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南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯
學(xué)院 (系)： 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化
姓 名： 胡源
學(xué) 號(hào)： 0601610124
(用外文寫)
外文出處：Advanced Robotics, Vol. 17, No. 4, pp. 339–358 (2003)
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：
該篇外文資料內(nèi)容與課題有一定的相關(guān)性，譯文比較正確地表達(dá)了原文的意義、概念描述基本符合漢語(yǔ)的習(xí)慣，語(yǔ)句較通暢，層次較清晰。
譯文較為準(zhǔn)確地表達(dá)了原文的概念和主題，敘述較清晰，語(yǔ)句較通順。 簽名：
年 月 日
附件1：外文資料翻譯譯文
管道機(jī)器人爬行營(yíng)救的概念與研究
摘要：—本文介紹了控制算法設(shè)計(jì)的一種管道爬行機(jī)器人可用于地震救援的目的和管道維修。該機(jī)器人的設(shè)計(jì)是能夠理智改變其體型，以適應(yīng)管道或隧道狀空洞內(nèi)瓦礫。介紹了機(jī)器人的仿真，對(duì)如何改變其形體來(lái)適應(yīng)的空洞?？刂扑惴ú捎玫牟檎冶矸椒ㄏ嘟Y(jié)合的方法來(lái)預(yù)測(cè)的形狀在對(duì)機(jī)器人的影響下使它的執(zhí)行變形機(jī)構(gòu)。文章還提出了設(shè)計(jì)的硬件和軟件系統(tǒng)的機(jī)器人，并且在機(jī)器人身體模塊的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果運(yùn)用梅雷比類比仿真軟件和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，方法是可行的，機(jī)器人形體變化控制算法的建議。
關(guān)鍵詞：管道機(jī)器人； 控制算法； 方法采用最小二乘法； 變形體內(nèi)； 救援機(jī)器人。
1 介紹
1．1管道爬行機(jī)器人
國(guó)際管道輸送油使用，天然氣管和水管在年齡增長(zhǎng)，以及一些設(shè)施已經(jīng)在使用壽命之外運(yùn)作，他們?cè)仍O(shè)計(jì)檢查管道是許多行業(yè)所面臨的重要任務(wù)。管道在煉油廠和蒸汽發(fā)電廠表面的惡化尤其常見(jiàn)。因此，管道的維護(hù)和檢查的日益的重要性，給管道運(yùn)營(yíng)商提供了手段準(zhǔn)確、可靠地檢查他們的管道， 并獲得所需的信息對(duì)于決策對(duì)于安全運(yùn)行，康復(fù)和維修[1] 。使用自動(dòng)管道檢測(cè)，可減少停機(jī)時(shí)間和人力管子檢查過(guò)程，這是個(gè)需要很高的技術(shù)要求來(lái)開(kāi)發(fā)各種管道機(jī)器人。
1．2 地震救援的機(jī)器人
地震是不幸的，非常危險(xiǎn)的天然頻發(fā)現(xiàn)象。幾乎在每一個(gè)地震受難者都埋在倒塌的建筑物、橋梁、道路等下面的廢墟中。這是非常困難的到達(dá)的地方營(yíng)救這些人可能會(huì)受傷，饑餓和虛弱。此外，這個(gè)結(jié)構(gòu)在瓦礫堆下條件可以說(shuō)是復(fù)雜、危險(xiǎn)和未知。因此，是一種基本需要探索這些條件，確定了受害者的位置和他們的生存條件。救援這件事也急，因?yàn)樗亲钪匾谋M快營(yíng)救那些災(zāi)民。以這個(gè)結(jié)果為目標(biāo)，救援機(jī)器人已經(jīng)被開(kāi)發(fā)中進(jìn)行這些任務(wù)。在一篇文章塔庫(kù)達(dá)[2]， 一個(gè)原型“酷兒” （機(jī)器人與模擬軟件進(jìn)行地貌的模擬）可用于地震救援和任務(wù)被描述，文章還介紹了試驗(yàn)結(jié)果可行性研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的有效性、“酷兒”救援機(jī)器人的工作提出了建議。
2．陳述問(wèn)題
2．1 現(xiàn)有的管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)缺陷
管道機(jī)器人在大量的文件。例如，一個(gè)機(jī)器人卡戎系統(tǒng)[3] 配備了智能化多傳感器。這使得自動(dòng)，可靠的檢測(cè)損壞的位置，它的類型和規(guī)模，并給予優(yōu)越的性能與多數(shù)的閉路電視系統(tǒng)相比。該系統(tǒng)已制定了對(duì)地下水和土壤污染的材料和液體的保護(hù)“東洋美”和“扣一吃”[4] 有1種微型檢查機(jī)器人可檢查1英寸口徑的管道。該機(jī)器人可以在管道進(jìn)行檢查，并視檢索小對(duì)象[5] 。描述一個(gè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)管道檢測(cè)和已被證明是合適的當(dāng)前管檢測(cè)技術(shù)的選擇。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)該系統(tǒng)采用一種廉價(jià)的原則生產(chǎn)機(jī)電設(shè)備，內(nèi)管缺陷的檢測(cè)能力。然而，所有的這些機(jī)器人只能工作管道具有一定的直徑的而且不能工作的管道的墻壁是破裂或嚴(yán)重?fù)p壞，如果管徑變化或管道已經(jīng)部分倒塌這些機(jī)器人就不能工作。
2．2畫筆的機(jī)器人
管道爬行機(jī)器人已發(fā)展為工業(yè)自動(dòng)化制造的中心(CIAM)。英國(guó)杜倫大學(xué)。工程學(xué)院，設(shè)計(jì)的該機(jī)器人采用了獨(dú)特的，創(chuàng)新和專利的牽引系統(tǒng)，這個(gè)機(jī)器人的原則和它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是簡(jiǎn)單的。我解釋下他的意思，如果用一個(gè)直徑略大于孔的管子插入一個(gè)管道，其橫掃回來(lái)。在這種情況下， 更容易向前推刷，但管道，需要把它向后拉，因此，如果兩個(gè)刷互連由往復(fù)然后，通過(guò)循環(huán)缸，它能使該機(jī)器人沿著管道爬行[6]。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已獲得在全球范圍內(nèi)的專利。如需對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步詳情，請(qǐng)參見(jiàn)說(shuō)明[6]和[7]。在由達(dá)勒姆開(kāi)發(fā)的機(jī)器人大多采用氣動(dòng)和抓地力，在這情況下，因此命名為管壁刷壁機(jī)器人只是像其他管道機(jī)器人，僅能在管道機(jī)器人在一個(gè)有限的直徑范圍內(nèi)工作，盡管有許多其他牽引系統(tǒng)，但刷子機(jī)人只能夠處理了部分的管道。
2．3一種改進(jìn)的刷壁機(jī)器人地震救援和管道維修
該報(bào)告概述了一些改進(jìn)刷壁機(jī)器人的原則，并將其應(yīng)用到工作的目的都是為了地震救援和一些嚴(yán)重受損壓碎的房屋、或是破裂的管道。因此，它的目的是能夠改變它的體形狀態(tài)，在倒塌的建筑物或不同直徑的管道壁破裂或者兩者之一的任何一種可能的糟糕的狀況下。為實(shí)現(xiàn)這些功能，一個(gè)傳感器系統(tǒng)用來(lái)探測(cè)黑洞形狀和控制機(jī)器人身體形狀的改變，這是必要裝備。從而進(jìn)行有目的的救援，一個(gè)CCD攝像機(jī)能有條件的看到洞里的情況。一個(gè)二氧化碳， 檢測(cè)器檢測(cè)無(wú)論受害者是活著都能找出他們的位置。準(zhǔn)備一個(gè)麥克風(fēng)，可以使受害者能夠順利的和救援人員溝通。此外，空軟管將由機(jī)器人為條件的空氣不足。
3． 研究方法
3．1輪廓
