創(chuàng)新設(shè)計(jì)管道履帶式機(jī)器人.doc

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管道機(jī)器人在人類社會(huì)中已經(jīng)迅速的漫延開(kāi)來(lái)，這一切都應(yīng)歸公于它自身的特點(diǎn)。因此，國(guó)內(nèi)外都在不斷的開(kāi)發(fā)和研制更適合管內(nèi)行走的管道機(jī)器人，并開(kāi)始走向微型化、智能化，使之性能更宜人化，可控性更好，準(zhǔn)確性更高。但是管道機(jī)器人由于受到它工作環(huán)境的限制和沉重的任務(wù)負(fù)擔(dān)，致使它也不斷面臨著更多，更嚴(yán)重的困難和問(wèn)題。如何解決？已經(jīng)成為現(xiàn)代人的責(zé)任和發(fā)展方向。 1.1管道機(jī)器人發(fā)展概況 1.1.1國(guó)外管道機(jī)器人研究進(jìn)展 國(guó)外關(guān)于燃?xì)夤艿罊C(jī)器人的研究始于20世紀(jì)40年代，由于70年代的微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，管道檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)于90年代初得到了迅猛發(fā)展并接近于應(yīng)用水平。 日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過(guò)了60年代的搖籃期，70年代的實(shí)用期，到80年代進(jìn)入普及提高期，開(kāi)始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。日本管道機(jī)器人眾多，東京工業(yè)大學(xué)航空機(jī)械系Shigeo Hirose和Hidetaka Ohno等于1993年開(kāi)始研究管道機(jī)器人，先后研制成功適用于直徑50mm管道的Thes-Ⅰ、Thes-Ⅱ型管道機(jī)器人和適用于直徑150mm管道的Thes-Ⅲ型管道機(jī)器人。 德國(guó)工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國(guó)。德國(guó)學(xué)者Bemhard Klaassen、Hermann St—reich和Frank Kirchner等人在德國(guó)教育部的資助下于2000年研制成功了多關(guān)節(jié)蠕蟲式管道機(jī)器人系統(tǒng)—— MAKRO。 1.1.2國(guó)內(nèi)管道機(jī)器人研究進(jìn)展 國(guó)內(nèi)管道機(jī)器人研究進(jìn)展國(guó)內(nèi)在管道機(jī)器人方面的研究起步較晚，而且多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室階段。哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授在國(guó)家“863”計(jì)劃課題“X”射線檢測(cè)實(shí)時(shí)成像管道機(jī)器人的研制” 的支持下，開(kāi)展了輪式行走方式的管道機(jī)器人研制。 上海大學(xué)研制了“細(xì)小工業(yè)管道機(jī)器人移動(dòng)探測(cè)器集成系統(tǒng)”。其主要包含20mm內(nèi)徑的垂直排列工業(yè)管道中的機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制技術(shù)(包括螺旋輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)、行星輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓電片驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)等)、機(jī)器人管內(nèi)位置檢測(cè)技術(shù)、渦流檢測(cè)和視頻檢測(cè)應(yīng)用技術(shù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成管內(nèi)自動(dòng)探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)20mm管道內(nèi)裂紋和缺陷的移動(dòng)探測(cè)。 在北京市優(yōu)秀人才項(xiàng)目的資助下，進(jìn)行了仿蝎型管道機(jī)器人的研究工作。仿蝎管道機(jī)器人可以相對(duì)較易地跨過(guò)比較大的障礙，并且機(jī)器人的足所具有的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，可以在可達(dá)到的管面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在管面極度不規(guī)則的情況下，通過(guò)嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如，對(duì)凹凸不平表面的適應(yīng)能力更強(qiáng)，機(jī)構(gòu)模型如圖1-1所示。 