2 (6) 連桿的角偏轉(zhuǎn)可以基于杠桿圍繞其樞軸的旋轉(zhuǎn)來公式化為： sinφ=L2L1+L2sinβ (7) 由等式（3）和（7），剛度可以推導如下： K=?T?δθ=2rt2Ktα2L1+L22cos

41、φ (8) 在平衡位置，剛度可以寫為： K=2rt2Ktα2L1+L22 (9) 從上述等式可知，系統(tǒng)的剛度取決于杠桿的比率，彈簧的彈性系數(shù)，彈簧臂的長度，杠桿的長度以及角偏轉(zhuǎn)。 然而，理論上比率α可以在零與無限大之間變化，其他參數(shù)受設(shè)計上的限制有一定局限性，對剛度范圍的影響較小。因此，通過調(diào)節(jié)樞轉(zhuǎn)位置來改變比率α，可以將剛度設(shè)置為任何所需的水平，其余參數(shù)僅影響剛度曲線的非線性。 2.4 本章

42、小結(jié) 本章分析了AwAS-II的工作原理和結(jié)構(gòu)，并建立了其剛度的數(shù)學模型。從結(jié)論上看，調(diào)節(jié)樞軸位置改變比率α，可以將剛度設(shè)置為任何所需的水平，而其余參數(shù)對剛度曲線影響不大，因此在設(shè)計上可以使用更短的桿和更易得到的彈簧，使其結(jié)構(gòu)較之AwAS原型更緊湊，成本更低，同時有更快的調(diào)節(jié)速度。 第3章 變剛度關(guān)節(jié)的模型和仿真分析 3.1 管道機器人驅(qū)動力原理設(shè)計 管道機器人在管道中受到流體作用的驅(qū)動力可以劃分為兩個主要來源，即由于管道支撐體在管道內(nèi)產(chǎn)生的流體壓差驅(qū)動力和機器人外設(shè)計結(jié)構(gòu)葉片產(chǎn)生的驅(qū)動力。管道支撐體在管道內(nèi)產(chǎn)生的驅(qū)動力取決于固定的管道支撐

43、體的結(jié)構(gòu)和流體運動參數(shù)，結(jié)構(gòu)體無法動態(tài)變化。機器人外設(shè)計同樣由于固有零件的尺寸限制，結(jié)構(gòu)體也不會發(fā)生動態(tài)變化，驅(qū)動力大小只取決管道流體的運動參數(shù)。 3.1.1 管道機器人支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的流體壓差驅(qū)動力 根據(jù)現(xiàn)有的流體力學基礎(chǔ)理論知識，獲得現(xiàn)有的流體壓差驅(qū)動力計算方法。如圖3.1所示，分析流體壓差驅(qū)動力計算模型[13]。 圖3.1 流體管道截面變化時的壓差阻力計算 流體在流經(jīng)截面變化的管道時會產(chǎn)生截面兩側(cè)的壓差，且流體在變截面流動之前由于流體與管道截面的相互作用產(chǎn)生流體的壓力損失。 圖示中，設(shè)管道流體變截面前流體速度為，壓強為，流動流體橫截面積為。流體流經(jīng)的變截面時，流體速度為

44、，壓強為，流動流體的橫截面積為。通過變 面后，流體速度為，壓強為，流動流體的橫截面積為。 根據(jù)流體介質(zhì)在管道流動的伯努利方程： 式中：為動能修正系數(shù)。 —流體進入變截面前流體的壓力； —流體介質(zhì)的密度； —流體進入變截面前流體的速度； —流體離開變截面后流體的壓力； —流體離開變截面后流體的速度； —沿程損失，距離較小，可以忽略； —管道截面收縮時的局部損失； —管道截面擴張時的局部損失； 局部損失的表達式：

45、 式中：—局部阻力系數(shù)； 管道收縮時的局部阻力系數(shù)的計算方法為 式中：—管道變截面前的截面積； —管道變截面時的截面積； 對于管道截面面積突然變大的局部阻力系數(shù)的計算方法為 式中：—管道截面變大后的截面積； 模型中，管道變截面前后的流體截面面積 ，則流體流經(jīng)管道機器人前后的流量滿足：

