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本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
論文題目：管道爬行器的研究與設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：
所在院系： 機(jī)電學(xué)院
所學(xué)專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
導(dǎo)師姓名：
完成時(shí)間：
摘 要
本課題是在對(duì)管道爬行器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)研究分析的基礎(chǔ)上。本次設(shè)計(jì)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(jìn)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(guò)電氣控制，使各電機(jī)順序動(dòng)作以完成通過(guò)十字型和丁字型等較復(fù)雜的管道,通過(guò)新型吊環(huán)的調(diào)節(jié)始終保持?jǐn)z像裝置與水平面的平行。對(duì)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(jì)電氣部分的控制電路，最終方案采用人工控制電機(jī)的順序動(dòng)作進(jìn)行管道內(nèi)的轉(zhuǎn)彎，里程計(jì)反饋信息與管道工程圖相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)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(jì)方案初步分析 2
2.1 無(wú)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(dòng)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(jìn)行調(diào)整 3
2.3.2 利用吊籃方式進(jìn)行調(diào)整 4
2.3.3 采用新式吊籃進(jìn)行調(diào)整 4
2.4 自適應(yīng)分析 4
2.4.1 伸縮臂長(zhǎng)和加彈簧方式 5
2.4.2 伸縮臂長(zhǎng)和“傘”型搖桿 5
2.5 方案的基本確定 5
3 方案一的設(shè)計(jì)與分析 5
3.1 機(jī)身的設(shè)計(jì) 6
3.2 機(jī)腿的設(shè)計(jì) 6
3.2.1 伸縮單元 7
3.2.2 變長(zhǎng)單元 8
3.2.3 關(guān)節(jié)單元 8
3.3 驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì) 8
3.4 方案一的分析 9
4 方案二的設(shè)計(jì)與分析 9
4.1 機(jī)身的設(shè)計(jì) 9
4.2 機(jī)身內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
4.3 進(jìn)給螺桿與螺母的設(shè)計(jì) 10
4.4 吊籃的設(shè)計(jì) 10
4.5 機(jī)腿的設(shè)計(jì) 11
4.6 方案二的分析 11
5 方案三的設(shè)計(jì)與分析 12
5.1 機(jī)身的設(shè)計(jì) 12
5.2 機(jī)身內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13
5.2.1 進(jìn)給絲杠和螺母的設(shè)計(jì) 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(jì) 18
5.4 軸承的設(shè)計(jì) 18
5.5 機(jī)腿的設(shè)計(jì) 19
5.6 驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì) 19
5.7 管道爬行的實(shí)現(xiàn) 20
5.8 管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎的實(shí)現(xiàn) 20
5.9 總體裝配體設(shè)計(jì) 21
6 管道爬行機(jī)器人的功能分析 21
7 管道爬行機(jī)器人的動(dòng)作分析 22
8 電氣控制基本元器件的選取 22
8.1 電機(jī)的參數(shù)計(jì)算與選取 22
8.1.2 驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的參數(shù)計(jì)算 22
8.1.3 主電機(jī)參數(shù)計(jì)算 23
8.1.4 機(jī)器人動(dòng)力源的選取 24
8.2 電源的選取 24
8.3 電機(jī)調(diào)速元件的選取 25
8.3.1 串聯(lián)電阻調(diào)速方法的實(shí)現(xiàn) 25
8.3.2 新型調(diào)節(jié)脈寬PWM型調(diào)速的實(shí)現(xiàn) 26
8.3.3電機(jī)調(diào)速方法的確定及元件的確定 27
9 電路設(shè)計(jì) 28
9.1 輪足電機(jī)動(dòng)作的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的電路設(shè)計(jì) 28
9.2 前后傘足的張開閉合電路設(shè)計(jì) 28
9.3 電機(jī)部分總電路設(shè)計(jì) 29
9.4 電機(jī)順序動(dòng)作的電路設(shè)計(jì) 30
9.4.1 人為控制 30
9.4.2 邏輯控制 30
9.4.3 單片機(jī)/PLC進(jìn)行自動(dòng)控制 31
9.5 照明系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 32
9.6 管道內(nèi)機(jī)器人定位系統(tǒng)（PDPS）的設(shè)計(jì) 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(jī)器人定位系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計(jì) 35
10 結(jié)論 36
11 結(jié)束語(yǔ) 37
致謝 38
參考文獻(xiàn) 38
39
1 緒論
隨著社會(huì)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(lái)越多。在我國(guó)及世界各個(gè)國(guó)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(hù)造成了很大的困難。當(dāng)這些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等問(wèn)題時(shí)，人們普通的做法是挖開道路進(jìn)行維修，有些時(shí)候如果不能準(zhǔn)確判斷泄露和堵塞的具體位置時(shí)，會(huì)浪費(fèi)很多的時(shí)間和精力，同時(shí)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(yùn)行安全,管道工程都要對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)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(cè)方法是采用無(wú)損檢測(cè),如超聲、射線、渦流等。對(duì)于管路檢測(cè),則大多采用管道內(nèi)爬行探傷檢驗(yàn)設(shè)備(簡(jiǎn)稱爬行器) 對(duì)焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)。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(cè)過(guò)程中,爬行器在其控制系統(tǒng)的控制下,可連續(xù)對(duì)同一管道不同位置上的焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。考慮管道焊縫檢測(cè)的效率,常常當(dāng)管道焊接具有一定長(zhǎng)度之后,才集中對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)。如果一次要檢測(cè)的管道比較長(zhǎng),爬行器的控制系統(tǒng)應(yīng)采用車載式布置。使用時(shí),通過(guò)外部的控制器對(duì)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(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，以及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和管道測(cè)試等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相互之間的滲透程度越來(lái)越深，管道爬行機(jī)器人是在狹窄空間中進(jìn)行精密操作、檢測(cè)或作業(yè)的機(jī)器人系統(tǒng)。其中機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境一般是危險(xiǎn)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(dòng)維修存在一定難度。僅以核電站為例，檢查時(shí)工人勞動(dòng)條件惡劣。因此管道內(nèi)機(jī)器人化自動(dòng)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(hù)管道時(shí)挖開道路，節(jié)省了大量的人力，物力和財(cái)力。