圖1-1仿蝎管道機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型 1.2典型的管道機(jī)器人 1） 蠕動(dòng)式管道機(jī)器人 1988年，Ikuta等引用蚯蚓運(yùn)動(dòng)的原理開(kāi)發(fā)出了蠕動(dòng)機(jī)器人，后來(lái)隨著蠕動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，其開(kāi)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1-2所示，1—頭部，2—蠕動(dòng)部分，3—尾部。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)如圖1-3，1—磁鐵，2—彈簧，3—線圈等。 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1-4所示，1—頭部，2—蠕動(dòng)部分，3—尾部，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(kāi)電源，電磁力作用消失，彈簧促使磁鐵與線圈分開(kāi)，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1-2 蠕動(dòng)式機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖 圖1-3 蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)電磁鐵圖 圖1-4 蠕動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理圖 2） 輪式管道機(jī)器人 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：直進(jìn)式和螺旋運(yùn)動(dòng)方式。 3） 無(wú)纜管道機(jī)器人 20世紀(jì)50年代，由于電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)等還很落后，美、德、日等國(guó)開(kāi)發(fā)了無(wú)動(dòng)力管內(nèi)檢測(cè)設(shè)備。此種設(shè)備依靠首尾兩端管內(nèi)流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，隨管內(nèi)流體的流動(dòng)向前移動(dòng)。這就是所說(shuō)的無(wú)纜管道機(jī)器人。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，此類機(jī)器人也有了很大發(fā)展。 1.3所需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題 1） 能源供給問(wèn)題 2） 可靠性問(wèn)題 3） 速度及位置識(shí)別 4） 管道機(jī)器人的越障能力 5） 高度自治的控制系統(tǒng) 1.4 管道X射線探傷技術(shù)最新進(jìn)展 在五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法中，射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)是比較可靠和有效的管道焊縫檢測(cè)方法。射線檢測(cè)對(duì)管道焊縫中的氣孔、夾渣、疏松等體積型缺陷的檢測(cè)靈敏度較高，對(duì)平面缺陷的檢測(cè)靈敏度較低，如當(dāng)射線方向與平面缺陷（如裂紋）垂直時(shí)就很難檢測(cè)出來(lái)，只有當(dāng)裂紋與射線方向平行時(shí)才能對(duì)其進(jìn)行有效的檢測(cè)。對(duì)此，為了彌補(bǔ)X射線探傷的一些缺陷，大量的研究對(duì)其進(jìn)行了分析和優(yōu)化。 1.4.1 X射線照相檢測(cè)技術(shù) 目前，工程中應(yīng)用的管道對(duì)接焊縫無(wú)損檢測(cè)方法都是基于X射線檢測(cè)技術(shù)的，如外部透照法，采用定向X射線源從管道外側(cè)透照，在管道另一側(cè)的膠片上感光成像，每道環(huán)形焊縫的檢測(cè)需轉(zhuǎn)換多次X射線源的投照角度。應(yīng)用于小管徑管道對(duì)焊縫的無(wú)損探傷，該方法存在雙層壁投影而導(dǎo)致評(píng)片困難的特點(diǎn)。而又如內(nèi)部透照法，智能移動(dòng)載體攜帶周向X射線源進(jìn)入管道，將X射線源焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)于管道環(huán)狀焊縫處，如圖1-9所示。該機(jī)器人采用CCD實(shí)現(xiàn)精確定位。 圖1-9 管道射線檢測(cè)機(jī)器 1.4.2 X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù) X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)主要有兩大類：一種是基于X射線圖像增強(qiáng)器的實(shí)時(shí)成像技術(shù)的，另一種是X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)?