履带式管道机器人设计-自动行走管道机器人结构设计
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, . 6201, 620112, (2006)02776/$15 6201 6201126201 6201126201 6201126201 620112 3200 320000025006201 6201126201 6201126201 6201126201 620112 6201 6201126201 62011235 36 37 38 39 40 35 36 37 38 39 40 35 36 37 38 39 4035 36 37 38 39 40 - 5 36 37 38 39 40 - 35 36 37 38 39 4036 37 38 39 40 35 36 37 38 39 40 35 36 37 38 39 406201 620112it is to be be of to at to a to a be WM to be an WM is a to an up to on 0 is an of , to a a be to a on 00 is in it is a a a be of of a be of a as it is WM be in of be 7. 8. on of WM 1 G. A. . M. 1995 3991995. 2 J. E. . T. of 5422, 1, 1352004. 3 D. W. 2000. 4 R. M. in 9, 2, 531990. 5 M. 1986. 6 K. J. N. . 2005 34532005. 7 H. 2005 34592005. 8 1989. 6201 620112-12附件 1：外文资料翻译译文 独立 动力 单臂机器人 摘要： 本文介绍了独立动力的平面单臂机器人的构思和初步结果。机器人二个自由度由液压油驱动，一个臂控制。它运用的是液压反推装置，一种能精确的提供高压，工作台面宽度一般并且阻抗力很小的控力装置。这些装置安装在机器人的身体部位，用电缆将能量传送到臀部和腿的关节处。液压发动机驱动着一个排量恒定的给蓄电池增压的泵。因为用的是线性译码器，每个反推装置的绝对位置和弹簧的压缩都可测量的。弹簧压缩量转化为输出力，利用软件使用循环算法把控制力与需要的力相比。输出信号的每个力控 制器驱动着高性能的伺服阀门，控制着液体流向执行机构的活塞。 在设计机器人过程中，我们用了以模拟为基础的重复多次的设计方法。初步概算的机器人的物理参数是基于以往的经验并且形体上更逼真的机器人的仿真模型。其次，控制算法模拟出它在平面上的跳跃。从模拟中的关节的能源要求和移动范围，我们再反推出需要的滑轮的直径，活塞的直径，行程，液压，伺服阀门的流量和带宽，齿轮泵的额定流量和发动机功率。符合或超过技术要求的零件被选出来集成到机器人里去，运用 件，我们计算出设计的机器人的物理参数，将它们代替先开始用 算出来 的数据，然后生产出新的能源要求的连接器。我们不断重复这些工作，最终得到了设计中的提到的已校正过的原型。 一般来说，除去体外的泵产生的力，在惯性作用下，机器人以大约 在试验台上，最终试验的电力系统数据加载到机器人实体上去。当除去电力系统所产生的惯性力以后，机器人普遍以大约 s 的速度运转。目前进行的工作是把电力系统集中到机器人本身，总结出控制的方法，研究出提高工作效率的方法。 1. 介绍 实用机械手因为动力平衡要求，复杂的设计和动力系统等原因正在接受挑战。为了研究动力自主机械手，我们 开发了一个高压液压系统驱动的双缸发动机提供动力的动力自主机器人。这种机器人是一个平面机器人，由一个半径 12 英尺的构架限制表面范围。它有 2个自由度，一个导杆和曲柄。液压执行装置固定在机身上，通过链条传递到导杆和曲柄。 单臂机器人被设计为一个适合多样性技术的测试平台，它包括： 液压弹性串联执行装置 液压执行装置要考虑到高准确性 , 适度带宽压力控制，一些机器人利用弹性串联执行装置 ,而单臂机器人是第一台应用液压型执行装置的机器人 。 虚拟转动弹簧 转动的支架定位经常仿造在弹簧上 , 它表示转动效率取决于肌肉组织和筋（见参考文献 4）。为了加快效率和简化控制，大多数机器人利用的是一个物理支管弹簧（见参考文献 5。单臂机器人是一个决定在转动机器人中是否能用虚拟弹簧替代实体弹簧的测试平台。 当单臂机器人完成试用，我们将模拟一个使用可控制的虚拟支撑弹簧。 弹性串联执行装置的特性 如果在实体弹簧中没有得到效率补偿，机器人灵活的保持控制 , 弹簧弹回完全支配合成力。 高密度，移动性，液压动力系统 为了使机器手臂更实用，必须要研制高动力和高能量系统。燃油驱动液压系统是一个使人感兴趣的选择。然而，现在缺少轻便的解决方 法，而且专家这方面的知识比腿部机器人的知识更加集中。单臂机器人是可以成为一个能给与其他机器人提供液压发动机动力系统的发展项目和测试平台 。 在机器人的设计中 , 我们反复利用了个仿真设计程序。 我们以各种不同的速度 和 不同的总数块运行了机械手 ， 现实模拟而且 得到 了 物理参数和 联合转力矩 、速度、和运动范围要求。 使用这些 功率的联合器 ,我们能够计算 出 系统的压力和流程需求 ，而且可以 选 出一些符合那些规格部件来 。然后 在 把 这些 部件 连同机械手结构一起 做成模型，得到的 新 的机械性能 被 加载到模型里进行 模拟。 