目前的管道機(jī)器人都是以履帶、輪子等實(shí)現(xiàn)在管道中的移動(dòng)，其技術(shù)有著或多或少的缺陷，市場(chǎng)尚不成熟。例如：不能適應(yīng)大范圍的管道內(nèi)徑變化，運(yùn)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(guò)等等；結(jié)合目前管道機(jī)器人所存在的缺點(diǎn)，應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理等專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)出了新型管道爬行機(jī)器人。此機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的管道內(nèi)徑變化，順利通過(guò)十字型、丁字型等較復(fù)雜管道；在運(yùn)行中的姿態(tài)調(diào)整也得到了較好的解決。
2 設(shè)計(jì)方案初步分析
2.1 無(wú)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(jī)器人尾部裝夾電纜、信號(hào)線、安全繩、其他電路等等，這樣會(huì)造成機(jī)器人的牽引力增大，對(duì)爬行器的負(fù)載力和足輪的摩擦力提出了更高的要求，尤其是隨著機(jī)器人的深入，牽引繩會(huì)成為機(jī)器人的累贅和枷鎖。牽引繩的長(zhǎng)短禁錮著機(jī)器人的爬行深度。其優(yōu)缺點(diǎn)如下：
缺點(diǎn)：附著力會(huì)不斷增大，爬行器負(fù)載變化大，不利于長(zhǎng)距離爬行。
優(yōu)點(diǎn)：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(shí)清晰，利于后期觀察，也利于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。觀察結(jié)束時(shí)，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(chǔ)功能，并且本身攜帶電源等，其優(yōu)缺點(diǎn)如下：
缺點(diǎn)：爬行器本身載重加大，需設(shè)計(jì)爬行器退出管道方式等。
優(yōu)點(diǎn)：爬行器載重恒定，便于爬行器爬行。其在管道內(nèi)行進(jìn)方便，尤其在彎道時(shí)，拖曳式的過(guò)大的牽引力會(huì)使爬行器驅(qū)動(dòng)輪打滑，不易通過(guò)。
根據(jù)要求，非拖曳雖有自己強(qiáng)大優(yōu)點(diǎn)，但爬行器在管道內(nèi)出現(xiàn)問(wèn)題而不能移動(dòng)時(shí)，需要花費(fèi)很大力氣將爬行器取出。
可以選擇有線拖拽式。
2.2 驅(qū)動(dòng)方式選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)要求現(xiàn)擬訂2種爬行器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)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(jì)制造簡(jiǎn)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(jì)制造較復(fù)雜，成本相應(yīng)提高（一個(gè)支點(diǎn)最少需4輪才可以爬行）[3]。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求本機(jī)器人是在管道內(nèi)行走的機(jī)器人，無(wú)需考慮臺(tái)階等障礙物的問(wèn)題，盡量降低成本，在不影響設(shè)計(jì)本身功能時(shí)，盡可能采用制造工藝簡(jiǎn)單，成本低的設(shè)計(jì)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(jìn)行調(diào)整
在管道爬行時(shí)會(huì)出現(xiàn)爬行器偏移原來(lái)軌道，可用傾斜傳感器進(jìn)行控制。現(xiàn)擬訂采用改變輪子（履帶）前進(jìn)方向一定角度來(lái)進(jìn)行矯正（加關(guān)節(jié)）。
其原理為：通過(guò)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(guò)關(guān)節(jié)調(diào)整可實(shí)現(xiàn)如圖5：
圖5 關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)
2.3.2 利用吊籃方式進(jìn)行調(diào)整
在爬行器內(nèi)安裝吊籃（內(nèi)置攝像觀察裝置）。當(dāng)爬行器偏斜時(shí)，吊蘭因?yàn)楹蜋C(jī)座為鉸鏈連接，保留一個(gè)自由度，由于重力的原因不會(huì)隨著爬行器偏斜而偏斜，而是在任何時(shí)候都垂直與地面。其在爬行器內(nèi)遇到傾斜時(shí)的自動(dòng)調(diào)節(jié)如圖6。
通過(guò)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(shí)現(xiàn)
2.3.3 采用新式吊籃進(jìn)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(gè)偏心圓環(huán)相扣，進(jìn)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(dòng)并不能帶動(dòng)大環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并且大環(huán)會(huì)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(hào)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(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)桿，小范圍內(nèi)在支撐臂上添加彈簧。
2.4.2 伸縮臂長(zhǎng)和“傘”型搖桿
在400—1100大范圍內(nèi)的管道中爬行，可通過(guò)使支架伸縮來(lái)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(shí)可通過(guò)“傘”型搖桿閉合控制支撐臂移動(dòng)以適應(yīng)，通過(guò)“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(diǎn)，相比較下，第2種方案更符合要求，但其需要獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)單元，因此制造成本遠(yuǎn)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(jìn)一步進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。
2.5 方案的基本確定
通過(guò)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(jì)3種總體方案再進(jìn)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(zhǎng)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(jì)與分析
綜合設(shè)計(jì)方案一如圖9.