對(duì)于一個(gè)機(jī)器人關(guān)鍵是要生產(chǎn)出足夠的摩擦力使它能夠驅(qū)動(dòng)機(jī)器本身，并進(jìn)行必要的負(fù)荷。對(duì)于地震救援的目的，機(jī)器人應(yīng)能穿過(guò)洞和由于地震產(chǎn)生了地震的廢墟裂紋。然而，這個(gè)洞和裂縫的廢墟里通常有不規(guī)則的形狀和大小。因此，機(jī)器人必須能改變自己的身體形狀使它產(chǎn)生足夠的形狀摩擦力。實(shí)現(xiàn)這一要求，必須要安裝一個(gè)傳感器系統(tǒng)放置在該機(jī)器人的頭部，它是用來(lái)檢測(cè)和裂紋的大致形狀的洞。在設(shè)計(jì)刷子機(jī)器的時(shí)候，四組驅(qū)動(dòng)器需要安裝機(jī)器人身上。這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)將會(huì)改變機(jī)器人的形體，從而使傳感器信號(hào)返回到系統(tǒng)。在這個(gè)過(guò)程中控制系統(tǒng)將會(huì)認(rèn)出來(lái)傳感器的信號(hào)，執(zhí)行計(jì)算基于信號(hào)的信息發(fā)送和適當(dāng)?shù)闹噶顏?lái)改變驅(qū)動(dòng)器，使它變形。利用安裝在機(jī)器人頭部的CCD相機(jī)可以觀察到洞內(nèi)的條件和裂縫，并對(duì)其進(jìn)行研究。在機(jī)器人自動(dòng)控制功能失敗的情況下手動(dòng)控制功能也能處理異常情況。一個(gè)軟件系統(tǒng)基于電腦也是必需的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。更確切地說(shuō)，這個(gè)軟件能夠記錄機(jī)器人的行走路線和遇到個(gè)各種洞和孔的形狀。
3．2機(jī)器人的工作機(jī)制的理論
3．2．1．這個(gè)機(jī)制理論的一個(gè)古老的筆刷的機(jī)器人。
建立一個(gè)真正的機(jī)器人之前模型，這是需要一些電腦模擬來(lái)驗(yàn)證其可行性該控制算法。運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的筆刷的利用率彎曲的毛為手段的推進(jìn)器和支持，就像在圖1。當(dāng)開(kāi)啟，最主要的筆刷，提供更低電阻的硬的曲率，前進(jìn)；其后刷，因?yàn)樗母唠娮杪浜蟮牧α浚３朱o止?fàn)顟B(tài)。然而，當(dāng)相反發(fā)生動(dòng)力。鋼瓶關(guān)閉，最主要的筆刷，而保持固定現(xiàn)在落后刷，提供低電阻、拉向前。
根據(jù)這一理論，闡明牽引完全依賴于硬機(jī)構(gòu)設(shè)置及其可在以下方式?？紤]一個(gè)單根為目的的簡(jiǎn)單，當(dāng)一個(gè)硬放進(jìn)了一個(gè)管道，因?yàn)樗挠行?cè)維，它是彎曲的管子壁，會(huì)有一個(gè)垂直力P，如圖2。在移動(dòng)核心刷毛，牽引F應(yīng)該等于P。投影的短毛在這個(gè)方向的維度上標(biāo)明“h”。 硬的長(zhǎng)度是l。弦”兩個(gè)人之間的尖端的毛是表達(dá)的論文[6]，給出了結(jié)論之間的最佳天使和管壁硬在30±40±取得最佳的抓地力，雖然這個(gè)天使將會(huì)改變?nèi)Q于很多因素，例如潤(rùn)滑。在文獻(xiàn)[7]，給我們h和l之間的關(guān)系。
（1）
注意：
和
的h值可以是眾所周知的， α。文章以漢族施舍一張桌子，所得結(jié)果表明:(1)采用如下圖所示表1。
圖1 刷機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理
圖2毛機(jī)制圖
表1 試算表，h和l的關(guān)系
圖3一個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)體模塊
3．3控制算法，在新刷的機(jī)器人
提出了一種改進(jìn)的筆刷，使機(jī)器人能夠改變它的體形和適應(yīng)的空隙中，一個(gè)復(fù)合控制算法，基于查表法和最小經(jīng)計(jì)算的方法。機(jī)器人的使用方法，來(lái)決定如何改變自己的身體形狀，洞的形狀和大小是參考數(shù)據(jù)文件，保存在一張盤里面。這張盤是組成數(shù)據(jù)文件，每個(gè)文件提供了一份計(jì)算的結(jié)果，通過(guò)使用ABAQUS軟件。圖3所示的一個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)體模塊。每個(gè)機(jī)器人身體的模塊組成，帶有4驅(qū)動(dòng)器帶鋼圈和數(shù)百?gòu)椈射摶ハ喟惭b在地面的地帶。這里的每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的終點(diǎn)連接到盤里，就這樣的可以改變形狀，可變形成循環(huán)器和推進(jìn)。如果是明顯的數(shù)百點(diǎn)圓圈，各點(diǎn)都被記錄為一次數(shù)據(jù)。圓形狀可以是唯一代表所有點(diǎn)的坐標(biāo)能被人知道的。當(dāng)執(zhí)行這些圓形坐標(biāo)要點(diǎn)，可以推入一條圓變形等數(shù)據(jù)來(lái)推算。事實(shí)上，這里的形狀和實(shí)際形狀的圓圈代表了機(jī)器人身體的模塊。這些形狀與動(dòng)荷載和是放在這個(gè)的機(jī)器人身體的方向和x獨(dú)立。因此，身體模塊機(jī)器人的形狀將會(huì)有所改變，不同驅(qū)動(dòng)器負(fù)載和撓度都能進(jìn)行改變。在這同時(shí)，坐標(biāo)機(jī)器人身體上的點(diǎn)模塊將會(huì)改變，因?yàn)闄C(jī)器人身體無(wú)能為力。這些點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算，預(yù)測(cè)可采用ABAQUS， 當(dāng)已知?jiǎng)雍奢d作用下。這個(gè)數(shù)組的坐標(biāo)機(jī)器人身體的形狀呈現(xiàn)在這樣的動(dòng)荷載作用下的模塊。如果動(dòng)荷載作用下的變化，提出了一種新的數(shù)組的坐標(biāo)可獲得，這意味著該機(jī)器人身體模塊將會(huì)得到一個(gè)新的形狀。因此可以通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)器、輸入變量的計(jì)算，許多陣列ABAQUS坐標(biāo)可獲得。他們每個(gè)人都代表了一種獨(dú)特的機(jī)器人身體模塊的形狀。這些元件的坐標(biāo)可以存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)文件，每個(gè)數(shù)據(jù)文件被用作記錄放在盤上。作為一個(gè)結(jié)果，本表格包含了許多機(jī)器人身體的形狀不同動(dòng)荷載作用下的模塊。同樣的一個(gè)洞的獨(dú)特形狀也可以表示為一個(gè)數(shù)組的坐標(biāo)的孔邊壁。機(jī)器人的控制算法是必需的，能夠找到最合適的形狀的洞中從這些數(shù)據(jù)文件的形狀的盤。
表2一個(gè)數(shù)據(jù)文件儲(chǔ)存以一個(gè)數(shù)組的形式返回點(diǎn)的坐標(biāo)
……
附件2：外文原文（復(fù)印件）
青島濱海學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)
1 管道機(jī)器人的發(fā)展
1.1課題的背景及來(lái)源
本課題來(lái)源于實(shí)際運(yùn)輸煤氣作業(yè)中所遇到的困難，許多城市煤氣回收萘不徹底，造成在主管道內(nèi)結(jié)萘，管內(nèi)萘堵塞管內(nèi)面積超過(guò)50%以上，嚴(yán)重影響煤氣的運(yùn)輸，以清除管內(nèi)結(jié)萘為目標(biāo)，著手研制此管內(nèi)步伐式機(jī)器人。
1.2管內(nèi)機(jī)器人發(fā)展綜述
機(jī)器人是人類新世紀(jì)的偉大發(fā)明之一，是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運(yùn)行、重復(fù)操作和精度較高的自動(dòng)化設(shè)備，機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究發(fā)生根本性的變化，而且將對(duì)人類的社會(huì)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響?？茖W(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，在各國(guó)之間綜合國(guó)力的競(jìng)爭(zhēng)，很大程度上取決于高技術(shù)之間的競(jìng)爭(zhēng)，作為機(jī)電一體化的最高成就——機(jī)器人技術(shù)作為高技術(shù)的一個(gè)重要分支，普遍受到了各國(guó)的重視，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造水平的不斷提高，極大的推進(jìn)了機(jī)器人的發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)器人已經(jīng)成為了一個(gè)龐大的家族。
