螺旋輪式管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析,螺旋,輪式,管道,機(jī)器人,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),仿真,分析
畢業(yè)設(shè)計(jì)
題 目 管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
系 （部
指導(dǎo)教師
完成時(shí)間
螺旋輪式管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析
河南工程學(xué)院論文版權(quán)使用授權(quán)書
本人完全了解河南工程學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意如下各項(xiàng)內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交論文的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供本論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國(guó)家有關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部?jī)?nèi)容用于學(xué)術(shù)活動(dòng)。
論文作者簽名：
年 月 日
河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明：所呈交的論文，是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。
論文作者簽名：
年 月 日
河南工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
題目 管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析
專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 學(xué)號(hào) 200806111105 姓名 張海紅
主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等：
選題背景：
在核工業(yè)、石油天然氣、軍事裝備等領(lǐng)域中，管道作為一種有效的物料輸送手段而得到廣泛應(yīng)用，為了提高管道壽命，防止泄露等事故的發(fā)生，管道機(jī)器人作為高效準(zhǔn)確的故障診斷、檢測(cè)和維修手段應(yīng)運(yùn)而生，廣泛地應(yīng)用于管到的探傷、補(bǔ)口、維修、焊接等諸多領(lǐng)域。
主要內(nèi)容：
設(shè)計(jì)一款管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)，對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。
基本要求：
建立三維模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，提交圖紙，設(shè)計(jì)說明書等相關(guān)資料。
主要參考資料：
機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
傳感器技術(shù)
機(jī)器人技術(shù)
機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用
相關(guān)科研論文10篇
完 成 期 限：
指導(dǎo)教師簽名：
專業(yè)負(fù)責(zé)人簽名：
年 月 日
目 錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
1 前言 1
1.1 課題的背景與意義 1
1.2 機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 1
1.2.1 國(guó)內(nèi)外管道微型機(jī)器人的發(fā)展近況 2
1.2.2 商業(yè)領(lǐng)域的管道機(jī)器人 6
1.3 本課題的設(shè)計(jì)任務(wù) 9
1.4 論文的主要內(nèi)容 9
2 螺旋輪式管道機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì) 11
2.1 機(jī)器人管內(nèi)運(yùn)動(dòng)方式對(duì)比分析 11
2.1.1 輪式 11
2.1.2 蠕動(dòng)式 12
2.2 螺旋輪式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理 14
2.2.1 機(jī)構(gòu)的原理 14
2.2.2 機(jī)器人設(shè)計(jì)要點(diǎn) 15
3 管道機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì) 16
3.1 旋轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16
3.1.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)受力分析 16
3.1.2 運(yùn)動(dòng)自由度分析 18
3.1.3 電機(jī)的選擇 18
3.2 電機(jī)連接軸的設(shè)計(jì) 20
3.3 彈簧的設(shè)計(jì)與選擇 21
3.4 支撐輪和電機(jī)的固定方案 22
3.5 探測(cè)頭的定位方案 22
4 管道機(jī)器人在管中運(yùn)動(dòng)通過性分析 23
4.1 管道環(huán)境對(duì)機(jī)器人的幾何約束 23
5 監(jiān)視控制系統(tǒng) 25
5.1 探測(cè)頭的選擇 25
5.2 檢測(cè)系統(tǒng) 25
5.3 單片機(jī)控制系統(tǒng) 26
5.4 控制程序 27
5.4.1 H橋式驅(qū)動(dòng)電路( H- bridged power amplifier) 27
5.4.2 機(jī)器人與主控計(jì)算機(jī)的通訊 ( The com-munication between the robot and master computer) 28
6 行程的計(jì)算 29
7 應(yīng)用前景 29
結(jié)束語 31
致謝 32
參考文獻(xiàn) 33
螺旋輪式管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析
摘 要
管道是人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中常用的一種運(yùn)輸工具，石油的運(yùn)輸、城市中廢水和廢氣的排放，城鎮(zhèn)集體供暖中暖氣的輸送和空調(diào)的通風(fēng)等等，都需要用到管道。但管道并不能永久的保持有效性，如管道會(huì)出現(xiàn)老化、堵塞、破裂和附著細(xì)菌等現(xiàn)象，這就需要對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)、探傷與定位。有時(shí)由于管道結(jié)構(gòu)的特殊性，使人們對(duì)管道破損進(jìn)行檢測(cè)與定位非常困難，最有效的方式就是利用管道機(jī)器人進(jìn)入管道執(zhí)行任務(wù)。所以管道機(jī)器人研制的根本意義在于：可以實(shí)現(xiàn)管道的無損維護(hù)、內(nèi)窺檢測(cè)及破損定位等工作，提高管道檢測(cè)和清理的效率。
本文綜合分析了國(guó)內(nèi)外油氣管道機(jī)器人近年來的發(fā)展情況, 特別對(duì)油氣輸送管道、油氣井和油田與石化企業(yè)中的各種管道機(jī)器人進(jìn)行了分析, 設(shè)計(jì)了一種螺旋輪式管道機(jī)器人，并詳細(xì)說明了機(jī)器人的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及發(fā)展過程。最后結(jié)合我國(guó)石油工業(yè)發(fā)展的具體情況, 給出了管道機(jī)器人在油氣輸送管道、油氣井及其他管道中的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 管道/檢測(cè)/機(jī)器人/變徑
36
Spiral Roller Pipeline Robot Mechanism
Design And Simulation Analysis
ABSTRACT
The pipeline is a common means of transport in the people daily life, oil transportation, city waste water and exhaust emission of urban, collective heating heating transmission and air conditioning ventilation etc, require the use of pipeline. But the pipes are not permanently maintain effectiveness, such as pipeline will appear aging, jam, rupture and attachment of bacteria and other phenomena, it is necessary to detect, detection and location of pipeline. Sometimes because of the special structure of the pipeline, so that the piping detection and location is very difficult, the most effective way is to use the pipeline robot into the pipeline to perform a task. So design the pipe robot for fundamental significance lies in : it can realize pipeline non-destructive maintenance, endoscopic detection and localization of damage and so on, improving the pipeline detection and cleaning efficiency.
This paper analyzes the domestic and international oil and gas pipeline robot about the development in recent years, especially for oil and gas pipelines, oil and gas and oil and petrochemical companies in a variety of in pipe robot are analyzed, Design of a spiral roller pipeline robot, and a detailed description of the robot's working principle, structure characteristics and development process. Finally, combined with the development of industry of our country oil situation, gives the robot for pipeline in oil and gas pipelines, oil and gas and other pipeline application prospect.
