自动行走管道机器人结构设计【含CAD图纸及solidworks三维图】
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e 10 +35159 +35128 is a on in in of In of is to to a on In to do a to of a of It in of of of 1 is an a in to in an to a o of to a an $ 1998 42 of l. to of on to l of to a to of as as is to is a to as as to of In a of of In in 2 he by in ) is by C i5 to or 98 - to of is by a of of of of is by to of of of . to a 2). To M) of a), B,) R) , in of as of 5) be to V). is l to v) 0) of on to , he to a of in 2. In in a to an as to of a in l a is to e) on of to is as in to to in to an In e) is on xo,yo,it is to of to e (3). of e to of is to , an &). If is it is if is of is In an a mm to or ,.+:? . he of of it it to of by . 43 he in a of of of lm 0 80 is in 4 a of 30m. U it to so it to is to e to n is to , be to ,. to ,. be to of is to as on or in of To to nd . is a 00 he as in in 96 of a ay of 1,3. =g of =0,7 to m,= 1 R=7 Q m=) m b=m v=40 Kg/s ,=s of of =O. 18 m 3 s be 2, V, d,to is is e of as by If is it be e to is in . is to be is by . n be as in 1). In it be of to a V, as a of e as be to a to it at in of as 1) be To of by v.is of 44 0 04 of is to a e. p is to in a as it is it is to by of , a p=200, in in . a AE 5.1 SE 9 mm In of of is . ,. . . . . . a p=200. to by of is to a in to a to in 6. Kp*e+Kd*of Kp d, of in p=200 200. 3 mm AE It is by of an to p d. 200 400 600 000 -0 t) . a PD p=00. ,= 3 mm AE A is is of to in to a of is in in be as a of by an to to to of or . . . . 0 200 400 600 800 1000 . a PD p=400 380. 545 be it in of is II(e). p=200, ,=it to 25 No to D of a of is of a in he be an to it is , PD ID it is to it is on by 4. In a of is 51. e) is he be on . of is a 2D in a to 1 . a D to to of a he of to a in is a in a 6. is . P is or is to e is ce is in is a p is a to on it is 0 of to up to D 0 AE 0 is As as of an to OC to as be in . 0. AE 46 to of of in to a by of a 2 8 a 7 000 it to a a as be in . 4 of of N) it is to of an A PD an is to is up to of D , is in D a a 0s 0m. a PD is or is no of to be ID is to in be D. of is to it is in by or in . to an % P D( 10 (15 7 6 8 8 7 9 7 6 9 6 of OC a to a as as of it is it is to be in of a be be in to in in . be to of OC I ., 1997. o Revi附件 1：外文资料翻译译文 比较控制策略的自主线追踪机器人 摘要 自主移动机器人是一个非常激动人心的领域 ， 特别是对那些参加电子产品课程 的 学生。