；赬射線圖像增強(qiáng)器的實(shí)時(shí)成像技術(shù)如圖1-10所示，1—X射線源，2—被檢測(cè)件，3—圖像增強(qiáng)器，4—圖像采集卡，5—計(jì)算機(jī)，被檢測(cè)件的X射線圖像經(jīng)圖像增強(qiáng)器成像后，由圖像采集系統(tǒng)采集并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。 圖1-10 基于圖像增強(qiáng)器的X射線實(shí)時(shí)面像檢測(cè)系統(tǒng) 一種是X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)，如圖1-11所示，1—X射線源，2—被檢測(cè)件，3—計(jì)算機(jī)，4—CMOS數(shù)字成像板，亦稱為X射線數(shù)字照相。被檢測(cè)件的X射線圖像經(jīng)由CMOS數(shù)字成像后，直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。 圖1-11 X射線數(shù)字照相檢測(cè)系統(tǒng) 圖像增強(qiáng)器誕生于20世紀(jì)50年代初，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，主要是改進(jìn)圖像增強(qiáng)器輸入屏材料以提高亮度?，F(xiàn)在圖像增強(qiáng)器的亮度增益提高了10幾倍，亮度增益高達(dá)10000以上，輸出屏上的圖像亮度可達(dá)0.3x103cd/m2。 盡管如比，隨著CMOS技術(shù)的不斷完善，X射線數(shù)字照相是X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)最終發(fā)展目標(biāo)，也必將在我國(guó)得到應(yīng)用。 比較兩種X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)，基于X射線圖像增強(qiáng)器的實(shí)時(shí)成像技術(shù)，就目前技術(shù)水平而言，比X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)更具有工程意義，并且，其成像質(zhì)量與膠片照相底片相當(dāng)甚至更好。 1.5本次設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容和研究意義 本設(shè)計(jì)是針對(duì)中型管道安全檢測(cè)探傷的實(shí)現(xiàn)而提出的，并結(jié)合當(dāng)今機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)，利用現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，對(duì)管內(nèi)X射線無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，充分利用現(xiàn)代視覺(jué)傳感器和人工智能方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)機(jī)器人的智能化做一些有意義的研究工作。其目的是通過(guò)對(duì)管道X射線無(wú)損檢測(cè)探傷機(jī)器人設(shè)計(jì)，及相關(guān)技術(shù)的查閱和應(yīng)用，能夠研制一臺(tái)具有良好的彎道通過(guò)能力、視覺(jué)定位能力并能適應(yīng)較長(zhǎng)距離檢測(cè)作業(yè)的實(shí)用樣機(jī)。 本論文主要設(shè)計(jì)內(nèi)置動(dòng)力的履帶式管內(nèi)X射線無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。其主要內(nèi)容為： 1)通過(guò)查閱資料，了解管內(nèi)機(jī)器人常用機(jī)構(gòu)和先進(jìn)技術(shù)，融合自己的知識(shí)，對(duì)內(nèi)置動(dòng)力源的管內(nèi)X射線無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)提出方案和實(shí)現(xiàn)辦法；并闡述機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、工作原理； 2)通過(guò)利用最優(yōu)化設(shè)計(jì)和機(jī)械手冊(cè)，并結(jié)合一些相似結(jié)構(gòu)，對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，讓機(jī)體內(nèi)耗減到最小，包括機(jī)構(gòu)之間的摩擦，自身的重量，而有效的加強(qiáng)履帶與管壁之間的接觸面積，加大摩擦力，提高本體的牽引力和推動(dòng)力； 3)通過(guò)利用三維軟件，將管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人各機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，同時(shí)進(jìn)行各部分的裝配，目地是調(diào)整各配合部分、連接部分之間的配合尺寸，使各機(jī)構(gòu)能夠相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，使整個(gè)機(jī)體能夠協(xié)調(diào)平穩(wěn)的工作。 