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一種蠕動式管道機器人的機構設計
摘 要
在現代，無論是工業(yè)、農業(yè)還是國防領域中都有縱橫交錯的管道。如何保障這些管道系統(tǒng)的安全性和有效性，對于我困經濟發(fā)展至關重要。管道機器人是工作在輸送管道內，用于完成管道缺陷檢測、修復等的智能裝置，是保障管道安全的重要工具。由于管道內環(huán)境復雜，對管道機器人的設計要求驅動單元結構簡單、驅動效率高，同時對復雜的管內環(huán)境具有自適應能力。因此研制具有結構簡單、驅動效率高、具有管內環(huán)境自適應能力的管道機器人具有重要意義。
該蠕動式管道機器人由三部分組成，包括一個伸縮模塊和兩個支撐夾緊模塊。伸縮模塊主要由主執(zhí)行器和四組齒輪齒條構成，利用齒輪齒條的往復移動來實現機器人的行走；兩個支撐夾緊模塊結構上完全一樣，通過曲柄滑塊機構使機器人的腳與管壁壓緊，從而產生機器人行走所需的靜摩擦力。伸縮模塊和支撐模塊按一定的順序循環(huán)工作，從而實現機器人在管道內的行走。
本文首先通過分析國內外研究現況和現有管道機器的結構特點及原理提出自己的設計方案，接著從動作原理和運動特性、動力特性等角度分析了該機器人的結構及性能特點，讓后對機器人各模塊進行了詳細設計與校核，最后采用Pro/E對該機器人進行了三維設計以及采用AutoCAD繪圖軟件繪制了該機器人的裝配圖和主要零件圖。
關鍵字：蠕動，管道，機器人，設計
Abstract
In modern times, whether industrial, agricultural or defense in both pipelines criss-cross. How to protect the safety and effectiveness of these piping systems, economic development is essential for me sleepy. Pipeline robot is working in the pipeline for the completion of the pipeline defect inspection, repair, and other smart devices, is an important tool to protect the safety of pipelines. Due to the complexity of the environment in the pipeline, the pipeline robot design requirements driving a simple cell structure, high drive efficiency, while the inner tube environments with complex adaptive capacity. Therefore, the development of a simple structure, high drive efficiency, environmental adaptive ability of the tube pipe robot is important.
The peristaltic pipe robot consists of three parts, including a telescoping clamp module and two support modules. Telescopic module is composed primarily of four main actuator and gear rack, the gear rack to achieve the reciprocating movement of the walking robot; two supporting structures are completely the same as the clamping block, slider-crank mechanism of the robot through the feet and the tube pressing the walls to produce the required static friction walking robot. Telescoping module and support module cycle work according to a certain order to achieve the robot to walk in the pipeline.
Firstly, make their own designs by analyzing the structural characteristics and the principle of status quo and existing domestic pipeline machines, then from the action principle and motion characteristics, dynamic characteristics, such as paper analyzes the structure and performance characteristics of the robot, so that after Each module is a detailed robot design and verification, finally using Pro/E the robot uses a three-dimensional design and drawing software AutoCAD drawing the assembly drawing of the robot and the main parts diagram.