KEYWORDS pipe, testing, robot, variable diameter
1 緒論
1.1 課題的背景與意義
工業(yè)管道系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工及城市水暖供應(yīng)等領(lǐng)域。工業(yè)管道的工作環(huán)境非常惡劣，容易發(fā)生腐蝕、疲勞破壞或使管道內(nèi)部潛在的缺陷發(fā)展成破損而引起泄漏事故等，因此管道的監(jiān)測(cè)、診斷、清理和維護(hù)就成為保障管道系統(tǒng)安全、暢通和高效運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵，管道的探查也就成了管道無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用、發(fā)展的重要方向之一。然而管道所處的環(huán)境往往受人力或人手不及所限，檢修難度很大，故通常對(duì)重要和不允許泄漏的管道采用定期或提前報(bào)廢的辦法，從而造成了巨大人力和物力損失。目前關(guān)于地下管道的質(zhì)檢，常采用工程量十分巨大的“開挖”抽檢方法，但勞動(dòng)強(qiáng)度大、效益低，而且由于隨機(jī)抽樣法經(jīng)常出現(xiàn)漏檢，因而準(zhǔn)確率低、效果并不理想。并且往往會(huì)妨礙道路交通。因此開發(fā)適應(yīng)在管道這一特殊環(huán)境下工作的特種管道機(jī)器人，使人脫離危險(xiǎn)作業(yè)的生產(chǎn)第一線，減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，減少不必要的損失是機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)必然方向。我國(guó)油氣管道大多是在6 0 ~7 0年代建設(shè)的，迄今僅在役時(shí)間近 3 0年、處于中老齡期和事故多發(fā)性階段的長(zhǎng)輸管線已逾1.7萬k m，正面臨著道進(jìn)入中老齡期，處于事故多發(fā)階段，油氣管道的檢測(cè)和評(píng)價(jià)的需求已日趨迫切。
在核工業(yè)、石油天然氣、軍事裝備等領(lǐng)域中，管道作為一種有效的物料輸送手段而得到廣泛應(yīng)用，為了提高管道壽命，防止泄漏等事故的發(fā)生，管道機(jī)器人作為高效準(zhǔn)確的故障診斷、檢測(cè)及維修手段應(yīng)運(yùn)而生，廣泛地應(yīng)用于管道的探傷、補(bǔ)口、維修、焊接等諸多領(lǐng)域。
1.2 機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)
工業(yè)機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化數(shù)字化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣，作為先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和1/44信息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè)，將對(duì)未來生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展起著越來越重要的作用。國(guó)外專家預(yù)測(cè)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計(jì)算機(jī)之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(UNECE)和國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)的統(tǒng)計(jì)，世界機(jī)器人市場(chǎng)前景看好，從20世紀(jì)下半葉起，世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長(zhǎng)的良好勢(shì)頭。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，機(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年增長(zhǎng)率平均在10％左右。2004年增長(zhǎng)率達(dá)到創(chuàng)記錄的20％。其中，亞洲機(jī)器人增長(zhǎng)幅度最為突出，高達(dá)43%。
1.2.1 國(guó)內(nèi)外管道微型機(jī)器人的發(fā)展近況
自驅(qū)動(dòng)管內(nèi)機(jī)器人包括圖1-1所示的輪式、腳式、爬行式、蠕動(dòng)式，還包括履帶式等。
輪式（自驅(qū)動(dòng)） 爬行式（自驅(qū)動(dòng)）
蠕動(dòng)式（自驅(qū)動(dòng)） 腳式（自驅(qū)動(dòng)）
利用管內(nèi)流體壓力 通過彈性桿加推力
圖1-1管道機(jī)器人的基本形式
1.2.1.1 輪式
日本學(xué)者福田敏男、 細(xì)貝英夫在1986年研制了可以通過“L”無圓弧過渡的管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)分別由頭部和本體兩部分組成，頭部和本體可相對(duì)回轉(zhuǎn)。當(dāng)機(jī)器人在直管內(nèi)行走時(shí)，本體上的電動(dòng)機(jī)M1通過減速裝置帶動(dòng)本體上的驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)器人沿直管行走。當(dāng)通過90度彎管時(shí)，電動(dòng)機(jī)M2驅(qū)動(dòng)頭部做姿態(tài)調(diào)整， 同時(shí)驅(qū)動(dòng)頭部履帶，引導(dǎo)機(jī)器人通過彎管。該機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)為：適應(yīng)管徑：φ50mm；行走速度：8.1mm/s；轉(zhuǎn)彎性能：可以通過90度直角彎管；機(jī)器人重量為：240g；機(jī)器人長(zhǎng)度：76mm。日本東芝公司于1997年研制了一臺(tái)輪式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人，前部帶有一部微型CCD攝像機(jī)，能分辨管內(nèi)異物并用微型機(jī)械手實(shí)現(xiàn)清理。膠管聯(lián)接可過彎管，適應(yīng)管徑：φ25mm；行走速度：0.36m/min；自重：16g。該機(jī)器人采用多輪驅(qū)動(dòng)式為了增加牽引力，由于輪徑太小，越障能力有限，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)出基于螺旋輪式運(yùn)動(dòng)原理微型機(jī)器人，該機(jī)器人的本體由幾個(gè)單元通過彈簧聯(lián)接而成。每個(gè)單元體上均勻分布有三只支撐臂，用螺旋彈簧將支撐臂上的小輪緊壓在管道內(nèi)壁上，產(chǎn)生預(yù)壓力。小輪的軸線相對(duì)單元體的軸線傾斜了一角度，通過軟軸將扭矩作用在單元體上使微型機(jī)器人移動(dòng)。
1.2.1.2 腳式
國(guó)內(nèi)的太原理工大學(xué)研制成功管內(nèi)腳式行走機(jī)器人如圖1-2。 該機(jī)器人可在管內(nèi)雙向行走， 自動(dòng)隨管道彎度轉(zhuǎn)向。該機(jī)器人由撐腳機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)構(gòu)成。撐腳機(jī)構(gòu)由電機(jī)（16）、小齒輪（15）、齒圈及平面螺紋（14）、滑桿（13）、腳靴（12）組成。牽引機(jī)構(gòu)由電機(jī)（1）、螺桿(2)、螺母（5）、拔銷（4）、拔桿（7）和支撐桿（9）組成。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)萬向節(jié)（21）組成。當(dāng)電機(jī)（1）帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺母受撥桿的約束不能轉(zhuǎn)動(dòng)而沿螺桿軸向移動(dòng)，固連其上的撥銷（4）撥動(dòng)撥桿（7）順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，由于腳靴（12）鎖死在管壁上，支撐桿（9）不能向后運(yùn)動(dòng)，撥桿（7）通過銷（6）帶動(dòng)支架（3）及其固連在（3）上的套筒（11）在筒體（10）內(nèi)向前滑動(dòng)，同時(shí)通過萬向節(jié)（21）拖動(dòng)機(jī)器人的后單元（此時(shí)后單元的腳靴在抬起狀態(tài)）向前運(yùn)動(dòng)，整個(gè)機(jī)器人前進(jìn)。當(dāng)腳靴（12）處在抬起的位置時(shí)，撥（7）通過支承桿（9）推動(dòng)筒體在套筒（11）上萬向節(jié)方向滑動(dòng)、改變了腿的姿勢(shì)。