本方案基本有3部分組成，1機(jī)身、2機(jī)腿、3驅(qū)動(dòng)輪。
圖9 方案一的三維效果圖
3.1 機(jī)身的設(shè)計(jì)
可裝載各種探測(cè)設(shè)備等，如圖10。
圖10 機(jī)身
3.2 機(jī)腿的設(shè)計(jì)
由9部分組成，其三維圖與爆炸圖如圖11。機(jī)腿可分為3個(gè)單元：伸縮單元（1-5）、變長(zhǎng)單元（6）、關(guān)節(jié)單元（7-10）。通過(guò)螺紋連接。其爆炸圖如圖11。三維轉(zhuǎn)配圖如圖12。
圖11 機(jī)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(zhǎng)桿
圖12 機(jī)腿裝配圖
3.2.2 變長(zhǎng)單元
6為變長(zhǎng)桿，可以人為的更換（增長(zhǎng)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(guò)傾斜傳感器對(duì)爬行器進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)爬行器偏移其原軌道，傾斜傳感器發(fā)出電信號(hào)，此時(shí)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(hào)，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(jìn)。7、9分別用于爬行器的左、右校正。
3.3 驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)輪由5部分組成，如圖16
圖16 驅(qū)動(dòng)輪三維圖與爆炸圖
(1)聯(lián)接塊用于與驅(qū)動(dòng)輪與關(guān)節(jié)單元的聯(lián)接。
(2)電動(dòng)機(jī)箱安裝步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)。用以驅(qū)動(dòng)輪子。
3.4 方案一的分析
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低廉，對(duì)管道內(nèi)徑變化不大和彎道較少時(shí)基本能滿足設(shè)計(jì)要求。
缺點(diǎn)：該爬行器在爬行器由于機(jī)身是長(zhǎng)方體，在管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎時(shí)，會(huì)出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象，在爬行十字型、丁字型管道內(nèi)徑時(shí)會(huì)出現(xiàn)在機(jī)腿卡在管道中，驅(qū)動(dòng)輪懸空等情況；但該種情況，一般當(dāng)輪子半徑大于管道壁厚，也能順利通過(guò)。
4 方案二的設(shè)計(jì)與分析
根據(jù)方案一的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，增加必要改良元素，現(xiàn)設(shè)計(jì)出方案二，如圖17。本方案由3部分組成：1機(jī)身，2機(jī)腿，3驅(qū)動(dòng)輪。
圖17 方案二的三維圖
4.1 機(jī)身的設(shè)計(jì)
機(jī)身設(shè)計(jì)成筒狀機(jī)身和其他部件組成。如圖18.
圖18 機(jī)壁三維圖
4.2 機(jī)身內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)身內(nèi)部主要完成“傘”足的張合傳動(dòng)，以及吊籃的安裝。如圖19。
圖19 機(jī)身內(nèi)部三維圖
4.3 進(jìn)給螺桿與螺母的設(shè)計(jì)
為使機(jī)腿伸縮，采用螺旋傳動(dòng)，該類型傳動(dòng)是利用螺桿（絲杠）和螺母組成的螺旋副來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。在爬行器中其工作原理為：進(jìn)給螺桿在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從而使螺母進(jìn)行水平移動(dòng)。螺母用來(lái)推動(dòng)機(jī)腿的伸縮，使爬行器進(jìn)行自適應(yīng)伸縮如圖20。
圖20 絲杠螺母運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
4.4 吊籃的設(shè)計(jì)
吊籃的活動(dòng)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(dòng)。其機(jī)構(gòu)圖如圖21，22。
其工作原理為，在重力的作用下。吊籃通過(guò)活動(dòng)關(guān)節(jié)始終保持與地面的水平?；顒?dòng)關(guān)節(jié)由一活動(dòng)銷聯(lián)結(jié)。吊籃通過(guò)螺母固定在機(jī)身上。
圖21 吊籃三維圖 圖22吊籃示意圖
4.5 機(jī)腿的設(shè)計(jì)
機(jī)腿的三維造型如圖23
圖23 機(jī)腿三維圖
機(jī)腿通過(guò)關(guān)節(jié)1、2、3的伸縮進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。連接桿與推動(dòng)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(diǎn)：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(jiǎn)單。
缺點(diǎn)：由于機(jī)身為一個(gè)圓筒（整體，過(guò)長(zhǎng)），不能完全適應(yīng)彎道的轉(zhuǎn)彎。吊籃安裝在機(jī)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(jī)身的制造復(fù)雜，孔系較多。
5 方案三的設(shè)計(jì)與分析
根據(jù)方案一，二的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合整理資料，經(jīng)過(guò)反復(fù)修改，提出新的設(shè)計(jì)思路，先設(shè)計(jì)出方案三，如圖24。本方案有3部分組成，1機(jī)身、2機(jī)腿、3驅(qū)動(dòng)輪。
圖24 方案三的三維圖
5.1 機(jī)身的設(shè)計(jì)
機(jī)身主要有兩部分構(gòu)成，即前機(jī)身和后機(jī)身，對(duì)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(jì)出有兩節(jié)機(jī)身組成的機(jī)車型爬行器，減小機(jī)身長(zhǎng)度，有利于機(jī)器人順利通過(guò)彎道，為減輕重量，機(jī)身材料選用硬鋁。
5.1.1機(jī)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(jì)機(jī)身內(nèi)徑為150mm，外徑為200mm機(jī)壁厚度最小處為10mm。機(jī)壁與機(jī)腿之間只是做簡(jiǎn)單的伸縮動(dòng)作，前后機(jī)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(jī)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(jī)身內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)為機(jī)腿運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在這里運(yùn)用絲杠和螺母結(jié)構(gòu)完成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。并推動(dòng)機(jī)腿的張合。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖27