Keywords: Motility, Pipes, Robotics, Design
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1 研究背景及意義 1
1.2 國內外研究概況 1
1.3 蠕動式管道機器人概述 4
第二章 總體設計與特性分析 6
2.1 驅動方式的選擇 6
2.2 結構方案設計 6
2.2.1 蠕動方式選定 6
2.2.2 支撐夾緊機構設計 8
2.3 總體方案確定 8
2.4 運動及動力學特性分析 9
2.4.1直線運動 9
2.4.2轉彎運動 11
第三章 各組成部分的設計 14
3.1 性能參數的選定 14
3.2 蠕動行走機構的設計 14
3.2.2 伺服電機的選定 14
3.2.1 運動及動力參數計算 15
3.2.3 減速器的選定 15
3.2.3 圓錐齒輪傳動的設計 16
3.2.4 齒輪齒條傳動的設計 19
3.2.5 傳動軸的設計及軸上零件的選定 22
3.2.6 機架的設計 25
3.3 支撐夾緊機構設計 26
3.3.1 伺服電機的選定 26
3.3.2 運動及動力參數選定 26
3.3.3減速器的選定 26
3.3.4 曲柄滑塊機構設計 27
3.3.5 機架的設計 30
3.4 機器人各模塊基于Pro/E的三維設計 30
3.4.1 蠕動行走模塊 30
3.4.2 上部支撐夾緊模塊 31
3.4.3 下部支撐夾緊模塊 31
3.4.3 機器人整體設計 32
第四章 控制系統(tǒng)的設計 33
4.1 控制系統(tǒng)組成 33
4.1.1 蠕動式機器人控制系統(tǒng) 33
4.1.2核心器件的選擇 33
4.2蠕動式機器人的具體控制方法 35
結 論 36
參考文獻 37
致 謝 38
40
第一章 緒論
1.1 研究背景及意義
隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，空調和天然氣管道以及各種輸送管道的應用越來越多。在我國及世界各個國家內，由于地形的限制和土地資源的有限，在地下都埋設了很多的輸送管道，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。
隨著機電一體化技術的發(fā)展，以及機器人技術的發(fā)展和管道測試等技術的進一步發(fā)展，相互之間的滲透程度越來越深，人們制造出各種各樣的管道機器人來進行對各種管道的維修、維護和檢測。管道機器人可以進入人們無法進入的管道中，完成一定的規(guī)定任務如檢測管道的裂縫、清掃管道，這樣的話，人們不再為了維修、維護管道時挖開道路，或是對空調等完全拆卸開，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、輪子等實現在管道中的移動，這樣有很多的缺點。例如目前的管道機器人都是為了專門的管道而設計的，通用性不好，舉個例子，當輪式或是履帶式的管道機器人在有一定的液體的管道中運動時，會發(fā)生滑動，使機器人在管道中不能行走，不能完成指定的任務。還有就是這些機器人的設計不能實現在傾斜的或是垂直的管道中行走，有些即使能在垂直的管道中行走但是不能適應有液體的管道，以上的原因大大的限制了管道機器人的工作范圍。
因此設計一種通用性更強，結構更緊湊，動作運行平穩(wěn)，能夠適應管道截面變化的新型管道機器人非常必要。
研制該機器人的目的是為了幫助人們擺脫繁重的勞動和簡單的重復勞動，以及替代人到危險環(huán)境中進行作業(yè)，因此機器人最早在汽車制造業(yè)和核工業(yè)領域得以應用。在自來水供應、煤氣供應、飛機、潛艇、石油天然氣、核發(fā)電站等環(huán)境中存在著大量人類無法進入的微細管道和危險區(qū)域。這些管道在經過一段時間的腐蝕和重壓后，會出現裂紋、漏孔等現象。如果這些管道發(fā)生泄漏，將導致無法預計的損失和危害。為提高管道的壽命、防止泄漏等事故的發(fā)生，就必須對管道進行有效的檢測維護，管道機器人為滿足該需要而產生。
1.2 國內外研究概況
管道機器人的驅動源大致有以下幾種：微型電機、壓電驅動、形狀記憶合金（SMA）、氣動驅動、磁致伸縮驅動、電磁轉換驅動等。管道機器人按照驅動方式大致可以分為以下三種，如圖1-1所示。
1）自驅動（自帶動力源）；2）利用流體推力；3）通過彈性桿外加推力；
圖1-1 管道機器人的基本形式
（1）自驅動管內機器人
自驅動管內機器人包括圖1所示的輪式、腳式、爬行式、蠕動式，還包括履帶式等。
1）輪式
日本東芝公司于1997年研制了一臺輪式管內移動機器人，前部帶有一部微型CCD攝像機，能分辨管內異物并用微型機械手實現清理。膠管聯接可過彎管，適應管徑：φ25mm；行走速度：0.36m/min；自重：16g。該機器人采用多輪驅動式為了增加牽引力，由于輪徑太小，越障能力有限，而且結構復雜。
2）腳式
西門子公司Werner Neubauer等人研制的微管道機器人有4、6、8支腳三種類型，可在各種類型的管里移動，其基本原理是利用腿推壓管來支撐個體，多腿可以方便地在各種形狀的彎管道內移動。
3）蠕動式