46、 聯(lián)立上述各式，可得流體流經(jīng)變截面的前后壓差為： 式中：—入口系數(shù)，0<<1, 變截面處入口越光滑，越??； 流體經(jīng)過變截面時，由變截面前后的壓差可以求得流體此時對變截面體(管道機器人)的作用力為： 式中：—流體流經(jīng)變截面時，實體面積，； —流體對變截面的作用力； 上述相關(guān)公式的推導，是計算流體自驅(qū)動管道機器人支撐體在流體管道中所受到流體的驅(qū)動力的理論依據(jù)。依據(jù)此模型，可以求出流體的壓差驅(qū)動力。 3.1.2 管道機器人外設(shè)葉片機構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力 流體的壓差驅(qū)動力受機器人變截

47、面條件的固定約束，無法進行對管道機器人管道內(nèi)所受摩擦力的動態(tài)調(diào)節(jié)。所以在流體驅(qū)動管道機器人中設(shè)置了動態(tài)的可以間接用于調(diào)節(jié)摩擦力的外設(shè)葉片機構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力。 依據(jù)流體力學的知識，我們對葉片在變截面管道內(nèi)的軸向力進行了理論分析。下述為外設(shè)葉片機構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力的理論依據(jù)。 利用單純的動量方程和伯努利方程并不能仔細分析葉片推進器的工作情況，但是利用這些方程可以分析其工作原理并且指導設(shè)計工作[14]。 圖3.2 葉片推動器模型計算 如圖3.2 所示，葉片推動器計算模型。設(shè)葉片推進器前后一定距離的壓力分布均勻。取1~4截面及圖示流管為控制面，此時控制體內(nèi)流體受到的力只有葉片推進器對流體的

48、作用力(流體對葉片驅(qū)動器的作用力為)。由計算模型知： 式中：—葉片實體截面的面積； —葉片實體截面前后的流體壓強，； —流體進入葉片推動器前的流體流速； —流體流出葉片推動器后的流體流速； —流體在葉片截面的平均流速； —流體在管道內(nèi)的流量； —流體介質(zhì)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： 考慮到在

49、長距離管道運輸中，，由(3-10),(3-11)兩式可得： 聯(lián)立上述方程式，得： 在設(shè)計流體驅(qū)動管道機器人結(jié)構(gòu)時采用葉片推動器使流體產(chǎn)生對機器人的驅(qū)動力，使用該驅(qū)動力來調(diào)整機器人遇到的摩擦阻力，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)。下文將對葉片產(chǎn)生的驅(qū)動力如何來調(diào)節(jié)阻力進行分析。 3.2 管道機器人阻力設(shè)計原理 流體驅(qū)動管道機器人在管道中會受到機器人與管道內(nèi)壁的摩擦力，由經(jīng)典摩擦定律可知，物體所受摩擦力的大小與接觸面所受的正壓力成正比。管道機器人與管道內(nèi)壁的正

50、壓力取決與機器人本體的重力和機器人的設(shè)計結(jié)構(gòu)在驅(qū)動力的作用下產(chǎn)生的正壓力。管道流量變化，促使機器人葉片機構(gòu)驅(qū)動力發(fā)生變化，從而改變機器人與管道內(nèi)壁的正壓力，最后改變作用在管道機器人的摩擦阻力。上述的調(diào)節(jié)過程使管道所受的驅(qū)動力和所受的摩擦阻力具有達到平衡的可能性。 3.2.1 管道機器人外設(shè)摩擦輪機構(gòu)產(chǎn)生的可調(diào)阻力 外設(shè)摩擦輪機構(gòu)阻力的可調(diào)來源于葉片推進器在流體的作用下產(chǎn)生的驅(qū)動力的動態(tài)變化。設(shè)計一種三爪分支的管道機器人，在葉片推進器的外驅(qū)動力作用下，三爪分支機構(gòu)撐開，摩擦輪緊貼管道內(nèi)壁，摩擦輪與管道內(nèi)壁的正壓力與外驅(qū)動力成正比。 三爪分支機構(gòu)的簡易模型如下： 圖3.3