5.2.1 進(jìn)給絲杠和螺母的設(shè)計(jì)
為使機(jī)腿伸縮，采用螺旋傳動(dòng)，該類型傳動(dòng)是利用螺桿（絲杠）和螺母組成的螺旋副來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。
圖27 絲杠螺母裝配圖
在爬行器中其工作原理為：進(jìn)給螺
桿在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
從而使螺母進(jìn)行水平移動(dòng)。螺母用來(lái)推動(dòng)機(jī)腿的張合，使爬行器進(jìn)行自適應(yīng)張合。
A初步確定螺桿桿軸的最小軸徑
按《機(jī)械設(shè)計(jì)》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(jī)械設(shè)計(jì)》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(jī)取P=89W n=30r/min
B求取軸向力
按照自鎖條件先求出當(dāng)量摩擦角，查《機(jī)械設(shè)》表5-12知螺旋副材料中鋼對(duì)鋼的摩擦系數(shù)，取中間值0.15，則當(dāng)量摩擦角
(2)
則
在此按最大值計(jì)算，取
C耐磨性計(jì)算
滑動(dòng)螺旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動(dòng)速度、螺紋表面粗糙度以及潤(rùn)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(dòng)螺旋的耐磨性計(jì)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(jì)算用。將代入上式整理后得
(4)
a計(jì)算螺桿中徑
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》第97頁(yè)，由于工作圈數(shù)不多，故取
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》第97頁(yè)表5-12取 則
因?yàn)榘醇羟袕?qiáng)度計(jì)算的最小直徑為15.28mm ，由d2=26mm根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)算工作壓強(qiáng)
(8)
D驗(yàn)算自鎖
自鎖條件，對(duì)于單線螺紋，為當(dāng)量摩擦角等于。
則：
自鎖條件滿足。
E螺桿強(qiáng)度計(jì)算
螺桿工作時(shí)承受軸向壓力（或拉力）F和扭轉(zhuǎn)T的作用。螺桿危險(xiǎn)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(qiáng)度時(shí)應(yīng)根據(jù)第四強(qiáng)度理論求出危險(xiǎn)截面的計(jì)算應(yīng)力，其強(qiáng)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表34.2-10知=80，故螺桿強(qiáng)度滿足。
F螺紋牙強(qiáng)度
(1)螺紋牙寬度
(2)螺桿的強(qiáng)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(qiáng)度低于螺桿，故只需校核螺母螺紋牙的強(qiáng)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(xiǎn)截面a－a的剪切強(qiáng)度條件為
(10)
螺紋牙危險(xiǎn)截面a－a的彎曲強(qiáng)度條件為
(11)
式中：b ——螺紋牙根部的厚度，單位為mm，對(duì)于矩形螺紋，b＝0.5P，對(duì)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(jiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表5-13；
——螺母材料的許用彎曲應(yīng)力，單位為MPa，見(jiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表5-13；
a.抗剪強(qiáng)度
其中查 《機(jī)械設(shè)計(jì)》表5-13 并計(jì)算得=48MPa
b.抗彎強(qiáng)度
其中查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表5-13經(jīng)計(jì)算知=80MPa。
(3)絲母的強(qiáng)度校核
a.抗剪強(qiáng)度
其中查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-3知。
b.抗彎強(qiáng)度
其中查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-3知=80MPa。故絲母強(qiáng)度滿足。
綜上計(jì)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(jī)械傳動(dòng)中重要的軸系部件。主要用來(lái)聯(lián)接兩軸(有時(shí)也實(shí)現(xiàn)軸與其它轉(zhuǎn)動(dòng)零件的聯(lián)接)，使之一起轉(zhuǎn)動(dòng)并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。兩軸用聯(lián)軸器聯(lián)接， 只有停機(jī)并經(jīng)拆卸才能分離；采用聯(lián)軸器可把整機(jī)分成若干部件，便于機(jī)器的 設(shè)計(jì)、制造、裝拆及運(yùn)輸；聯(lián)軸器大都已標(biāo)難化、系列化，因此主要問(wèn)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(jī)械傳動(dòng)部分的動(dòng)力傳遞原件，在選擇時(shí)要求其符合傳遞扭矩的要求。且鍵已被國(guó)家定位標(biāo)準(zhǔn)件，在此主要進(jìn)行間的選擇和校核。
根據(jù)軸的直徑，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》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(zhǎng)度，mm
d——軸的直徑，mm
可計(jì)算得：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6-2 靜載荷時(shí)
可知所選的圓頭平鍵符合條件
5.3 吊環(huán)的設(shè)計(jì)
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(dá)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(jì)
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(dòng)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(jì)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(jī)腿的設(shè)計(jì)
其三維裝配圖，爆炸圖如圖33，34。