清華大學研制了一套小型蠕動機器人系統(tǒng)，其結構如圖1-2，由1蠕動體和2、3、4電致伸縮位移器組成。蠕動體的蠕動變形形態(tài)由粘貼于柔性鉸鏈部位的電阻應變實時感應，機器人的外形尺寸為150×61×46mm，重2Kg，最大步距10μm，行程40mm，運動精度0.2μm。
圖1-2 蠕動體結構示意圖
（2）利用管道流體壓力
利用管道流體壓力對管道進行直接檢測和清理技術的研究始于上世紀50年代，受當時的技術水平的限制，其主要的成果是無動力的管道清理設備——PIG，此類設備依靠管內流體的壓力差產生驅動力，隨著管內流體的流動方向向前移動，并可攜帶多種傳感器。但是PIG自身沒有行走能力，其移動速度、檢測區(qū)域不易控制。
上海大學利用石油管道的石油高壓研制成在役石油管道檢測機器人如圖1-3，該型機器人分成多節(jié)，利用與管道密封的橡膠環(huán)（皮碗），相當于活塞，在輸油管內壓力油作用下，推動檢測機器人向前行走，主要由探頭1、高壓密封件2、電機倉3、電池倉4、儀器倉5、儀器倉6、萬向節(jié)7、里程倉8、清管器9和皮碗10組成。
圖1-3 利用管內流體壓力的管道機器人
（3）管外加推力
日本東京科技學院利用外加推力研制成“螺旋原理”的微型機器人如圖1-4。利用在管外的電機推動帶有彈性的線推動驅動部件前進，該驅動部件可以越過小的臺階。
圖1-4 管外加力的管道機器人
1.3 蠕動式管道機器人概述
蠕動式機器人在柔軟狹窄環(huán)境中有著輪式和足式機器人無法比擬的優(yōu)勢，并具有良好的穩(wěn)定性和運動性能。因此，蠕動式機器人在太空探索，危險環(huán)境下作業(yè)，工業(yè)和城市管道檢測以及醫(yī)療上的疾病診斷及微創(chuàng)手術等領域有著廣泛的應用前景。
（1）蠕動式機器人的優(yōu)勢
1）穩(wěn)定性
在崎嶇不平的地區(qū)運動時，輪式和足式機器人存在翻倒的危險?；着c機器人的接觸點，形成一個凸多邊形，當機器人系統(tǒng)的重心超出了由接觸點構成的凸多邊形的邊線時，機器人就會摔倒。而驅動式機器人在大多數情況下的勢能會處于較低的狀態(tài)，因此，機器人因重心超出凸多邊形邊線而摔倒的問題幾乎不存在，其運動的穩(wěn)定性更好。
2）穿越能力
蠕動式機器人在理論上能夠越過數倍于其高度的障礙，這對于輪式和足式機器人幾乎是不可能的。很多運動系統(tǒng)采用輪式來獲得足夠的運動能力，但輪式機器人在松軟的地面和柔軟材料的表面上很難進行有效的運動；足式機器人在粗糙不平的表面上運動存在被卡住的危險。而蠕動式機器人在柔軟或粗糙不平的表面上具有更好的運動能力，同時能夠穿越有障礙物的環(huán)境，具有良好的穿越能力。
3）牽引力
牽引力是指加到運動系統(tǒng)上，驅動其向前運動的力。牽引力通常受運動系統(tǒng)的重量和摩擦系數的影響。輪式和足式機器人的重量分布較為集中，在松軟的地面和柔軟材料的表面上容易陷入其中。而蠕動式機器人的重量相對來說分布在更大的面積上，在機器人具有同等重量的情況下，蠕動式機器人在松軟的表面上運動比輪式和足式機器人更有優(yōu)勢，能提供較大的牽引力。
4）尺寸微型化
相對于輪式和足式機器人，蠕動式機器人的驅動器和本體更適合采用智能材料，可以利用智能材料的特性來實現運動，其尺寸更易微型化，因此多數的蠕動機器人體形細長。對于細長狹窄的空間，蠕動式機器人更適合進入狹窄空間進行作業(yè)。
（2）蠕動式機器人的應用
2）工業(yè)管道檢測
在工業(yè)領域中存在著大量的狹小區(qū)域，如水管，天然氣管道，輸油管道等。很多工業(yè)運用管道鏡來進行檢測，但是這要求工廠需要修改設計，增加通道入口來放置管道鏡。而蠕動式管道機器人可以通過運動到達需要檢測的地點，節(jié)省了費用。具有現場檢測和精確定位功能的高效蠕動式管道機器人不僅能夠節(jié)省費用，更能減少管道檢測的時間，提高管道檢測的效率。
2）醫(yī)療領域
蠕動式機器人因其在醫(yī)療領域的潛在應用價值而受到關注。微創(chuàng)手術減少了手術中大面積切開皮膚組織的需要。這將大大減輕給患者帶來的嚴重不適及痛苦，減少對人體其它完好組織的傷害，縮短康復時間消除手術引起的副作用，降低醫(yī)療費用，減輕患者的生理痛苦和醫(yī)療人員手術操作時的心理壓力。內窺鏡就屬于這類應用。
3）危險環(huán)境中作業(yè)
人類的活動有很多禁區(qū)，如輻射、高溫、有毒、低壓等環(huán)境，然而這樣的地區(qū)卻是必須要被經常檢查以確保安全。另外，在一些意外災害，如地震、爆炸、颶風、火災等情況下，需要及時搜救被困人員，解救傷員。蠕動式機器人適合在狹窄的環(huán)境下作業(yè)，能夠很好的在這些場合完成任務。在蠕動式機器人上安裝生命傳感器，進入受災現場，能夠減少大型挖掘設備對受傷人員帶來的傷害，并提高救援效率。
第二章 總體設計與特性分析
2.1 驅動方式的選擇
蠕動式管道機器人運動是簡單的重復性運動，其主要運動形式只有“收縮一伸長”。蠕動式機器人的結構設計并不是十分困難，但是對蠕動式機器人的控制相對困難。因此，必須全面考慮機器人系統(tǒng)的組成。適合做蠕動式機器人的驅動方式有SMA驅動，壓電驅動，電機驅動，電磁驅動和氣動驅動等。
表3.1為幾種驅動方式的比較
綜合考慮到蠕動式管道機器人的結構和控制的簡單和方便性，本次選用伺服電機驅動。
2.2 結構方案設計
2.2.1 蠕動方式選定
（1）方案1：曲柄滑塊式蠕動方式
曲柄滑塊式蠕動方式，如下圖：
圖2-1曲柄滑塊式蠕動方式