圖1-2 腳式機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖
1.2.1.3 蠕動(dòng)式
上海交通大學(xué)研發(fā)了小口徑管道內(nèi)蠕動(dòng)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1-3，它是模仿昆蟲在地面上爬行時(shí)蠕動(dòng)前進(jìn)與后退的動(dòng)作設(shè)計(jì)的。其主要機(jī)構(gòu)由（1）撐腳機(jī)構(gòu)、 （2）氣缸、（3）軟軸、（4）彈簧片、（5）法蘭盤組成。蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)為：氣缸2a 動(dòng)作，氣缸活塞左移，松開前撐腳；氣缸2c動(dòng)作，氣缸活塞左移，撐緊后撐腳；氣缸2b 動(dòng)作，氣缸活塞左移，使氣缸2a 前進(jìn)；氣缸2a 動(dòng)作，氣缸活塞左移，撐緊前撐腳；氣缸2c 動(dòng)作，氣缸活塞左移，松開后撐腳；氣缸2b動(dòng)作，氣缸活塞右移，使氣缸2c 前進(jìn)。
圖1-3利用空氣壓力的蠕動(dòng)式機(jī)器人
清華大學(xué)研制了一套小型蠕動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，其機(jī)構(gòu)如圖1-4，由1蠕動(dòng)體和2、3、4電致伸縮微位移器組成。蠕動(dòng)體的蠕動(dòng)變形形態(tài)由粘貼于柔性鉸鏈部位的電阻應(yīng)變實(shí)時(shí)感，機(jī)器人的外形尺寸為150x61x46mm，重2kg，最大步距10μm，行程40mm，運(yùn)動(dòng)精度0.2 μm。
圖1-4蠕動(dòng)體結(jié)構(gòu)示意圖
西安交通大學(xué)以電致伸縮陶瓷微位移器做驅(qū)動(dòng)器，電磁鐵機(jī)構(gòu)做可吸附于行走表面的保持器，設(shè)計(jì)制作了蠕動(dòng)式微動(dòng)直線自行走機(jī)構(gòu)如圖1-5。由簧片組3與左右支架1、6聯(lián)接成一體，作為電致伸縮陶瓷微位移器4 的載體，驅(qū)動(dòng)器4的一端與支架1的側(cè)面貼和，另一端與螺釘5 的端面貼和。螺釘5為細(xì)牙螺紋，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘5，可對(duì)簧片組3施加必要的預(yù)緊力，并保證驅(qū)動(dòng)器4的兩側(cè)面與承載體間無間隙接觸。
圖1-5自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1.2.1.4利用管道流體壓力
利用管道流體壓力對(duì)管道進(jìn)行直接檢測(cè)和清理技術(shù)的研究始于上世紀(jì)50年代， 受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平的限制，其主要的成果是無動(dòng)力的管道清理設(shè)備—PIG，此類設(shè)備依靠管內(nèi)流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，隨著管內(nèi)流體的流動(dòng)向前移動(dòng)，并可攜帶多種傳感器。但是PIG自身沒有行走能力，其移動(dòng)速度、檢測(cè)區(qū)域不易控制。上海大學(xué)利用石油管道的石油高壓研制成在役石油管道檢測(cè)機(jī)器人如圖1-6，該型機(jī)器人分成多節(jié)，利用與管道密封的橡膠環(huán)（皮碗），相當(dāng)于活塞，在輸油管內(nèi)壓力油作用下，推動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人向前行走。主要由探頭1、高壓密封件2、電機(jī)倉3、電池倉4、儀器倉5、儀器倉6、萬向節(jié)7、里程倉8、清管器9 和皮碗10 組成。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
圖1-6利用管內(nèi)流體壓力管內(nèi)機(jī)器人
1.2.2 商業(yè)領(lǐng)域的管道機(jī)器人
1.2.2.1 北京某公司自行研制的管道內(nèi)爬行機(jī)構(gòu)
圖1-7管外加力的管道機(jī)器人
該管道內(nèi)窺儀針對(duì)工業(yè)設(shè)備中管道的檢測(cè)而設(shè)計(jì)。通過調(diào)節(jié)螺母帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)整個(gè)支架的直徑。具有中心定位、手動(dòng)或自動(dòng)爬行、直徑可調(diào)節(jié)、自動(dòng)對(duì)焦、電動(dòng)變倍、置白光照明、周向360 度掃查、軸向90度可手動(dòng)調(diào)節(jié)等功能的自動(dòng)化內(nèi)窺儀。儀器采用高清晰度的彩色 CCD 鏡頭，支架全部采用不銹鋼制作而成，并且能與計(jì)算機(jī)相連進(jìn)行圖象數(shù)字化處理。適用于工業(yè)設(shè)備中各種管道的內(nèi)部缺陷和異物的檢查。
1.2.2.2美國(guó)公司研制的智能爬行系列
MagSteer 是一個(gè)智能爬行系統(tǒng)，它能出色的檢測(cè)有保溫層或無保溫層或無保溫層管道內(nèi)部及外部缺陷。通過計(jì)算計(jì)遠(yuǎn)程控制，爬行器可以自動(dòng)爬行在有保溫層或無保溫層的管道上。MagSteer可以裝配橡膠輪子來檢測(cè)有保溫層或非磁性材料的管道，也可以裝配強(qiáng)磁性的輪子檢測(cè)無保溫層的管道。
1.2.2.2 新型微笑管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理
圖1-8所示為文獻(xiàn)所提出的機(jī)器人原始方案，經(jīng)過虛擬仿真和樣機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該方案存在三個(gè)不足：(1)支撐機(jī)構(gòu)完全是剛性結(jié)構(gòu)，當(dāng)管徑有一定變化時(shí)，可能達(dá)不到撐緊管壁的要求；(2)保持機(jī)構(gòu)在管徑變化時(shí)不能起到有效的保持作用，當(dāng)管徑小于保持機(jī)構(gòu)尺寸時(shí)，它就會(huì)被“卡住”，使整個(gè)機(jī)器人“癱瘓”；(3)驅(qū)動(dòng)部分尺寸過長(zhǎng)，在過彎時(shí)明顯與管道發(fā)生“干涉”，致使機(jī)器人被“卡死”。
1-8原始方案
圖1-9改進(jìn)方案
（1）自調(diào)節(jié)支撐機(jī)構(gòu)