圖33 機(jī)腿裝配圖
圖34 機(jī)腿爆炸圖
機(jī)腿通過(guò)關(guān)節(jié)1、2、3的伸縮進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。連接桿與推動(dòng)盤連結(jié)。連接桿與機(jī)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(dòng)輪的設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)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(dòng)輪裝配和爆炸如圖35，圖36。原動(dòng)力電動(dòng)機(jī)的選擇與計(jì)算在機(jī)器人的電氣控制研究設(shè)計(jì)部分完成。
圖35 驅(qū)動(dòng)輪裝配體 圖36 驅(qū)動(dòng)輪爆炸視圖
5.7 管道爬行的實(shí)現(xiàn)
圖37 管道內(nèi)爬行實(shí)現(xiàn)
5.8 管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎的實(shí)現(xiàn)
在十字型管道內(nèi)爬行時(shí)，會(huì)遇到驅(qū)動(dòng)輪懸空，并可能被卡住的情況。此時(shí)，在通過(guò)攝像觀測(cè)裝置觀測(cè)到該種情況時(shí)，工作人員通過(guò)控制機(jī)身電機(jī)，進(jìn)給螺桿開始轉(zhuǎn)動(dòng)，使螺母水平移動(dòng)，從而使機(jī)腿伸縮，以通過(guò)該類型管道，如圖36。
其控制過(guò)程框圖如圖37。程序中控制由現(xiàn)場(chǎng)工作人員控制，通過(guò)對(duì)機(jī)身電機(jī)的控制，以實(shí)現(xiàn)機(jī)腿的伸縮。這里只是敘述了爬行器前半身過(guò)復(fù)雜管道的控制過(guò)程圖，再后半身過(guò)復(fù)雜管道時(shí)，基本類似，故不在贅述。
圖38 管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎實(shí)現(xiàn)
圖39 轉(zhuǎn)彎控制電機(jī)流程圖
機(jī)器人的電氣電路控制設(shè)計(jì)將在本文的第六部分進(jìn)行闡述。
5.9 總體裝配體設(shè)計(jì)
根據(jù)SolidWorks三維造型和各零件的設(shè)計(jì)，現(xiàn)設(shè)計(jì)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(jī)器人的功能分析
根據(jù)管道機(jī)器人的機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，要求：這種傘型6足的爬行器在管道中要完成前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)彎以及前傘，后傘的張開和閉合等動(dòng)作，管道機(jī)器人在工作條件下需要有較強(qiáng)勁的動(dòng)力，較好的可控性，能夠在管道內(nèi)確定自己的位置，來(lái)精確的定位的PDPS（Piping Disrepair Position System）
管道破損處定位系統(tǒng)，由機(jī)器人的位置來(lái)確定管道破損的確切位置。要求較小的體積以及較簡(jiǎn)單的電路。
根據(jù)機(jī)器人的動(dòng)作要求可以把管道機(jī)器人的動(dòng)力源設(shè)計(jì)為：
（1）由6個(gè)電機(jī)來(lái)控制機(jī)器人的爬行（前進(jìn)，后退）采用的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。
（2）由2個(gè)電機(jī)來(lái)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(jī)器人的轉(zhuǎn)彎等，必須要求前后傘足的張開及閉合為獨(dú)立事件，相互不干擾才能完成轉(zhuǎn)彎時(shí)傘足的獨(dú)立動(dòng)作。
7 管道爬行機(jī)器人的動(dòng)作分析
管道爬行機(jī)器人主要完成的動(dòng)作有：
（1）六輪的驅(qū)動(dòng)（前進(jìn)，后退，調(diào)速）。
（2）傘足的張開和閉合（前后相對(duì)獨(dú)立）。
（3）管道中的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作順序：前傘足閉合——后傘足前進(jìn)——前傘足打開——后傘足閉合——前傘足前進(jìn)——后傘足打開。
（4）由吊環(huán)進(jìn)行機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)控制及順序制動(dòng)的問(wèn)題分析，根據(jù)管道機(jī)器人的使用特點(diǎn)和工作條件，要求：方便，安全，可靠，性能優(yōu)越，價(jià)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(duì)元器件進(jìn)行如下選取：
8.1 電機(jī)的參數(shù)計(jì)算與選取
8.1.2 驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的參數(shù)計(jì)算
通過(guò)對(duì)機(jī)器人的三維實(shí)體建模，以及材料的選取，通過(guò)已知密度進(jìn)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(guò)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(shí)際計(jì)算摩擦系數(shù)為：
最大功率：
輪子承受的壓力為機(jī)器人的重力與機(jī)腿張開時(shí)產(chǎn)生的管壁壓力
（為機(jī)器人的重力 ，為機(jī)腿對(duì)管壁的壓力）
由于工作時(shí)，機(jī)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(jī)滿足設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)，機(jī)腿張開對(duì)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(shí)際電機(jī)計(jì)算功率為：
(16)
8.1.3 主電機(jī)參數(shù)計(jì)算
主電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器—絲杠—螺母—滑塊—曲柄(機(jī)腿)
通過(guò)對(duì)曲柄滑塊的分析如圖41
圖41 機(jī)腿張合機(jī)構(gòu)原理圖
通過(guò)采用Solidworks實(shí)體分析，可以得出機(jī)腿的質(zhì)量及驅(qū)動(dòng)輪整體的質(zhì)量，即
根據(jù)圖41分析，采取安全計(jì)算方法，極限位b時(shí),對(duì)機(jī)腿進(jìn)行受力分析如圖42，滑塊的推力最大。
圖42 機(jī)腿機(jī)構(gòu)受力分析
根據(jù)理論力學(xué)的知識(shí)，計(jì)算如下：
根據(jù)平行四邊形法則，重力G可分解為,兩個(gè)分力。螺母的推力可分
為，兩個(gè)分力。
(17)
可規(guī)定螺母速度為則按照安全計(jì)算方法，可得螺母功率為：
(18)
(19)