1.2.1機(jī)器人的定義
機(jī)器人技術(shù)是一種面向未來(lái)的現(xiàn)代化技術(shù)，機(jī)器人技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、基因技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等一樣，屬于高新技術(shù)。它設(shè)計(jì)的學(xué)科有材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能、數(shù)學(xué)方法、仿生學(xué)等等很多學(xué)科，所以機(jī)器人的定義也是多種多樣的，其原因是它具有一定的模糊性。目前有幾個(gè)國(guó)際公認(rèn)的定義：
1979年美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)將機(jī)器人定義為：“可重復(fù)編程的多功能操縱器，設(shè)計(jì)成通過(guò)不同的編程動(dòng)作為執(zhí)行多種任務(wù)移動(dòng)原料、部件。工具或?qū)ｉT的設(shè)備?！?
1984年12月國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織中的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)委員會(huì)所屬工業(yè)用機(jī)器人分會(huì)作出的定義：機(jī)器人是一種自動(dòng)控制下通過(guò)變成可完成某些操作或移動(dòng)作業(yè)的機(jī)器。
1988年法國(guó)的埃斯皮奧將機(jī)器人學(xué)定義為：機(jī)器人學(xué)是指設(shè)計(jì)能根據(jù)傳感器信息實(shí)現(xiàn)預(yù)先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)的使用方法作為研究對(duì)象。
我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器人具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器”。
1.2.2我國(guó)管道機(jī)器人的發(fā)展、
哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授自1987年以來(lái)開(kāi)展管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，較全面的研究了不同類型的管道機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)模型，取得了很多的成果。在1995年哈工大與大慶油建公司合作研制成功的Φ660野外大孔徑管線對(duì)接焊縫工業(yè)X射線檢測(cè)系統(tǒng)，于1996年通過(guò)黑龍江科委主持的鑒定，在陜京管線上進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用，獲得成功。該機(jī)器人采用輪式行走機(jī)構(gòu)，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，PWM直流脈寬調(diào)速，由工控機(jī)和MCS-552單片機(jī)共同控制，可自動(dòng)進(jìn)行圖像識(shí)別，在管內(nèi)移動(dòng)距離300m，在技術(shù)上解決了收放線的控制問(wèn)題和長(zhǎng)距離強(qiáng)弱信號(hào)混傳干擾問(wèn)題。該項(xiàng)目以達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
圖1.1哈爾濱工業(yè)大學(xué)Φ660管道機(jī)器人
哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1998年研制的水泥砂漿襯里噴涂補(bǔ)口作業(yè)機(jī)器人樣機(jī)（如下圖），該機(jī)器人采用輪履復(fù)合式行走方式，解決了穿越管內(nèi)凹型障礙的技術(shù)難題，針對(duì)水泥砂漿的流變學(xué)特性，所設(shè)計(jì)的螺旋送料裝置及離心噴涂裝置解決了水泥砂漿的補(bǔ)口難題。
圖1.2
清華大學(xué)于2001年研制出了一種輪式管道檢測(cè)機(jī)器人Pipesbot-I，如下圖所示，該機(jī)器人采用全驅(qū)動(dòng)直進(jìn)式結(jié)構(gòu)，由三個(gè)直流電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿副，帶動(dòng)三個(gè)徑向均布的驅(qū)動(dòng)輪，通過(guò)一個(gè)剪形彈簧壓緊機(jī)構(gòu)使驅(qū)動(dòng)輪撐緊管壁，依靠摩擦力運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)指標(biāo)為：行走速度1km/h，探測(cè)長(zhǎng)度1km/次，使用管徑Ф140mm-180mm。
圖1.3
2機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案
2.1模塊化設(shè)計(jì)理念
2.1.1模塊化設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)
模塊化設(shè)計(jì)是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)不斷發(fā)展的過(guò)程中逐步形成的，是一種設(shè)計(jì)方法。而模塊化設(shè)計(jì)思想?yún)s由來(lái)已久，其基本思想是以產(chǎn)品（系統(tǒng)）的總功能為對(duì)象，以功能分析為基礎(chǔ)，將整個(gè)產(chǎn)品分解為若干特定的模塊，然后通過(guò)模塊的不同組合，可以得到不同產(chǎn)品、不同功能的產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)的各種需求。
模塊化又稱模件化，模塊化的定義有很多種，但是按其概念有如下的定義：由若干具有不同用途（或性能）并可互換的模塊，經(jīng)不同的組合，以滿足不同需要的這種方法稱之為模塊化。由此可見(jiàn)模塊化應(yīng)具有四個(gè)基本含義：①必須具有一定數(shù)量的模塊；②應(yīng)用系統(tǒng)組合原理；③最終要獲得能基本滿足各種不同功能的需要；④模塊化的可分性。
進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，必須首先把產(chǎn)品劃分為若干模塊，然后以模塊為基本單元進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，模塊合理劃分與否將直接影響產(chǎn)品的性能、外觀以及模塊通用化的程度和成本。模塊化產(chǎn)品，通常按功能將產(chǎn)品劃分為若干單元，并使功能單元獨(dú)立化，這些單元被稱為功能模塊，然后由功能棉毛褲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的總共能。
2.1.2管內(nèi)步伐機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)
模塊的設(shè)計(jì)問(wèn)題是模塊化設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，因此合理的劃分模塊并構(gòu)造模塊的結(jié)構(gòu)是模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。我們依據(jù)功能劃分的模塊化設(shè)計(jì)方法，將管內(nèi)步伐式行走機(jī)器人劃分為加緊模塊和傳動(dòng)模塊兩個(gè)主要部分，模塊之間除標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)械與電氣連接接口外，其設(shè)計(jì)相互獨(dú)立。
