[發明專利]非圓齒輪驅動的雙質體沖擊式管道機器人及運動建模方法

有效

• 申請號: 202110821863.5
• 申請日: 2021-07-19
• 公開（公告）號: CN113503423B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 劉大偉;盧佳芮;曹悅彤
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: F16L55/32
• 分類號: F16L55/32;G06F17/13;G06F30/20;F16L101/10;F16L101/30
• 代理公司: 北京孚睿灣知識產權代理事務所(普通合伙) 11474
• 代理人: 劉翠芹

1.一種非圓齒輪驅動的雙質體沖擊式管道機器人，其特征在于：其包括電機、一對非圓齒輪、一對同步圓齒輪、兩個偏心塊和外部殼體，所述一對非圓齒輪包括主動非圓齒輪和從動非圓齒輪，所述電機的輸出軸與主動非圓齒輪固定連接，從動非圓齒輪與同步圓齒輪中的一個連接，兩個同步圓齒輪分別與兩個偏心塊連接，兩個偏心塊形狀相同且保持對心旋轉，所述外部殼體與管道內壁保持彈性接觸，所述電機、兩個非圓齒輪、兩個同步圓齒輪以及兩個偏心塊的回轉軸均通過軸承固定在一個內部振子上，內部振子置于外部殼體之內，內部振子通過第一彈簧和第一阻尼器與外部殼體的第一端連接，第一彈簧和第一阻尼器的受力方向與機器人移動方向平行，所述外部殼體的第二端安裝有一個擋板，所述擋板與外部殼體通過第二彈簧和第二阻尼器連接，第二彈簧和第二阻尼器的受力方向與機器人移動方向平行，靜平衡狀態下，內部振子與擋板間存在一定間隙，所述非圓齒輪的傳動比為

式中，i₂₁為從動非圓齒輪與主動非圓齒輪的角速度之比，ω₁、ω₂分別為主、從動非圓齒輪的角速度，n₁、n₂為主、從動非圓齒輪的階數，為主動非圓齒輪的極角，i_j為從動非圓齒輪與主動非圓齒輪的階數之比，i_j＝n₂/n₁，n為傅里葉級數的項數，a_n、b_n分別為各項的系數。

2.根據權利要求1所述的非圓齒輪驅動的雙質體沖擊式管道機器人，其特征在于：所述機器人殼體與管道內壁依靠彈性支撐足接觸，所述彈性支撐足包括彈簧和滑靴；滑靴上設置有固定的套筒，外部殼體表面設置有導向桿，滑靴的套筒與導向桿間隙配合，彈簧置于滑靴和外部殼體之間。

3.一種用于權利要求1所述的非圓齒輪驅動的雙質體沖擊式管道機器人的運動建模方法，其特征在于，其包括以下步驟：

S1、確定偏心塊瞬時角度：

式中，為偏心塊回轉中心和重心的連線與從動非圓齒輪上最大向徑的夾角；

S2、確定偏心塊在機器人移動方向上的加速度：

式中，R為偏心塊回轉中心和重心間的距離，x₁為內部振子在機器人移動方向的上的位移；

S3、確定內部振子與外部殼體間的作用力：

式中，k₁為第一彈簧的剛度，k₂為第二彈簧的剛度，c₁為第一阻尼器的阻尼，c₂為第二阻尼器的阻尼，b為靜平衡狀態下內部振子與擋板間的間隙值，x₂為外部殼體的位移；

S4、確定外部殼體與管道間的摩擦力：

式中，μ為機器人支承足與管道內壁間的摩擦系數，N為機器人支承足與管道內壁間的支承力；

S5、分別構建內部殼體和外部振子的兩自由度運動微分方程：

式中，α為機器人移動方向與地平面間的夾角，g為重力加速度，將式(2)，式(3)，式(4)和式(5)代入式(6)，可得到非圓齒輪驅動的雙質體沖擊式管道機器人運動模型。

4.根據權利要求3所述的非圓齒輪驅動的雙質體沖擊式管道機器人的運動建模方法，其特征在于，將非圓齒輪的相關參數代入式(6)通過數值計算能夠得到管道機器人的位移和速度曲線，從而對機器人的位移和速度進行判斷。

5.根據權利要求4所述的非圓齒輪驅動的雙質體沖擊式管道機器人的運動建模方法，其特征在于，將計算出的位移和速度數據代入式(3)，能夠得到偏心塊在機器人前進方向的加速度，將偏心塊在機器人前進方向的加速度與偏心塊質量相乘后，能夠到偏心塊在機器人前進方向上激發的慣性力。

6.根據權利要求4所述的非圓齒輪驅動的雙質體沖擊式管道機器人的運動建模方法，其特征在于，將計算出的位移和速度數據代入式(4)，能夠得到內部振子對外部殼體的作用力。