其主要目標(biāo)設(shè)計(jì)管內(nèi)X射線無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人調(diào)整機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 2管內(nèi)X射線檢測(cè)機(jī)器人方案的確定 管道機(jī)器人通常是由驅(qū)動(dòng)器、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和工作裝置等幾部分組成。其中驅(qū)動(dòng)機(jī)械和移動(dòng)方式有較大程度上決定了機(jī)器人的整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)。管道機(jī)器人的移動(dòng)方式可以分為輪式、履帶式、足式、蠕動(dòng)式、螺旋式和流體推動(dòng)式等，各自有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 2.1 管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式 2.1.1 管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式 由于管道機(jī)器人是在管道限定的環(huán)境里運(yùn)行，尤其是在有彎曲的管道里運(yùn)行，一方面，機(jī)器人在彎管(包括垂直管道)行走中要有足夠的摩擦力來(lái)克服重力的影響，另一方面需要提供足夠大的驅(qū)動(dòng)力來(lái)克服各種阻力。驅(qū)動(dòng)器的選擇在很大程度上決定了管道機(jī)器人的體積、重量和性能指標(biāo)。 現(xiàn)在使用的驅(qū)動(dòng)方式主要有： （1）電磁驅(qū)動(dòng)。最常用的是微電機(jī)，微電機(jī)又分為有刷直流電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)等。 （2）壓電驅(qū)動(dòng)。壓電材料是一種受力即產(chǎn)生應(yīng)變，在其表面出現(xiàn)與外力成比例電荷的材料，又稱壓電陶瓷。 （3）形狀記憶合金。形狀記憶合金是一種特殊的合金，其形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因是相變，其相變是由可逆的熱彈性馬氏體的相變產(chǎn)生，一旦使他記憶了任意形狀，當(dāng)加熱到某一適當(dāng)?shù)臏囟葧r(shí)，則恢復(fù)為變形前的形狀。 （4）超聲波驅(qū)動(dòng)是利用超聲波振動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)力，即由振動(dòng)部分和移動(dòng)部分組成，靠振動(dòng)部分和移動(dòng)部分之間的摩擦力來(lái)驅(qū)動(dòng)的一種驅(qū)動(dòng)器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、響應(yīng)快、力矩大，不需要減速就可以低速運(yùn)行，常用于照相機(jī)快門的動(dòng)作等。超聲波驅(qū)動(dòng)由三種驅(qū)動(dòng)方式：振動(dòng)方向變換型、行進(jìn)波型和復(fù)合振動(dòng)型，這兩種驅(qū)動(dòng)方式一般應(yīng)用在微機(jī)器人上。 （5）氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)馬達(dá)或氣缸運(yùn)動(dòng)，適合潮濕惡劣的環(huán)境，不需要電源，但運(yùn)動(dòng)精度比較低。 （6）人工肌肉是一種新型的氣動(dòng)橡膠驅(qū)動(dòng)器（仿生物肌肉驅(qū)動(dòng)），結(jié)構(gòu)是由內(nèi)部橡膠筒套及外部纖維編織網(wǎng)構(gòu)成，當(dāng)對(duì)橡膠筒套充氣時(shí)，橡膠筒套因彈性變形壓迫外部編織網(wǎng)，由于編織網(wǎng)剛度很大，限制其只能徑向變形，直徑變大，長(zhǎng)度縮短。如圖2-1所示，1—橡膠筒套，2—纖維層，3—螺絲口部，其缺點(diǎn)是：（1）氣動(dòng)人工肌肉與傳統(tǒng)氣動(dòng)執(zhí)行元件相比行程?。唬?）氣動(dòng)人工肌肉的變形為非線性環(huán)節(jié)，具有時(shí)變性，使準(zhǔn)確控制其位移十分困難；（3）在工作過(guò)程中，氣動(dòng)人工肌肉自身溫度會(huì)發(fā)生變化，隨著溫度的變化，其性能也會(huì)改變，這給高精度控制帶來(lái)困難。 圖2-1 人工肌肉結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.1.2驅(qū)動(dòng)方式的選擇 本設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人選用電磁驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，采用微型直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，選用充電電池作為電源，即可避免機(jī)器人拖纜線，減輕機(jī)器人的重量，減輕機(jī)器人在管道內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的阻力。 