模塊化設(shè)計(jì)的核心思想是將產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分后，通過(guò)對(duì)某些模塊進(jìn)行重新設(shè)計(jì)或變異設(shè)計(jì)得到新的產(chǎn)品。根據(jù)此思想，我們可以對(duì)管內(nèi)步伐式行走機(jī)器人進(jìn)行各種變異設(shè)計(jì)，滿足不同使用要求和應(yīng)用環(huán)境要求。
2.2管內(nèi)步伐式行走機(jī)器人的用途及工作原理
2.2.1管內(nèi)步伐式行走機(jī)器人的用途
近年來(lái)煤氣回收萘不徹底，造成主管道內(nèi)結(jié)萘，管內(nèi)結(jié)萘堵塞管內(nèi)大部分面積，嚴(yán)重影響煤氣輸送，以清除管內(nèi)萘為目標(biāo),研制管內(nèi)步伐機(jī)器人，該機(jī)器人可以完成自動(dòng)清除結(jié)在煤氣管道內(nèi)壁的萘，可實(shí)現(xiàn)在管道內(nèi)雙向行走、自動(dòng)隨管道彎度轉(zhuǎn)向，可在重載條件下使用。、
2.2.2管內(nèi)步伐式機(jī)器人的工作原理
工作原理：管內(nèi)步伐式行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模仿人在井筒中四肢扶壁上下運(yùn)動(dòng)的模式。機(jī)器人由鏡面對(duì)稱的兩個(gè)單元組成, 二單元中間由萬(wàn)向節(jié)鉸鏈連接,可以自動(dòng)適應(yīng)管道彎度轉(zhuǎn)向，當(dāng)管道有彎道時(shí),后腳踩住管壁向前推進(jìn),機(jī)器人的前腿機(jī)構(gòu)自動(dòng)隨管道彎度轉(zhuǎn)向不需要專門控制。機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎最小曲率半徑由機(jī)構(gòu)決定。所以這種機(jī)器人是可以雙向運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)轉(zhuǎn)彎步伐式管內(nèi)機(jī)器人。
主要工作過(guò)程：
圖2.1
A、初始狀態(tài):前腳踩在管壁上,后腳在抬起狀態(tài)前后腿外擺到最大角度.(見(jiàn)圖1.1a)
B、第一前進(jìn)步:前后腿同時(shí)內(nèi)擺到最大角度,在腿內(nèi)擺過(guò)程中,前腳踩住管壁不動(dòng),連桿機(jī)構(gòu)拖動(dòng)身軀和后單元向前移動(dòng)一步(圖1.1a到b)
C、第一次交換支撐腳:后腳外伸踩住管壁,同時(shí)前腳縮回抬起離開(kāi)管壁,實(shí)現(xiàn)支撐腳轉(zhuǎn)換,在交換支撐腳過(guò)程中,機(jī)器人沒(méi)有前后運(yùn)動(dòng)。(圖1.1b到c)
D、第二前進(jìn)步:前后單元的腿同時(shí)外擺到最大角度,在擺腿過(guò)程中,后腳踩住管壁不動(dòng),連桿機(jī)構(gòu)拖動(dòng)身軀和前單元向前移動(dòng)了第二步.(圖1.1c到d)
E、第二次交換支撐腳:后腳縮回抬起,前腳伸出踩住管壁, 同時(shí)前后腿外擺到最大角度恢復(fù)到初始位置,機(jī)器人沒(méi)有前后運(yùn)動(dòng)。(圖1.1d到a)
2.3管內(nèi)步伐式行走機(jī)構(gòu)
管內(nèi)步伐式機(jī)器人的機(jī)構(gòu)主要分為3部分，有撐腳機(jī)構(gòu)及其傳動(dòng)、牽引機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等。下面分別介紹3種機(jī)構(gòu)，下圖為管內(nèi)步伐式機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖2.2
2.3.1撐腳機(jī)構(gòu)及其傳動(dòng)
撐腳機(jī)構(gòu)的作用是使管道機(jī)器人被支承在管道中心線上。其機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)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。當(dāng)電機(jī)(16)帶動(dòng)小齒輪(15)和齒圈(14)旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒圈背面的平面螺紋驅(qū)動(dòng)滑桿(13)在筒體(10)的徑向軌道內(nèi)外伸推動(dòng)腳靴踩在管壁上，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑桿內(nèi)縮帶動(dòng)腳靴徑向抬起離開(kāi)管壁。腳靴三套在圓周上間隔120°布置，三套腳靴同步伸縮,其動(dòng)作與車床三爪卡盤的動(dòng)作類同。三套腳靴伸出踩在管壁上時(shí),使機(jī)器人處在管道的中心線上。為了使機(jī)器人在腳靴縮回時(shí), 仍能維持在中心線上,安裝4 組輔助支承輪(18),每組三套, 在圓周上間隔120°安裝,支承輪通過(guò)支承柱(19)、彈簧(20)分別與支架(3)和筒體(10)固連。當(dāng)撐腳縮回時(shí)支承輪使機(jī)器人基本上維持在管道中心線上。當(dāng)機(jī)器人行走過(guò)程中支承輪遇到障礙時(shí)彈簧被壓縮通過(guò)障礙。
2.3.2牽引機(jī)構(gòu)及其傳動(dòng)
牽引機(jī)構(gòu)的作用是拖動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。 牽引機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖2) 由電機(jī)( 1)、 螺桿(2)、螺母(5)撥銷(4)、撥桿(7)和支承桿(9)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?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng), 由于腳靴(12) 鎖死在管壁上, 支承桿(9)不能向后運(yùn)動(dòng),撥桿(7)通過(guò)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(guò)萬(wàn)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)處在抬起位置時(shí), 撥桿( 7)通過(guò)支承桿( 9)推動(dòng)筒體在套筒(11)上向萬(wàn)向節(jié)方向滑動(dòng)改變了腿的姿勢(shì)。
2.3.3轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的作用是使機(jī)器人能隨管道的彎曲自動(dòng)轉(zhuǎn)向通過(guò)彎曲管道。管道行走機(jī)器人由兩個(gè)鏡面對(duì)稱的單元組成,兩個(gè)單元的套筒間由萬(wàn)向節(jié)( 21)連接, 這是一個(gè)十字萬(wàn)向節(jié)機(jī)構(gòu),可使前后兩單元在任意方向上轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)管道彎曲時(shí)萬(wàn)向節(jié)可自動(dòng)轉(zhuǎn)向適應(yīng)彎曲管道,這樣機(jī)器人通過(guò)彎曲管道時(shí)無(wú)需專門進(jìn)行檢測(cè)和控制。
2.4步伐機(jī)器人的本體技術(shù)要求
機(jī)器人設(shè)計(jì)的目的是靠行走來(lái)清除管道內(nèi)的堵塞物，因此，首要的目標(biāo)是使機(jī)器人能夠在較長(zhǎng)的管道空間內(nèi)安全可靠的爬行，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的使機(jī)器人移動(dòng)靈活，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，滿足一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性要求。
2.4.1支撐機(jī)構(gòu)的技術(shù)要求