為解決原始方案中的剛性支撐問題，設(shè)計(jì)了如圖1-9所示的自調(diào)節(jié)支撐機(jī)構(gòu)。這種調(diào)節(jié)是一種硬調(diào)節(jié)和軟調(diào)節(jié)共同作用的混合調(diào)節(jié)。硬調(diào)節(jié)是主動(dòng)調(diào)節(jié)，由計(jì)算機(jī)通過程序控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)大范圍的調(diào)整；軟調(diào)節(jié)是被動(dòng)調(diào)節(jié)，由圖1-9中的壓簧1和壓簧2完成，實(shí)現(xiàn)小范圍的調(diào)整。硬調(diào)節(jié)和軟調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)作用，使該支撐機(jī)構(gòu)具有更好的徑向調(diào)節(jié)能力，從而使機(jī)器人具有更強(qiáng)的管徑適應(yīng)能力。由于增加了軟調(diào)節(jié)單元，當(dāng)管道徑向發(fā)生微小變化時(shí)，在主動(dòng)徑向調(diào)節(jié)來不及響應(yīng)時(shí)，連桿系統(tǒng)可以帶動(dòng)滑塊壓縮彈簧，以抵消管徑的變化。另外，增加了支撐輪設(shè)計(jì)，這樣就避免了原始方案的支撐腿與管壁的直接接觸，不僅增大了與管壁間的摩擦力，提高了牽引能力，同時(shí)由于支撐輪的塑性變形增大了接觸面積，解決了原始方案點(diǎn)接觸的問題，可以更好地適應(yīng)復(fù)雜的管道環(huán)境。支撐輪與銷軸間采用膠粘方式固定，因此工作時(shí)，支撐輪并不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，它與管壁間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦而非滾動(dòng)摩擦。另外，在滑塊上裝有微型壓力傳感器，可以直接測(cè)量在撐緊過程中滑塊所受的合力，通過換算就可以間接得到支撐輪與管壁問的正壓力，這不僅保證了支撐機(jī)構(gòu)以恒定壓力撐緊在管壁上，同時(shí)也對(duì)電機(jī)起過載保護(hù)的作用。
（2）柔性保持機(jī)構(gòu)
為滿足管道機(jī)器人“形封閉、力封閉”的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了柔性保持機(jī)構(gòu)。其中保持輪軸線始終與管壁母線保持垂直，工作時(shí)，保持輪沿管壁滾動(dòng)。當(dāng)機(jī)器人在不同直徑的管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓簧的伸長(zhǎng)和縮短帶動(dòng)滑塊上下滑動(dòng)，并通過連桿機(jī)構(gòu)的作用，保持輪將始終貼緊管壁，達(dá)到“適應(yīng)不同管徑”的目的。這樣機(jī)器人在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其中心線基本與管道的中心線保持一致，保證各單元與管壁的夾角在穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的范圍內(nèi)。
1.3 本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)
本次設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)螺旋輪式管道機(jī)器人，要求機(jī)器人可以在管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、按一定曲率半徑回轉(zhuǎn)動(dòng)作，能高效地完成管道內(nèi)的探傷和定位工作。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容為：
（1）了解螺旋輪式管道機(jī)器人的基本構(gòu)成及工作原理，熟悉其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的基本知識(shí)。
（2）進(jìn)行螺旋輪式管道機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)及其零部件設(shè)計(jì)。
（3）設(shè)計(jì)原始參數(shù)：
1）機(jī)器人可以在管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、按一定的曲率半徑回轉(zhuǎn)向動(dòng)作。
2）機(jī)器人的適應(yīng)管徑146-164mm
3）機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度為16r/min
4）可以實(shí)現(xiàn)豎直管的前進(jìn)后退。
1.4 論文的主要內(nèi)容
(1)方案的確定：考慮課題所要求的變徑需要，擬訂幾個(gè)可行的變徑方案，并對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行可行性分析。最終，經(jīng)過方案比較和各方面的綜合考慮，確定最佳方案。
(2)材料的選擇：為了使管道機(jī)器人在管道內(nèi)更加靈活，所以采用鋁合金型鋼6063-T4合金，。
表1-1 鋁合金型鋼6063-T4合金的特性
屬性
數(shù)值
單位
彈性模量
6.9e+010
牛頓/m2
泊松比
0.33
不適用
剪切模量
2.58e+010
牛頓/m2
密度
2700
Kg/m3
張力強(qiáng)度
170000000
牛頓/m2
X壓縮強(qiáng)度
牛頓/m2
屈服強(qiáng)度
90000000
牛頓/m2
熱膨脹系數(shù)
2.4e-005
/k
熱導(dǎo)率
200
w/(m.k)
比熱
900
J/(kg.k)
材料阻尼比率
不適用
鋁合金有如下優(yōu)點(diǎn)：
鋁合金是純鋁加入一些合金元素制成的，如鋁—錳合金、鋁—銅合金、鋁—銅—鎂系硬鋁合金、鋁—鋅—鎂—銅系超硬鋁合金。鋁合金比純鋁具有更好的物理力學(xué)性能：易加工、耐久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富。鋁合金分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁等種類，各種類均有各自的使用范圍，并有各自的代號(hào)，以供使用者選用。
鋁合金仍然保持了質(zhì)輕的特點(diǎn)，但機(jī)械性能明顯提高。鋁合金材料的應(yīng)用有以下三個(gè)方面：一是作為受力構(gòu)件；二是作為門、窗、管、蓋、殼等材料；三是作為裝飾和絕熱材料。利用鋁合金陽極氧化處理后可以進(jìn)行著色的特點(diǎn)，制成各種裝飾品。鋁合金板材、型材表面可以進(jìn)行防腐、軋花、涂裝、印刷等二次加工，制成各種裝飾板材、型材，作為裝飾材料。
成本低，而且使用一種加工工藝可以大量生產(chǎn)同樣的零部件，這也是他的特點(diǎn)之一。
它的材料特性是輕、容易加工、以及在可耐強(qiáng)度方面不像碳素纖維有一個(gè)最大受力范圍。也就是說，碳素纖維因?yàn)橛欣w維的特性所以在一定的纖維方向上受力能力很強(qiáng)，但是在在別的方向上的受力就會(huì)很差。變得一層一層的。而鋁會(huì)慢慢變形再損壞。
還有就是鋁合金容易加工和具有高度的散熱性。 此外，鋁合金的加工工藝多種多樣。通用性較強(qiáng)。
(3) 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：根據(jù)所確定的方案原理和管道檢測(cè)機(jī)器人在石油管道中的工作情況，如：要克服5mm高的凸起、凹坑，要通過拐彎半徑為R933mm的彎道，還要保證超聲傳感器的探頭探測(cè)范圍覆蓋內(nèi)徑為Φ150mm的管道環(huán)面等，設(shè)計(jì)出能夠滿足實(shí)際要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式和各個(gè)零件的具體尺寸，并繪制出變徑裝置的零件圖、裝配圖。
(4)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析：根據(jù)管道檢測(cè)機(jī)器人在石油管道中的工作情況，如在5mm高的凸起、凹坑處以及在拐彎半徑為R933mm的彎道處，對(duì)設(shè)計(jì)出來的機(jī)械裝置進(jìn)行受力分析，優(yōu)化部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而使超聲檢測(cè)裝置既能正常工作。
(5)基本尺寸的確定，使機(jī)構(gòu)滿足一定的幾何限制條件。
(6)繪制出變徑裝置的零件圖和裝配圖，并最終用Solidworks終繪制出該裝置的三維實(shí)體模型。
2 螺旋輪式管道機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)器人管內(nèi)運(yùn)動(dòng)方式對(duì)比分析
2.1.1 輪式