從電機(jī)—聯(lián)軸器—絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)過(guò)程中，查《機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》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(shí)間的變化，電機(jī)功率的選應(yīng)以1.2倍的計(jì)算功率選取。
(20)
8.1.4 機(jī)器人動(dòng)力源的選取
最終確定驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的功率為，主電機(jī)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(jià)廉的直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件。對(duì)于此種直流小功率電機(jī)可以查《電機(jī)工程手冊(cè)》，對(duì)于直徑在30毫米以下，功率在100W以下的直流電機(jī)一般都中小功率用電機(jī)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(jī)。
經(jīng)查表對(duì)于主電機(jī)可以選用額定電壓為24V的ZYT-80/08的直流電機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)為空載時(shí)：轉(zhuǎn)速8200轉(zhuǎn)/分，內(nèi)阻1.0歐姆，電流6.32A；負(fù)載下轉(zhuǎn)速：5000轉(zhuǎn)/分，電流0.68A ，效率43%，轉(zhuǎn)矩。
對(duì)于驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的選取，根據(jù)電器元件配合的簡(jiǎn)單，方便的原則，結(jié)合主電機(jī)的額度電壓24V，可以初步選擇小電機(jī)額定電壓為24V，查《電機(jī)工程手冊(cè)》初定為驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)選用ZYT20/10型。
8.2 電源的選取
機(jī)器人的工作場(chǎng)所一般在野外，戶外對(duì)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(jī)器人電機(jī)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(jī)器人的電源。
8.3 電機(jī)調(diào)速元件的選取
(21)
對(duì)于直流電機(jī)的調(diào)速比較簡(jiǎn)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(duì)于這種永磁式小容量直流電機(jī)磁通量K為定值，調(diào)節(jié)氣隙磁通不現(xiàn)實(shí)。采用調(diào)壓調(diào)速對(duì)于我們所用的24V直流蓄電池來(lái)講也不現(xiàn)實(shí)，直流變壓沒(méi)有交流變壓簡(jiǎn)單，因?yàn)檫@樣設(shè)備較為復(fù)雜，成本上升。所以我們考慮最為簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)
在電樞電路中串接電阻（滑動(dòng)變阻器）?？梢赃M(jìn)行無(wú)極調(diào)速，雖然這樣會(huì)大大減弱電機(jī)的機(jī)械特性曲線的硬度，但不失為一種快捷，簡(jiǎn)單的變速方法。
串聯(lián)電阻的計(jì)算如下：
(22)
對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)速可近似認(rèn)為
(23)
對(duì)于已經(jīng)出廠的電機(jī)來(lái)講是定值。
(24)
由所選的電機(jī)參數(shù)可知，有負(fù)載時(shí)
(25)
對(duì)于加上串聯(lián)電阻后 我們希望得到的調(diào)速電機(jī)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(jī)采用電樞串聯(lián)電阻調(diào)速會(huì)使電機(jī)的機(jī)械特性曲線大幅變軟，又要保證機(jī)器人電機(jī)在負(fù)載下能正常工作，所以就可用滑動(dòng)變阻器來(lái)進(jìn)行電阻補(bǔ)償調(diào)速。由以上計(jì)算，可選擇滑動(dòng)變阻器量程為0—1000歐姆的型號(hào)。
8.3.2 新型調(diào)節(jié)脈寬PWM型調(diào)速的實(shí)現(xiàn)
PWM脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)是近期流行起來(lái)的對(duì)于直流電機(jī)無(wú)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(dāng)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(shí)間的方法來(lái)改變其輸出，從而使電機(jī)電樞兩端獲得寬度隨時(shí)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(guò)單片機(jī)和晶體管將電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)制轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制。通過(guò)調(diào)節(jié)頻率和脈寬使直流電動(dòng)機(jī)的工作時(shí)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(jī)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(jī)，進(jìn)行脈寬的控制，和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
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(dòng)電機(jī)的功放一般選用H型橋式開關(guān)放大器，由4個(gè)晶體管構(gòu)成換向，放大電路，其電路圖如圖45。
這種電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可以通過(guò)激發(fā)不同的晶體管的工作方式，進(jìn)行電機(jī)正反裝控制，電機(jī)的調(diào)速。
8.3.3電機(jī)調(diào)速方法的確定及元件的確定
通過(guò)以上電路的設(shè)計(jì)與分析，采用電樞串聯(lián)電阻的調(diào)速方法的特點(diǎn)是：
（1）電路簡(jiǎn)單
（2）價(jià)格低廉
圖45 H型橋式電路圖
（3）控制方便，沒(méi)有延遲現(xiàn)象
（4）電能損耗嚴(yán)重
（5）不適合長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)速
采用PWM脈寬調(diào)速方法的特點(diǎn)是：
（1）可調(diào)節(jié)頻帶寬
（2）電流脈動(dòng)小
（3）電源功率因數(shù)高
（4）電機(jī)動(dòng)態(tài)硬度好
（5）電路復(fù)雜
（6）成本較高
綜合機(jī)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(jī)器人工作時(shí)間很長(zhǎng)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(jī)PWM調(diào)速電路圖，在總設(shè)計(jì)電路圖中我們將以方框代表調(diào)速電路）
9 電路設(shè)計(jì)
