[实用新型]一种应用于管道机器人的电子式三轴差速系统

说明书

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。

技术领域

本实用新型专利属于管道机器人领域，特别涉及一种具有三轴差速运动功能的电子式控制系统。

背景技术

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 3Ddifferential driving inside pipelines[A],IEEE/RSJ International conference onintelligent 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

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。

对称式锥齿轮汽车差速器的差动原理可以按如下解读：

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。