作者 和 阿维罗大学 的 学生参与了一些在这一领域的活动。特别是，其中一个此类活动是 发明了能够沿着画在地板上直线运动的 机器人。为了 达到 这一效果 ， 一个模拟器已经实施并多次测试了对机器人不同控制方法的影响 。 本文 对 基于 机器人模型和线追踪模拟器 进行了一个简短的描述 。然后 在导致 绝对误差（ 积分误差平方（ ， 易微调和各自代码复杂性方面比较了几种不同 的控制方法。 比较的方 法 :成正比 、 比例微分 、 比例积分导数 、 模糊 、 表为基础的模糊 ， 自我组织唱模糊和神经网络逆模型基础。 1 导言 研发 自主机器人是一个跨学科的活动，因此有很大的教育价值。与此事实上，考虑到作者一直支持阿维罗大学学生小组参加每年一度 在法国举办 的盛事， 在法国，除了其他的任务，自主移动机器人必须沿着一条线运动。 为了更好地理解的线追踪机器人 的行为 ， 为了 显示学生 们在发明机器人时来自 物理 、 几何 、 电子 、仪表和控制集成 方面综合的科学理念， 作者建立了一个 沿线分布机器人的 分析模型。该模型考虑到一些现实世界的限制，允许 预测 以 电动机 电压为基础的 移动机器人 的运动。 另外，作者所描述的几何形状线追踪过程被用来建立一个模拟器。这 决定了某一机器人的 确定路径以及 该路径和参考路径 之间的关系。 该模拟器是一种宝贵的工具， 在之前研发机器人是能够 比较 不同的控制方法以及不同的传感器布局。这样在实际 制造过程中 可以更好地决定机器人 有关 的物理性质。 下一节本文 将对 机器人模型和模拟器 进行一个简短的描述，在 第 3节 是几种不同 控制 方 法 的 比较， 包括 比例 、 比例微分 、 比例积分微分，模糊，表为基础的模糊，模糊自我组织和神经网络逆模型基础。 在 第 4节 中将提到相关结论包 括一些对正在进行的工作的评论。 2 仿真机器人 器人模型 之前已经 提到 学生们建造 的 机器人的活动通常 很 简单 ，见 （图 1） 。 运动是通过使用两个独立的直流电电动机驱动每一个车轮。差分驱动器用于 控制 机器人。一个或两个额外的连铸机车轮用来保持机器人 的横向稳定 。 与参考路径相比较 机器人的偏差是 通过放置在机器人之前的红外光探测器测量的。 通常情况下，车轮速度 的 闭环控制已 经不再运用 。每个车轮的速度控制 间接地 采用马达电压的。此选项可能会降低性能的跟踪算法但简化了最后的调整。请记住，闭环速度控制方向盘使用将需要调整两个额外 的独立循环。图 1， 基本 机器人 。 图 1 基本机器人 这些特点已用于计算模型线追踪机器人（图 2 ） 。 为了进一步 提高 准确性 ，该模型在 惯性（质量（ M） 和转动惯量（ j ），摩擦系数（ 平移 （ 旋转（ B）运动） ， 电动马达参数（电阻（ R ）和 电机常数（ ，额外的 噪声（ 在 传感器 中读取 ）和机器人 的 物理限制，如线传感器（ 5） 的长度 和可用于电机（ 大电压 。该 模型 l描述并且计算电压应用电动机为基础的机器人的线性度（ v）和角速度（ 0)。 追踪模拟器 上文 已经 提到 机器人模型与 几何分析线追 踪 问题是相辅相成的 。这个问题属于一般路径跟踪问题 在众多文献 2中已经被解决 。 特别是， 本文呈现的该 模拟器 用 被动的方式来跟踪未知 的 线 的 方法 与之 前计划的 跟 踪路径 相反。 因此， 这是事先得知。 图 2 机器人模型 几何分析还表明，可根据目前的偏差 、 车轮速度和 机器人相对于线的 角度位置 来 计算出未来偏离线（ e）。该机器人是用来作为参考。然而，为了更好地界定参考轨迹和想象的机器人轨迹，另一种模式是建立在该机器人的位置 基础上而做出 一个绝对的参考。 在这几何模型基 中 ， 机器人 偏离线 （ e） 可根据 机器人绝对位置和车轮的速度 来计算 。 知道 机器人的位置（坐标 X,Y,Z） 是有可能计算相交的传感器阵列与线（ ， 然后可以计算出偏差 e（图 3 ） 。 由此 可以得出机 器 人位移的轨迹 图 3 线追踪几何模型 在一个无限小的时间间隔来计算机器人位移 。 如果这个区间保持足够小则是不相关的，如果直线运动是分开考虑的 ,那 角运动和其中 那 些是 要 首先考虑 的。在实验进行 时 ，这样的一个区间 里 轨迹点 以 每 5毫米计算是小到足以获得同样的轨迹 ，不管 是角或直线运动 都会 被 首先考虑 。 几何模型可以参考线组成的直线段和圆弧的周长一个接一 个 加入 。 虽然它似乎 有 限制，它允许创建几乎任何种类的轨迹顺利通过使用不同的圆弧半径。图 2 为 该机器人模型 。 考路径 该模拟是 在 由直线段与弧线交错的 围成 的弧形 90 或 180 孔一起插入纸的直片段所组成的参考路径。 