51、 空間三爪支撐結(jié)構(gòu)簡易模型(空間內(nèi)一個） 此模型中，為支撐輪架，其中,,以及為四個鉸接點，設(shè)模型中的尺寸滿足：= ,=, .圖示中的夾角分別為。 由理論力學知識計算模型的平衡（此管道機器人設(shè)計的剛性靜力學平衡），平面力學平衡： 式中：—管道內(nèi)壁與支撐輪的正壓力； —支撐桿的正壓力； —節(jié)點處的水平方向力； —節(jié)點處的豎直方向力； 上述支撐結(jié)構(gòu)的剛性力學平衡，主要可以得到的相互代數(shù)關(guān)系表達式： 設(shè)計的剛性支撐輪結(jié)構(gòu)是空間3x12

52、0?均勻分布的，有三個相同的分支。當支撐桿的正壓力與葉片推進器的軸向力在軸向方向平衡時，其受力結(jié)構(gòu)模型為： 圖3.4 支撐結(jié)構(gòu)受力模型(空間內(nèi)一個） 由理論力學知識計算模型的平衡，實際為空間力系，只計算軸線方向： 式中：—三個支撐桿的正壓力； —葉片推進器的軸向力； 上述等式主要得到的代數(shù)關(guān)系式： 綜合(3-17)與（3-20）得到的代數(shù)關(guān)系式為：

53、 設(shè)計的支撐架的外摩擦輪與管道內(nèi)壁的摩擦為滑動摩擦，其設(shè)計的目的是為了讓可調(diào)摩擦阻力成為影響管道機器人平衡因素的主要摩擦阻力。根據(jù)經(jīng)典摩擦理論得： 式中：—管道機器人摩擦輪與管道內(nèi)壁相對滑動的摩擦系數(shù)； 由上述力學分析，推導出可調(diào)摩擦阻力的計算方法。 3.2.2 管道機器人本體重力產(chǎn)生的不可調(diào)阻力 設(shè)計的流體自驅(qū)動管道機器人采用的是管道內(nèi)柱體圓盤支撐的的形式，在圓盤的徑向安裝6x60?的徑向輪，設(shè)計的徑向輪與管道內(nèi)壁的摩擦為滾動摩擦，該摩擦阻力是由管道機

54、器人本體重力產(chǎn)生的不可調(diào)摩擦阻力。為了使管道機器人所受的驅(qū)動力和摩擦阻力盡可能達到平衡的狀態(tài)，從而最大限度地減少管道機器人在流體作用下的速度波動，所以設(shè)計徑向輪與管道內(nèi)壁的摩擦為滾動摩擦。 圓盤徑向輪的簡易模型如下： 圖3.5 圓盤徑向支撐簡易模型 利用理論力學平面靜平衡的理論知識對模型進行力學分析： 作用在支撐的正壓力主要為，對于支撐圓盤上半部分的正壓力忽略為0，因為重力的作用點為支撐圓盤的中心。受力分析得： 由上述方程式得：； 支撐圓盤的徑向輪為滾動摩擦，由滾動阻礙

55、的性質(zhì)[15], 式中：—最大滾動阻力偶； —滾動阻礙系數(shù)，單位：mm； —徑向輪與管道內(nèi)壁的摩擦系數(shù)； —徑向正壓力； —滾動摩擦輪的半徑； 綜合上式：徑向輪與管道內(nèi)壁的摩擦力滿足， 此計算模型中，的值取決與的組合，??； 則由此計算出單個支撐圓盤與管道內(nèi)壁的不可調(diào)摩擦阻力為： 通過上述對簡易模型的分析