日本學(xué)者福田敏男、 細(xì)貝英夫在1986年研制了可以通過“L”無圓弧過渡的管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)分別由頭部和本體兩部分組成，頭部和本體可相對(duì)回轉(zhuǎn)。當(dāng)機(jī)器人在直管內(nèi)行走時(shí)，本體上的電動(dòng)機(jī)M1通過減速裝置帶動(dòng)本體上的驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)器人沿直管行走。當(dāng)通過90度彎管時(shí)，電動(dòng)機(jī)M2驅(qū)動(dòng)頭部做姿態(tài)調(diào)整， 同時(shí)驅(qū)動(dòng)頭部履帶，引導(dǎo)機(jī)器人通過彎管。該機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)為：適應(yīng)管徑：φ50mm；行走速度：8.1mm/s；轉(zhuǎn)彎性能：可以通過90度直角彎管；機(jī)器人重量為：240g；機(jī)器人長(zhǎng)度：76mm。
目前,輪式管道機(jī)器人是實(shí)際工程中應(yīng)用最多的一種。輪式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人行走的基本原理是驅(qū)動(dòng)輪靠彈簧力、液壓、氣動(dòng)力,磁性力等壓緊在管道內(nèi)壁上以支承機(jī)器人本體并產(chǎn)生一定的正壓力,由驅(qū)動(dòng)輪與管壁之間的附著力產(chǎn)生機(jī)器人前后行走的驅(qū)動(dòng)力,以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)。輪式管道機(jī)器人的行走方式有2種：
(1)如果驅(qū)動(dòng)輪軸線與管道軸線垂直,驅(qū)動(dòng)輪沿管道母線滾動(dòng),機(jī)器人在管內(nèi)做平移運(yùn)動(dòng),此為輪式直進(jìn)式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人,它的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器人行走時(shí),不產(chǎn)生姿態(tài)旋轉(zhuǎn)。下面以上海交通大學(xué)研制的輪式管道機(jī)器人(圖1-10)為例說明其工作原理。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過軸驅(qū)動(dòng)與之相連接的蝸桿,蝸桿驅(qū)動(dòng)沿圓周方向成120°均勻分布的3個(gè)蝸輪,蝸輪又通過鏈輪和鏈條帶動(dòng)機(jī)器人本體的車輪轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體在管道內(nèi)的前進(jìn)或后退。車輪與管道壁面之間的正壓力由調(diào)節(jié)部分提供,調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),絲杠螺母將在絲杠上來回軸向移動(dòng),并帶動(dòng)推桿通過鏈
使搖桿轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的調(diào)節(jié)。
1-蝸桿 2-驅(qū)動(dòng)電機(jī) 3-驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝座 4-調(diào)整電機(jī) 5-鉸鏈
6-推桿 7-絲杠螺母 8-絲杠 9-蝸桿 10-蝸輪 11-鏈條 12-車輪
圖1-10驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖
2.1.2 蠕動(dòng)式
清華大學(xué)研制了一套小型蠕動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，其機(jī)構(gòu)如圖2-1，由1蠕動(dòng)體和2、3、4電致伸縮微位移器組成。蠕動(dòng)體的蠕動(dòng)變形形態(tài)由粘貼于柔性鉸鏈部位的電阻應(yīng)變實(shí)時(shí)感，機(jī)器人的外形尺寸為150x61x46mm，重2kg，最大步距10μm，行程40mm，運(yùn)動(dòng)精度0.2 μm。走效率高，能以一定的速度平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)。通過一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)一定的管徑變化。
圖2-1蠕動(dòng)體結(jié)構(gòu)示意圖
蠕動(dòng)式驅(qū)動(dòng)是基于仿生學(xué)原理，參考蚯蚓、毛蟲等生物的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。首先，尾部支撐，身體伸長(zhǎng)帶動(dòng)頭部向前運(yùn)動(dòng)；然后，頭部支撐，身體收縮帶動(dòng)尾部向前運(yùn)動(dòng)，如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。蠕動(dòng)式驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于可適用管徑及曲率的變化。但是，蠕動(dòng)式機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是間歇式的，速度波動(dòng)大，不容易實(shí)現(xiàn)和傳感器的集成。實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)的方法復(fù)雜，附帶的元件多，如氣動(dòng)蠕動(dòng)，就需要外接多根導(dǎo)氣管。
1988年，Ikuta等引用蚯蚓運(yùn)動(dòng)的原理開發(fā)出了蠕動(dòng)機(jī)器人，后來隨著蠕動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，其開始向大型化發(fā)展，目前已可在200~300 mm的管道內(nèi)應(yīng)用。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人主要由蠕動(dòng)部分、頭部、尾部組成，如圖2-2所示。前部和尾部支撐分別裝有超越離合鎖死裝置，實(shí)現(xiàn)單向運(yùn)動(dòng)自鎖。中間蠕動(dòng)部分提供機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。對(duì)于蠕動(dòng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)，目前有很多實(shí)現(xiàn)形式，如上海大學(xué)利用氣壓伸縮驅(qū)動(dòng)；上海交通大學(xué)利用形狀記憶合金伸縮驅(qū)動(dòng)；昆明理工大學(xué)利用電磁吸合驅(qū)動(dòng)。
下面以電磁驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)式管道機(jī)器人為例，分析蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理如圖2-2所示，一個(gè)動(dòng)作循環(huán)分為3個(gè)步驟：
(1)當(dāng)初始狀態(tài)時(shí)，電磁鐵失電，彈簧處于自由狀態(tài)，故頭部與尾部分離；
(2)當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，磁鐵與線圈吸合，安裝在頭部上的超越單向行走方式使頭部原位不動(dòng)，尾部由于電磁吸力的作用向前移動(dòng)；
(3)斷開電源，電磁力作用消失，彈簧促使磁鐵與線圈分開，安裝在尾部上的超越單向行走方式使尾部原位不動(dòng)，頭部由于彈簧力的作用向前移動(dòng)。
至此，機(jī)器人回到了初始狀態(tài)，機(jī)器人前進(jìn)了一步。
蠕動(dòng)機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)是可在細(xì)小的微型管道中行走，但由于速度的間斷性和緩慢性阻礙了它的發(fā)展。
圖2-2蠕動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理
