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學(xué)生姓名
馮春
班級
機制054
指導(dǎo)教師
杜家熙
論文（設(shè)計）題目
管道爬行器的研究與設(shè)計
目前已完成任務(wù)
（1）查找管道爬行器相關(guān)資料；
（2）制定畢業(yè)設(shè)計計劃；
（3）對Solidworks的靈活運用；
（4）完成畢業(yè)論文開題報告；
（5）英文翻譯
（6）完成爬行器機械部分的加工方案；
（7）完成Solidworks三維造型
是否符合任務(wù)書要求進度：符合
尚需完成的任務(wù)
（1）爬行器電氣部分的設(shè)計；
（2）論文的撰寫；
（3）正式論文的整理；
能否按期完成論文（設(shè)計）：能按期完成任務(wù)
存在問題和解決辦法
存
在
問
題
資料不足，對論文主題的研究不夠透徹，且相關(guān)的理論知識還不夠全面；
與指導(dǎo)老師的交流不夠充分
擬
采
取
的
辦
法
需要繼續(xù)查找資料，深入的了解管道爬行器的工作要求和特點，進一步理解和掌握相關(guān)的理論知識，完善論文內(nèi)容。
指導(dǎo)教師簽 字
日期
年 月 日
教學(xué)院長（主任）意 見
負責人簽字： 年 月 日
河南科技學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）中期進展情況檢查表
河南科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書
題目名稱 管道爬行器的研究與設(shè)計
學(xué)生姓名
馮春
所學(xué)專業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
班級
機制054
指導(dǎo)教師姓名
杜家熙
所學(xué)專業(yè)
機械設(shè)計與制造
職稱
副教授
完成期限
2008年 12月22日至2009年5月32日
一、論文（設(shè)計）主要內(nèi)容及主要技術(shù)指標
（一）主要內(nèi)容
該題目主要內(nèi)容有：
1. 管道爬行器的運動原理分析
（1） 管道爬行器的動力選擇分析
（2） 管道爬行器的動力傳動分析
（3） 管道爬行器的運動機構(gòu)的分析
2. 管道爬行器的結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計
（1） 管道爬行器的工作原理分析
（2） 管道爬行器的機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計
（3） 根據(jù)其工作的要求設(shè)計爬行器的工作部分的結(jié)構(gòu)
（4） 由于管道內(nèi)工作，需要進行爬行器調(diào)整姿態(tài)，進行旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計
（5） 由于需要在管道內(nèi)進行管道連接處的轉(zhuǎn)彎，進行轉(zhuǎn)彎動作的分析
（6） 在工作時，由于有各種不利因素，進行管道檢修部分（攝像頭基座）的設(shè)計及安裝分析
3. 爬行器的零件設(shè)計及其裝配
（1） 由管道的數(shù)據(jù)，進行爬行器的零件尺寸，形狀設(shè)計
（2） 用Solidworks進行裝配
4. 對于爬行器的工作運動要求進行電機的動作分析
（1） 正常工作狀態(tài)下，電機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)分析
（2） 轉(zhuǎn)彎時的電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)及其工作順序的分析
5. 對爬行器的控制電路原理的設(shè)計
（1） 根據(jù)工作條件進行電機的選擇及其功率的核定
（2） 由電機進行電源分析和選擇
（3） 確定工作電路的元件規(guī)格
（4） 由工作要求進行電機控制的電路分析
（5） 由工作要求進行各種控制電路的試制
（6） 分析各種控制電路的優(yōu)缺點
（7） 結(jié)合工作環(huán)境和工作要求進行控制電路的確定
6.對爬行器管道內(nèi)定位方案的提出及其電路設(shè)計。
（1） 根據(jù)爬行器所完成的任務(wù)列舉爬行器定位方案。
（2） 分析爬行器定位方案
（3） 初步進行定位的設(shè)計
（4） 完善定位
7. 爬行器工作電路的總結(jié)
（1） 通過人工控制電機的正反轉(zhuǎn)和電機調(diào)速。人為的控制爬行器的順序動作，完成十字口和丁字口的轉(zhuǎn)彎。
（2） 通過里程計反饋電路反饋信號，結(jié)合管道工程圖確定爬行器所在的具體位置。
（二）技術(shù)指標
爬行器全長840mm，能通過450mm—1100mm的管道，電氣所需電源24V直流。
里程計電源5V。
二、 畢業(yè)論文（設(shè)計）的基本要求
1.畢業(yè)設(shè)計（論文）一份：有400字左右的中英文摘要，正文后有15篇左右的參考文獻，正文中要引用5篇以上文獻，并注明文獻出處。論文字數(shù)在6000字以上；
2.有不少于2000漢字的與本課題有關(guān)的外文翻譯資料；
3.畢業(yè)設(shè)計總字數(shù)在10000字以上；
4.零件工程圖；
5.爬行器裝配圖；
6.工作電路圖及其接線圖。
三、畢業(yè)論文（設(shè)計）進度安排
1. 2008年12月22日-1月20日，下達畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書；寒假期間完成英文資料翻譯
和開題報告。
2. 2009年2月25-3月9日（第1-2周），指導(dǎo)教師審核開題報告和設(shè)計方案。
3. 2009年3月10日-4月18日（第3-10周），畢業(yè)設(shè)計各單元部分設(shè)計、撰寫論文初稿。
4. 2009年4月20-26日（第11周），畢業(yè)設(shè)計中期檢查。
5. 2009年5月5-20日（第12-14周），設(shè)計計算、強度校核、零件模擬裝配、電氣部分設(shè)計撰寫畢業(yè)設(shè)計論文。
6. 2009年5月22日-25日（第15-16周）上交畢業(yè)設(shè)計論文，指導(dǎo)教師、評閱教師審查
評閱設(shè)計論文，畢業(yè)設(shè)計答辯資格審查。畢業(yè)設(shè)計答辯，學(xué)生修改整理設(shè)計論文。
本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告
題目名稱 管道爬行器的研究與設(shè)計
學(xué)生姓名
專業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
班級
指導(dǎo)教師姓名
所學(xué)專業(yè)
機械設(shè)計與制造
職稱
副教授
完成期限
一、選題的目的意義
隨著中國改革開放以來，中國不斷與世界拉近距離，其中人民的生活水平得到大幅的提高2009年，中國天然氣以及各種管道已經(jīng)覆蓋了中國的每一個中小城市。在我國及世界各個國家內(nèi)，由于地形的限制和土地資源的有限，在地下都埋設(shè)了很多的輸送管道，例如天然氣管道、石油管道等，在埋有管道的地面上面都已經(jīng)建成了很多的建筑物、公路等，給管道的維修和維護造成了很大的困難。當這些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等問題時，人們普通的做法是挖開道路進行維修，有些時候如果不能準確判斷泄露和堵塞的具體位置時，會浪費很多的時間，精力和資源，同時降低了工作效率。因此管道內(nèi)機器人化自動檢查技術(shù)的研究與設(shè)計十分必要。人們不再為了維修、維護管道時挖開道路，而是進行管道破損處的精確定位，然后進行維修。節(jié)省了大量的人力，物力和財力。
二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
在美國、日本和德國等發(fā)達國家，隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，以及PLC的廣泛應(yīng)用。機器人技術(shù)的發(fā)展和管道測試等技術(shù)的進一步發(fā)展，相互之間的滲透程度越來越深，管道爬行機器人是在狹窄空間中進行精密操作、檢測或作業(yè)的機器人系統(tǒng)。其中機器人的作業(yè)環(huán)境一般在三維尺寸上微小的或者危險的。廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠、核電廠、化工廠、民用建筑等用到各種各樣微小管道內(nèi)的定期檢修。
在我國，20 世紀80 年代開始少量引進爬行器,但遠遠不能滿足我國管道工程發(fā)展的需要。進入90年代，國內(nèi)各科研機構(gòu)和大中專院校開始研制各種管道爬行器，但由于各種原因，爬行器的適應(yīng)性和過復(fù)雜管道能力存在著或多或少的缺陷。
三、主要研究內(nèi)容
研究和設(shè)計爬行器機構(gòu)若干可行性方案。進行對比分析，選擇最優(yōu)方案。包括機械裝備，驅(qū)動裝置，自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置選擇等.