曲柄滑塊機構容易實現，成本較低，不需要太多的加工。但是由于曲柄滑塊機構有急回特性，使蠕動式管道機器人的速度很難控制，并且不能實現它的勻速運動。而且曲柄滑塊機構占用的空間很大，不利于機器人向小型化發(fā)展。
（2）方案2：齒輪齒條式蠕動方式
齒輪齒條式蠕動方式，如下圖：
圖2-2齒輪齒條式蠕動方式
齒輪齒條機構相對其他的機構來說最大的特點是能夠實現勻速運動，同時剛度等條件容易達到規(guī)定的要求。成本也較低，只需要簡單的嚙合就能實現本設計的要求，而且占用的空間小，運動穩(wěn)定。
綜合以上的方案評價和比較和各類因素，選擇方案2的齒輪齒條式蠕動方式相對運行穩(wěn)定，結構簡單，容易實現，可以實現勻速運動。因此驅動方式選用齒輪齒條的形式，結構如下圖示。
圖2-3齒輪齒條式蠕動方式
2.2.2 支撐夾緊機構設計
為適應管道截面的幾何變形，需設計可適應不同截面大小的蠕動行走時的支撐夾緊機構，該機構必須能根據不同截面形狀和大小自動調整支撐夾緊部件的長度。綜合考慮蠕動式管道機器人的結構和控制的簡單和方便性，本次選用曲柄滑塊式支撐夾緊機構。曲柄滑塊機構容易實現，成本較低，不需要太多的加工。曲柄滑塊式支撐夾緊機構如下圖：
圖2-4 支撐夾緊機構
2.3 總體方案確定
如圖2-5所示，該蠕動式管道機器人由上部支撐夾緊機構、中間蠕動行走機構、下部支撐夾緊機構三部分組成。
圖2-5 蠕動式管道機器人總體結構
2.4 運動及動力學特性分析
2.4.1直線運動
（1）直線運動原理分析
當機器人直行時，如圖2-6中②-⑥所示過程，首先下部夾緊機構與管道內壁夾緊，中間蠕動行走機構的四個齒輪同向同速轉動帶動齒條移動，此時上部夾緊機構、中間蠕動行走機構在齒條的作用下向前伸出到達極限位置時，上部夾緊機構與管道內壁夾緊，下部夾緊機構松開，中間蠕動行走機構的四個齒輪同向同速反轉帶動齒條移動，此時下部夾緊機構、中間蠕動行走機構在齒條的作用下向前收縮到達極限位置。這樣一次蠕動行走循環(huán)完成，進入下一個蠕動行走循環(huán)。在蠕動行走過程中由于夾緊裝置長度可根據不同管道截面形狀和尺寸徑變化因此可以適應不同截面形狀和尺寸的管道。
圖2-6直線運動原理
圖2-7直線運動齒輪齒條狀態(tài)
（2）直線運動動力學分析
直線運動時受力比較簡單，腿部與管壁間的摩擦力提供機器人行走的驅動力，極限情況為機器人沿管壁垂直向上運動時克服自身重力上升。此時齒輪與齒條的負載為G1或G2，所需要的腿部總摩擦力為G1+G2，即滿足下述力學方程：
圖2-8 直線運動動力學分析
2.4.2轉彎運動
當機器人遇到T型或L型管道需要轉彎時，如圖2-7中①-⑧所示過程，原理與直線運動類似，不過需要變向時機器人用于驅動齒條伸縮的兩側齒輪轉速不同從而使機器人機身向需轉彎的方向彎曲實現轉彎。
圖2-9轉彎運動原理分析
圖2-10轉彎運動齒輪齒條狀態(tài)
圖2-10 轉彎運動學分析
幾何關系滿足：
其中
（xm，ym）坐標：
（xu，yu）坐標：
第三章 各組成部分的設計
3.1 性能參數的選定
通過對現在常用管道的截面形狀、尺寸、管道布置等的統(tǒng)計與分析初步選定本次設計的蠕動式管道機器人性能參數如下：
行走速度： 10 m/min
自重： 10 kg
凈載重： 5 kg
機身尺寸： 351mm155mm155mm
自適應管道直徑范圍：150mm~400mm
工作電壓： 12V
3.2 蠕動行走機構的設計
3.2.2 伺服電機的選定
（1）估算所需電機最大功率
根據第二章的分析可以知道該機器人行走時所需最大功率出現在機器人滿載5Kg重物下克服重力沿豎直管道向上行走時，此時機器人克服重力做功。
，因此選定電機額定功率為：30W
（2）電機轉速的選定
對于相同額定功率的伺服電機，轉速越高后面所需的減速裝置結構尺寸、重量越大，轉速越底電機本身的結構尺寸、重量越大以及價格也越貴。但轉速對減速裝置結構尺寸和重量的影響相對較到，考慮到機器人的結構緊湊性，本次選定額定轉速為500r/min的伺服電機
綜上述（1）、（2）蠕動行走機構選定額定功率為30W，額定轉速為500r/min的伺服電機，型號為：SG-60ZYJ。
3.2.1 運動及動力參數計算
（1）總傳動比的計算
初步選定驅動齒條的齒輪分度圓直徑為30mm，則齒輪轉速為：
則總傳動比為：
（2）傳動比分配
為保證傳動系的結構緊湊性，采用與伺服電機配套連接的減速器直接減速，開式齒輪只做傳遞動力用，不用做減速。即：
（3）各軸參數計算
各軸的轉速：
輸入錐齒輪軸 ；
圓柱齒輪軸 ；
各軸的輸入功率：
輸入錐齒輪軸 ；
圓柱齒輪軸 ；
各軸的輸入轉矩：
輸入錐齒輪軸 ；
圓柱齒輪軸 ；
3.2.3 減速器的選定
前述已選定減速比，為保證傳動系的結構緊湊性，選用與伺服電機配套連接的減速器，減速比為。
3.2.3 圓錐齒輪傳動的設計
（1）選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數
齒形角:；頂隙系數:；齒頂高系數:；軸夾角。
根據課本表10-1，材料選擇，大小齒輪材料均為45鋼（調質），硬度均為280HBS。
根據課本表10-8，選擇7級精度。
傳動比u=/=1
節(jié)錐角，
不產生根切的最小齒數：=12.1
選=20，=u=20×1=20
（2）按齒面接觸疲勞強度設計
≥2.92
試選載荷系數：=1.5
計算小齒輪傳遞的扭矩：=2.383 N·m
選取齒寬系數：=0.3
由課本表10-6查得材料彈性影響系數：
由圖10-21d按齒面的硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限：