根據(jù)步伐機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，撐腳機(jī)構(gòu)是主體，所產(chǎn)生的支撐力應(yīng)能保證機(jī)器人在單步運(yùn)動(dòng)中一端鎖定在管壁中，使機(jī)器人在單步工作中保持穩(wěn)定。在支撐-放松過(guò)程中能自如的進(jìn)行，有一定的機(jī)械自鎖能力提高安全性。
對(duì)撐腳機(jī)構(gòu)的要求是：能夠產(chǎn)生足夠大的支撐力；放松和支撐能夠收放自如；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕量化。
2.4.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)能保證一定的驅(qū)動(dòng)力和傳送速度，有較高的工作效率，能夠有較高的傳動(dòng)穩(wěn)定性。因此擬采用滾珠絲桿副。實(shí)用滾珠絲桿副有很多有點(diǎn)：
①滾珠絲桿副是一種新型的螺旋傳動(dòng)元件，能夠適應(yīng)高溫、低溫、無(wú)潤(rùn)滑、水中，技術(shù)比較成熟。
②滾珠絲桿副具有高效率和高精度的特點(diǎn)。
③具有高速特性和耐磨損性及運(yùn)動(dòng)可逆性等特性，而且無(wú)回程間隙。
④構(gòu)件間的可動(dòng)聯(lián)接通常不是借助于運(yùn)動(dòng)副本身，而是在絲杠和螺母兩構(gòu)件間利用中間元件（滾珠）來(lái)實(shí)現(xiàn)。
⑤軸向高度高，摩擦阻力小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。
2.5本章小結(jié)
本章主要介紹了機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求，將機(jī)器人模塊劃分，為下面具體設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
3管內(nèi)步伐式機(jī)器人的有關(guān)參數(shù)選擇
3.1步伐式機(jī)器人移動(dòng)方式的選擇
各常用移動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1.1
移動(dòng)方式
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
輪式
移動(dòng)速度快，控制方便，轉(zhuǎn)彎容易
與壁面接觸面積小，越障礙能力差，易產(chǎn)生打滑。
履帶式
與壁面接觸面積大，承載能力大，移動(dòng)速度快，對(duì)壁面的適應(yīng)能力強(qiáng)
履帶磨損大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)動(dòng)性較差。
腿式
越障礙能力強(qiáng)，承載能力大，機(jī)動(dòng)性好，具有很強(qiáng)的壁面適應(yīng)能力。
結(jié)構(gòu)復(fù)雜，移動(dòng)是間歇的，速度慢，關(guān)節(jié)和足數(shù)多，控制復(fù)雜。
蠕動(dòng)式
承載能力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，控制簡(jiǎn)便，對(duì)壁面適應(yīng)能力比較強(qiáng)
運(yùn)動(dòng)速度慢，越障礙能力差
表3.1
我們經(jīng)過(guò)多方案比較，設(shè)計(jì)了一種步伐式行走結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式有前后兩段相互獨(dú)立的主體，主體上的接觸腳可伸縮鎖死在管壁上，能承受大載荷，適合在重載中使用。在行走機(jī)器人結(jié)構(gòu)中用步伐式行走具有很多優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)在規(guī)則形狀的任意長(zhǎng)的管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)，控制簡(jiǎn)便，還可以根據(jù)使用要求，做各種變形設(shè)計(jì)，具有較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。
3.2機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的選擇
目前對(duì)于機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)有多種不同的選擇方案，可以采用電氣驅(qū)
動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)等不同的方式。不同的動(dòng)力系統(tǒng)具有不同的特點(diǎn)，根據(jù)不同的工作環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)合，按照具體的要求來(lái)選擇最合適的動(dòng)力系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。下表為不同的驅(qū)動(dòng)方式的性能對(duì)照表。
項(xiàng)目
氣壓驅(qū)動(dòng)
液壓驅(qū)動(dòng)
電氣驅(qū)動(dòng)
機(jī)械驅(qū)動(dòng)
技術(shù)要求
較低
較高
最高
較低
動(dòng)作快慢
較快
較慢
快
慢
速度穩(wěn)定性
較差
良好
較好
很好
驅(qū)動(dòng)力
中等
最大
較大
較大
環(huán)境要求
適應(yīng)性好
不怕震動(dòng)
要求高
一般
控制距離
中等
短
長(zhǎng)
短
經(jīng)濟(jì)性
便宜
較貴
較貴
一般
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
簡(jiǎn)單
復(fù)雜
復(fù)雜
稍復(fù)雜
使用維護(hù)
簡(jiǎn)單
稍高
較高
簡(jiǎn)單
速度調(diào)整
容易
很容易
稍困難
困難
表3.2
氣壓驅(qū)動(dòng)使用壓力通常在0.4-0.6Mpa，最高可達(dá)1Mpa。氣壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。氣壓驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是功率質(zhì)量比少，裝置體積大，同時(shí)由于空氣的可壓縮性使得機(jī)器人在任意定位時(shí)，位姿精度不高。氣壓驅(qū)動(dòng)不可避免的存在漏氣的問(wèn)題和氣壓裝置體積較大，這一點(diǎn)不符合本步伐式機(jī)器人的工作空間要求，不適合在本系統(tǒng)中使用。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用2-15Mpa的油液驅(qū)動(dòng)，體積較氣壓驅(qū)動(dòng)小，功率質(zhì)量比大，驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，液壓驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是易漏油，這影響工作穩(wěn)定性和定位精度。由于有漏油的問(wèn)題，也不適合在本系統(tǒng)中使用。
電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。由于電氣驅(qū)動(dòng)具有易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，響應(yīng)快，使用方便，信號(hào)檢測(cè)、傳遞和處理方便，成本低廉，驅(qū)動(dòng)效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，電氣驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為最為普遍，應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式，符合本系統(tǒng)要求。所以選擇電氣驅(qū)動(dòng)與機(jī)械驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方案。
3.3電機(jī)類型的選擇