这种路径 在 图 4中所描述 ，总长度约 30米 。 图 4 参考路径 器人 参数 在 5月的这一年 ， 阿维罗大 学以本文模拟为基础的 机器人 为 代表 参加在法国堡贝尔纳 的 1996年的国际移动机器人锦标赛 。 根据 1,3的 详细资料，下面的参数 为： 重量 M = 转动惯量 J = 克 马达最大可用电压 = 电机参数（ R= 7 欧姆 和 ） 车轮直径 车轮之间的距离 b = 线性运动摩擦系数 0kg/s 角运动摩擦系数 g. /s 类型传感器阵列 宽度传感器阵列 S=18米 3 比较控制策略 可以 图 看出，机器人模型有两个投入 ， V 和 驱动电动机。然而，只有一个错误的信号是偏差的机器人 将通过传感器经 参考路径 传送 。如果机器人总是向前推进，可以看出，任何控制 方法 ，将减少使机器人回 到参考路径。 由于差动电压是一个确定的角运动的机器人 的 ，让它改变方向，使之收敛的路线，一个简单的可能性是使用电子邮件直接控制 为最终目的是为实现最高速度的参考路径 ， 平均电压 V， 可以设置为最大值 。 然而，实际的电压适用于马达的驱动器是有限的。反映了修正到平均收益率差电压变风量和 将真正提供给机器人模型。 此外，产出的传感器功能被损坏 和 加性噪声 。 这噪声允许这些缺陷影响线路或地板，电器干扰传感器的读数和有限精度。为了便于比较，噪音载体，保持同对所有运行从开始到终结点。 控制是数字化 ，采样周期为 100毫秒。 完整的控制系统图 5。 那个参考输入的路径进行跟踪。错误信号是偏差宣读的传感器阵列。 图 5 完整的控制系统 在这种简单的模式控制功能可书面表达 。 在非常快的机器人 中 ， 有兴趣的也可以 使用 如，这可以用来减慢机器人，同时描述了曲线和加快沿直线部分。然而，机器人通常都建不是非常快 ， 运行不到 语。因此， 在 本文其余的简单的办法在（ 1 ）中 将被用于 。 要比较性能的每一个控制方法两项主要措施已使用的整体绝对误差（ 积分 误差平方（ ，综合沿着充分参考路径。其他两个措施也被使用时，机器人 将达到 最大绝对误差（ 和平均时速 。 例控制 最简单的形式的控制是使用比例 e 控制功能产生 。 虽然简单，这种方法提出了几个问题。 正 如这一点最 大价 值为 是很难找到（需要许多 判断 ）特别是在非线性系统 。 另外，它能够提供的相对较 少 最佳的性能，因为它无法弥补的滞后所造成的机器人惯性。 为充分参考路径图 4,使用比例控制 200 ，造成偏差情节描述见图 6。 注意典型的振荡起因于与简单的比例的方法一起获得比较 差的控制。 图 6 使用 00控制比例 附件 2：外文原文 毕业设计（论文） 任务书 题 目 自动行走管道机器人结构设计 系 部 机电 工程系 专 业 机械工程及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 毕设 地点 2012 年 12 月 28 日 毕业设计（论文）课题任务书 学生姓名 学号 系部 机电工程 系 题 目 自动行走管道机器人结构设计 题目来源 自拟 题目性质 工程设计 类 别 毕业设计 团 队 1 内容及要求： 随着现代工业的快速发展和人们日常生活的需要，在城市和工厂 的各个角落都安装使用着大量的管道系统，其中主要有自来水管道系统 、 污水管道系统和天然气管道系统等。 20 世纪 70 年代以来，随着石油、化工、天然气以及核工业的迅猛发展，管道作为一种重要的物料输送设施，给人们的生活和生产带来了极大的便利，因此得到了更为广泛的应用 。 管道机器人是一种可沿管道内部或外部自动行走 ，并 携带有传感器或操作 机构 ，在操作人员的遥控或计算机自动控制下，能够进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统 。可方便的进行管道检测和维修等工作，其相关研究具有一定的理论意义和较高的实用价值。 具体研究内容及要求包 括： 1. 查找相关文献，系统分析 各种 管道的特点及管道机器人的运动特点。 2. 提出管道机器人的设计方案，分析管道机器人的通过性能和壁障能力 。 3. 设计管道机器人的自适应爬行机构，并对机构进行动力学分析。 4. 基于自适应爬行机构设计模块化的自行走管道机器人。 2 主要技术指标： 1. 完成管道机器人自适应爬行机构设计，建立自适应爬行机构的动力学模型 。 2. 完成 模块化自行走管道机器人的设计，机器人可通过管道直径 400 600让其具有一定的转弯能力。 3. 完成 2 张 械 图纸 ，并完成设计报告和资料翻译。 3 进度安排： (包括 起迄日期 、主要 工作内容 等 ) 完成文献查找 ，分析 管道机器人 的研究现状和发展趋势 ； 初步 完成 自行走管道机器人结构 设计 ； 完成 自行走管道机器人自适应机构和行走机构的设计、分析与优化 ，完成 外文 资料翻译工作； 完成 自行走管道机器人的详细结构设计 ，完成相关机械图，完成毕业设计报告，做好毕业答辩准备工作； 论文评审、答辩。 