綜合輪式驅(qū)動(dòng)、履帶式驅(qū)動(dòng)、腿式驅(qū)動(dòng)、電磁式驅(qū)動(dòng)等不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)， 以及簡(jiǎn)單性和實(shí)用性特點(diǎn)，最后確定采用輪式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，行走效率高，能以一定的速度平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)。通過一些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)一定的管徑變化，通過控制軸向尺寸，采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)在彎管中行走。而且輪式驅(qū)動(dòng)控制方便，可以方便地和各種傳感器（速度傳感器、壓力傳感器等）集成。常見的輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有直進(jìn)輪式驅(qū)動(dòng)和螺旋輪式推進(jìn)兩種方式。由于螺旋式推進(jìn)機(jī)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：前進(jìn)速度快，驅(qū)動(dòng)力大；對(duì)管徑大小和管道形狀變化的適應(yīng)性較強(qiáng)；控制方便；機(jī)構(gòu)的管內(nèi)穩(wěn)定性好。因此我們最終確定采用螺旋輪式驅(qū)動(dòng)的方案，該方案采用了分節(jié)式螺旋驅(qū)動(dòng)輪式結(jié)構(gòu)。管道檢測(cè)機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)由前后兩部分螺旋驅(qū)動(dòng)部分和中間的超聲波探測(cè)部分構(gòu)成。
2.2 螺旋輪式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理
2.2.1 機(jī)構(gòu)的原理
如圖2-3，螺旋機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)Μ1(Μ2) ,旋轉(zhuǎn)體 1（2）和支撐體1（2）組成。三組驅(qū)動(dòng)輪均勻分布于旋轉(zhuǎn)體上，且與管壁呈一定的傾斜角θ 。隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)Μ1(Μ2) 帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)體1（2）轉(zhuǎn)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)輪沿管壁作螺旋運(yùn)動(dòng)，保持機(jī)構(gòu)沿管道中心軸線移動(dòng)。改變施加于電機(jī)的電流極性，可改變機(jī)器人的移動(dòng)方向，從而使機(jī)器人在管內(nèi)進(jìn)退自如。電機(jī)采用內(nèi)嵌式安裝在支撐體1（2) 上，支撐體1（2）通過彈簧、萬向聯(lián)結(jié)接頭與無損檢測(cè)傳感器相聯(lián)結(jié)。旋轉(zhuǎn)體1和支撐體 1（2）的輪腿上裝有彈性機(jī)構(gòu)，使得機(jī)械本體有較好的越障能力。腿輪與本體之間有滑塊連接，靠螺釘固定，調(diào)節(jié)滑塊位置，腿輪可以伸縮，使得管道檢測(cè)機(jī)器人有一定的管徑適應(yīng)能力。
1旋轉(zhuǎn)輪 2彈簧 3輪軸 4支撐輪 5電機(jī)托蓋 6萬向節(jié)聯(lián)軸器 7探測(cè)倉 8 旋轉(zhuǎn)電機(jī) 9探測(cè)頭 10 萬向節(jié)聯(lián)軸器 11電機(jī)托蓋 12 支撐輪 13 旋轉(zhuǎn)輪 14 小輪支撐體 15 小輪 16 螺釘
圖2-3油管檢測(cè)機(jī)器人的檢測(cè)本體結(jié)構(gòu)
2.2.2 機(jī)器人設(shè)計(jì)要點(diǎn)
第一：輪式驅(qū)動(dòng)控制方便，可以方便地和各種傳感器（速度傳感器、壓力傳感器等）集成。對(duì)稱機(jī)構(gòu)，雙電機(jī)安裝方式可以使機(jī)器人前進(jìn)速度快，驅(qū)動(dòng)力大； 控制方便； 機(jī)構(gòu)的管內(nèi)穩(wěn)定性好。
第二：管道檢測(cè)機(jī)器人采用三節(jié)對(duì)稱結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)分擔(dān)機(jī)器人所需的驅(qū)動(dòng)力， 可以降低電機(jī)的外形尺寸， 節(jié)省軸向安裝空間；
（2）轉(zhuǎn)彎時(shí)分別控制兩電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)， 可以減小轉(zhuǎn)彎時(shí)驅(qū)動(dòng)內(nèi)耗， 增加靈活性；
（3）增加爬垂直管道的驅(qū)動(dòng)力；
（4）前后兩部分驅(qū)動(dòng)，可以盡量縮短軸向尺寸，減小轉(zhuǎn)彎半徑。
第三：彈簧自定心作用
彈簧力的大小要考慮行走輪與管壁之間要有足夠的正壓力，使電機(jī)能夠有較大的功率輸出，使行走機(jī)構(gòu)拖動(dòng)力最大;同時(shí)，還要考慮保證機(jī)器人能夠在彈簧力的作用下不會(huì)因其重力作用而明顯地偏離管道中心。由于彈簧機(jī)械性能及參數(shù)變化該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上有調(diào)正環(huán)節(jié)，以使3個(gè)彈簧拉力基本平衡自定心。當(dāng)機(jī)器人放入管內(nèi)后，彈簧力的大小仍可由外面的軸桿來調(diào)節(jié)。
通過理論分析與比較，螺旋輪式管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，雙電機(jī)對(duì)稱機(jī)構(gòu)提供的拖動(dòng)力大，并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，靈活，電機(jī)的是一種理想的管內(nèi)行走機(jī)器人載體?？梢赃M(jìn)行工業(yè)的應(yīng)用和推廣。
3 管道機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)
3.1 旋轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3-1旋轉(zhuǎn)輪零件圖
旋轉(zhuǎn)輪盤選擇兩盤相扣結(jié)構(gòu)，使機(jī)構(gòu)更加靈活。支撐滾動(dòng)輪的支撐軸，設(shè)計(jì)一個(gè)凸起卡在一個(gè)盤內(nèi)，既可以防止其在盤內(nèi)軸向旋轉(zhuǎn)，又不影響適應(yīng)不同管徑。變徑范圍146mm-164mm。
3.1.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)受力分析
管道內(nèi)機(jī)器人其移動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要任務(wù)是攜帶探測(cè)、修補(bǔ)或維護(hù)所需的設(shè)備，如CCD傳感器，渦流傳感器或復(fù)雜的微操作手等，這就要求移動(dòng)機(jī)構(gòu)有一定的負(fù)載能力。該機(jī)器人的供電方式為拖纜供電，隨著機(jī)器人在管道內(nèi)部行走的距離的加大，拖動(dòng)電纜也就越長(zhǎng)，這樣電纜與管壁的摩擦力也就加大，所以要求機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)有一定的帶載能力。當(dāng)檢測(cè)不同的管道時(shí)，管道內(nèi)徑可能是在一定范圍內(nèi)變化的，這種變化也會(huì)影響到移動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)載能力的變化。一般情況下，在不使機(jī)器人打滑的同時(shí)，管徑增大時(shí)，撐緊機(jī)構(gòu)施加到車輪上的正壓力減小，從而摩擦力減小，負(fù)載減小，電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)力降低。反之在管徑變小時(shí)，撐緊機(jī)構(gòu)施加到車輪上的正壓力增大，從而摩擦力增大，負(fù)載增大，電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)力降低。因此有必要將機(jī)構(gòu)的負(fù)載能力，或說軸向輸出牽引力，作為一個(gè)重要的指標(biāo)來分析。由前面的分析可知，移動(dòng)機(jī)構(gòu)在管道中行走時(shí)，要實(shí)現(xiàn)力封閉及驅(qū)動(dòng)行走。下面分析移動(dòng)機(jī)構(gòu)在管道中行走時(shí)的受力情況。