在上節(jié)中介紹到，電機(jī)驅(qū)動(dòng)適合本步伐式機(jī)器人，在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，有直流電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)等實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，以及實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)。目前在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中較為常用的電機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，他們的特性、工作原理與控制方式如下表。
電機(jī)類型
主要特點(diǎn)
構(gòu)造與工作原理
控制方式
直流伺服電機(jī)
接通直流電即可工作，控制簡(jiǎn)單；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制、效率高；需要定時(shí)維護(hù)和更換電刷，使用壽命短、噪聲大
由永磁體定子、線圈轉(zhuǎn)子、電刷和轉(zhuǎn)向器構(gòu)成。通過(guò)電刷和換向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度而變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
轉(zhuǎn)速控制采用電壓控制方式，兩者成正比。轉(zhuǎn)矩控制采用電流控制方式，兩者成正比。
交流伺服電機(jī)
沒(méi)有電刷和換向器，無(wú)需維護(hù)，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，價(jià)格高
按結(jié)構(gòu)分為同步和異步電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)與同步電機(jī)相同，特性與直流電機(jī)相同。
分為電壓控制與頻率控制兩種方式。異步電機(jī)通常采用電壓控制
步進(jìn)電機(jī)
直接用數(shù)字信號(hào)控制，與計(jì)算機(jī)接口簡(jiǎn)單，沒(méi)有電刷，維護(hù)方便，壽命長(zhǎng)，缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率低，易失歩，過(guò)載能力弱
按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可分為：永磁式。反映式和混合式
永磁式是單向勵(lì)磁，精度高，但容易失步，反應(yīng)式是雙相勵(lì)磁，輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子過(guò)沖小，但效率低，混合式是單雙相勵(lì)磁，分辨率高，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)
表3.3
步進(jìn)電機(jī)作為一種新型的自動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，進(jìn)入了一些高、精、尖的控制領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)雖然有一些不足，如啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大時(shí)易出現(xiàn)失步或堵轉(zhuǎn)，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖，且一般無(wú)過(guò)載能力，往往需要選取有較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)來(lái)克服慣性力矩。但步進(jìn)電機(jī)點(diǎn)位控制性能好，沒(méi)有累積誤差，易于實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制，能夠在負(fù)載力矩適當(dāng)?shù)那闆r下，以較小的成本與復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的同步控制。綜合考慮控制要求、成本等多方面因素，本系統(tǒng)選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
3.4 夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
在管內(nèi)步伐機(jī)器人當(dāng)中，夾緊機(jī)構(gòu)是保證機(jī)器人具有良好的爬坡能力和越障能力的關(guān)鍵。夾緊機(jī)構(gòu)分為機(jī)械式和液壓式兩種，機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)采用平面螺旋副。驅(qū)動(dòng)在圓周上均布的三個(gè)接觸腳壓向管壁達(dá)到鎖緊的目的。平面螺旋盤的驅(qū)動(dòng)靠電機(jī)一凸輪副或電機(jī)一輪副驅(qū)動(dòng)。液壓式夾緊機(jī)構(gòu)采用液性介質(zhì)彈性?shī)A緊機(jī)構(gòu)。為此我們提出了三種結(jié)構(gòu)方案：
①電機(jī)一凸輪副結(jié)構(gòu)方案
圖3.4 電機(jī)--凸輪服結(jié)構(gòu)圖
工作原理為：電機(jī)經(jīng)偏心圓弧凸輪，驅(qū)動(dòng)平面螺旋盤在一定的角度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，再推動(dòng)接觸腳外伸或回縮從而與管道鎖緊與放松。此結(jié)構(gòu)需在平面螺旋盤的背面徑向開(kāi)一個(gè)配合凸輪的滑槽。
②液壓式夾緊機(jī)構(gòu)
液壓式夾緊機(jī)構(gòu)是利用液性介質(zhì)將壓力傳遞給薄壁彈性套筒，使薄壁套筒產(chǎn)
生均勻的徑向變形，與管壁夾緊。如圖 所示為液壓式夾緊機(jī)構(gòu)。其工作原理為電機(jī)經(jīng)柱塞驅(qū)動(dòng)液性介質(zhì)，使基體外圓四周的薄壁發(fā)生彈性變形，夾緊管道內(nèi)壁。
液性介質(zhì)一般采用液性塑料或油液。
圖3.5 液壓式夾緊機(jī)構(gòu)
③電機(jī)一齒輪副結(jié)構(gòu)方案
圖3.6 電機(jī)--齒輪副結(jié)構(gòu)圖
工作原理為：電機(jī)經(jīng)內(nèi)齒輪副，驅(qū)動(dòng)平面螺旋盤回轉(zhuǎn)。推動(dòng)接觸腳外伸或回縮，與管道內(nèi)壁夾緊或放松。
總結(jié)：
相比較幾種夾緊機(jī)構(gòu)，液壓夾緊機(jī)構(gòu)可在管壁的一個(gè)環(huán)形帶上獲得較大且均
布的夾緊力。采用液性塑料介質(zhì)，單位壓力可達(dá)而且還有較高的
定心精度,一般可保證同軸度在,但是液壓夾緊機(jī)構(gòu)夾緊效果但是
不易放松.還有一個(gè)不可忽視的問(wèn)題是油漏，這特性不適合爬行機(jī)器人的工作空
間的要求。電機(jī)一凸輪副雖然可以達(dá)到夾緊的功能要求，但是只能在一定的角度
內(nèi)回轉(zhuǎn)，性能不優(yōu)越且對(duì)制造的要求較高。齒輪副的傳動(dòng)精度和效率較高，控制方便?？僧a(chǎn)生較大的動(dòng)力，適應(yīng)性能好，所以爬行機(jī)器人本體的夾緊機(jī)構(gòu)選用電機(jī)一齒輪副夾緊結(jié)構(gòu)。即方案③
3.5 減速結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
常用的機(jī)械傳動(dòng)裝置有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)等
圖3.7
鏈傳動(dòng)的特點(diǎn):①和齒輪傳動(dòng)比較,它可以在兩軸中心相距較遠(yuǎn)的情況下傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力;②能在低速、重載和高溫條件下及灰土飛揚(yáng)的不良環(huán)境中工作;③和帶傳動(dòng)比較,它能保證準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比,傳遞功率較大,且作用在軸和軸承上的力較小;④傳遞效率較高,一般可達(dá)0.95～0.97;⑤鏈條的鉸鏈磨損后,使得節(jié)距變大造成脫落現(xiàn)象;⑥安裝和維修要求較高.鏈輪材料一般是結(jié)構(gòu)鋼等.