研究和設(shè)計爬行器的各種電路的幾套可行性方案。進行合理性分析，選擇優(yōu)化方案。包括電機，電源，開關(guān)的選擇。照明電路，轉(zhuǎn)彎控制電路，姿態(tài)調(diào)整電路，機器人管道中定位電路，總體接線電路的選擇和優(yōu)化設(shè)計。
該爬行器可實現(xiàn)450—1100mm范圍內(nèi)管道內(nèi)徑變化。實現(xiàn)探測攝像裝置與水平面平行，不發(fā)生傾斜。通過人為的控制支撐臂的“傘”型伸縮結(jié)構(gòu)以及個電機的順序動作可以順利通過十字型、丁字型等較復(fù)雜管道，通過人為的控制使機器人左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，設(shè)計選擇電路。通過吊籃中的攝像頭來檢測管道的損壞與否，通過機器人定位系統(tǒng)進行管道破損處的定位，對機器人定位系統(tǒng)進行方案提出，分析，和電路設(shè)計。
四、畢業(yè)論文（設(shè)計）的研究方法或技術(shù)路線
畢業(yè)設(shè)計采取的研究與設(shè)計方法
1.實地參觀學(xué)習法
2.教師指導(dǎo)法
3.上機調(diào)試法
4.可行性方案列舉法
5.優(yōu)化設(shè)計法
6.通過已有知識進行分析，理解，明白設(shè)計過程與目的，掌握進行本畢業(yè)設(shè)計的所必須的基本知識。
7.查閱有關(guān)書籍，借助于網(wǎng)上數(shù)字圖書館搜集相關(guān)資料，對其進行分析、總結(jié)、概括、和借鑒，形成系統(tǒng)的外部資料，借鑒當今國內(nèi)及國外此方面的研究及理論探討進行本課題的理論和方法
8.機電相結(jié)合的分析方法
五、 主要參考文獻與資料
[1]齊占慶.機床電氣控制技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社，1994
[2]楊天明.電機與拖動[M].北京大學(xué)出版社，2006
[3]電機工程手冊[M].機械工業(yè)出版社，1996
[4]李國厚，楊青杰.PLC原理與應(yīng)用設(shè)計[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005
[5]王永章.數(shù)控技術(shù)[M].高等教育出版社，2001
[6]黃立培.電動機控制[M].清華大學(xué)出版社，2003
[7]李中年.控制電氣及應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2006
[8]藍榮香.solidworks零件設(shè)計技術(shù)與實踐[M].電子工業(yè)出版社，2007，2
[9]李杰.AutoCAD2006機械繪圖實戰(zhàn)[M].人民郵電出版社，2007，3
[10]龍馬工作室.Pro/E wildfire3.0完全自學(xué)手冊[M].人民郵電出版社，2007，6
[11]劉鴻文.材料力學(xué)[M].高等教育出版社，2006，11
[12]王蘭美.機械制圖[M].高等教育出版社，2004，2
[13]孫桓.機械原理[M].高等教育出版社，2006，5
[14]濮良貴.機械設(shè)計[M].高等教育出版社，2006，5
[15]李朝青.單片機原理及接口技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2005，10
[16]秦曾煌.電工學(xué)[M].高等教育出版社，2003，12
[17]王玉萍，邵峰.電工電子技術(shù)實驗指導(dǎo)[M].河南科技學(xué)院，2006.6
[18]王立權(quán)，賈守波.城市排水道機器人控制系統(tǒng)研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2008，36（6）：96~99
[19]劉偉明.漿液下機器人定位功能實現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（8）：96~98
[20]陳齊漢。小功率直流電機調(diào)速正反轉(zhuǎn)切換控制的PWM控制系統(tǒng)[J].電工技術(shù)2002，1（26）：51~52
[21]丁昆.美國無人地面車輛概述[J].國防技術(shù)基礎(chǔ)，2008，2（15）：53~55
六、 指導(dǎo)教師審批意見
簽名：
年 月 日
本科畢業(yè)論文（設(shè)計）
論文題目：管道爬行器的研究與設(shè)計
學(xué)生姓名：
所在院系： 機電學(xué)院
所學(xué)專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
導(dǎo)師姓名：
完成時間：
摘 要
本課題是在對管道爬行器的結(jié)構(gòu)和運動研究分析的基礎(chǔ)上。本次設(shè)計在Solidworks的基礎(chǔ)上構(gòu)建管道爬行器的若干套三維造型，然后依據(jù)要求進行選擇。最終方案采用列車連接結(jié)構(gòu),伸縮結(jié)構(gòu)和“傘”型結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)管道內(nèi)部的彎道和大范圍內(nèi)徑變化管道。通過電氣控制，使各電機順序動作以完成通過十字型和丁字型等較復(fù)雜的管道,通過新型吊環(huán)的調(diào)節(jié)始終保持攝像裝置與水平面的平行。對管道爬行器的控制要求，采用常規(guī)的電氣控制分析方法設(shè)計電氣部分的控制電路，最終方案采用人工控制電機的順序動作進行管道內(nèi)的轉(zhuǎn)彎，里程計反饋信息與管道工程圖相結(jié)合的方法來進行爬行器的定位。為研究管道爬行器打下了一定的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：自適應(yīng)性，伸縮結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑變化，新型吊環(huán)，Solidworks
The research and design of piping crawl robot
Abstract
The question for discussion base on?the structure of piping crawl robot an-d the moving investigation'analyze. This project bases on Solidworks to concei-ve some 3D sculpt of? crawl r-obot, then by requestion carry through choose. The final scheme adopt the structure about train and flex structure and umbrellastructure, for the sake of adapting tothe pipeline that can change radius in gr-eat range. And succeed overpassing crossmodel and t-shaped model complicatedpiping by the sequentially-operation of the electric motor ,and always can keepparallel state between vidicon setting?and horizontalgeby adjusting by?the new
fiying rings system.Gave the request for the contral of piping crawl robot. Ad-opt nomothetic approach about electrical control analysis for control circuit des-ign ofelectric parts.The final project adopt the manual control the electr-ic mot-or’s sequentially-operating make the machine pass the curved conduit.To adopt the way which use milemeter feedback information couple with piping’s sched-ule drawing for allocation.The paper lays the theoretic foundation for research piping crawl robot