大齒輪的接觸疲勞極限：
計算應力循環(huán)次數
，
由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數:，
計算接觸疲勞許用應力:
試算小齒輪的分度圓直徑,代入中的較小值得
≥2.92=36.3mm
計算圓周速度v
mm
=（3.14159×30.8×106.2）/（60×1000）=0.17m/s
計算載荷系數
齒輪的使用系數載荷狀態(tài)輕微震動，查表10-2得=1.2
由圖10-8查得動載系數=1.1
由表10-3查得齒間載荷分配系數==1.0
依據大齒輪兩端支承，小齒輪懸臂布置，查表10-9得軸承系數=1.17
由公式==1.2=1.2×1.17=1.4
接觸強度載荷系數：==1.2×1.1×1.0×1.4=1.85
按實際的載荷系數校正所得的分度圓直徑
=36.3×=38.9mm
m=/=38.9/20=1.95mm取標準值m=2.0mm
計算齒輪的相關參數
=m=2×20=40 mm
=m=2×20=40 mm
=90-=45°
確定并圓整齒寬:
b=R=0.3×28.3=8.48mm，圓整取10，
（3）校核齒根彎曲疲勞強度
確定彎曲強度載荷系數：K==1.9
計算當量齒數
=/cos=20/cos45°=28.3
=/cos=20/cos45=28.3
查表10-5得：=2.91，=1.53，=2.91，=1.53
計算彎曲疲勞許用應力
由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數:=0.82，=0.82
取安全系數:=1.3
由圖10-20c查得齒輪的彎曲疲勞強度極限: =500Mpa，=380Mpa
按脈動循環(huán)變應力確定許用彎曲應力:
校核彎曲強度
根據彎曲強度條件公式：
=34.47 MPa
=33.2 Mpa
滿足彎曲強度要求，所選參數合適。
（4）數據整理
名稱
符號
公式
直齒圓錐齒輪1
直齒圓錐
齒輪2
齒數
20
20
模數
m
m
2
傳動比
i
i
1
分度圓錐度
，
分度圓直徑
40
40
齒頂高
2
2
齒根高
2.4
2.4
齒全高
h
4.4
4.4
齒頂圓直徑
，
42.83
(大端)
42.83
（大端）
齒根圓直徑
36.61
36.61
齒距
p
6.28
6.28
齒厚
s
3.14
3.14
齒槽寬
e
3.14
3.14
頂隙
c
0.4
0.4
錐距
R
28.3
28.3
齒頂角
，
齒根角
齒頂圓錐角
，
齒根圓錐角
，
齒寬
10
10
3.2.4 齒輪齒條傳動的設計
（1）選精度等級、材料和齒數
采用7級精度，選擇齒輪材料為45（調質）硬度為240HBS，機器人轉彎時齒條需彎曲因此選定齒條材料為能夠彎曲的樹脂材料。
初選齒輪齒數，
（2）按齒面接觸疲勞強度設計
由設計計算公式進行試算，即
由于本傳動為齒輪齒條傳動，傳動比近似無窮大，所以=1
確定公式各計算數值
試選載荷系數：
計算齒輪傳遞的轉矩：
選取齒寬系數：
由表6.3查得材料的彈性影響系數：
由圖6.14按齒面硬度查得
齒輪的接觸疲勞強度極限
由式6.11計算應力循環(huán)次數
由圖6.16查得接觸疲勞強度壽命系數：
計算接觸疲勞強度許用應力
取失效概率為1%，安全系數為S=1，由式10-12得
試算齒輪分度圓直徑
計算圓周速度：
計算齒寬：
模數
齒高
計算載荷系數K
根據，7級精度，查得動載荷系數
假設，由表查得：
由于齒條需經常彎曲，選定使用系數：
由表查得，
故載荷系數
按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑，由式可得
（3）按齒根彎曲強度設計
彎曲強度的設計公式為：
確定公式內的計算數值
由圖6.15查得
齒輪的彎曲疲勞強度極限
由圖6.16查得彎曲疲勞壽命系數：
計算彎曲疲勞許用應力，取失效概率為1％，安全系數為S=1.3
計算載荷系數：
查取齒形系數：由表6.4查得
查取應力校正系數 由表6.4查得：
計算齒輪的，
計算模數：
對比計算結果，由齒根彎曲疲勞強度計算的模數大于由齒面接觸疲勞強度計算的模數，可取有彎曲強度算得的模數1.31mm，并圓整為標準值取m=1.5mm
（4）幾何尺寸計算
計算分度圓直徑
計算齒寬寬度：
序號
名稱
符號
計算公式及參數選擇
1
齒數
Z
20
2
模數
m
1.5mm
3
分度圓直徑
4
齒頂高
5
齒根高
6
全齒高
7
頂隙
8
齒頂圓直徑
9
齒根圓直徑
10
齒寬
B
3.2.5 傳動軸的設計及軸上零件的選定
軸上的功率P2,轉速n2和轉矩T2
，，
（1）初步確定軸的最小直徑
先按式初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料45鋼，調質處理。根據機械設計表11.3，取，于是得：
該處開有鍵槽故軸徑加大10%～15%，且最小直徑顯然是安裝齒輪處的直徑，由于計算軸徑比較小，鍵槽對小軸徑軸的強度削弱比較大，因此該處軸徑適當加大，??；。
（2）根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
（a）為了滿足大帶輪的軸向定位的要求2軸段左端需制出軸肩，軸肩高度軸肩高度，取故取2段的直徑，長度。
（b）初步選擇滾動軸承。因軸承同時受有徑向力較小，故選用深溝球軸承。根據，查機械設計手冊選取0基本游隙組，標準精度級的深溝球軸承6003，故，。
（c）齒輪處由于齒輪分度圓直徑，故采用齒輪與軸分開采用鍵連接的形式，齒輪寬度B=15mm，故取。