9.1 輪足電機(jī)動(dòng)作的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的電路設(shè)計(jì)
對(duì)輪足電機(jī)進(jìn)行編號(hào)，前足3個(gè)電機(jī)分別是M1 、M2 、M3，后足3個(gè)電機(jī)分別是M4， M5， M6。
對(duì)于直流電機(jī)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(jī)床電機(jī)的正反轉(zhuǎn)接線圖來(lái)設(shè)計(jì)6個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。由于電機(jī)容量小，可以直接啟動(dòng)，所以可以直接用開關(guān)直接控制接線方法。機(jī)器人的傘足的設(shè)計(jì)，在考慮電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的同時(shí)，因?yàn)榍昂髠阕憔幸粋€(gè)足要接觸管道的上表面運(yùn)動(dòng)，所以要與接觸下表面的兩個(gè)輪足的旋向相反才能使三個(gè)足同時(shí)拉動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。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(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)動(dòng)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(jiǎn)單，較易控制。適合這種低壓電氣控制電路，并且廉價(jià)。
9.2 前后傘足的張開閉合電路設(shè)計(jì)
圖46 驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)控制接線圖
對(duì)于前后傘足要求能張開和閉合。為此，
要求電機(jī)能帶動(dòng)螺旋絲杠進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)?？梢匝赜抿?qū)動(dòng)電機(jī)的接線思路，借鑒機(jī)床電氣控制的接線方法，采用反接的方法進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制。如圖47所示。
這種電路簡(jiǎn)單易接，沒(méi)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(jī)部分總電路設(shè)計(jì)
綜合圖46、圖47 的電路設(shè)計(jì)可得電機(jī)部分總電路圖如圖48所示。
圖48 各電機(jī)控制總電路
機(jī)器人中電機(jī)由8個(gè)，電機(jī)較多，采用一個(gè)電源顯然不能滿足電機(jī)的能量消耗，所以采用2個(gè)電源同時(shí)供電能滿足電機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間工作的要求。Q1、 Q2 、Q3 、Q4、Q5、Q6均為3位開關(guān)，對(duì)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(jī)順序動(dòng)作的電路設(shè)計(jì)
由轉(zhuǎn)彎的方法可以分離出電機(jī)的順序動(dòng)作有：
電機(jī)M7反轉(zhuǎn)---電機(jī)M4、 M5、 M6 前進(jìn)---電機(jī)M7正轉(zhuǎn)---電機(jī)M8反轉(zhuǎn)---電機(jī)M1、 M2、 M3 正轉(zhuǎn)---電機(jī)M8 正轉(zhuǎn)。
對(duì)于電機(jī)的順序動(dòng)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(dòng)開關(guān)通過(guò)攝像頭觀察，人為進(jìn)行控制。
(2)采用傳統(tǒng)的電磁電氣控制電路進(jìn)行邏輯控制。
(3)采用單片機(jī)/PLC進(jìn)行自動(dòng)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(jìn)行人為的進(jìn)行電機(jī)的順序動(dòng)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(jī)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(shí)間繼電器來(lái)控制元件的順序動(dòng)作
（6個(gè)KT）通過(guò)不同的KT得電實(shí)現(xiàn)6個(gè)順序動(dòng)作，時(shí)間繼電器KT的延時(shí)為5秒，也可以根據(jù)不同的伸縮要求設(shè)定動(dòng)作時(shí)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(jī)/PLC進(jìn)行自動(dòng)控制
考慮采用單片機(jī)/PLC自動(dòng)控制電路，可以把順序動(dòng)作分解為由不同的使能端輸出，由一個(gè)初始激發(fā)信號(hào)，來(lái)使PLC上電，同時(shí)執(zhí)行程序從而輸出各個(gè)電信號(hào)，各個(gè)電信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行原件控制電機(jī)的動(dòng)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(dòng)X0
前傘閉合Y1
后傘足前進(jìn)Y2
前傘打開Y3
后傘閉合Y4
前傘足前進(jìn)Y5
后傘足打開Y6
如圖52為電機(jī)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(jī)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(duì)于圖51所示I/O接線圖由SB1閉合、PLC上電發(fā)出啟動(dòng)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(jìn)行順序的動(dòng)作執(zhí)行，通過(guò)定時(shí)器來(lái)設(shè)定元件的接電時(shí)序來(lái)輸出電信號(hào)。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(shí)各電機(jī)的順序動(dòng)作，并由KM1、 KM2 、KM3 、KM4、 KM5、 KM6依次執(zhí)行元件執(zhí)行動(dòng)作。由圖52所示電機(jī)主回路接線圖可以進(jìn)行執(zhí)行元件的直接執(zhí)行動(dòng)作，由KM1、 KM2 、KM3 、KM4 、KM5 、KM6觸點(diǎn)的接通和斷開來(lái)直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的順序動(dòng)作。
電路的比較與選擇如下：
①對(duì)于如圖48所示電路，它的優(yōu)點(diǎn)是方便，簡(jiǎn)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(duì)于如圖49，50所示電路圖，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠由一個(gè)激勵(lì)信號(hào)完成所有的順序動(dòng)作，操作簡(jiǎn)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(gè)觸點(diǎn)，對(duì)于管道機(jī)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(duì)于如圖51，52，53所示電路圖，可以用PLC進(jìn)行自動(dòng)化控制，一般PLC也需要24V的電源配合，并且價(jià)格較高，并且需要KM接觸器來(lái)進(jìn)行控制執(zhí)行，并且各種管道的小徑不同，不能通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)定延時(shí)來(lái)控制傘足的張開和閉合。用在這種機(jī)器人身上顯然大材小用了。