Keywords: From the adaptability, Flexible structure, Inside the path variety,New fiying rings system,Solidworks
目 錄
1 緒論 1
2 設(shè)計方案初步分析 2
2.1 無線控制與有線控制的選擇 2
2.1.1 有線控制及拖拽 2
2.1.2 非拖曳 2
2.2 驅(qū)動方式選擇 2
2.2.1 輪式爬行 2
2.2.2 履帶爬行 3
2.3 姿態(tài)調(diào)整的選擇 3
2.3.1 加傳感器的關(guān)節(jié)進行調(diào)整 3
2.3.2 利用吊籃方式進行調(diào)整 4
2.3.3 采用新式吊籃進行調(diào)整 4
2.4 自適應(yīng)分析 4
2.4.1 伸縮臂長和加彈簧方式 5
2.4.2 伸縮臂長和“傘”型搖桿 5
2.5 方案的基本確定 5
3 方案一的設(shè)計與分析 5
3.1 機身的設(shè)計 6
3.2 機腿的設(shè)計 6
3.2.1 伸縮單元 7
3.2.2 變長單元 8
3.2.3 關(guān)節(jié)單元 8
3.3 驅(qū)動輪的設(shè)計 8
3.4 方案一的分析 9
4 方案二的設(shè)計與分析 9
4.1 機身的設(shè)計 9
4.2 機身內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計 9
4.3 進給螺桿與螺母的設(shè)計 10
4.4 吊籃的設(shè)計 10
4.5 機腿的設(shè)計 11
4.6 方案二的分析 11
5 方案三的設(shè)計與分析 12
5.1 機身的設(shè)計 12
5.2 機身內(nèi)部傳動機構(gòu)的設(shè)計 13
5.2.1 進給絲杠和螺母的設(shè)計 13
5.2.2 選擇聯(lián)軸器 17
5.2.3 選擇鍵 17
5.3 吊環(huán)的設(shè)計 18
5.4 軸承的設(shè)計 18
5.5 機腿的設(shè)計 19
5.6 驅(qū)動輪的設(shè)計 19
5.7 管道爬行的實現(xiàn) 20
5.8 管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎的實現(xiàn) 20
5.9 總體裝配體設(shè)計 21
6 管道爬行機器人的功能分析 21
7 管道爬行機器人的動作分析 22
8 電氣控制基本元器件的選取 22
8.1 電機的參數(shù)計算與選取 22
8.1.2 驅(qū)動輪電機的參數(shù)計算 22
8.1.3 主電機參數(shù)計算 23
8.1.4 機器人動力源的選取 24
8.2 電源的選取 24
8.3 電機調(diào)速元件的選取 25
8.3.1 串聯(lián)電阻調(diào)速方法的實現(xiàn) 25
8.3.2 新型調(diào)節(jié)脈寬PWM型調(diào)速的實現(xiàn) 26
8.3.3電機調(diào)速方法的確定及元件的確定 27
9 電路設(shè)計 28
9.1 輪足電機動作的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的電路設(shè)計 28
9.2 前后傘足的張開閉合電路設(shè)計 28
9.3 電機部分總電路設(shè)計 29
9.4 電機順序動作的電路設(shè)計 30
9.4.1 人為控制 30
9.4.2 邏輯控制 30
9.4.3 單片機/PLC進行自動控制 31
9.5 照明系統(tǒng)的電路設(shè)計 32
9.6 管道內(nèi)機器人定位系統(tǒng)（PDPS）的設(shè)計 33
9.6.1 爬行器管道內(nèi)定位方案的提出與分析 33
9.6.2 機器人定位系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計 35
10 結(jié)論 36
11 結(jié)束語 37
致謝 38
參考文獻 38
39
1 緒論
隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，天然氣管道以及各種輸送管道的應(yīng)用越來越多。在我國及世界各個國家內(nèi)，由于地形的限制和土地資源的有限，在地下都埋設(shè)了很多的輸送管道，例如，一方面天然氣管道、石油管道等，在埋有管道的地面上都已經(jīng)建成了很多的建筑物、公路等，給管道的維修和維護造成了很大的困難。當這些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等問題時，人們普通的做法是挖開道路進行維修，有些時候如果不能準確判斷泄露和堵塞的具體位置時，會浪費很多的時間和精力，同時降低了工作效率[7]。另一方面石油、天然氣、化工、電力、冶金等工業(yè)的管道工程大多采用焊接管路。為了保證焊接管路的焊接質(zhì)量和運行安全,管道工程都要對焊縫進行檢測,檢測焊接部位是否存在虛焊、漏焊、傷痕等焊接缺陷。常用的焊縫檢測方法是采用無損檢測,如超聲、射線、渦流等。對于管路檢測,則大多采用管道內(nèi)爬行探傷檢驗設(shè)備(簡稱爬行器) 對焊縫進行射線檢測。這類爬行器由于受管道尺寸的限制,大多結(jié)構(gòu)十分緊湊。在檢測過程中,爬行器在其控制系統(tǒng)的控制下,可連續(xù)對同一管道不同位置上的焊縫質(zhì)量進行檢驗。考慮管道焊縫檢測的效率,常常當管道焊接具有一定長度之后,才集中對管道進行檢測。如果一次要檢測的管道比較長,爬行器的控制系統(tǒng)應(yīng)采用車載式布置。使用時,通過外部的控制器對爬行器上的控制系統(tǒng)發(fā)出指令,決定爬行器的工作狀態(tài)。
隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，以及機器人技術(shù)的發(fā)展和管道測試等技術(shù)的進一步發(fā)展，相互之間的滲透程度越來越深，管道爬行機器人是在狹窄空間中進行精密操作、檢測或作業(yè)的機器人系統(tǒng)。其中機器人的作業(yè)環(huán)境一般是危險的?；鹆Πl(fā)電廠、核電廠、化工廠、民用建筑等用到各種各小管道，其安全使用需要定期檢修。但由于窄小空間的限制，自動維修存在一定難度。僅以核電站為例，檢查時工人勞動條件惡劣。因此管道內(nèi)機器人化自動檢查技術(shù)的研究與應(yīng)用十分必要。人們不再為了維修、維護管道時挖開道路，節(jié)省了大量的人力，物力和財力。
目前的管道機器人都是以履帶、輪子等實現(xiàn)在管道中的移動，其技術(shù)有著或多或少的缺陷，市場尚不成熟。例如：不能適應(yīng)大范圍的管道內(nèi)徑變化，運行中姿態(tài)的調(diào)整不夠理想，在十字型、丁字型等較復(fù)雜的管道內(nèi)徑中不能較平穩(wěn)的通過等等；結(jié)合目前管道機器人所存在的缺點，應(yīng)用機械設(shè)計、機械原理等專業(yè)知識，設(shè)計出了新型管道爬行機器人。此機器人可實現(xiàn)大范圍內(nèi)的管道內(nèi)徑變化，順利通過十字型、丁字型等較復(fù)雜管道；在運行中的姿態(tài)調(diào)整也得到了較好的解決。
2 設(shè)計方案初步分析
2.1 無線控制與有線控制的選擇
2.1.1 有線控制及拖拽
該方式采用機器人尾部裝夾電纜、信號線、安全繩、其他電路等等，這樣會造成機器人的牽引力增大，對爬行器的負載力和足輪的摩擦力提出了更高的要求，尤其是隨著機器人的深入，牽引繩會成為機器人的累贅和枷鎖。牽引繩的長短禁錮著機器人的爬行深度。其優(yōu)缺點如下：
缺點：附著力會不斷增大，爬行器負載變化大，不利于長距離爬行。