圖3.8
帶傳動(dòng)(皮帶傳動(dòng))特點(diǎn)(優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)):①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適用于兩軸中心距較大的傳動(dòng)場(chǎng)合;②傳動(dòng)平穩(wěn)無(wú)噪聲,能緩沖、吸振;③過(guò)載時(shí)帶將會(huì)在帶輪上打滑,可防止薄弱零部件損壞,起到安全保護(hù)作用;④不能保證精確的傳動(dòng)比.帶輪材料一般是鑄鐵等.
圖3.9
齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn):①能保證瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定,平穩(wěn)性較高,傳遞運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠;②傳遞的功率和速度范圍較大;③結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠,可實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比;④傳動(dòng)效率高,使用壽命長(zhǎng);⑤齒輪的制造、安裝要求較高.齒輪材料一般是鑄鐵等.
圖3.10
渦輪蝸桿傳動(dòng)最主要的特點(diǎn)就是具有反向自鎖的功能，而且相比其它傳動(dòng)具有較大的速比，渦輪蝸桿的輸入、輸出軸不在同一軸線上，甚至不在同一個(gè)平面上。自身的缺點(diǎn)，那就是渦輪蝸桿的傳動(dòng)效率不夠高，精度也不是很高。
3.6本章小結(jié)
本章介紹了有關(guān)機(jī)器人一些參數(shù)數(shù)據(jù)的選擇，包括移動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)方式、及電動(dòng)機(jī)的選擇，對(duì)整體方案比較選型給出了依據(jù)和要求，確定了動(dòng)力系統(tǒng)的方案，選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。
4管內(nèi)步伐式行走機(jī)器人的力學(xué)分析
4.1機(jī)器人腳底對(duì)管壁的壓緊力（見(jiàn)圖2.2）{機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖}
根據(jù)虛位移原理?yè)文_電機(jī)6的有效虛功與腳底虛功相等
=3
η1T1△θ= 3F1△L1
其中: T1——電機(jī)6 的扭矩
F1——單腳在管壁上的壓力
——電機(jī)的微小轉(zhuǎn)角
——電機(jī) 6微小轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的腳底伸出量
——傳動(dòng)效率
由于
其中，i——電機(jī)6到腳的傳動(dòng)比；P1——平面螺紋的節(jié)距。
將機(jī)器人參數(shù)T1=6kgcm,n1=159,p1=1cm， =0.5代入方程
得F1=8.37kgf
4.2 管內(nèi)步伐式器人的牽引力
根據(jù)虛位移原理牽引電機(jī)1的有效虛功與牽引虛功相等：
其中，T2——電機(jī)1的扭矩；
——電機(jī)1的微小轉(zhuǎn)角；
——電機(jī)1微小轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的螺母3相對(duì)于螺桿的移動(dòng)量；
——傳動(dòng)效率；
L1——擺桿4上臂長(zhǎng)度；
L2——擺桿4下臂長(zhǎng)度
F2——牽引力
由于：
將機(jī)器人參數(shù)T2=9kgcm,L1=75mm,P2=3mm, =0.8 代入方程
得：F2=209kgf
4.3 無(wú)防滑機(jī)構(gòu)條件下管壁壓力與牽引力的關(guān)系及打滑條件
其中，f支撐腳底與管壁的摩擦系數(shù)。
又有：
將該機(jī)器人參數(shù)帶入不等式右端并取得：
T1/T2>11.1
在無(wú)防滑機(jī)構(gòu)情況下，撐腳電機(jī)扭矩要大于扭矩11.1倍，機(jī)器人才能不打滑正常牽引行走，即該機(jī)器人產(chǎn)生209kg牽引力，牽引電機(jī)扭矩9kgcm,撐腳電機(jī)扭矩需100kgcm以上。
4.4 管內(nèi)步伐式機(jī)器人的防滑機(jī)構(gòu)及力學(xué)分析
如前分析由加大腳底對(duì)管壁的正壓力,使腳底與管壁間存在足夠的摩擦力,以保證機(jī)器人行走時(shí)不打滑的條件為：撐腳電機(jī)的扭矩大于牽引電機(jī)扭矩11.1 倍。這必然導(dǎo)致?lián)文_傳動(dòng)機(jī)構(gòu)龐大,機(jī)器人自重增加,這樣機(jī)器人可轉(zhuǎn)彎的最小半徑將加大,通過(guò)彎曲管道的能力減小,而且非主要做功電機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主要做功電機(jī)是不合理的,因此設(shè)計(jì)了撐腳防滑機(jī)構(gòu)。
4.4.1撐腳防滑機(jī)構(gòu)的工作原理
撐腳防滑機(jī)構(gòu)如圖3所示.其中長(zhǎng)銷(2)靠過(guò)盈配合固連在膠靴(3)上，當(dāng)滑桿(1)與膠靴(3)相對(duì)移動(dòng)時(shí)，長(zhǎng)銷(2)在滑桿(1)的長(zhǎng)槽中滑動(dòng)，在膠靴踩上管壁前，由于彈簧(6)的作用使滑桿(1)相對(duì)于膠靴上移，固聯(lián)在滑桿(1)上的短銷(5)迫使兩擺桿(4)的夾角增大，使兩擺桿(4)的端部縮回到膠靴底面以上。當(dāng)滑桿外伸時(shí)首先膠靴底與管壁接觸，膠靴底接觸管壁后，滑桿壓縮彈簧(6)繼續(xù)下移，短銷也隨滑桿下移，放松了兩擺桿(4)，在彈簧(7)的作用下，兩擺桿(4)的夾角減小，兩擺桿的端部從膠靴底面上伸出壓在管壁上，擺桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)保證擺桿此時(shí)與種新鮮的夾角小于擺桿材料與管壁摩擦角，膠靴左右滑動(dòng)時(shí)右擺桿起作用，向左滑動(dòng)擺桿起作用，被鎖死在管壁上不能左右滑動(dòng)，起防滑作用。
圖4.1
4.4.2防滑機(jī)構(gòu)受力分析，
防滑機(jī)構(gòu)受力分析圖如下圖：
當(dāng)機(jī)器人受力F 時(shí)支撐腳上的擺桿OA 和O′A′有分別繞 O 和 O′向右轉(zhuǎn)動(dòng)傾向，A 點(diǎn)和A′ 點(diǎn)受管壁限制，管壁產(chǎn)生了反作用力Q, 銷軸產(chǎn)生反作用力Q′ , Q 和Q′ 的作用線在擺桿與管壁的接觸點(diǎn)A、銷軸磨擦圓的相切線上。當(dāng)角小于磨擦角時(shí)，接觸點(diǎn)A 不能移動(dòng)，而使O 和 O′ 有向管道中心運(yùn)動(dòng)的趨向而將機(jī)器人支撐機(jī)構(gòu)鎖死，當(dāng)牽引力F消失后Q 也隨之消失。
圖4.2 防滑機(jī)構(gòu)受力分析
4.5 有防滑機(jī)構(gòu)情況下支撐電機(jī)計(jì)算
按支承電機(jī)維持機(jī)器人在管道中心的要求
其中: Q——機(jī)器人的半重量
P1——平面螺紋的節(jié)距
——傳動(dòng)效率
機(jī)器人的半重量Q= 21kg ,將機(jī)器人參數(shù)代入上式得
T1＞4.2kgcm
本機(jī)選用的支撐電機(jī)扭矩為6kgcm.