（3）軸上零件的周向定位
查機械設計表，聯接大帶輪的平鍵截面。
（4）強度校核計算
（a）求作用在軸上的力
已知高速級齒輪的分度圓直徑為=52 ，根據《機械設計》（軸的設計計算部分未作說明皆查此書）式(10-14)，則
（b）求軸上的載荷
首先根據軸的結構圖作出軸的計算簡圖。在確定軸承支點位置時，從手冊中查取a值。對于6003型深溝球軸承，由手冊中查得a=8mm。因此，軸的支撐跨距為L1=68mm。
根據軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖。從軸的結構圖以及彎矩和扭矩圖可以看出截面C是軸的危險截面。先計算出截面C處的MH、MV及M的值列于下表。
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
，
，
C截面彎矩M
總彎矩
扭矩
圖3-1 軸的軸力、彎矩和扭矩圖
（c）按彎扭合成應力校核軸的強度
根據式(15-5)及上表中的數據，以及軸單向旋轉，扭轉切應力，取，軸的計算應力
已選定軸的材料為45Cr，調質處理。由表15-1查得。因此，故安全。
（4）鍵的選擇
采用圓頭普通平鍵A型（GB/T 1096-1979）連接，聯接齒的平鍵截面，。齒輪與軸的配合為，滾動軸承與軸的周向定位是過渡配合保證的，此外選軸的直徑尺寸公差為。
校核鍵聯接的強度
鍵、軸材料都是鋼，由機械設計查得鍵聯接的許用擠壓力為
鍵的工作長度
，合適
（5）軸上軸承的計算
查的預計壽命30000h
查表得軸承的基本額定動載荷C=40.8KN
溫度系數=1（假定工作時溫度100度）
載荷系數=1.2
由上面軸的力學分析可得：
由，可得徑向載荷系數
軸向載荷系數
故其當量動載荷取最大值P=53.7N=0.0537KN
= > 軸承的預期壽命30000 h
因此滾動軸承的設計合理。
3.2.6 機架的設計
機架部分的主要功能為連接伺服電機組件、圓錐齒輪組、齒輪齒條組，保證機器人穩(wěn)定工作。因此該處的機架主要起連接作用。這里設計該機架的關鍵是配合伺服電機組件、圓錐齒輪組、齒輪齒條組等的結構及尺寸，因此此處采用Pro/E三維設計軟件進行結構配比和優(yōu)化設計。設計原則為在保證伺服電機組件、圓錐齒輪組、齒輪齒條組等有效連接的基礎上盡量實現結構緊湊化和輕量化。
為保證機架的輕量化，機架選用鋁合金材料。
3.3 支撐夾緊機構設計
3.3.1 伺服電機的選定
（1）夾緊伺服電機的選定
該伺服電機主要用于驅動支持夾緊機構的曲柄動作使得機器人支撐用的腿可以壓緊在管道內壁上以提供行走時的附著力。
同蠕動行走驅動電機的選定，該處選定額定功率為30W，額定轉速為200r/min的伺服電機，型號為：SG-80ZYJ。
（2）回轉伺服電機的選定
該伺服電機主要用于驅動上部模塊回轉以適應不同的管道形狀及尺，驅動負載很小，只需克服構件本身的摩擦阻力，因此該處只需選用小功率的伺服電機。該處回轉要求轉速低。綜合考慮回轉伺服電機選定額定功率為10W，額定轉速為150r/min的伺服電機，型號為：SG-20ZYJ。
3.3.2 運動及動力參數選定
支撐夾緊機構性能參數選定如下：
腿部滑塊滑行速度：v=100mm/s
回轉轉速：n=30°/s
腿部滑塊行程：125mm（由于該機器人自適應管道直徑范圍為150mm~400mm）
腿部滑塊單行行程各曲柄旋轉角度：60°
3.3.3減速器的選定
根據上述選定的支撐夾緊機構性能參數可知：
曲柄軸轉速：
所需減速器的減速比為：
同樣，為保證傳動系的結構緊湊性，選用與伺服電機配套連接的減速器，減速比為。
3.3.4 曲柄滑塊機構設計
（1）曲柄滑塊機構的運動分析
曲柄滑塊機構的運動簡圖如圖2所示，0點表示曲軸的旋轉中心，A點表示連桿與曲柄的連接點，B點表示連桿與滑塊的連接點，OA表示曲柄半徑R，AB表示連桿長度。當OA以角速度作旋轉運動時，B點則以速度V作直線運動。
圖3-2 曲柄滑塊機構運動簡圖
a.滑塊位移
圖3-2為對心的曲柄滑塊機構的運動關系簡圖。（所謂對心，是指滑塊和連桿的連結點B的運動軌跡位于曲柄旋轉中心O和連結點的連線上。）滑塊的位移和曲柄轉 角之間的關系可表達為
而
令
而
整理得 由于一般小于1，普通的曲柄滑塊機構，一般在0.30.6范圍內，故上述公式可進行簡化。根號部分可用泰勒級數展開略去高階項得：
上述公式變?yōu)椋?
圖3-3 曲柄滑塊機構的運動關系簡圖
式中滑塊位移，從下死點算起，向上方向為正，以下均相同；
曲柄半徑；
曲柄轉角，從下死點算起，與曲柄旋轉方向相反為正，以下均相同；
連桿系數，（其中是連桿長度，當連桿長度可調時，取最短時數值。）
利用余弦定理可得：
，令
則式可寫成
滑塊速度
由于，
式中 滑塊速度，向下方向為正；下同。
曲柄角速度；
曲柄轉速，亦即滑塊行程次數。
滑塊加速度
式中 滑塊加速度，向下方向為正，下同。
參數確定
由上述分析，結合運動關系簡圖
可知， 當 ；時；
=62.5mm
取
則
（2）曲柄滑塊機構的受力分析
a.連桿及導軌受力
圖3-4曲柄滑塊機構受力簡圖
考慮B點力的平衡得：
，
由前推導得知，，遠小于0.3，遠小于。因此可認為，，故上二式可寫成：，
其中：PAB——連桿作用力
Q——導軌作用力
P——工件變形力
——曲柄轉角
——連桿系數
3.3.5 機架的設計
機架部分的主要功能為支撐在管道內行走的管道機器人，使支撐腿能緊密的貼在管道壁面，產生足夠的附著力，帶動管道機器人往前行走。