優(yōu)點：爬行器本身初始載重?。ū旧聿恍钄y帶能源等），信息反饋及時清晰，利于后期觀察，也利于實現(xiàn)在線監(jiān)控。觀察結(jié)束時，可人工使用安全繩退出。
2.1.2 非拖曳
該方式不需跟隨電纜線，本身有拍攝存儲功能，并且本身攜帶電源等，其優(yōu)缺點如下：
缺點：爬行器本身載重加大，需設(shè)計爬行器退出管道方式等。
優(yōu)點：爬行器載重恒定，便于爬行器爬行。其在管道內(nèi)行進方便，尤其在彎道時，拖曳式的過大的牽引力會使爬行器驅(qū)動輪打滑，不易通過。
根據(jù)要求，非拖曳雖有自己強大優(yōu)點，但爬行器在管道內(nèi)出現(xiàn)問題而不能移動時，需要花費很大力氣將爬行器取出。
可以選擇有線拖拽式。
2.2 驅(qū)動方式選擇
根據(jù)設(shè)計要求現(xiàn)擬訂2種爬行器驅(qū)動設(shè)計方案（如圖1，2）：
圖1 輪式爬行 圖2 履帶式爬行
2.2.1 輪式爬行
設(shè)計制造簡便，成本低廉。但其穿越障礙能力差，只能穿越高度小于其本身半徑的障礙物。如圖3。
圖3 輪式爬行越障
2.2.2 履帶爬行
越障礙能力高于輪式爬行，但本身設(shè)計制造較復(fù)雜，成本相應(yīng)提高（一個支點最少需4輪才可以爬行）[3]。
根據(jù)設(shè)計要求本機器人是在管道內(nèi)行走的機器人，無需考慮臺階等障礙物的問題，盡量降低成本，在不影響設(shè)計本身功能時，盡可能采用制造工藝簡單，成本低的設(shè)計方案。
可以采用輪式爬行。
2.3 姿態(tài)調(diào)整的選擇
根據(jù)要求結(jié)合可行性，可以擬定3種方案如下：
2.3.1 加傳感器的關(guān)節(jié)進行調(diào)整
在管道爬行時會出現(xiàn)爬行器偏移原來軌道，可用傾斜傳感器進行控制。現(xiàn)擬訂采用改變輪子（履帶）前進方向一定角度來進行矯正（加關(guān)節(jié)）。
其原理為：通過電磁鐵的吸合，從而控制爬行器的爬行軌跡。關(guān)節(jié)單元裝配圖如圖4：
圖4 關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)
通過關(guān)節(jié)調(diào)整可實現(xiàn)如圖5：
圖5 關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)的實現(xiàn)
2.3.2 利用吊籃方式進行調(diào)整
在爬行器內(nèi)安裝吊籃（內(nèi)置攝像觀察裝置）。當爬行器偏斜時，吊蘭因為和機座為鉸鏈連接，保留一個自由度，由于重力的原因不會隨著爬行器偏斜而偏斜，而是在任何時候都垂直與地面。其在爬行器內(nèi)遇到傾斜時的自動調(diào)節(jié)如圖6。
通過吊籃式調(diào)節(jié)，攝像裝置始終保持與水平面平行
圖6 吊籃式的實現(xiàn)
2.3.3 采用新式吊籃進行調(diào)整
根據(jù)吊籃的原理，結(jié)合魯班的榫卯結(jié)構(gòu)，可以采用2個偏心圓環(huán)相扣，進行重力自由調(diào)節(jié)，其原理如圖7
如圖7 小環(huán)直徑為150mm，大環(huán)直徑為250mm，大環(huán)與小環(huán)相切，小環(huán)的轉(zhuǎn)動并不能帶動大環(huán)的轉(zhuǎn)動，并且大環(huán)會由于重力的作用始終與地面保持平行?？梢栽诖蟓h(huán)上安裝照 明器件和信號采集器件，是它們能夠與地面保持平行。根據(jù)這種思路，可以3D造型，進行新式吊籃調(diào)節(jié)如圖8,圖9。
圖7 吊環(huán)原理圖
2.4 自適應(yīng)分析
圖8 吊籃分裝圖 圖9 吊籃裝配圖
2.4.1 伸縮臂長和加彈簧方式
大范圍內(nèi)徑變化（400-1100）在支撐臂上添加變長桿，小范圍內(nèi)在支撐臂上添加彈簧。
2.4.2 伸縮臂長和“傘”型搖桿
在400—1100大范圍內(nèi)的管道中爬行，可通過使支架伸縮來改變。在管道直徑改變不大處爬行，十字型、丁字型等較復(fù)雜管道內(nèi)徑時可通過“傘”型搖桿閉合控制支撐臂移動以適應(yīng)，通過“傘”型搖桿與伸縮桿的結(jié)合就可以變換出很多適應(yīng)不同管道內(nèi)徑的條件。
以上2方案各有其優(yōu)點，相比較下，第2種方案更符合要求，但其需要獨立的驅(qū)動單元，因此制造成本遠高于第1種方案。在普通情況下，第1種方案足可以適應(yīng)。故再做出三維造型后進一步進行運動分析。
2.5 方案的基本確定
通過以上分析，初步確定采用有線拖拽式，但姿態(tài)調(diào)整和自適應(yīng)均存在3種不同的方案可供選擇，故設(shè)計3種總體方案再進一步分析。
方案一：姿態(tài)調(diào)整采用關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)，自適應(yīng)采用變長桿和彈簧。
方案二：姿態(tài)調(diào)整采用吊籃方式，自適應(yīng)采用伸縮臂和“傘”型張合結(jié)構(gòu)。
方案三：姿態(tài)調(diào)整采用新式榫卯吊籃方式，自適應(yīng)采用伸縮臂和“傘”型合構(gòu)。
3 方案一的設(shè)計與分析
綜合設(shè)計方案一如圖9.
本方案基本有3部分組成，1機身、2機腿、3驅(qū)動輪。
圖9 方案一的三維效果圖
3.1 機身的設(shè)計
可裝載各種探測設(shè)備等，如圖10。
圖10 機身
3.2 機腿的設(shè)計
由9部分組成，其三維圖與爆炸圖如圖11。機腿可分為3個單元：伸縮單元（1-5）、變長單元（6）、關(guān)節(jié)單元（7-10）。通過螺紋連接。其爆炸圖如圖11。三維轉(zhuǎn)配圖如圖12。
圖11 機腿的爆炸圖
3.2.1 伸縮單元
1-5部分組成的伸縮單元依靠彈簧的彈性變形以適應(yīng)小范圍內(nèi)的管道直徑變化和越障。其三維圖如圖13。
圖13 伸縮單元三維圖
圖14 變長桿
圖12 機腿裝配圖
3.2.2 變長單元
6為變長桿，可以人為的更換（增長或縮短）以適應(yīng)管道直徑的大范圍變化。其三維圖如圖14。
3.2.3 關(guān)節(jié)單元
7-10部分組成關(guān)節(jié)單元，7、9上均裝有電磁鐵，7、8，8、9之間用螺母和繞簧固定。各部位三維圖如圖15。
關(guān)節(jié)單元用于爬行器的姿態(tài)調(diào)整。其原理為∶通過傾斜傳感器對爬行器進行監(jiān)控。當爬行器偏移其原軌道，傾斜傳感器發(fā)出電信號，此時7或9上的電磁鐵得電，吸合8，促使輪子向左或右傾斜，以校正爬行器。在爬行器被校正后，傾斜傳感器發(fā)出信號，使電磁鐵斷電，在繞簧的作用力下，使關(guān)節(jié)各部位復(fù)位。
圖15 關(guān)節(jié)單元零件圖
爬行器正常前進。7、9分別用于爬行器的左、右校正。
3.3 驅(qū)動輪的設(shè)計
驅(qū)動輪由5部分組成，如圖16
圖16 驅(qū)動輪三維圖與爆炸圖
(1)聯(lián)接塊用于與驅(qū)動輪與關(guān)節(jié)單元的聯(lián)接。
(2)電動機箱安裝步進電動機或勵磁電動機。用以驅(qū)動輪子。
3.4 方案一的分析
優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉，對管道內(nèi)徑變化不大和彎道較少時基本能滿足設(shè)計要求。
缺點：該爬行器在爬行器由于機身是長方體，在管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎時，會出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象，在爬行十字型、丁字型管道內(nèi)徑時會出現(xiàn)在機腿卡在管道中，驅(qū)動輪懸空等情況；但該種情況，一般當輪子半徑大于管道壁厚，也能順利通過。
4 方案二的設(shè)計與分析
根據(jù)方案一的優(yōu)缺點進行改進，增加必要改良元素，現(xiàn)設(shè)計出方案二，如圖17。本方案由3部分組成：1機身，2機腿，3驅(qū)動輪。
圖17 方案二的三維圖
4.1 機身的設(shè)計
機身設(shè)計成筒狀機身和其他部件組成。如圖18.