對(duì)管道檢測(cè)機(jī)器人受力分析時(shí)，只考慮機(jī)器人在垂直管道上升時(shí)的情況，因?yàn)閷?duì)管道檢測(cè)機(jī)器人在垂直管道中上升過程中受到的負(fù)載最大，如果爬垂直管道時(shí)機(jī)器人的承受負(fù)載能力能夠滿足要求，那么，管道機(jī)器人本體在水平或者坡度管道時(shí)，負(fù)載能力必定能夠達(dá)到要求。機(jī)械平臺(tái)共有6 組12個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和6組12 個(gè)支撐輪，為了使計(jì)算出的負(fù)載能力有一定的安全系數(shù)，所以只考慮12 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的負(fù)載能力來平衡機(jī)械本體的負(fù)載。以螺旋驅(qū)動(dòng)部分的受力為例，如圖3-2。假設(shè)處在理想狀態(tài)下，每個(gè)橡膠驅(qū)動(dòng)輪的受力狀態(tài)相同，因此取一個(gè)車輪作為隔離體,對(duì)其進(jìn)行受力分析。受力圖如圖3-2 。
圖3-2力學(xué)分析原理
分析可知，整個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)是依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪緊緊壓著管壁，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與管壁之間產(chǎn)生純滾動(dòng)，依靠管壁對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的摩擦力作用而實(shí)現(xiàn)行走的，因此，機(jī)器人在管道內(nèi)部的前進(jìn)、后退、啟停、加減速等動(dòng)作只需控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟停和調(diào)整電機(jī)電壓大小來實(shí)現(xiàn)。
得出及機(jī)器人的最大載荷：
W max = 12(N×f－F×sinθ)
由ΣMAZ=0 ΣF y=0
可得F=N/R (f1 R + f2 r)
帶入可得：W max = 12[N×f－N/R (f1R + f2r)×sinθ]
3.1.1.1 受力分析時(shí)的一些假設(shè)條件
因?yàn)楣艿罊C(jī)器人的實(shí)際受力情況比較復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化分析和計(jì)算，所以對(duì)管道機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力情況，先做一些假設(shè)，以滿足分析的需要。下面是一些假設(shè)條件：
（1）移動(dòng)機(jī)構(gòu)是在直管中運(yùn)動(dòng)，忽略管道的內(nèi)徑的不均勻性；
（2）管道機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)的車輪在管道內(nèi)作純滾動(dòng)，而忽略掉零件加工中的誤差而導(dǎo)致的機(jī)構(gòu)其他形式的運(yùn)動(dòng)；
（3）整個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)作勻速運(yùn)動(dòng)，不考慮其慣性力的影響；
（4）移動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)時(shí)共有六個(gè)輪子與管道內(nèi)壁接觸，假設(shè)每個(gè)輪子的封閉力都相同；
（5）忽略一切損失；
（6）負(fù)載無波動(dòng)；
（7）分析時(shí)采用標(biāo)量，當(dāng)所求值為負(fù)時(shí)表示實(shí)際方向與圖示方向相反。
3.1.2 運(yùn)動(dòng)自由度分析
移動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度的設(shè)計(jì)與其要完成的任務(wù)是相關(guān)的，往往采用完成任務(wù)時(shí)所需的最小自由度數(shù)。本設(shè)計(jì)任務(wù)中對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的自由度要求是能夠在管道的約束下沿管道的軸線方向移動(dòng)，且不能作沿管道軸心線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即只要求是一個(gè)單自由度移動(dòng)機(jī)構(gòu)。由上一節(jié)的分析可知，在所設(shè)計(jì)的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)直進(jìn)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，電機(jī)殼體與機(jī)架固連，電機(jī)座的反力在電機(jī)內(nèi)部被平衡掉，驅(qū)動(dòng)輪僅受平面力系的作用，只能作沿軸線方向的運(yùn)動(dòng)而不會(huì)產(chǎn)生沿管道軸心線的轉(zhuǎn)動(dòng)，即整個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)單自由度移動(dòng)機(jī)構(gòu)。
3.1.3 電機(jī)的選擇
12Fsinθ＞G
G=mg=2×9.8=19.6
12F.>75.4 N
提供的牽引力至少75.4N。
T=75.4×0.082=6.18Nm
每個(gè)電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩3.09Nm
（1）根據(jù)外形尺寸，估計(jì)機(jī)器人的總質(zhì)量M
M=各個(gè)零件的質(zhì)量總和。大體估計(jì)總質(zhì)量為2kg。
（2）計(jì)算驅(qū)動(dòng)機(jī)器人所需要的牽引力F
F=履帶輪摩擦力+旋轉(zhuǎn)刷摩擦力，據(jù)估計(jì)牽引力大小在75.4N左右
（3）電機(jī)的選取
由于所需的負(fù)載轉(zhuǎn)矩小，并且轉(zhuǎn)速不宜太大，故選擇帶減速裝置的電機(jī)。
P=T×w=3.09×2π×16/60=5.2kw
即每個(gè)電機(jī)需要提供2.6kw的功率。
JBY37-540 減速電機(jī)
實(shí)體圖3-4
基本尺寸3-5
考慮到在油管里，由于油管內(nèi)的壓力和摩擦力，選擇如下參數(shù)的電機(jī)。
3.2 電機(jī)連接軸的設(shè)計(jì)
圖3-6電機(jī)連接軸
表3-3電機(jī)選擇參數(shù)
電壓
空載
負(fù)載
堵轉(zhuǎn)
減速比
減速箱長(zhǎng)
重量
V
轉(zhuǎn)速
電流
轉(zhuǎn)速
電流
扭矩
功率
扭矩
電流
1:00
mm
約
rpm/min
A
rpm/min
A
Kg.cm
W
Kg.cm
A
g
12
464
0.15
371
0.3
3
8
10
1
6.25
19
250
290
0.15
232
0.3
4
8
13
1
10
19
250
154
0.15
123
0.3
5
8
16
1
18.8
22
258
97
0.15
77.6
0.3
7
8
18
1
30
22
258
66
0.15
53
0.3
9
8
22
1
43.75
24
263
51
0.15
61
0.3
10
8
25
1
56.25
24
263
32
0.15
26
0.3
12
8
30
1
90
24
263
22
0.15
18
0.3
14
8
35
1
131.2
26.5
268
17
0.15
14
0.3
15
8
38
1
168.7
26.5
268
24
轉(zhuǎn)速
電流
轉(zhuǎn)速
電流
扭矩
功率
扭矩
電流
928
0.3
724
0.6
4
12
10
2
6.25
19
250
580
0.3
464
0.6
6
12
15
2
10
19
250
308
0.3
246
0.6
9
12
20
2
18.8