4.6本章小結(jié)
本章主要對(duì)機(jī)器人的力學(xué)設(shè)計(jì)做了分析，對(duì)壓緊力，牽引力等做了分析，按照模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于后續(xù)工作。對(duì)本體進(jìn)行了受力分析，推導(dǎo)出壓緊力和牽引力計(jì)算公式，對(duì)電機(jī)扭矩進(jìn)行了計(jì)算。
5管內(nèi)步伐行走機(jī)器人控制系統(tǒng)
5.1控制系統(tǒng)的具體要求及控制對(duì)象
5.1.1控制系統(tǒng)的要求
①控制系統(tǒng)應(yīng)有快速響應(yīng)性。
②可靠性高，控制簡(jiǎn)單，成本低
③良好的速度、位移控制能力。
5.1.2具體的控制對(duì)象
①機(jī)器人支撐機(jī)構(gòu)的控制。步伐行走機(jī)器人采用前部和后部相互配合的一種尺蠖蠕動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)，前部和后部的支撐機(jī)構(gòu)采用平面螺旋副來(lái)進(jìn)行工作，通過(guò)小齒輪來(lái)驅(qū)動(dòng)平面螺旋副，前部和后部分別有一個(gè)電機(jī)作為動(dòng)力源。因此需要控制2個(gè)步進(jìn)電機(jī)。
②機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制。步伐行走機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是滾珠絲桿副，絲桿與前部相連，螺母與后部相連，用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)通過(guò)齒輪副來(lái)驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，靠軸向力使機(jī)器人不斷的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
在管內(nèi)步伐行走機(jī)器人中，所有部件的運(yùn)動(dòng)均是通過(guò)電機(jī)進(jìn)行動(dòng)力傳遞的，對(duì)支撐機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有穩(wěn)定性好、操作方便的要求，因此對(duì)電機(jī)的控制方式選擇是非常重要的，根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，選用采用可編程控制器（PLC）對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。
5.2PLC的組成結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
從機(jī)構(gòu)上分，PLC分為固定式和模塊式兩種。固定PLC板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定的規(guī)則組合配置。圖4.1為PLC的結(jié)構(gòu)框圖。
圖5.1PLC結(jié)構(gòu)框圖
本系統(tǒng)選用采用PLC對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，主要是因?yàn)樗邢铝袃?yōu)點(diǎn)：①PLC的軟硬件功能非常強(qiáng)大，其內(nèi)部具有很多功能；②使用維護(hù)方便，PLC不需要像用計(jì)算機(jī)控制那樣在輸入輸出接口上做大量工作，它的輸入輸出接口是已經(jīng)按不同需求做好的，可以直接與控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備相連接的接口；③運(yùn)行穩(wěn)定可靠，同時(shí)采用了微電子技術(shù)，大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸電點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來(lái)完成，同時(shí)還才用了屏蔽、濾波、隔離等抗干擾措施，所以其平均為故障時(shí)間在兩萬(wàn)小時(shí)以上；④設(shè)計(jì)施工周期短，PLC采用面向控制過(guò)程和面向問(wèn)題的梯形語(yǔ)言編程方法，既繼承了傳統(tǒng)控制路線清晰直觀的優(yōu)點(diǎn)，又考慮了大多數(shù)電氣控制技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣及應(yīng)用微機(jī)水平，很容易被電氣技術(shù)人員接受。
5.3PLC控制單元的組成
PLC控制單元主要有PC+PLC的上下位機(jī)、點(diǎn)擊驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)四大部分組成。上位機(jī)為高性能的PC機(jī)，下位機(jī)PLC通過(guò)位置模塊控制各個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊接受和輸出各類開(kāi)關(guān)量；上下位機(jī)之間的通過(guò)串行通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)系。本系統(tǒng)選用了LG公司的MasterK200系列中的K3P-07BS PLC。其組成框圖如4.2所示。系統(tǒng)的主要配置如下，PLC硬件配置。
CPU模塊
K3P-07BS
電源模塊
G6M-PAFA
輸入模塊 1
G6I-D222A
輸入模塊 2
G6Q-RY2A
輸出模塊 1
G6Q-RY2A
輸出模塊 2
G6Q-RY2A
位置模塊 1
G6F-PP30
位置模塊 2
G6F-PP30
圖5.2 PLC控制單元組成框圖（The structure of PLC control system）
5.4 PLC控制單元工作流程及程序框圖
PLC控制單元的工作流程是：首先通過(guò)PLC控制頭部的夾緊電機(jī)工作，使頭部鎖止在管壁中，傳動(dòng)電機(jī)是絲桿帶動(dòng)尾部前進(jìn)，達(dá)到指定位置時(shí)，尾部夾緊電機(jī)工作，使其鎖止在管壁中，頭部夾緊電機(jī)逆向轉(zhuǎn)動(dòng)使頭部放松，使頭部向前移動(dòng)。
程序控制框圖如 5.3 所示 。
圖5.3
5.5本章小結(jié)
本章主要介紹了機(jī)器人的控制系統(tǒng)，對(duì)控制系統(tǒng)提出了設(shè)計(jì)要求及PLC電機(jī)控制單元分析。
6結(jié)論
本文提出了管道步伐式機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行了深入的分析，成功地完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對(duì)移動(dòng)方式及受力分析等進(jìn)行了分析，對(duì)系統(tǒng)技術(shù)單元的穩(wěn)定性、可靠性進(jìn)行了分析。
本文的主要研究成果如下：
①?gòu)V泛的查閱了當(dāng)前有關(guān)管內(nèi)機(jī)器人的文獻(xiàn)，了解了國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)管內(nèi)機(jī)器人的移動(dòng)結(jié)構(gòu)的對(duì)比、分析和設(shè)計(jì)，結(jié)合本課題的設(shè)計(jì)要求，提出了一種管內(nèi)步伐式行走機(jī)器人。
②系統(tǒng)的研究了管內(nèi)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理、驅(qū)動(dòng)方式以及結(jié)構(gòu)形式，詳細(xì)的討論了管內(nèi)機(jī)器人本體研制的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。管內(nèi)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)是本文的重點(diǎn)內(nèi)容，對(duì)本體的支撐結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了具體的分析設(shè)計(jì)，在動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下在規(guī)定的管道中做步伐運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人本體部分按功能劃分的模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，將本體結(jié)構(gòu)分為支撐結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)兩大模塊，對(duì)獨(dú)立的模塊可進(jìn)行相應(yīng)的變形設(shè)計(jì)。
③設(shè)計(jì)了一種自鎖式安全保護(hù)裝置。
④應(yīng)用PLC作為控制核心，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制。
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