圖18 機壁三維圖
4.2 機身內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計
機身內(nèi)部主要完成“傘”足的張合傳動，以及吊籃的安裝。如圖19。
圖19 機身內(nèi)部三維圖
4.3 進給螺桿與螺母的設(shè)計
為使機腿伸縮，采用螺旋傳動，該類型傳動是利用螺桿（絲杠）和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，同時傳遞運動和動力。在爬行器中其工作原理為：進給螺桿在電動機的驅(qū)動下，進行回轉(zhuǎn)運動。從而使螺母進行水平移動。螺母用來推動機腿的伸縮，使爬行器進行自適應(yīng)伸縮如圖20。
圖20 絲杠螺母運動簡圖
4.4 吊籃的設(shè)計
吊籃的活動關(guān)節(jié)采用圓柱銷，采用間隙配合，以保證吊籃的左右移動。其機構(gòu)圖如圖21，22。
其工作原理為，在重力的作用下。吊籃通過活動關(guān)節(jié)始終保持與地面的水平?；顒雨P(guān)節(jié)由一活動銷聯(lián)結(jié)。吊籃通過螺母固定在機身上。
圖21 吊籃三維圖 圖22吊籃示意圖
4.5 機腿的設(shè)計
機腿的三維造型如圖23
圖23 機腿三維圖
機腿通過關(guān)節(jié)1、2、3的伸縮進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。連接桿與推動盤連結(jié)。連接桿與關(guān)節(jié)3采用鉸接。為適應(yīng)管道最大內(nèi)徑1100mm的調(diào)節(jié)，關(guān)節(jié)1尺寸為200mm，關(guān)節(jié)2尺寸為150mm，關(guān)節(jié)3尺寸為100mm。
4.6 方案二的分析
優(yōu)點：能夠采用伸縮桿適應(yīng)大范圍管道內(nèi)壁直徑變化，“傘”型結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)管道內(nèi)一定范圍的轉(zhuǎn)彎，牽引力大，結(jié)構(gòu)緊湊，控制簡單。
缺點：由于機身為一個圓筒（整體，過長），不能完全適應(yīng)彎道的轉(zhuǎn)彎。吊籃安裝在機身內(nèi)部，安裝復(fù)雜，并且吊籃在內(nèi)部，不能采用攝像頭觀察管道內(nèi)壁的情況。機身的制造復(fù)雜，孔系較多。
5 方案三的設(shè)計與分析
根據(jù)方案一，二的優(yōu)缺點，綜合整理資料，經(jīng)過反復(fù)修改，提出新的設(shè)計思路，先設(shè)計出方案三，如圖24。本方案有3部分組成，1機身、2機腿、3驅(qū)動輪。
圖24 方案三的三維圖
5.1 機身的設(shè)計
機身主要有兩部分構(gòu)成，即前機身和后機身，對于管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎的為題，我們可以借鑒火車的節(jié)裝結(jié)構(gòu)，設(shè)計出有兩節(jié)機身組成的機車型爬行器，減小機身長度，有利于機器人順利通過彎道，為減輕重量，機身材料選用硬鋁。
5.1.1機身組成結(jié)構(gòu)
爬行器爬行最小內(nèi)徑為450mm，爬行最大內(nèi)徑1100mm。設(shè)計機身內(nèi)徑為150mm，外徑為200mm機壁厚度最小處為10mm。機壁與機腿之間只是做簡單的伸縮動作，前后機身可以采用旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接故采用GB119-83 A5X40，采用間隙配合。其前后機身三維圖如圖25 ，圖26。
圖25 前主體三維圖 圖26 后主體三維圖
5.2 機身內(nèi)部傳動機構(gòu)的設(shè)計
機身內(nèi)部結(jié)構(gòu)為機腿運動的傳動機構(gòu)的設(shè)計，在這里運用絲杠和螺母結(jié)構(gòu)完成曲柄滑塊機構(gòu)的實現(xiàn)。并推動機腿的張合。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖27
5.2.1 進給絲杠和螺母的設(shè)計
為使機腿伸縮，采用螺旋傳動，該類型傳動是利用螺桿（絲杠）和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，同時傳遞運動和動力。
圖27 絲杠螺母裝配圖
在爬行器中其工作原理為：進給螺
桿在電動機的驅(qū)動下，進行回轉(zhuǎn)運動。
從而使螺母進行水平移動。螺母用來推動機腿的張合，使爬行器進行自適應(yīng)張合。
A初步確定螺桿桿軸的最小軸徑
按《機械設(shè)計》式15-2 初步估算絲桿軸的最小軸徑，選取材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)《機械設(shè)計》表15-3取A0=112 初步設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速為30r/min
=112=15.28mm (1)
式中，P可根據(jù)主體電機取P=89W n=30r/min
B求取軸向力
按照自鎖條件先求出當量摩擦角，查《機械設(shè)》表5-12知螺旋副材料中鋼對鋼的摩擦系數(shù)，取中間值0.15，則當量摩擦角
(2)
則
在此按最大值計算，取
C耐磨性計算
滑動螺旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度以及潤滑狀態(tài)等因素有關(guān)。其中最主要的是螺紋工作面上的壓力，壓力越大，螺旋副間越容易形成磨損。因此，滑動螺旋的耐磨性計算，主要是限制螺紋工作面上的壓力p，使其小于材料的許用壓力。
假設(shè)作用于螺桿的軸向力為F（單位為N)，螺紋的承壓面積（指螺紋工作表面投影到垂直于軸向力的平面上的面積）為A（單位為），螺紋中徑為
（單位為mm），螺紋工作高度為h（單位為mm），螺紋螺距為P（單位為mm），螺母高度為H（單位為mm），螺紋工作圈數(shù)為，則螺紋工作面上的耐磨性條件為
(3)
上式可作為校核計算用。將代入上式整理后得
(4)
a計算螺桿中徑
查《機械設(shè)計》第97頁，由于工作圈數(shù)不多，故取
查《機械設(shè)計》第97頁表5-12取 則
因為按剪切強度計算的最小直徑為15.28mm ，由d2=26mm根據(jù)國家標準選取螺紋公稱直徑d=30mm，P=3.5mm的螺紋。
(5)
b螺母高度
H=1.526=39mm
c 旋合圈數(shù)
(6)
故旋合圈數(shù)合理
d螺紋工作高度
(7)
e驗算工作壓強
(8)
D驗算自鎖
自鎖條件，對于單線螺紋，為當量摩擦角等于。
則：
自鎖條件滿足。
E螺桿強度計算
螺桿工作時承受軸向壓力（或拉力）F和扭轉(zhuǎn)T的作用。螺桿危險截面上既有壓縮（或拉伸）應(yīng)力，又有切應(yīng)力。因此，校核螺桿強度時應(yīng)根據(jù)第四強度理論求出危險截面的計算應(yīng)力，其強度條件為
(9)
mm
式中：F ——螺桿所受的軸向壓力（或拉力），單位為N；
——螺桿螺紋小徑，單位為mm；
T ——螺桿所受的扭矩；
——螺桿材料的許用應(yīng)力，單位為MPa。
則：
螺桿材料的許用應(yīng)力 查《機械設(shè)計手冊》表34.2-10知=80，故螺桿強度滿足。
F螺紋牙強度
(1)螺紋牙寬度
(2)螺桿的強度校核
螺紋牙多發(fā)生剪切和擠壓破壞，一般螺母的材料強度低于螺桿，故只需校核螺母螺紋牙的強度。
如果將一圈螺紋沿螺母的螺紋大徑D（單位為mm）處展開，則可看作寬度為的懸臂梁。假設(shè)螺母每圈螺紋所承受的平均壓力為，并作用在以螺紋中徑（單位為mm）為直徑的圓周上，則螺紋牙危險截面a－a的剪切強度條件為
(10)
螺紋牙危險截面a－a的彎曲強度條件為
(11)
式中：b ——螺紋牙根部的厚度，單位為mm，對于矩形螺紋，b＝0.5P，對于梯形螺紋，b＝0.65P，P為螺紋螺距；
l ——彎曲力臂，單位為mm
——螺母材料的許用切應(yīng)力，單位為MPa，見《機械設(shè)計》表5-13；
——螺母材料的許用彎曲應(yīng)力，單位為MPa，見《機械設(shè)計》表5-13；
a.抗剪強度
其中查 《機械設(shè)計》表5-13 并計算得=48MPa
b.抗彎強度
其中查《機械設(shè)計》表5-13經(jīng)計算知=80MPa。
(3)絲母的強度校核
a.抗剪強度