22
258
20
0.3
16
0.6
21
12
55
2
270
26．5
275
表3-1 選擇電機(jī)參數(shù)
電壓
24V
轉(zhuǎn)速
16r/min
功率
12w
電流
0.6A
減速比
27
體長(zhǎng)
26.5mm
額定力矩
21Nm
重量
275g
采用鍵連接，使結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定。
第一：鍵連接的作用：鍵連接是通過鍵實(shí)現(xiàn)軸與軸向零件間的周向固定以傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，其中有些類型還可以實(shí)現(xiàn)軸向固定和傳遞軸向力，有些類型并能實(shí)現(xiàn)軸向動(dòng)連接。普通平鍵用途最廣，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便，對(duì)中性好，適合高速、承受變載、沖擊的場(chǎng)合。
第二：鍵連接的裝配工藝要點(diǎn)
?。?）裝配前應(yīng)檢查鍵的直線度、鍵槽對(duì)軸心線的對(duì)稱度和平行度。
?。?）普通平鍵的兩側(cè)面與軸鍵槽的配合一般有間隙。重載荷、沖擊、雙向使用時(shí)，須有過盈。鍵兩端圓弧應(yīng)無干涉。鍵端與軸槽應(yīng)留0.10mm的間隙。
?。?）普通平鍵的底面與鍵槽底面應(yīng)貼實(shí)。
（4）半圓鍵的半徑應(yīng)稍小于軸槽半徑，其他要求與一般平鍵相同。
第三：鍵的選擇和鍵聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算
?。?） 鍵的選擇
鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個(gè)方面。選擇鍵連接類型時(shí)，一般需考慮傳遞轉(zhuǎn)矩大小，軸上零件沿軸向是否有移動(dòng)及移動(dòng)距離大小，對(duì)中性要求和鍵在軸上的位置等因素，并結(jié)合各種鍵連接的特點(diǎn)加以分析選擇。鍵的截面尺寸（鍵寬b和鍵高h(yuǎn)）按軸的直徑 d 由標(biāo)準(zhǔn)中選定；鍵的長(zhǎng)度 L 可根據(jù)輪轂的長(zhǎng)度確定，可取鍵長(zhǎng)等于或略短于輪轂的寬度；導(dǎo)向平鍵應(yīng)按輪轂的長(zhǎng)度及滑動(dòng)距離而定。鍵的長(zhǎng)度還須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長(zhǎng)度系列。
（2）平鍵連接的強(qiáng)度計(jì)算
平鍵連接的可能失效形式有：較弱零件工作面被壓潰（靜連接）、磨損（動(dòng)連接）、鍵的剪斷（一般極少出現(xiàn)）。因此，對(duì)于普通平鍵連接只需進(jìn)行擠壓強(qiáng)度計(jì)算；而對(duì)于導(dǎo)向平鍵或滑鍵連接需進(jìn)行耐磨性的條件性計(jì)算。
3.3 彈簧的設(shè)計(jì)與選擇
拉伸彈簧是直進(jìn)輪式管道機(jī)器人的關(guān)鍵部件，如果拉伸彈簧的拉力不夠，不能保證每組輪軸機(jī)構(gòu)都能被拉開使車輪擠壓在石油管道內(nèi)壁，這樣不能保證機(jī)器人能夠平穩(wěn)行駛；如果拉伸彈簧的拉力太大，雖能保證機(jī)構(gòu)都能被拉開并擠壓在石油管道內(nèi)壁，但擠壓在石油管道內(nèi)壁的壓力過大，使得直進(jìn)輪式管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)阻力過大，這對(duì)電機(jī)要求也會(huì)相應(yīng)提高。因此，拉伸彈簧的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵問題，需要選擇合適的參數(shù)，不僅要機(jī)構(gòu)平穩(wěn)行駛，而且要盡量減小整個(gè)行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)阻力，降低對(duì)電機(jī)功率要求。
F=75.4N
F/12=6.3N
故此彈簧所受力為6.3N
經(jīng)查表得：
(1)彈簧中徑為8mm
(2)壓縮彈簧有效圈數(shù)為10mm
(3)壓縮彈簧的自由高度H0=16mm
(4)圓柱螺旋彈簧極限應(yīng)力與極限載荷，工作極限應(yīng)力τj=1.67τp
(5)端部并緊磨平 d<8mm
總?cè)?shù) n1=n+2 =12
自由高度 H0=nt +1.5d t=1.45mm
壓并高度 H b = (n +1.5)d=7.5mm
3.4 支撐輪和電機(jī)的固定方案
由于電機(jī)固定在支撐輪上，電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，使得旋轉(zhuǎn)盤上的輪沿管道做螺旋運(yùn)動(dòng)，而支撐輪沿管道平行運(yùn)動(dòng)。
圖3-7電機(jī)的固定方案
右圖是一個(gè)電機(jī)套蓋，電機(jī)放在里面，可以支撐電機(jī)的重量，而且和支撐輪用螺釘連接起來，如上圖所示方案。
3.5 探測(cè)頭的定位方案
探測(cè)頭和一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接在一起，實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)，可以進(jìn)行周向全方位掃描。由于所需轉(zhuǎn)矩很小，一般直流電機(jī)即可滿足。電壓：3-6V， 轉(zhuǎn)速：1700轉(zhuǎn)
圖3-8電機(jī)尺寸圖
4 管道機(jī)器人在管中運(yùn)動(dòng)通過性分析
由于管道微型機(jī)器人可能在彎管中運(yùn)動(dòng)，為了防止機(jī)器人在管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于管道的曲率半徑太小而使得機(jī)器人擱淺而卡在管道中，不能前進(jìn)和后退，現(xiàn)對(duì)管道曲率半徑對(duì)機(jī)器人的影響分析如下。設(shè)機(jī)器人處于剛好被擱淺的狀況如圖4所示。
圖4-1管道機(jī)器人擱淺示意圖
當(dāng)管道機(jī)器人經(jīng)過的管道曲率半徑大于此時(shí)管道的曲率半徑，機(jī)器人則能順利通過。反之，當(dāng)機(jī)器人通過的管道曲率半徑小于此時(shí)管道的曲率半徑時(shí)，機(jī)器人肯定被卡住。此時(shí)管道的曲率半徑為管道機(jī)器人順利通過管道的臨界值。
已知：管道直徑D=150mm，經(jīng)設(shè)計(jì)得a=97mm，機(jī)器人近似直徑D1=164mm，由幾何關(guān)系(x-75)2+(97/2)2 = x2，解得：x=53.2,故，當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑大于53.2mm時(shí)，機(jī)器人不會(huì)產(chǎn)生擱淺現(xiàn)象。
4.1 管道環(huán)境對(duì)機(jī)器人的幾何約束
彎道是管道機(jī)器人工作時(shí)常遇到的障礙，管道 機(jī)器人若想順利完成任務(wù)，就必須能夠順利通過彎管，所以機(jī)器人的設(shè)計(jì)必須滿足彎道的幾何約束。彎管的主要參數(shù)有曲率半徑尺、彎曲角度A和管道內(nèi)徑 D，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮周全，且當(dāng)參數(shù)確定時(shí)，相對(duì)細(xì)長(zhǎng) 或短粗的機(jī)器人都會(huì)發(fā)生卡死現(xiàn)象。下面將討論這三個(gè)參數(shù)對(duì)機(jī)器人幾何尺寸的影響．機(jī)器人在管 道中最惡劣的情況如圖2所示，處于彎管正中央的 位置，其中，J 為機(jī)器人主體長(zhǎng)度，d為機(jī)器人主體徑向最大尺寸。彎管幾何參數(shù)滿足( R+D/2 ) COS (λ/2 )－(R－D/2 )> 0的情況下，機(jī)器人通過彎管時(shí)需考慮兩種情況： ①機(jī)器人的兩個(gè)端面在彎管的直邊部分(見圖4-2) ； ②機(jī)器人的兩個(gè)端面在彎管的彎曲部分。（見圖4-2）
（a） (b)
圖4-2 機(jī)器人處于彎管時(shí)的幾何約束
當(dāng)機(jī)器人的兩個(gè)端面在彎管的直邊部分時(shí)，機(jī)器人的直徑和長(zhǎng)度應(yīng)滿足下式 ：
0
收藏