2.1.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。 本機(jī)構(gòu)兩個(gè)履帶足由獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，目的是為了簡(jiǎn)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使機(jī)構(gòu)更加緊湊。設(shè)機(jī)器人直線行走阻力、爬坡阻力和拖線阻力分別為F1、F2、F3。 本設(shè)計(jì)研究的管道機(jī)器人主要應(yīng)用于硬質(zhì)管道環(huán)境，直線行走時(shí)的地面變形阻力和外部行駛阻力可以忽略不計(jì)，故直線行走阻力只考慮履帶裝置運(yùn)行內(nèi)阻力。履帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力主要表現(xiàn)為履帶與地面之間的摩擦力，即附著力。履帶裝置運(yùn)行內(nèi)阻力是由同步帶和帶輪，傳動(dòng)齒輪之間的摩擦阻力形成，一般可用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： F1=kGg (2-1) 式中： k—內(nèi)阻力系數(shù)； G—機(jī)器人重； g—重力加速度； 內(nèi)阻力系數(shù)可取0.03-0.07，考慮到本機(jī)構(gòu)的實(shí)際情況，取0.06。設(shè)機(jī)器人機(jī)重G=15kg，則直線行走阻力： F1=9N。 其爬坡阻力為： （2-2） 式中： G—機(jī)器人重 —機(jī)器人爬坡坡度 則 F=73.5N 設(shè)爬坡坡度為30，線纜重8kg，線長(zhǎng)25m，與地面問(wèn)摩擦系數(shù)0.4，則拖動(dòng)一整根電纜所需要的拖線力F為31.4N。 則機(jī)器人的總阻力為： =F+F+F （2-3） 式中： F—行走阻力 F—爬坡阻力 F—拖線所需的力 則 F0=113.9N 每只履帶上的阻力F為： F==57N。 （2-4） 履帶足電機(jī)輸出功率： P= （2-5） 式中： T—每支履帶所受阻力鉅 n—電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速 設(shè)帶輪節(jié)徑d=40mm，則每只履帶所受阻力矩T為1.14Nm。假設(shè)機(jī)器人行進(jìn)速度為6m/min，則電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n=48rpm。 則 P=5.8（KW）=5.8（W） 考慮到管內(nèi)可能碰到比較惡劣的情況，而且為越障預(yù)留一些功率，以使其在拖線30m的情況下仍然可以比較輕松的攀爬障礙，取足夠的安全系數(shù)，確定步進(jìn)電機(jī)的步距角，靜力矩和電流，并考慮電機(jī)的性價(jià)比和安裝尺寸，選取適當(dāng)?shù)牟竭M(jìn)電機(jī)。 2.2管道機(jī)器人的移動(dòng)方式 2.2.1機(jī)器人移動(dòng)方式 管道機(jī)器人的移動(dòng)方式可以分為輪式、履帶式、足式、蠕動(dòng)式和螺旋式等（如圖2-2）。A為輪式 ，B為履帶式 ，C為足式， D為螺旋式，E為張緊式， F為流體推動(dòng)式 ，G為蠕動(dòng)式。 圖2-2 管道機(jī)器人的移動(dòng)方式 輪式機(jī)器人以其運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性、平穩(wěn)性和車輛技術(shù)的成熟性而廣為應(yīng)用。然而對(duì)于輪式也還有限制：輪式越障礙能力比較差，牽引力相對(duì)履帶式要小；在不平整地面環(huán)境下，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，易傾斜；微型化比較難。 履帶式機(jī)器人具有牽引力大，抓地性好，適應(yīng)地面環(huán)境能力強(qiáng)的特點(diǎn)，同等條件下，可以跨越的障礙是所有驅(qū)動(dòng)方式中最大的。 足式是一種模仿昆蟲結(jié)構(gòu)功能的移動(dòng)方式，地形適應(yīng)能力強(qiáng)，能越過(guò)較大的壕溝和臺(tái)階，其缺點(diǎn)是速度和效率低，轉(zhuǎn)向比較困難，控制系統(tǒng)復(fù)雜。如圖2-3所示，1—三叉支架，2—三叉支架二。 螺旋式機(jī)器人是利用旋轉(zhuǎn)摩擦管壁產(chǎn)生推力。適合在管徑很小的管道中運(yùn)動(dòng)，缺點(diǎn)是效率低，推力比較小。 張緊式移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是適合在垂直管道或大坡度管道中運(yùn)動(dòng)，它通過(guò)可變形的機(jī)構(gòu)始終張緊管壁，保持與管壁的緊配合。一般與其他移動(dòng)方式（如輪式和履帶式）結(jié)合使用，缺點(diǎn)是不能適合L型等沒(méi)有圓弧過(guò)渡的彎道，適應(yīng)得管道直徑范圍比較小。如圖2-4所示，（適合直徑85-105mm）。 