4 参考文献 ： 1 毕德学，邓宗全 J，机器人技术与应用， 1996:1214. 2 甘小明，徐滨士，董世运，张旭明 J2003(6):510. 3 王殿君，李润平，黄光明 J2008， 36(4):185187. 4 to . 2003， 27(2):7176. 5 周洪龙 . 小型管道机器人系统研究 吉林大学， 2011. 6 段颖妮，韩佐军，李国柱，田浩 . 新型无缆管道机器人关键技术的研究 J. 机械与电子， 2012，（ 9）： 7780. 7 唐德威，李庆凯，姜生元，等具有差动运动功能的管道机器人设计与分析 J机械工程学 报，2011， 47(14)： 18 8 王耀华，左仁贵国内外微小管道机器人的研究现状 J机械设计， 2010， 27（ 12）： 16 9 王文飞流体驱动式管道机器人驱动特性研究 D哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2011 10 李庆凯，唐德威，姜生元，等管道机器人弯管运动转体原因分析 J西安交通大学学报， 2011，45（ 10）： 1925 指导教师 签字 ： 年 月 日 上级 审查意见： 负责人签字： 年 月 日 基本要求： 管道机器人尽量选用轮式，并能满足在一定曲率的管道中转弯的功能 。还有尽量在 4 月 18 号之前完成，那时我们需要中期检查，如果不能完成的话，要先给我部分的图纸和说明书。 毕业设计 (论文 ) 自动行走管道机器人结构设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 年 月 日 要 随着机器人技术的飞速发展，工业机器人的应用领域正在不断的扩大，对 应用需求提出了新的要求，为提高机器人 应用 的水平，我们研制了一套以 管道清灰为目的的机器人 系统。 本文阐述了机器人的发展历程，国内外的应用现状，及其巨大的优越性，提出具体的机器人设计要求，进行了本演示系统的总体方案设计和各自由度具体结构设计、计算；最 后设计 伸缩机构和机身设计 。 关键字： 管道机器人 、结构设计、 机械结构 of of is to in to we a of in of at of of of 录 摘 要 . . 录 . 1 章 绪论 . 1 器人概述 . 1 器人的历史、现状 . 3 器人发展趋势 . 5 课题研究的内容与要求 . 5 第 2 章 机器人总体方案设计 . 6 体设计的思路 . 6 计方案过程及特点 . 7 道机器人的工作环境 . 7 道机器人的技术要 求 . 7 体结构的设计和比较 . 7 走机构的设计 . 7 作机构的设计 . 8 开机构的设计 . 9 第 3 章 移动部件的设计和计算 . 10 走机构的设计和计算 . 11 走机构的驱动电机功率的预算 . 11 走机构结构设计 . 12 小锥齿轮的设计和校核 . 21 的设计和校核 . 24 的校核 . 34 第 3 章 伸缩机构和机身设计和计算 . 35 缩机构设计计算 . 35 作臂的设计 . 36 V 总 结 . 37 致谢 . 38 参考文献 . 39 1 第 1 章 绪论 器人概述 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化 的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 “工业机器人”（ 多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。 机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为 通用机器人。 简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。 机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（ 它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机 器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“ 它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种 机构形式的机器人。 2 要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构 执行机构；像 肌肉那样 使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1示。 执 行 机 构机器人控 制 系 统驱 动 - 传 动 系 统手 部腕 部臂 部腰 部基 座 部 （ 固 定 或 移 动 ）电 、 液 或 气 驱 动 装 置单 关 节 伺 服 控 制 器关 节 协 调 及 其 它 信 息 交 换计 算 机图 1器人的一般组成 对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究 主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图 1示。 