為了適應不同直徑管道的檢測，管道檢測機器人通常需要具備管徑適應調整的機架機構，即主要有兩個作用：① 在不同直徑的管道中能張開或收縮，改變機器人的外徑尺寸，使機器人能在各種直徑的管道中行走作業(yè)；② 可以提供附加正壓力增加機器人的支撐腿部與管道內壁間的壓力，改善機器人的牽引性能，提高管內移動檢測距離。因此此處采用Pro/E三維設計軟件進行結構配比和優(yōu)化設計。為保證機架的輕量化，機架選用鋁合金材料。
3.4 機器人各模塊基于Pro/E的三維設計
3.4.1 蠕動行走模塊
圖3-5蠕動行走模塊三維模型
3.4.2 上部支撐夾緊模塊
圖3-6上部支撐夾緊模塊三維模型
3.4.3 下部支撐夾緊模塊
圖3-7下部支撐夾緊模塊三維模型
3.4.3 機器人整體設計
圖3-8 蠕動式管道機器人三維模型
第四章 控制系統(tǒng)的設計
4.1 控制系統(tǒng)組成
4.1.1 蠕動式機器人控制系統(tǒng)
機器人的控制系統(tǒng)主要由AVR Atmegal6L單片機，L298N芯片，WYK．30582直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源等組成，機器人控制電路原理圖如圖4.2所示。ATmegal6L內部的定時器／計數器以相位頻率可調模式可產生4通道PWM信號。三極管起開關和放大作用，基極輸入的是從AVR單片機輸出的PWM信號。PWM信號為高電平時，三極管導通，SMA驅動器處于通電加熱狀態(tài)；PWM信號為低電平時，三極管截止，SMA驅動器處于斷電冷卻狀態(tài)。單片機按照機器人的運動機制所要求的時序輸出不同占空比的控制信號，SMA驅動器中就會通過對應的脈沖電流，機器人將會按照設計的運動機制進行運動。
4.1.2核心器件的選擇
(1)AVR單片機概述
單片機是整個機器人系統(tǒng)控制電路的核心，主要負責對機器人提供合適的電流和時序。高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位，一直是衡量單片機性能的重要指標，因此選擇適合應用的單片機顯的尤為重要。早期單片機由于工藝及設計水平不高、功耗高和抗干擾性能差等原因，采用較高分頻系數對時鐘分頻，使得指令周期長，執(zhí)行速度慢。ATMEL公司推出的AVR單片機，徹底打破這種就設計格局，廢除了機器周期，拋棄復雜指令計算機(cisc)追求指令完備的做法，采用精簡指令集(msc)，取指周期短，實現流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。AVR系列單片機是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強型內置Flash的RISC(ReducedInstruction Set CPU)精簡指令集高速8位單片機M8’4們。
AVR單片機硬件結構采取8位機與16位機的折中策略，即采用局部寄存器存堆(32個寄存器文件)和單體高速輸入／輸出的方案(即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應控制邏輯)。提高了指令執(zhí)行速度(1Mips／MHz)，克服了瓶頸現象，增強了功能：同時又減少了對外設管理的開銷，相對簡化了硬件結構，降低了成本。故AVR單片機在軟／硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性價比的單片機。AVR單片機內嵌高質量的Flash程序存儲器，片內大容量的RAM不僅能滿足一般場合的使用，同時也更有效的支持使用高級語言開發(fā)系統(tǒng)程序，并可像MCS．51單片機那樣擴展外部RAM；I／O線全部帶可設置的上拉電阻、可單獨設定為輸入／輸出、可設定(初始)高阻輸入、驅動能力強(可省去功率驅動器件)等特性：增強性的高速同／異步串口，具有硬件產生校驗碼、硬件檢測和校驗偵錯、兩級接收緩沖等功能，提高了通信的可靠性，串口功能大大超過MCS．51／96單片機的串口，加之AVR單片機高速，中斷服務時間，具備AVR高檔單片機MEGA系列的全部性能和特點，成為AVR高檔單片機中內部接口豐富、功能齊全、性能價格比較好的品種，因此本文選擇了AVR單片機中的中檔產品AVR ATmegal6進行開發(fā)，片載的16KB的flash完全滿足了對程序的要求。
(2)ATmegal6特性介紹
ATmegal6是ATMEL公司在2002年第一季度推出的～款單片機。在AVR家族中，ATmegal6是一款采用低功耗CMOS工藝生產的基于AVR RISC結構的8位單片機。AVR單片機的核心是將32個工作寄存器和豐富的指令集連接在一起，所有的工作寄存器都與ALU(算術邏輯單元)直接相連，實現了在一個時鐘周期內執(zhí)行的一條指令同時訪問(讀寫)兩個獨立寄存器的操作。這種結構提高了代碼效率，使得大部分指令執(zhí)行時間僅為一個時鐘周期。運行速度比普通CISC單片機高出10倍。
它的特點如下：
1)高性能，低功耗的8位AVR微控制器；
2)先進的RISC指令結構，功能強大的指令，多數為單時鐘周期指令；
3)非易失性程序和數據存儲器：16K字節(jié)的在線可編程Flash，12個字節(jié)的EEPROM，擦寫次數100000次；
4)外部特點：2個具有比較模式的帶預分頻器的8位定時器／計數器，具有比較和捕獲模式的16位定時器和計數器，具有獨立振蕩器的實時時鐘RTC，4個PWM通道，8路10位A／D轉換，內部可校準的RC振蕩器，內外部的中斷源，6種休眠形式。
5)I／O口和封裝：32個可編程I／O口，44腳TQ鐘封裝，40腳PDIP封裝。
4.2蠕動式機器人的具體控制方法