圖2-3 微型六足機(jī)器人 圖2-4 Sungkyunwan University 的管道機(jī)器人 蠕動(dòng)式機(jī)器人是依靠柔性形體的變形產(chǎn)生移動(dòng)，具有較大的吸引力，運(yùn)用的驅(qū)動(dòng)元件不同，但蠕動(dòng)原理大致相同，對(duì)于不同的蠕動(dòng)機(jī)理，蠕動(dòng)規(guī)律及控制尚需深入研究，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)向困難，速度和效率低，牽引力小。 2.2.2移動(dòng)方式的選擇 由于管道內(nèi)避的情況復(fù)雜，會(huì)有許多突起的障礙，管壁的環(huán)境也可能較泥濘，行走條件苛刻，因此選擇履帶式為管道機(jī)器人的移動(dòng)方式。 本設(shè)計(jì)的履帶式機(jī)器人具有以下特點(diǎn)： 1）履帶式移動(dòng)機(jī)器人支撐面積大，接地比壓小，適合于松軟或泥濘場(chǎng)地作業(yè)，下陷度小，滾動(dòng)阻力小，通過(guò)性能好；越野機(jī)動(dòng)性能好，爬坡，越溝等性能均優(yōu)于輪式移動(dòng)機(jī)器人。 2）履帶式移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向半徑極小，可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，其轉(zhuǎn)向原理是靠?jī)蓷l履帶之間的速度差即一側(cè)履帶減速或剎死而另一側(cè)履帶保持較高的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 3）履帶支撐面上有履齒，不易打滑牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。 4）履帶式移動(dòng)機(jī)器人具有良好的自復(fù)位和越障能力，帶有履帶臂的機(jī)器人可以像腿式機(jī)器人一樣實(shí)現(xiàn)行走。 2.3本設(shè)計(jì)的內(nèi)容及注意的幾個(gè)問(wèn)題 本設(shè)計(jì)是利用X射線來(lái)完成對(duì)于油氣管道的檢測(cè)，其主要方面是對(duì)于管道機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過(guò)查閱相關(guān)資料和自身對(duì)知識(shí)的掌握，能夠研制一臺(tái)具有良好的彎道通過(guò)能力、越障礙能力、視覺(jué)定位能力并能適應(yīng)較長(zhǎng)距離檢測(cè)及不同管徑范圍內(nèi)作業(yè)的實(shí)用樣機(jī)。 在設(shè)計(jì)管道機(jī)器人時(shí)需要重點(diǎn)考慮的幾個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題是： 1）移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。 2）驅(qū)動(dòng)方式的選擇問(wèn)題。 3）信號(hào)、電力的傳輸和供給方式問(wèn)題。 4）控制系統(tǒng)和傳感器的設(shè)置問(wèn)題。 2．4本設(shè)計(jì)的管道射線探傷機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu) 經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)查閱比較，履帶式行走機(jī)構(gòu)優(yōu)于其它機(jī)構(gòu)：首先，履帶與管壁之間的接觸面積比較大，這樣可以在之間產(chǎn)生較大的摩擦力，防止打滑，減小無(wú)用功，提高效率，在越障礙能力上，履帶式有很大優(yōu)勢(shì)。機(jī)器人在行走過(guò)程中，受到行走阻力、轉(zhuǎn)彎阻力、爬坡阻力以及拖線阻力的作用，另外，越障因?yàn)檫^(guò)程復(fù)雜，其所受阻力不易詳細(xì)估計(jì)，因此驅(qū)動(dòng)器必須要產(chǎn)生足夠的扭矩，所以驅(qū)動(dòng)器的選擇也是至關(guān)重要的，在很大程度上決定了管道機(jī)器人的體積、重量和性能指標(biāo)，本設(shè)計(jì)選擇步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)方式。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與支架之間也是可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的，通過(guò)絲桿套的調(diào)整和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)同支架之間角度的調(diào)整，可以改變機(jī)器的高度，使之適應(yīng)一些特殊的管道，如形狀較矮的管道等。如圖2-5所示，為本課題的結(jié)構(gòu)原理圖。 圖2-5 機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)原理圖 3履帶式管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1管道機(jī)器人設(shè)計(jì)思想 如圖3-1所示，機(jī)器人每條擺腿都通過(guò)腿部關(guān)節(jié)與機(jī)器人本體相連。