位 形 检 测控 制 系 统 （ 二 ）驱 动传 动装 置执 行机 构工 作 对 象智 能 系 统控 制 系 统 （ 一 ）图 1器人各组成部分之间的关系 机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以 3 完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机 (相当于本文中的执行机构部分。 器人的历史、现状 机器人首先是从美国开始研制的。 1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构 特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。 目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。 第三 代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 和柔性制造单元 中的重要一环。 随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议 定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。 目前，工业机器人主要用于装 卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。 在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起 4 零部件甚至机器人本身的损坏。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的 进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（ 求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算 法固化在 种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。 美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段： （ 1） 19631963， 万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。 1967年，该公司生产的工业机器人定型为 1900 型。 （ 2） 1968一时期，工业机器人在美国进入应用阶 段，例如，美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台工业机器人； 1969 年该公司又自行研制出用 21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司 32条冲压自动线上的 448台冲床都用工业机器人传递工件。 （ 3） 1970 年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。 1970，工业机器人处于技术发展阶段。 1970 年 4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约 200 台工业机器人，工作时间共达 60 万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如： 森德斯兰德公司（ 明了用小型计算机控制 50台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由 25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。 其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从 1967， 1968年开始以美国的“ “ 机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说， 1967 年，日本丰田织机公司 引进美国的“ ,川崎重工公司引进“ 并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研 制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约 10年的实用化时期以后，从 1980年开始进入广泛的普及时代。 5 我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚 5是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。 