其中查《機械設(shè)計》表15-3知。
b.抗彎強度
其中查《機械設(shè)計》表15-3知=80MPa。故絲母強度滿足。
綜上計算所的螺桿工程圖如圖28。螺母工程圖如圖29。
圖28 螺桿工程圖 圖29 螺母工程圖
5.2.2 選擇聯(lián)軸器
聯(lián)軸器是機械傳動中重要的軸系部件。主要用來聯(lián)接兩軸(有時也實現(xiàn)軸與其它轉(zhuǎn)動零件的聯(lián)接)，使之一起轉(zhuǎn)動并傳遞運動和動力。兩軸用聯(lián)軸器聯(lián)接， 只有停機并經(jīng)拆卸才能分離；采用聯(lián)軸器可把整機分成若干部件，便于機器的 設(shè)計、制造、裝拆及運輸；聯(lián)軸器大都已標難化、系列化，因此主要問題是如何合理選擇。因輸出輸入端均為16mm。故選擇Tl8型彈性套柱銷聯(lián)軸器。
5.2.3 選擇鍵
鍵是機械傳動部分的動力傳遞原件，在選擇時要求其符合傳遞扭矩的要求。且鍵已被國家定位標準件，在此主要進行間的選擇和校核。
根據(jù)軸的直徑，由《機械設(shè)計》表6-1 選擇普通平鍵的圓頭平鍵,材料選45鋼。
依據(jù)鍵的校核如下：
(12)
式中： T——傳遞的轉(zhuǎn)矩
k——k=0.5h ，h為鍵的高度
l——鍵的接觸長度，mm
d——軸的直徑，mm
可計算得：
查《機械設(shè)計》表6-2 靜載荷時
可知所選的圓頭平鍵符合條件
5.3 吊環(huán)的設(shè)計
如前所訴，吊環(huán)采用榫卯結(jié)構(gòu)，吊環(huán)與環(huán)槽的表面粗糙度要求達到Ra1.6。其工作原理是根據(jù)吊環(huán)的自重，調(diào)節(jié)吊環(huán)始終與地面保持垂直。因其受力不大，減輕重量，故材料采用硬鋁。
圖30 吊環(huán)裝配圖 圖31 吊環(huán)爆炸圖
5.4 軸承的設(shè)計
用于固定螺桿。螺桿后部只是普通光軸，轉(zhuǎn)速低。故采用滑動軸承（表面粗糙度要求較高），又因軸承在主體內(nèi)的緊固要求采用自行設(shè)計的軸承。的為減輕重量材料采用硬鋁。其工程圖如圖32。
圖32 軸承工程圖
5.5 機腿的設(shè)計
其三維裝配圖，爆炸圖如圖33，34。
圖33 機腿裝配圖
圖34 機腿爆炸圖
機腿通過關(guān)節(jié)1、2、3的伸縮進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。連接桿與推動盤連結(jié)。連接桿與機腿1采用鉸鏈。為適應(yīng)管道最大內(nèi)徑1100mm的調(diào)節(jié)，關(guān)節(jié)1尺寸為250mm，關(guān)節(jié)2尺寸為150mm，關(guān)節(jié)3尺寸為100mm。
5.6 驅(qū)動輪的設(shè)計
驅(qū)動輪的設(shè)計與方案二大至上一致（部分結(jié)構(gòu)不同），故不在贅述原理。驅(qū)動輪裝配和爆炸如圖35，圖36。原動力電動機的選擇與計算在機器人的電氣控制研究設(shè)計部分完成。
圖35 驅(qū)動輪裝配體 圖36 驅(qū)動輪爆炸視圖
5.7 管道爬行的實現(xiàn)
圖37 管道內(nèi)爬行實現(xiàn)
5.8 管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎的實現(xiàn)
在十字型管道內(nèi)爬行時，會遇到驅(qū)動輪懸空，并可能被卡住的情況。此時，在通過攝像觀測裝置觀測到該種情況時，工作人員通過控制機身電機，進給螺桿開始轉(zhuǎn)動，使螺母水平移動，從而使機腿伸縮，以通過該類型管道，如圖36。
其控制過程框圖如圖37。程序中控制由現(xiàn)場工作人員控制，通過對機身電機的控制，以實現(xiàn)機腿的伸縮。這里只是敘述了爬行器前半身過復(fù)雜管道的控制過程圖，再后半身過復(fù)雜管道時，基本類似，故不在贅述。
圖38 管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎實現(xiàn)
圖39 轉(zhuǎn)彎控制電機流程圖
機器人的電氣電路控制設(shè)計將在本文的第六部分進行闡述。
5.9 總體裝配體設(shè)計
根據(jù)SolidWorks三維造型和各零件的設(shè)計，現(xiàn)設(shè)計出方案三總體裝配圖如圖40。
圖40 爬行器裝配體工程圖
6 管道爬行機器人的功能分析
根據(jù)管道機器人的機械部分的設(shè)計，要求：這種傘型6足的爬行器在管道中要完成前進，后退，轉(zhuǎn)彎以及前傘，后傘的張開和閉合等動作，管道機器人在工作條件下需要有較強勁的動力，較好的可控性，能夠在管道內(nèi)確定自己的位置，來精確的定位的PDPS（Piping Disrepair Position System）
管道破損處定位系統(tǒng)，由機器人的位置來確定管道破損的確切位置。要求較小的體積以及較簡單的電路。
根據(jù)機器人的動作要求可以把管道機器人的動力源設(shè)計為：
（1）由6個電機來控制機器人的爬行（前進，后退）采用的動力驅(qū)動。
（2）由2個電機來控制前后傘足的張開和閉合。根據(jù)前后傘足的張開和閉合，爬行機器人的轉(zhuǎn)彎等，必須要求前后傘足的張開及閉合為獨立事件，相互不干擾才能完成轉(zhuǎn)彎時傘足的獨立動作。
7 管道爬行機器人的動作分析
管道爬行機器人主要完成的動作有：
（1）六輪的驅(qū)動（前進，后退，調(diào)速）。
（2）傘足的張開和閉合（前后相對獨立）。
（3）管道中的轉(zhuǎn)彎動作順序：前傘足閉合——后傘足前進——前傘足打開——后傘足閉合——前傘足前進——后傘足打開。
（4）由吊環(huán)進行機器人的姿態(tài)調(diào)整自適應(yīng)。
（5）照明（管道中十分黑暗，攝像頭攝像，必須有照明設(shè)施）。
8 電氣控制基本元器件的選取
基于以上電氣運轉(zhuǎn)控制及順序制動的問題分析，根據(jù)管道機器人的使用特點和工作條件，要求：方便，安全，可靠，性能優(yōu)越，價廉，適用于復(fù)雜的環(huán)境條件，體積小，重量輕，可控性能好等，可對元器件進行如下選?。?
8.1 電機的參數(shù)計算與選取
8.1.2 驅(qū)動輪電機的參數(shù)計算
通過對機器人的三維實體建模，以及材料的選取，通過已知密度進行零件分析，查閱資料綜合算的爬行器的總質(zhì)量為:
M=26Kg
通過查閱相關(guān)資料查得橡膠與45#（鋼）之間摩擦系數(shù)為0.15，則取實際計算摩擦系數(shù)為：
最大功率：
輪子承受的壓力為機器人的重力與機腿張開時產(chǎn)生的管壁壓力
（為機器人的重力 ，為機腿對管壁的壓力）
由于工作時，機腿張開的幅度不同，所產(chǎn)生的壓力也不同。為了安全和電機滿足設(shè)計要求的目標，機腿張開對管壁的壓力可取1倍的重力。即：
根據(jù)牛頓第一定律，牛頓第二定律可算得
(14)
根據(jù)要求爬行器在管道內(nèi)的速度為
(15)
為了保證安全系數(shù)為1.5，則實際電機計算功率為：
(16)
8.1.3 主電機參數(shù)計算
主電機通過聯(lián)軸器—絲杠—螺母—滑塊—曲柄(機腿)
通過對曲柄滑塊的分析如圖41
圖41 機腿張合機構(gòu)原理圖
通過采用Solidworks實體分析，可以得出機腿的質(zhì)量及驅(qū)動輪整體的質(zhì)量，即
根據(jù)圖41分析，采取安全計算方法，極限位b時,對機腿進行受力分析如圖42，滑塊的推力最大。
圖42 機腿機構(gòu)受力分析
根據(jù)理論力學(xué)的知識，計算如下：
根據(jù)平行四邊形法則，重力G可分解為,兩個分力。螺母的推力可分
為，兩個分力。
(17)
可規(guī)定螺母速度為則按照安全計算方法，可得螺母功率為：
(18)
(19)
從電機—聯(lián)軸器—絲杠螺母傳動過程中，查《機械傳動手冊》傳遞效率依次為：
，
為了符合安全系數(shù)，和考慮到野外工作電源電壓受時間的變化，電機功率的選應(yīng)以1.2倍的計算功率選取。
(20)
8.1.4 機器人動力源的選取
最終確定驅(qū)動輪電機的功率為，主電機功率為。
根據(jù)以上分析，需選用調(diào)速性能好，可控性高，體積小，容量小并且價廉的直流他勵電動機作為執(zhí)行元件。對于此種直流小功率電機可以查《電機工程手冊》，對于直徑在30毫米以下，功率在100W以下的直流電機一般都中小功率用電機的技術(shù)數(shù)據(jù)，采用鐵氧體永磁ZYT以及Y15Z的圓筒式鋼板外殼電機。