在控制機器人運動時，利用AVR Studio編寫程序，編寫完程序后可以利用AVR Studio進行簡單的調試，查看整個程序的邏輯順序，寄存器的值的改變等一些基本的信息。而這對于一個實時性要求很高的系統(tǒng)來說，這樣是遠遠不夠的。VMLAB的出現彌補了AVR Studio的不足，其強大的功能甚至可以代替ICE(在線仿真器)。VMLAB的全稱為：Visual Micro Lab。它針對于AVR以及ST62系列單片機設計，是一個單片機的虛擬原型(virtual prototype)框架(frame)，它可以提供給用戶一個真正意義上的虛擬微控制器(MCU)設計實驗室。它具有強大的多窗121、多文件的編輯器，微控制器的集成開發(fā)環(huán)境，擁有一系列的集成開發(fā)工具，圖形界面調試器，混合模式的模擬——數字電路仿真器，代碼質量檢查器等等。硬件和應用軟件能進行并發(fā)仿真，在絕大多數的情況下甚至可以代替ICE。通過VMLAB對程序進行仿真，大大提高了編程的效率，減少了程序的開發(fā)時間。
在控制機器人作直線運動時，通過AVR單片機的POTRA口控制機器人的SMA彈簧驅動器，通過設置單片機的參數，使單片機輸出如圖4．4所示波形。假設機器人模塊一中連接三根SMA彈簧驅動器的導線兩端分別為A1，B1，C1(此三端連接在一個端面上)和A11，Bll，C11(此三端連接在～個端面上)；模塊二中連接三根SMA彈簧驅動器的導線兩端分別為A2，B2，C2(此三端連接在一個端面上)和A21，B21，C21(此三端連接在一個端面上)，其他模塊依此類推。將機器人各個模塊中連接在同一端面的導線連接在一起，便于控制，同時叉不影響機器人的直線運動。在圖4．4中，SMAl，SMA2，SMA3分別代表模塊一，模塊二和模塊三；0～T1時問段是模塊一完成收縮—伸長的時間，T1--T2是模塊二完成收縮一伸長的時間，模塊二伸長時借助于模塊一的收縮，可阻縮短伸長時問，T2～T3是模塊三收縮～伸長的時間，伸長時同樣借助模塊二的收縮。0--T3為三模塊機器人完成動作的一個周期。
結 論
蠕動式微型管道人近年來成為微型管道機器人領域的研究熱點，具有驅動方式較多，負載能力較強，動作可靠且易于微型化等優(yōu)點，但同時也有步距較小，速度較低且難以實現轉彎運動等不足。
這次設計的三個月時間里，我從不了解到深刻的理解蠕動式管道機器人的設計課題，，對我們大學四年所學到的知識，特別是對機械設計、機械原理、以及機械制圖方面的知識有了更深的理解和提高。并且從中培養(yǎng)了自己對問題的獨立思考能力以及分析問題的能力，對資料和文獻的檢索能力，也培養(yǎng)了我們將所學基礎理論與專業(yè)知識運用解決實際問題的能力。對培養(yǎng)我們的獨立工作能力和創(chuàng)新精神具有很重要的作用。當然，在這些過程中也存在許多沒有解決好的并有待改進和提高的問題。雖然在設計中難免有不足之處，但是通過這次的鍛煉對我今后在事業(yè)上的成功奠定了堅實的基礎。這次的設計之所以能夠順利完成，這是與老師的細心指導是分不開的，同時在設計的過程中還得到了同組的兩位同學的熱心幫助，在此非常感謝他們，特別是要感謝老師在這幾個月來對我的細心指導使我順利完成這次畢業(yè)設計。當然這次的設計肯定不是十分完美的，在設計中的許多不足之處，望老師能夠給予批評指正。
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致 謝
時光飛逝，四年的大學學習生涯就要結束了，在這短暫而漫長的四年里，使我更進一步的熟悉和掌握了如何去學習、生活和工作。同時，也是校園讓我們學會了學習，學會了思考，學會了做人，雖其短暫，但是在這四年里所學的知識必將可以使我受用終生。
在這大學生涯即將結束的最后半年的畢業(yè)設計過程中，不僅是對我們每一個人的一次全面的考查，同時也是對我們所學習和掌握知識的一次實際而綜合運用，這不僅僅是只是一次知識的檢驗，更是對我們認識問題、分析問題、解決問題的綜合能力的鍛煉與培養(yǎng)。同時對于我們來說，這也是一次難能可貴的在校學習的經歷，一次知識和經驗的積累的機會。
為此，我應該感謝給予我這個機會的人，是他們給予了我這次學習的機會，同時也是他們給予我了關懷與支持，正是在他們的關心、支持與幫助下，我的大學學習，生活，以及這次畢業(yè)設計才能完滿結束，為我大學生涯畫上一個完美的句號。
在這里，我首先要感謝母校，是母校為我提供了這個平臺，給予我了夢寐已久的學習和生活的機會，從而是我的人生更加精彩。
其次，要感謝的是我的指導老師，在這幾個月畢業(yè)設計的日子里，對我們的耐心的關懷與輔導。在這四年的大學生涯中，以前學的專業(yè)知識，對于我們來說象一盤散沙，雜亂無章沒有系統(tǒng)性。但是在老師的悉心輔導下，使我們對自己的知識進行了整理、組織和裝配，使我的知識結構更加明朗化、體系化了。在此感謝老師在我的畢業(yè)設計過程中給予了我莫大的支持和幫助。
同時，我還要感謝同組的成員，以及關心和支持我的所有的同學，在我們共同學習、和生活的日子里，大家共同努力，克服困難，不斷提出和完善新的設計思路和方法，使我們的學習、生活和本次畢業(yè)設計工作得以順利而完滿的結束；生活上互相幫助，彼此間留下了最珍貴而溫馨的友誼。是你們讓我擁有了一段美好的大學生活。
最后，我要感謝所有的教過我的老師們，感謝您們的辛勤培育和無微不至的關懷，是你們的高尚品德和人格魅力影響了并改變了我。在以后的學習、生活、工作中，我將牢記您們的諄諄教誨，不斷學習，不斷進步。在此,衷心地祝福和感謝你們!