器人发展趋势 随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了 生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人； b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合； c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信 息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。 课题研究的内容与要求 在工农业生产及日常生活中，管道作为一种重要的物料输送手段，其应用范围日益广泛，数量也不断增多。管道在使用过程中，由于各种因素的影响，会形成各种各样的管道堵塞与管道故障和损伤。如果不及时对管道检测、维修及清洗就可能会产生事故，形成不必要的损失和浪费。然而，管道所处的环境往往是人们不易直接达到或不允许人们直接进入的，检修及清洗难度很大。因此最有效的方法之一就是利用管 道机器人来实现管道内的在线检测、维修和清洗。 1、 适应变直径管道清洁机器人工作环境 1） 管道为金属冶炼厂烟气输送通道，管道为圆管，管道直径为 700000道底部每周可形成厚约 100烟灰堆积层； 2） 烟灰密度 3） 管道中有水平、小于 30倾斜、 3 倍管道直径弯曲三种形式； 6 4） 管道底部每隔 50m 有一可自动打开的清洁口，供机器人倾倒垃圾。 2、机器人工作要求 1）机器人必须小巧、灵活、拆卸方便， 2）生产能力高， 机器人行走速度约 1m/s； 3）机器人在工作过程中 ，其结构可适应不同管径的变化情况； 4）机器人自动化程度高，控制方便灵活。 3、 设计任务及要求 1）机器人总体设计； 2） 伸缩机构和机身 的设计；（其中 图 1 余均为手工绘图） 3）设计说明书不少于 8 千字。 第 2 章 机器人总体方案设计 体设计的思路 设计机器人大体上可分为两个阶段： 一、系统分析阶段 1、 根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务。 2、 分析机器人所在系统的工作环境。 3、 根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、信息的存储量、计算机功 能、动作精度的要求、所能抓取的重量、容许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。 二、 技术 设计阶段 1、根据系统的要求的自由度和允许的空间空做范围，选择机器人的坐标形式 2、 拟订机器人的运动路线和空间作业图。 3、 确定驱动系统的类型。 4、拟订控制系统的控制原理图。 5、选择个部件的具体集体够，进行机器人总装图的设计。 6、绘制机器人的零件图，并确定尺寸。 下面结合本演示系统的基本要求和设计的基本原则确定本系统的方案。 7 计方案过程及特点 道机器人的工作环境 a 管道直径为 400600 b管道中有弯曲形式； 道机器人的技术要求 a. 机器人必须小巧、灵活、拆卸方便； b机器人在工作过程中，其结构可适应应不同管径的变化情况； c机器人自动化程度高，控制方便灵活； 体结构的设计和比较 走机构的设计 根据国内外的管道机器人的移动方式大致可分为六种： 活塞移动方式 滚轮移动方式 履带移动方式 足腿移动方式 蠕动移动方式 螺旋移动方式 其各有优缺点。以下分别介绍。 活塞移动式依靠其首尾两端管内流体形成的压差为驱动力，随着管内流 多轮方式时牵引力随轮数增加而增加。缺点是着地面积小，维持一定的附着力较困难，这使得结构复杂，越障能力有限。 履带移动式的优点是着地面积大，易产生较大的附着力，对路面的适应性强，牵引性能好，越障能力强。缺点是体积大不易小型化，拐弯半径大，结构复杂，还要保持履带的张紧。 足腿移动式的优点是对粗糙路面适 应性能较好，越障能力极强，可适应不同管径的变化。缺点是结构和控制复杂，行走速度慢。 蠕动移动式的优点是适应微小管径，越障能力强。缺点是移动速度慢， 控制复杂。 8 螺旋移动式的优点是有一定的越障能力，可适应不同管径的变化，可在垂直管道中行进。缺点是结构复杂，移动速度慢，驱动力要求高。 根据设计参数和技术要求，所要研制的管道机器人必须要有高可靠性，高效率。所以采用上述行走机构的移动方式的组合来实现行走，这样可利用其综合优点避免单一移动方式的缺点。由于管道存在不同的弯管，这就要求机器人的行走机构有一定的拐弯能力 和越障能力。所以，设计了一种如 下页 图所示的可伸缩的三只履带腿式（三只腿成120分布）组合行走机构。 其特点是：移动速度快、转弯比较容易、有较大牵引力、对粗糙路面适应 性好、越障能力强；同时，可伸缩性使得机器人对变径管道有较好的自适应性。 