經(jīng)查表對于主電機可以選用額定電壓為24V的ZYT-80/08的直流電機，主要技術(shù)參數(shù)為空載時：轉(zhuǎn)速8200轉(zhuǎn)/分，內(nèi)阻1.0歐姆，電流6.32A；負載下轉(zhuǎn)速：5000轉(zhuǎn)/分，電流0.68A ，效率43%，轉(zhuǎn)矩。
對于驅(qū)動輪電機的選取，根據(jù)電器元件配合的簡單，方便的原則，結(jié)合主電機的額度電壓24V，可以初步選擇小電機額定電壓為24V，查《電機工程手冊》初定為驅(qū)動輪電機選用ZYT20/10型。
8.2 電源的選取
機器人的工作場所一般在野外，戶外對于電源的便攜性，耐久性，可靠性要求較高。所以選用可充電的蓄電池直流電源。它重量輕，體積小，電量大，是較為理想的恒壓源。根據(jù)機器人電機的要求和控制電路的要求，可以選擇主要技術(shù)參數(shù)為電壓24V的直流蓄電池和5V電池組作為機器人的電源。
8.3 電機調(diào)速元件的選取
(21)
對于直流電機的調(diào)速比較簡單，由公式
可知調(diào)速有三種方法：
（1）調(diào)壓調(diào)速U
（2）節(jié)氣隙磁通K
（3）調(diào)節(jié)電樞電路串接電阻調(diào)速
（4）新型調(diào)節(jié)脈寬PWM
對于這種永磁式小容量直流電機磁通量K為定值，調(diào)節(jié)氣隙磁通不現(xiàn)實。采用調(diào)壓調(diào)速對于我們所用的24V直流蓄電池來講也不現(xiàn)實，直流變壓沒有交流變壓簡單，因為這樣設(shè)備較為復(fù)雜，成本上升。所以我們考慮最為簡單的調(diào)速方法和新型PWM型脈寬調(diào)速。
8.3.1 串聯(lián)電阻調(diào)速方法的實現(xiàn)
在電樞電路中串接電阻（滑動變阻器）?？梢赃M行無極調(diào)速，雖然這樣會大大減弱電機的機械特性曲線的硬度，但不失為一種快捷，簡單的變速方法。
串聯(lián)電阻的計算如下：
(22)
對于電機的轉(zhuǎn)速可近似認為
(23)
對于已經(jīng)出廠的電機來講是定值。
(24)
由所選的電機參數(shù)可知，有負載時
(25)
對于加上串聯(lián)電阻后 我們希望得到的調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速為 則有，則有，，0.0482937237A，
由于Ra為理論值，考慮到直流電機采用電樞串聯(lián)電阻調(diào)速會使電機的機械特性曲線大幅變軟，又要保證機器人電機在負載下能正常工作，所以就可用滑動變阻器來進行電阻補償調(diào)速。由以上計算，可選擇滑動變阻器量程為0—1000歐姆的型號。
8.3.2 新型調(diào)節(jié)脈寬PWM型調(diào)速的實現(xiàn)
PWM脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)是近期流行起來的對于直流電機無極調(diào)速的最優(yōu)化的調(diào)速系統(tǒng)。它相比改變電壓電壓，改變磁通參數(shù)，改變電樞電流等具有相當大的優(yōu)越性。脈寬調(diào)制就是使功率放大器中的晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)頻率頻率保持恒定，用調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時間的方法來改變其輸出，從而使電機電樞兩端獲得寬度隨時間變化的給定頻率的電壓脈沖。
其工作原理電樞兩端電壓變化如圖43
圖43 PWM原理圖
PWM主要是通過單片機和晶體管將電壓信號進行調(diào)制轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制。通過調(diào)節(jié)頻率和脈寬使直流電動機的工作時間有一定的空行程比例，我們成為占空比，脈寬的連續(xù)變化，使電樞電壓的平均值也連續(xù)變化，因而使電機轉(zhuǎn)速連續(xù)調(diào)整。
PWM調(diào)速的原理決定了它的電路圖要采用單片機，進行脈寬的控制，和電機的驅(qū)動。
PWM的電路連接圖有很多，不同公司生產(chǎn)的PWM控制電路板不同，本文僅以SG1731電路板為例，其電路圖如圖44
圖44 PWM控制電路圖
其中，驅(qū)動電機的功放一般選用H型橋式開關(guān)放大器，由4個晶體管構(gòu)成換向，放大電路，其電路圖如圖45。
這種電機驅(qū)動電路可以通過激發(fā)不同的晶體管的工作方式，進行電機正反裝控制，電機的調(diào)速。
8.3.3電機調(diào)速方法的確定及元件的確定
通過以上電路的設(shè)計與分析，采用電樞串聯(lián)電阻的調(diào)速方法的特點是：
（1）電路簡單
（2）價格低廉
圖45 H型橋式電路圖
（3）控制方便，沒有延遲現(xiàn)象
（4）電能損耗嚴重
（5）不適合長時間的調(diào)速
采用PWM脈寬調(diào)速方法的特點是：
（1）可調(diào)節(jié)頻帶寬
（2）電流脈動小
（3）電源功率因數(shù)高
（4）電機動態(tài)硬度好
（5）電路復(fù)雜
（6）成本較高
綜合機器人的野外工作環(huán)境，節(jié)約電能是十分重要的，根據(jù)機器人工作時間很長的要求，我們選擇采用PWM脈寬調(diào)節(jié)器。
（注：在此我們已經(jīng)表述出直流電機PWM調(diào)速電路圖，在總設(shè)計電路圖中我們將以方框代表調(diào)速電路）
9 電路設(shè)計
9.1 輪足電機動作的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的電路設(shè)計
對輪足電機進行編號，前足3個電機分別是M1 、M2 、M3，后足3個電機分別是M4， M5， M6。
對于直流電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，主要采用的方法是電樞接線的正接與反接，所以可以借鑒機床電機的正反轉(zhuǎn)接線圖來設(shè)計6個驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)。由于電機容量小，可以直接啟動，所以可以直接用開關(guān)直接控制接線方法。機器人的傘足的設(shè)計，在考慮電機轉(zhuǎn)動方向的同時，因為前后傘足均有一個足要接觸管道的上表面運動，所以要與接觸下表面的兩個輪足的旋向相反才能使三個足同時拉動機器人前進。即有M3與M1、 M2旋向相反，M6與M4、 M5的旋向相反。如圖46所示的控制電路，為完成驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)動作的電路。
（注：電路中，調(diào)速PWM控制省略不畫，在以后的總電路圖中調(diào)速電路畫出）
電路中，用三位開關(guān)，左接通為正傳，右接通為反轉(zhuǎn)，中位為停止。這種電路方便，簡單，較易控制。適合這種低壓電氣控制電路，并且廉價。
9.2 前后傘足的張開閉合電路設(shè)計
圖46 驅(qū)動輪電機控制接線圖
對于前后傘足要求能張開和閉合。為此，
要求電機能帶動螺旋絲杠進行正、反轉(zhuǎn)?？梢匝赜抿?qū)動電機的接線思路，借鑒機床電氣控制的接線方法，采用反接的方法進行正反轉(zhuǎn)控制。如圖47所示。
這種電路簡單易接，沒有延遲現(xiàn)象，可以滿足較快和較慢的調(diào)速需求，較為理想。
圖47 前后傘足的張開閉合控制電路
圖47
9.3 電機部分總電路設(shè)計
綜合圖46、圖47 的電路設(shè)計可得電機部分總電路圖如圖48所示。
圖48 各電機控制總電路
機器人中電機由8個，電機較多，采用一個電源顯然不能滿足電機的能量消耗，所以采用2個電源同時供電能滿足電機的長時間工作的要求。Q1、 Q2 、Q3 、Q4、Q5、Q6均為3位開關(guān)，對于開關(guān)左位接通為反轉(zhuǎn)，右位接通為正轉(zhuǎn)。中位為斷路。
9.4 電機順序動作的電路設(shè)計
由轉(zhuǎn)彎的方法可以分離出電機的順序動作有：
電機M7反轉(zhuǎn)---電機M4、 M5、 M6 前進---電機M7正轉(zhuǎn)---電機M8反轉(zhuǎn)---電機M1、 M2、 M3 正轉(zhuǎn)---電機M8 正轉(zhuǎn)。
對于電機的順序動作由現(xiàn)代控制 理論我們可以由以下幾種選擇：