通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)兩側(cè)擺腿的張開(kāi)角度，使管道機(jī)器人實(shí)現(xiàn)柔性適應(yīng)不同直徑圓管的功能，保證了履帶足與圓管管壁充分接觸，使機(jī)器人在運(yùn)行中牽引力和穩(wěn)定性都得以保證。 圖3-1 管道機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 圖3-2所示為機(jī)器人不同管徑時(shí)調(diào)整擺腿角度的示意圖，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)移動(dòng)本體的擺腿機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)履帶足底面與管壁接觸位置，保持機(jī)器人履帶在圓管中接觸狀態(tài)良好，使機(jī)器人足夠的附著力和牽引力。由圖3-1可見(jiàn)當(dāng)管徑發(fā)生變化時(shí)機(jī)器人通過(guò)改變擺腿的角度，調(diào)整到履帶足平面與管壁充分接觸的狀態(tài)。 圖3-2 管道機(jī)器人適應(yīng)管徑示意圖 其次，機(jī)器人履帶足部關(guān)節(jié)可以調(diào)節(jié)，使機(jī)器人整體高度降低，從而可以進(jìn)入更矮小的管道，完成相應(yīng)的作業(yè)，增強(qiáng)了機(jī)器人的適應(yīng)性。機(jī)器人調(diào)整高度過(guò)程如圖3-3所示。 圖3-3 管道機(jī)器人高度調(diào)整示意圖 3.2適應(yīng)管徑功能 對(duì)于圓形管徑變化的情況，一般同一輸油管道中，管道的尺寸較統(tǒng)一，突然變徑的情況較少見(jiàn)，同時(shí)考慮到研發(fā)的成本和管道實(shí)際情況， 本設(shè)計(jì)提出的管道機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有可調(diào)整適應(yīng)管徑功能，以解決不同管徑環(huán)境下，履帶與管壁接觸不良的難題，如圖3-4所示，其基本原理是，事先根據(jù)管道的實(shí)際情況，調(diào)節(jié)長(zhǎng)螺栓使得機(jī)器人的兩個(gè)擺腿作橫向擺動(dòng)而張開(kāi)，再調(diào)節(jié)履帶足和擺腿的連接關(guān)節(jié)，確保履帶足的履帶面與管壁保持充分接觸，以提供履帶機(jī)器人行走時(shí)必要的摩擦力。 圖3-4 管道機(jī)器人管徑調(diào)整示意圖 如圖3-4所示，設(shè)機(jī)器人機(jī)體寬度b，腿長(zhǎng)a，履帶足關(guān)節(jié)距履帶底面x，履帶足關(guān)節(jié)距履帶足中心線p，兩側(cè)擺腿角度均為0。一般來(lái)說(shuō)履帶寬度遠(yuǎn)小于管道半徑，所以可以近似的認(rèn)為圓心O到履帶足中心線底部O1的連線為管道半徑。履帶足裝置置于擺腿之外時(shí)，可視為一個(gè)寬度為B，擺腿長(zhǎng)度為A的等效機(jī)構(gòu)，如圖3-5所示。 可以根據(jù)幾何關(guān)系算得： B=b+ （3-1） A=a+x-ptan （3-2） 則相應(yīng)的管徑為： R=+a+x-ptan （3-3） 該式可以在做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選用尺寸參數(shù)，也可用于確定機(jī)器人的適用管道范圍。 圖3-5 管道機(jī)器人簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)圖 圖3-6 管道機(jī)器人受力分析圖 如圖3-6所示為管道機(jī)器人在圓形管道內(nèi)的受力分析，圖中G為機(jī)器人機(jī)重，N為管壁對(duì)機(jī)器人履帶的支撐反力。根據(jù)力平衡關(guān)系易得管道壁面對(duì)履帶的正壓力N與擺腿擺角的關(guān)系為： N= （3-4） 隨著擺角的增大，管道壁面對(duì)履帶的正壓力N也隨之增大，當(dāng)擺角為90時(shí)，N將為無(wú)窮大。因此機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)限定擺角不超過(guò)60，并由此確定機(jī)器人能進(jìn)入的最小管道直徑。 3.3高度調(diào)整功能 將機(jī)器人兩腿向兩側(cè)對(duì)稱擺開(kāi)，再調(diào)整機(jī)器人履帶足的相對(duì)位置，即可降低機(jī)器人的整體高度，如圖3-7所示。 圖3-7 管道機(jī)器人高度調(diào)整示意圖 設(shè)機(jī)器人機(jī)體寬為b，腿長(zhǎng)為a，機(jī)器人擺腿角度為，履帶足部關(guān)節(jié)到地面距離為x，尺寸如圖3-8所示。 圖3-8 管道機(jī)器人高度調(diào)整尺寸示意圖 設(shè)機(jī)器人原始高度為H，調(diào)整后高度為h，則 H=a+x （3-5） h=acos+x （3-6） 高度差△h為： △h=H-h=a（1-cos） （3-7） 此時(shí)機(jī)器人兩側(cè)履帶寬度變?yōu)閎+2asin，因此當(dāng)機(jī)器人高度降低后，彎管的通過(guò)性會(huì)發(fā)生變化，對(duì)于進(jìn)入扁平管道的機(jī)器人要注意管道寬度是否滿足要求。 3.4車載傳感器 紅外攝像機(jī)： 日/夜兩用,在正常光線下和普通攝像機(jī)一樣工作;在無(wú)光線情況下紅外燈自動(dòng)打開(kāi),攝像機(jī)進(jìn)入夜色視狀態(tài)。 