作机构的设计 根据管道机器人的操作对象是一些堆积的 灰尘，并且灰尘在管道底部堆积，同时成疏松状，所以操作机构有以下两 种方案： 借鉴挖掘机的工作原理。利用铲斗铲起灰尘，然后 行走到管道底部的垃圾开口，倾倒灰尘。这种方案简单，可靠；但是由于管道直径的限制，其铲斗 的容积比较小，同时垃圾开口每隔 50大部分时间都在行走上，所以机器人的工作效率很低。 9 借鉴吸尘器的工作原理。利用带有操作臂的吸尘器的吸头，灰尘通过 吸尘管道到主体内部，设计箱体的容积比较大，最后，移动到垃圾开口 处 倾倒垃圾，从而减少在往返的次数来提高工作效率。 所以才用具有两个自由度的机械臂，臂末端附上吸尘器头，臂上附上塑料软管，软管最终以主体的垃圾箱密封连接。 开机构的设计 由于管径的变化，需要撑开机构来适应管径的变化。在本机器人设计中，采用滚珠丝杠螺母副来和放大杆组来实现 。 其机构简图如下图所示 ： 1 基 座 2 放大杆组 3 撑开杆 4 丝 杠 5 丝杠螺母 6 行走机构 1 基座 2 放大杆组 3 撑开杆 4 丝 杠 5 丝杠螺母 6 行走机构 当丝杠 4旋转时，丝杠螺母 5在丝杠上左右移动，从而拉动撑开杆 3，撑开杆 3铰接在放大杆组 2上，从而改变其倾角来适应管径的变化。 10 （ 4）最终方案的确定 根据以上的分析和比较，最后得出最终方案。 设计的管道清洁机器人包括以下五部分： 行走装置 （为整个行走提供动力） ； 撑开杆组 （适应管径的变化）； 操作臂装置（操作臂包括吸尘器的操作部分和倾倒垃圾部分）； 信号采集装置（为控制提供信号和图像）； 控制装置（控制管道清洁机器人行走和动作）。 第 3 章 移动部件的设计和计算 道机器人工作量计算 由于管道直径是变化的，变化范围为（ 7001000通过计算当管道直径为1000堆积相对底部为 100图下图所示；每 50 其中 h=100d=1000 R=d/2=1000/2=500 a=0000 2 2 2 25 0 0 4 0 0 3 0 0b R a mm a r c t a n ( / ) a r c t a n ( 3 0 0 / 4 0 0 ) 3 6 . 8 7 11 22922123 6 0 22 3 6 . 8 7 15 0 0 2 4 0 0 3 0 03 6 0 24 . 0 8 8 1 0s R a 由于每隔 50以总的工作量： 4 3 9 35 0 1 04 . 0 8 8 1 0 5 0 1 0 2 . 0 4 1 0l m l m m 又因为烟灰的密度为 33 g 9 3 6 33 . 5 2 . 0 4 1 0 1 0 7 . 1 5 1 0 7 . 1 5 1 0m V g k g h=100mm d=1000=50000b 0s 3935 0 1 02 . 0 4 1 0l m mV m m 33 g 37 1 0m 走机构的设计和计算 走机构的驱动电机功率的预算 预取管道清洁机器人的容积为 33 5 3 5 3 5 4 2 8 7 5 c 容 ; 5m 3 . 5 4 2 8 7 5 1 . 5 0 1 0 g 1 5 0 k ； 12 m g 1 5 0 9 . 8 1 4 7 0 . 6 管道机器人在装满的情况下，受力图如左图所示：其中预取： 1 40012 c o s 6 0 F G F 21F G F =00 =于履带是三组；成 120 分布；受到的是摩擦阻力 ; 212F F F 驱 （其中 是橡胶与钢之间的摩擦系数） =2 400 =管道机器人的工作行程速度 V 为： V=s 3 3 1 2 . 9 6 0 . 5 1 6 5 6 . 4 8W F V W 驱总（ 由于是三组履带，所以每个履 带的驱动电机至少为： W=3 3=以，选取电机的功率为 800W;同时电机要能变速，才能在管道内转弯；所以 选择伺服电机，最终选择 服电机（安川公司） 。 342875容 m 150 2F= 驱 =s = 行走机构结构设计 确定行走机构 13 由于管道直径最小时， D=700时总体方案中已经确定采用 3 组履带，相对来说比较狭小；所以行走机构尺寸不能太大 。 首先，确定履带的宽度 。 由于履带的宽度较小，那么它的工作所提供的驱动力就会减小；而其宽度太大时，所受到的阻力就会很大 。 通过作图的方法，取履 带的宽度50 其次，确定履带的长度 。 履带的长度越长其转弯的灵活性就会受到影响 。 所以，履带的长度不能太长 。 所以其长度 L 为： L=580 最后，确定履带的高度 。 履带的高度受到管道直径的限制，同时还受到撑开杆组的影响；由于撑开杆组要能在 =7001000围内变化，所以杆长要达到给定的范围 。 通过对撑开杆组的设计，后最终确定高度 H=175 确定行走机构的结构 由于外形尺寸 的限制，电机内置在履带组中，同时采用锥齿轮来换向，最后驱动履带轮 。 其结构图如下图所示： 50=580=175构总图 14 1 轴 01 2 电机 3 小锥齿轮 4 驱动带轮 5 轴 02 6 直齿轮 01 7 直齿轮 02 8 轴 03 9 大锥齿轮 10 从动带轮 确定行走机构中的履带轮和履带轮 采用同步带的结构来设计履带 。 