④通過(guò)以上電路的比較以及管道爬行機(jī)器人的工作要求及條件，我們選用人為手動(dòng)開關(guān)控制轉(zhuǎn)彎動(dòng)作，并且可以隨時(shí)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(jiǎn)單快捷，價(jià)格低廉，適合低壓控制電路，并且可以隨意的人為執(zhí)行動(dòng)作，適合不同的工作環(huán)境下的動(dòng)作執(zhí)行，接線簡(jiǎn)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(jì)
照明電路選用2個(gè)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(jī)器人定位系統(tǒng)（PDPS）的設(shè)計(jì)
在機(jī)器人工作時(shí)，通過(guò)人眼觀察攝像頭傳輸?shù)男畔?lái)確定管道是否破損，需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行管道中的定位來(lái)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(hào)方面的知識(shí)。大致列出機(jī)器人管道中定位方案如下：
方案一：可根據(jù)工業(yè)過(guò)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(jìn)行編號(hào)，對(duì)機(jī)器人經(jīng)過(guò)時(shí)進(jìn)行信號(hào)的傳輸，來(lái)確定機(jī)器人在管道中的位置。
方案二：可以借鑒通信運(yùn)營(yíng)商的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，自行設(shè)計(jì)無(wú)線傳輸通信系統(tǒng)，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行安裝信號(hào)源，通過(guò)外部的全局的信號(hào)接受，來(lái)確定機(jī)器人的確切的位置。（即小型的管道用GPS）。
方案三：對(duì)于管道機(jī)器人的特殊性，可以變相的認(rèn)為管道機(jī)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(yùn)行定位方案進(jìn)行管道機(jī)器人定位的設(shè)計(jì)。
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(jì)算系統(tǒng)來(lái)直接計(jì)算出機(jī)器人的行程長(zhǎng)度，通過(guò)計(jì)算里程和比對(duì)管道線路工程圖來(lái)間接的確定機(jī)器人的準(zhǔn)確位置。
對(duì)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(hào)反饋線路（有線或無(wú)線），外接串口或并口。對(duì)感應(yīng)器進(jìn)行編號(hào)，由個(gè)編號(hào)的感應(yīng)器發(fā)出的信號(hào)來(lái)確定機(jī)器人所在的大致位置。根據(jù)機(jī)器人的大致位置，和攝像頭所發(fā)出的視頻信號(hào)人為的判斷管道是否破損，對(duì)破土進(jìn)行管道維修提供破損定位。
對(duì)于方案二可以在管道機(jī)器人上安裝衛(wèi)星定位器，借助通信運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行衛(wèi)星結(jié)合管道的布局圖進(jìn)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(jī)器人）。其衛(wèi)星定位原理如圖55，運(yùn)用到機(jī)器人上形成的上位機(jī)展示圖如圖56。
圖55 衛(wèi)星定位原理 圖56 上位機(jī)仿真圖像
圖57 列車運(yùn)行圖
對(duì)于方案三基于有軌列車的軌道行進(jìn)過(guò)程中?？梢越M建列車線路網(wǎng)，基于列車線路網(wǎng)這個(gè)平臺(tái)進(jìn)行列車行駛位置的監(jiān)控。如圖57。對(duì)于火車的調(diào)度及運(yùn)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(guò)車載計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)各功能模塊信息的交互，完成對(duì)機(jī)車運(yùn)行全過(guò)程的信息采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車運(yùn)況的監(jiān)測(cè)。同時(shí)應(yīng)用無(wú)線通訊手段與地面設(shè)備相結(jié)合，由此實(shí)現(xiàn)地面各單位對(duì)線路上機(jī)車運(yùn)況全過(guò)程的跟蹤、監(jiān)測(cè)。并據(jù)此可以為建立各種信息平臺(tái)提供詳實(shí)、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(jī)器人。運(yùn)用無(wú)線反饋設(shè)備，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
對(duì)于方案四我們已知管道線路，已知管道各段的長(zhǎng)度，以及管道的路徑。就可以根據(jù)機(jī)器人運(yùn)行的參考量來(lái)斷定機(jī)器人在管道中的具體位置。
確定機(jī)器人位置的參考量有很多，比如路程，位移，時(shí)間，管道內(nèi)部標(biāo)志等等，通過(guò)對(duì)參考量的分析，顯然用位移，時(shí)間，管道內(nèi)部標(biāo)志來(lái)確定機(jī)器人的位置比較粗略，精度相當(dāng)不高。用路程來(lái)衡量機(jī)器人在管道中的位置比較合適，精度適中。那就必須在機(jī)器人上安裝里程計(jì)（由于管道的長(zhǎng)度不像城市的道路那么長(zhǎng)，所以里程計(jì)的精度必須要達(dá)到0.1m），通過(guò)測(cè)量運(yùn)行的距離，反映到譯碼管上，讀出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的距離，通過(guò)機(jī)器人移動(dòng)的距離可以與通過(guò)管道線路的對(duì)比就可標(biāo)出出機(jī)器人的確切位置。機(jī)器人管道內(nèi)模擬圖如圖58
圖58 機(jī)器人管道內(nèi)定位模擬圖
9.6.2 機(jī)器人定位系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計(jì)
通過(guò)以上的分析，我們根據(jù)機(jī)器人的工作條件，和野外工作狀況，以及成本低廉，制作簡(jiǎn)單，方便攜帶的原則，可以選擇采用里程式機(jī)器人管道內(nèi)定位系統(tǒng)。
圖59 里程計(jì)原理圖
里程式系統(tǒng)的原理是采用確定機(jī)器人的移動(dòng)距離來(lái)