氣體傳感器： 一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)?、甲烷等四種傳感器，需要時(shí)可增加氣體傳感器種類。 測(cè)距傳感器： 測(cè)距傳感器采用紅外測(cè)距傳感器，分別安裝在機(jī)器人的兩側(cè)和最前端，分別測(cè)出機(jī)器人到兩側(cè)管道或障礙的距離和到正前方管道或障礙的距離。 機(jī)器人傾斜傳感器： 當(dāng)機(jī)器人在X’O’Y’、Y’O’Z’平面傾斜時(shí)，機(jī)器人傾斜傳感器就可以檢測(cè)出兩個(gè)方面的傾斜角，分別是管道軸線的水平面和管道軸線垂直面，機(jī)器人傾斜傳感器采用數(shù)字式傾斜計(jì)，安裝在機(jī)器人的中央主箱體內(nèi)，用于測(cè)量機(jī)器人管道截面上與垂直線的夾角。 電機(jī)編碼器：測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度值。 3.5擺腿設(shè)計(jì) 圖3-9 管道機(jī)器人擺腿設(shè)計(jì)示意圖 在機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，擺腿的作用是不容忽視的。擺腿有兩個(gè)關(guān)節(jié)，一個(gè)是與機(jī)體連接處，一個(gè)是與履帶足連接處，分別實(shí)現(xiàn)適應(yīng)管徑和調(diào)整高度的作用。 如圖3-9所示，由于自適應(yīng)管徑是自主適應(yīng)，而進(jìn)入扁平管道是需要手工調(diào)節(jié)的，故關(guān)節(jié)l，關(guān)節(jié)2為手動(dòng)調(diào)節(jié)。關(guān)節(jié)1的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循機(jī)械傳動(dòng)的基本規(guī)則和原理，關(guān)節(jié)2在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到手工操作的方便性以及調(diào)整以后結(jié)構(gòu)的自鎖性。 3.6履帶的越障礙分析 履帶行走裝置的越野通過(guò)性是指在不用任何輔助裝置而能克服各種天然和人工障礙的能力，履帶的通過(guò)性主要取決于履帶本身的性能參數(shù)和幾何參數(shù)。履帶通過(guò)性的評(píng)價(jià)性能主要由跨越壕溝和克服垂直壁。 對(duì)于不同結(jié)構(gòu)形式的履帶行走裝置，它們的越障礙性能也不同。一般來(lái)說(shuō)雙節(jié)式要比單節(jié)式具有更好的越障礙性能，針對(duì)本課題的管道機(jī)器人，對(duì)單節(jié)式的進(jìn)行分析。 3.6.1跨越壕溝能力 1）跨越水平壕溝 履帶通過(guò)壕溝的寬度與履帶的接地長(zhǎng)度，重心位置有關(guān)。 克服壕溝可以用靜力法（即履帶緩慢行駛）和動(dòng)力法（履帶高速行駛或利用動(dòng)能來(lái)克服）。壕溝的靜力克服受履帶穩(wěn)定性喪失的限制。穩(wěn)定性的喪失是在履帶的重力作用線超出負(fù)重面的界限的情況下發(fā)生。如果重力作用線是在車首和對(duì)面壕壁之前超出負(fù)重面的，那么履帶行走裝置的前部就落入壕溝中。如果重力作用線還未到達(dá)對(duì)面的壕壁，而履帶行走裝置的尾部已經(jīng)和第一壁脫離，那么履帶行走裝置的尾部就落入壕內(nèi)。 所以用靜力法克服壕溝的可能性決定于履帶行走裝置兩端支撐點(diǎn)和履帶重心在行駛平面上的投影間的距離。 3-11履帶行走裝置以靜力法通過(guò)壕溝 如圖3-11所示，如果要克服寬為B=b。且ab的壕溝時(shí)，當(dāng)履帶行走裝置尾部已失去壕溝后緣的支撐時(shí)，履帶行走裝置中心尚未靠近壕溝之前緣，于是履帶行走裝置尾端就落入壕溝中。為了能克服較寬的壕溝，在設(shè)計(jì)履帶行走裝置時(shí)應(yīng)盡量使其中心布置在履帶接地段中心處。 用動(dòng)力法克服壕溝就是以較高的速度駛過(guò)壕溝，這樣可以增加越壕的寬度。在履帶高速通過(guò)壕溝時(shí)，當(dāng)?shù)谝回?fù)重輪脫離支撐面后，車體便開(kāi)始向溝底下傾。顯然，如果履帶的行駛速度越高，在同一距離內(nèi)，履帶車體前部向溝底下落的程度便越小。 應(yīng)用動(dòng)力法克服壕溝兩邊緣的相互位置和形狀有很大的關(guān)系，如果壕溝的前邊緣比后邊緣高則難以克服，反之則較容易克服。如果后邊緣成下坡的斜面，則不易通過(guò)。如果上坡?tīng)钚泵?，則較易克服。 3-12壕溝邊緣呈坡?tīng)顣r(shí)越壕 2）跨越坡度壕溝 現(xiàn)在只研究靜力克服法。上坡克服壕溝的第一階段（即履帶前端跨過(guò)壕溝時(shí)）與克服水平地面上的壕溝比起來(lái)，車輛中心是不容易超過(guò)后邊緣的。因此就第一階段來(lái)說(shuō)，履帶能夠克服的壕寬為 A=a+htg （3-8） 式中 —上坡坡度角； h—履帶行走裝置重心高度； 可是在第二階段，履帶行走裝置尾端跨過(guò)壕溝時(shí)，履帶行走裝置可以克服的壕寬將減少為： A=a-htg （3-9） 所以，履帶在上坡時(shí)克服壕寬較在水平地面上要小。 反之，履帶在下坡時(shí)第一階段能克服的壕寬較平地時(shí)要減小。 圖3-13跨越有坡度的壕溝 25 .