以下是同步带传动的优点： 1. 适用于两轴中心 距较大传动，承载能力较大 。 2. 带具有良好的弹性，可以缓冲 、 吸振，传动平稳，噪声小 。 3. 结构简单，制造和维护较为方便，价格低廉 。 首先，确定同步带的主要参数：（查机械设计手册 13 齿 形：梯 形 齿距制式：模数制 型 号： 距：次，设计带轮：（查机械设计手册 13 (1)初选带轮的次数： 17z ； 选择切削带轮齿形的刀具类型 切出 直线齿廓的特别刀具； 齿槽角： 2=2=40 ； 节 距 : m= 7 节圆直径 : 7 1 7 1 1 9d m z m m ； 模 数： 7m ； 齿侧间隙： 1； 7z 2=40 119d 7m 1 15 名义径向间隙：0 ； 径向间隙：0 0 . 4 1 . 3 7 0 . 4 7 3 . 8 3 6e e m ； 外圆直径：0 2 1 2 0 2 1 . 7 5 0 1 1 6 . 5 中 = 外圆齿距：00( ) / 3 . 1 4 1 1 6 . 5 1 7 2 1 . 5 2 9p d z m m ； 外圆齿槽宽：0 1 0 . 0 6 1 1 1 . 0 6mb s c m m ； 齿槽深： 4 . 2 3 . 8 3 6 8 . 0 3 6h e ； 齿槽底宽： 7； 齿根圆角半径： 0 . 2 5 0 . 2 5 7 1 . 7 5 ； 0 . 2 5 0 . 2 5 7 1 . 7 5 ； 最后，设计履带：（查机械设计手册 13 由于采用同步带的结构来设计履带，同时履带用于特殊的工作环境，所以不能完全采用同步带的参数，根据具体的结构尺寸设 计履带 。 节 距： 齿形角： 2=40 ； 齿根厚： = 齿 高： 带 高： ； 齿顶厚： 7； 节顶距： = 带 宽： 115sb 0 0d=p=b=16 =40 = 7 =15sb 确定大小锥齿轮参数 整个行走装置里，锥齿轮的主要作用 递动力 。 同时考虑到其完全在行走装置内部，尺寸受到限制 。 根据以上的因素，设计大小锥齿轮的具体参数 。 根据总体结构设计图，采用轴交角 90 。 齿轮类型为：直齿锥齿轮 、 齿形制为 12369 1990,齿形角为 20、 齿顶高系数 *、 顶隙系数 * 。 （查机械设计手册 14 大锥齿轮的次数1 30z ;小锥齿轮的次数2 23z 。 大小锥齿轮的具体参数分别如下：（查机械设计手册 14 大锥齿轮： 法向模数： 齿 数： 30z ； 法向齿形角： 20 17 分度圆直径： 3 0 2 . 5 7 5d m z m m 分度圆锥角：11230c o t c o t 5 2 3 1 2 6 23za r c a r 齿顶圆直径： *12 c o d h m =75+2 1 2 31 26 = 齿根圆直径： *12 ( ) c o d h c m 大锥齿轮： 30z 20 75d 1 5 2 3 1 2 6 锥 距：221212 s i n 2m z mR z z = 222 0 2 32 = 齿顶角： *a r c ta n = 1 2 3=3 1 43 齿根角： *()a r c t a n c = (1 0 . 2 ) 2 . 5a r c t a . 2 5 3=3 47 1 18 顶圆锥角： =52 3126 +3 1 43 =55 33 9 根圆锥角： =52 3126 47 1 =48 44 25 齿 宽 ： b=25R 5 3 3 9 a 4 8 4 4 2 5 f b=25锥齿轮： 法向模数： ； 齿 数： 23z ； 法向齿形角： 20 分度圆直径： 2 3 2 . 5 5 7 . 5d m z m m 分度圆锥角：11230c o t c o t 3 7 2 8 3 4 23za r c a r 齿顶圆直径： *12 c o d h m = 1 7 28 34 = 齿根圆直径： *12 ( ) c o d h c m = 1+ 7 28 34 = 锥 距：221212 s i n 2m z mR z z = 222 0 2 32 19 = 齿顶角： *a r c ta n = 1 2 3=3 1 43 小锥齿轮： 23z 20 d 37 2834 1 43a 齿根角： *()a r c t a n c = (1 0 . 2 ) 2 . 5a r c t a . 2 5 3=3 47 1 顶圆锥角： =37 2834 +3 1 43 = 41 3017 根圆锥角： =37 2834 47 1 =33 4133 20 齿 宽 ： b=25 确定直齿轮的参数 在整个行走装置中，直齿轮的作用，主要是传递动力 。 根据行走机构的结构和尺寸限制，同时为了减少零件的个数和降低成本，才用两个完全相同的直齿轮，齿顶高系数 *、 顶隙系数 * 。 齿数 z=40，模数 。 其具体参数如下： 分度圆直径：1 2 . 5 4 0 1 0 0d m z m m 齿 顶 高： * 1
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