56、，我們得出了管道機器人本體重力產(chǎn)生的不可調(diào)摩擦阻力的計算方法。接下來我們將對管道機器人所受的驅(qū)動力和摩擦阻力進行平衡分析。 3.3 管道機器人平衡分析 前幾節(jié)我們對擬定設(shè)計的流體驅(qū)動管道機器人在管道中受到驅(qū)動力和摩擦阻力產(chǎn)生的機理進行了詳細的理論分析。本節(jié)，我們將利用已經(jīng)分析過的力學模型，建立起流體驅(qū)動管道機器人真整體的簡易力學模型，并且利用建立的力學模型，對流體驅(qū)動管道機器人進行平衡分析。 流體驅(qū)動管道機器人的整體簡易模型如圖3.6 所示， 對該流體驅(qū)動管道機器人的簡易模型進行靜平衡分析： 設(shè)支撐結(jié)構(gòu)的壓差驅(qū)動力為； 式中：—管道內(nèi)流體介質(zhì)的密度；

57、 —機器人支撐結(jié)構(gòu)流體流過的橫截面積； —運輸管道的橫截面積； —運輸管道截面內(nèi)流體的流動速度； —入口系數(shù)，0<<1, 變截面處入口越光滑，越??； 設(shè)外設(shè)葉片機構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力為； 式中：—葉片實體截面面積； —流體進入葉片推動器前的流體流速； —流體流出葉片推動器后的流體流速； 設(shè)外設(shè)摩擦輪(3個)機構(gòu)產(chǎn)生的可調(diào)阻力為； 式中：—外設(shè)葉片機

58、構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力； 設(shè)管道機器人本體重力產(chǎn)生的不可調(diào)阻力為； 式中：—機器人的質(zhì)量； —滾動阻礙系數(shù)，單位：mm； —滾動摩擦輪的半徑； 流體驅(qū)動管道機器人平衡需要滿足的條件： 由前幾節(jié)對流體力學原理的陳述，我們分析了流體驅(qū)動管道機器人力學平衡模型，并由此得到了機器人力學平衡條件。 3.4 本章小結(jié) 本章主要敘述了流體驅(qū)動管道機器人的特定結(jié)構(gòu)在流體中運

59、動的計算方法。通過對支撐結(jié)構(gòu)、葉片機構(gòu)、外設(shè)摩擦輪和固定摩擦的流體力學原理的分析計算，我們獲得了流體驅(qū)動管道機器人滿足受力平衡的條件，為機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。  第4章 流體驅(qū)動管道機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 管道機器人支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1.1 管內(nèi)主支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1.2 管內(nèi)輔助部件支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.2 管道機器人緊固聯(lián)結(jié)機構(gòu)設(shè)計 4.2.1 前后支撐輪盤的聯(lián)結(jié)設(shè)計 4.2.2 功能部件聯(lián)結(jié)設(shè)計 4.2.3 防松結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.3 管道機器人主體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.3.1 驅(qū)動功能主體結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.

60、3.2 阻礙功能主體結(jié)構(gòu)設(shè)計 第5章 流體自驅(qū)動管道機器人平衡的Matlab數(shù)值仿真分析 5.1 管道流量變化引起的驅(qū)動力數(shù)值變化 5.1.1 流體壓差驅(qū)動力數(shù)值變化 5.1.2 葉片驅(qū)動力數(shù)值變化 5.2 管道流量變化引起的可調(diào)阻力數(shù)值變化 5.3 管道機器人隨管道流量變化的平衡數(shù)值分析 5.4 本章小結(jié) 第6章 流體自驅(qū)動管道機器人輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù) 6.1 管道機器人可調(diào)阻力設(shè)計機構(gòu)的靜平衡分析 6.2 管道機器人恢復(fù)彈簧的參數(shù)設(shè)計 6.2.1 驅(qū)動軸彈簧的參數(shù)設(shè)計 6.2.2 支撐輪彈簧的參數(shù)設(shè)計 6.3 本章小結(jié) 第7章 總結(jié)與展望