圖49 邏輯控制一
(1)采用手動開關(guān)通過攝像頭觀察，人為進行控制。
(2)采用傳統(tǒng)的電磁電氣控制電路進行邏輯控制。
(3)采用單片機/PLC進行自動控制。
9.4.1 人為控制
若采用第一種方法控制， 如圖48所示，這種電路可以進行人為的進行電機的順序動作控制，先閉合開關(guān)Q1的左邊再斷開--閉合Q2的右邊再斷開--閉合Q1的右邊再斷開--閉合Q3的左邊再斷開--閉合Q4的右邊再斷開--閉合Q3的右邊再斷開。
9.4.2 邏輯控制
若采用第二種控制方法，可以參考機床電氣控制的經(jīng)典電路作出如圖49 ，圖50
圖50邏輯控制二
組成的由電磁鐵，繼電器組成的電磁控制電路，
采用時間繼電器來控制元件的順序動作
（6個KT）通過不同的KT得電實現(xiàn)6個順序動作，時間繼電器KT的延時為5秒，也可以根據(jù)不同的伸縮要求設(shè)定動作時間。KM1控制步驟1，KM2控制步驟2，KM3控制步驟3，KM4控制步驟4，KM5控制步驟5，KM6控制步驟6。
9.4.3 單片機/PLC進行自動控制
考慮采用單片機/PLC自動控制電路，可以把順序動作分解為由不同的使能端輸出，由一個初始激發(fā)信號，來使PLC上電，同時執(zhí)行程序從而輸出各個電信號，各個電信號來驅(qū)動各執(zhí)行原件控制電機的動作，如圖51所示為由I/O端口分配接線圖，PLC端口分配表1如下：
表1 I/O口分配表
輸入
輸出
轉(zhuǎn)彎啟動X0
前傘閉合Y1
后傘足前進Y2
前傘打開Y3
后傘閉合Y4
前傘足前進Y5
后傘足打開Y6
如圖52為電機主回路接線圖，如圖53為PLC程序梯形圖構(gòu)成的PLC組合控制電路。
圖51 I/O端口分配接線圖 圖52 電機主回路接線圖
圖53 PLC程序梯形圖構(gòu)成的PLC組合控制電路
（1）電路分析：對于圖51所示I/O接線圖由SB1閉合、PLC上電發(fā)出啟動程序指令，由X0端口接收。由圖所示程序梯形圖的執(zhí)行程序可以進行順序的動作執(zhí)行，通過定時器來設(shè)定元件的接電時序來輸出電信號。使Y1、 Y2 、Y3 、Y4 、Y5 、Y6按順序得電（共6步），其中Y1、 Y2 、Y3 、Y4 、Y5 、Y6依次控制轉(zhuǎn)彎時各電機的順序動作，并由KM1、 KM2 、KM3 、KM4、 KM5、 KM6依次執(zhí)行元件執(zhí)行動作。由圖52所示電機主回路接線圖可以進行執(zhí)行元件的直接執(zhí)行動作，由KM1、 KM2 、KM3 、KM4 、KM5 、KM6觸點的接通和斷開來直接驅(qū)動電機的順序動作。
電路的比較與選擇如下：
①對于如圖48所示電路，它的優(yōu)點是方便，簡單，結(jié)構(gòu)精煉。但要人為的控制，并且步驟復(fù)雜，開關(guān)較多，操作麻煩。
②對于如圖49，50所示電路圖，它的優(yōu)點是能夠由一個激勵信號完成所有的順序動作，操作簡單，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且繼電器電路一般需要24V以上的電源配合，還要連接各個觸點，對于管道機器人的電路系統(tǒng)要求不符合，還要重新配置電氣系統(tǒng)，配置控制箱，系統(tǒng)龐大，不太符合野外工作要求。
③對于如圖51，52，53所示電路圖，可以用PLC進行自動化控制，一般PLC也需要24V的電源配合，并且價格較高，并且需要KM接觸器來進行控制執(zhí)行，并且各種管道的小徑不同，不能通過簡單的設(shè)定延時來控制傘足的張開和閉合。用在這種機器人身上顯然大材小用了。
④通過以上電路的比較以及管道爬行機器人的工作要求及條件，我們選用人為手動開關(guān)控制轉(zhuǎn)彎動作，并且可以隨時調(diào)整，采用這種控制方法可以省略很多元器件，節(jié)約線材，簡單快捷，價格低廉，適合低壓控制電路，并且可以隨意的人為執(zhí)行動作，適合不同的工作環(huán)境下的動作執(zhí)行，接線簡單，采用手柄式控制盒布線體積較小，重量輕，適合任何電源，具有一定的通用性。
9.5 照明系統(tǒng)的電路設(shè)計
照明電路選用2個24v的熒光燈并聯(lián)在電源上即可。如圖54所示。
圖54 照明電路
9.6 管道內(nèi)機器人定位系統(tǒng)（PDPS）的設(shè)計
在機器人工作時，通過人眼觀察攝像頭傳輸?shù)男畔泶_定管道是否破損，需要對機器人進行管道中的定位來確定管道破損處的定位。
9.6.1 爬行器管道內(nèi)定位方案的提出與分析
根據(jù)所學(xué)的電路及信號方面的知識。大致列出機器人管道中定位方案如下：
方案一：可根據(jù)工業(yè)過程控制中，常用的小車模型中的確定小車位置的行程開關(guān)或感光元件（光敏管、發(fā)光二極管、感光二極管）進行編號，對機器人經(jīng)過時進行信號的傳輸，來確定機器人在管道中的位置。
方案二：可以借鑒通信運營商的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，自行設(shè)計無線傳輸通信系統(tǒng)，對機器人進行安裝信號源，通過外部的全局的信號接受，來確定機器人的確切的位置。（即小型的管道用GPS）。
方案三：對于管道機器人的特殊性，可以變相的認為管道機器人就是一列小型的有軌火車，則可以模仿火車調(diào)度室的火車運行定位方案進行管道機器人定位的設(shè)計。
方案四：由于管道是封閉的，有固定路徑的，可以仿出租車的里程計算系統(tǒng)來直接計算出機器人的行程長度，通過計算里程和比對管道線路工程圖來間接的確定機器人的準確位置。
對于方案一那就必須把管道內(nèi)部按照一定的步距安裝一定密度的敏光管或感光二極管等感應(yīng)器，信號反饋線路（有線或無線），外接串口或并口。對感應(yīng)器進行編號，由個編號的感應(yīng)器發(fā)出的信號來確定機器人所在的大致位置。根據(jù)機器人的大致位置，和攝像頭所發(fā)出的視頻信號人為的判斷管道是否破損，對破土進行管道維修提供破損定位。
對于方案二可以在管道機器人上安裝衛(wèi)星定位器，借助通信運營商進行衛(wèi)星結(jié)合管道的布局圖進行定位（類似于車載衛(wèi)星定位GPS，可以把道路看做管道線路，把車看成管道爬行機器人）。其衛(wèi)星定位原理如圖55，運用到機器人上形成的上位機展示圖如圖56。
圖55 衛(wèi)星定位原理 圖56 上位機仿真圖像
圖57 列車運行圖
對于方案三基于有軌列車的軌道行進過程中。可以組建列車線路網(wǎng)，基于列車線路網(wǎng)這個平臺進行列車行駛位置的監(jiān)控。如圖57。對于火車的調(diào)度及運行定位可以查到，系統(tǒng)采用以GPS定位為主，以相關(guān)信息為輔的定位方式，通過車載計算機實時對系統(tǒng)各功能模塊信息的交互，完成對機車運行全過程的信息采集，進而實現(xiàn)對機車運況的監(jiān)測。同時應(yīng)用無線通訊手段與地面設(shè)備相結(jié)合，由此實現(xiàn)地面各單位對線路上機車運況全過程的跟蹤、監(jiān)測。并據(jù)此可以為建立各種信息平臺提供詳實、可靠的信息資源。
由此啟發(fā)，可以火車線路網(wǎng)換成管道線路網(wǎng)，把火車換成管道爬行機器人。運用無線反饋設(shè)備，對機器人進行實時監(jiān)控。
對于方案四我們已知管道線路，已知管道各段的長度，以及管道的路徑。就可以根據(jù)機器人運行的參考量來斷定機器人在管道中的具體位置。
確定機器人位置的參考量有很多，比如路程，位移，時間，管道內(nèi)部標志等等，通過對參考量的分析，顯然用位移，時間，管道內(nèi)部標志來確定機器人的位置比較粗略，精度相當不高。用路程來衡量機器人在管道中的位置比較合適，精度適中。那就必須在機器人上安裝里程計（由于管道的長度不像城市的道路那么長，所以里程計的精度必須要達到0.1m），通過測量運行的距離，反映到譯碼管上，讀出機器人運動的距離，通過機器人移動的距離可以與通過管道線路的對比就可標出出機器人的確切位置。機器人管道內(nèi)模擬圖如圖58
圖58 機器人管道內(nèi)定位模擬圖
9.6.2 機器人定位系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計
通過以上的分析，我們根據(jù)機器人的工作條件，和野外工作狀況，以及成本低廉，制作簡單，方便攜帶的原則，可以選擇采用里程式機器人管道內(nèi)定位系統(tǒng)。
圖59 里程計原理圖
里程式系統(tǒng)的原理是采用確定機器人的移動距離來