重复 这一个 程序，直到原型设计成份选择 出来 。 为了确定单臂机器人的电力需求，我们用 模拟实验中，我们假设弹力腿部的回弹力为 0。这是一个非常保守的设定，因为记载数据显示奔跑的动物和几乎所有移动机器人的弹力腿部的回弹力都很大。我们打算最后修改弹力腿部构造的设计。现在，先假设回弹力为 0，其一确保电力系统超过最终机器人所需的要求，其二因为弹力腿部是比较难模拟的，我们要准确的确定它提供哪种电力储备系统。 我们总结了模拟 机器人以 1），算法类似于 见参考文献 5）的三工位计算，但是稍做了修改。工步通过控制垂直方向的上下速度进行控制，而不是通过底部的弹簧片组的压缩得到。因为单臂机器人的腿部弹簧是假设的，并且臀部和膝盖的力是任意假设给定的，所以这完全有可能。相对来说，大多数可移动机器人的腿部弹簧是真的并且规定了相应的跳跃。 如果真实的速度比需要 达到 的速度更少，除了经过脚安置控制向前的速度之外， 需要 增加一个速度控制机 延迟推进 。 我们在各种不同的身体块 中做 模拟 以完善 机械手的设计 。 到目 前为止 ，当 轻量级 (94 磅 ) 模拟 速度为 重量级的 模拟 速度只有 s。 图 1表示 的是 94 磅 重的机器人 在 速度是 3.5 m/s 时 模拟赛跑的一个 截图 。 在运动中，联合关节处的转力矩、速度和力量在一个完全的周期期间改变。 表 1显示了 模拟奔跑 时 运动的转力矩、速度、力量和范围的最大 值 。 液压 系统 的组成部分按照 联合关节处 的力量数 据来选择 。 表 1 模拟联合 关节处以 最大速 度运动时的 力量 要求 最大臀部转力矩 360 66 大膝转力矩 360 63 大臀部速度 24 24 大膝速度 28 64 大臀部力 4450 W P 最大膝力 4205 W P 最大 总 力 6025 W P 平均力 1550 W P 最大臀部旋转 7.3 大膝旋转 3.7 在设计液压系统前，我们对于单臂机器人的总体结构做一些设想。 图 1 43公斤 (94磅 )单臂机器人 以 3.5 m/像 动画 图像间隔 从 右向 左 运动 。 1) 假设动力元件牢牢的装在机器人的身体部位并且用电缆 和滑轮机构和关节处连接好。通过放置在机器人身体上的动力元件（正如直接安置在机器人腿上的反推装置），可以将机器人腿的质量减到最小，并可以使它达到很快的运动速度。 2) 假设动力元件是线性的，而不是螺旋的。液压直活塞相比螺旋液压活塞更容易运用，更便宜更轻。此外，用螺旋液压活塞很难执行连续的弹性冲击。这是因为相对于压缩弹簧，扭弹簧性能很差，并且生产扭弹簧的过程很复杂。 图 2表示的是单臂机器人的液压循环图。红线表示的高压供应路线，蓝线表示的低压返回路线。恒量泵由发动机驱动，给油箱外的低压油增压并使它们冲过各种障 碍。如果流进去，液体正常的通过一个节流阀，在这对蓄电池加压。电脑控制着的电磁阀可以间隔的通过一个油液冷却器阻止液体回流到油箱。 当积聚 的力 已经达成被需要的最大值如一个压力感应器所测量的压力 的 时候， 运用并联电路 。高压力液体被储存在 油箱 中，直到二个伺服 阀门 之 中任意一个启动 。如果压力在积聚者中变成太高 ,一个压力减轻 阀门 将会交替地把图 2 单臂机器人的液压系统设计图 液压油 转移回到 油 库。伺服 阀门 控制每个活塞的压力和流 量 。 如活塞被循环 ,回返 液体 经过油冷却器被送回到 油 库 ,如此完成周期。 压成分选择 液压 的系统 配置 相当标准 。 困难 在于在没有设计说明 书的情况下挑选出符合单臂机器人力量要求的组成部件，还要留下余量。 图 3 是成份选择程序的 示意图 。 和活塞直径 我们从模拟 中 为单脚架 估算 了运动的联合转力矩、速度和范围 。 力量经过 绕过 滑 轮 的钢电缆被传送到关节，而且这些钢的电缆 由液压 活塞 驱动 。在选择活塞和滑 轮 直径方面，假定操作压力 为 3000是一个广泛承认的 超高压 标准。 当 压力 超过 3000 ， 设备变成非常重 而且 贵。 考虑滑轮直径的同时，还必须考虑电缆寿命。非常小的皮带轮对钢索会产生显著的弯曲应力，从而使电缆寿命退化。按照 电缆制造业 情况 ，滑 轮 直径应该是大约包 围 在它周围的 电缆的直径 的 25 倍。 我们初步选择了一个直径 为 寸 的 电缆，因为它的断裂强度（ 2000 磅） 差不多达到设计 要求。 根据 制造业者的 25X 因素 ,我们 得到了 一个直径 为图 3 成分选择过程示意图 的滑 轮。取整 数 ,使用一个直径 为 的 滑 轮 。 用这 个 带轮直径和 3000算出扭矩 为 266 英尺 件下的活塞直径 是 寸 。 保守起见 ，选择了活塞直径为 寸。注意驱动力（ 指电缆 力）为 寸直径的活塞是 1324 磅，少于额定强度电缆 2000 磅。汽缸直径为 寸，模拟产生的最大压力和流速如表 2所示。 表 2 活塞 直径 为 带轮直径为 大压力 值 和流量 最大臀部主动器压力 000 大膝主动器压力 000 大值髋舵机流速 m3/s 24.5 s) 最大值膝动器流速 m3/s 23.8 s) 最大总动器流速 m3/s 39.0 s) 平均流速 m3/s 12.1 s) 在 圆筒和滑 轮 直径选择 方面， 我们用了模拟模型为 单臂机器人 结束产生压力和流程需求而且延长时间的时期。 从这个压力和流量 的 数据 中 抽取了平均流量 、 洪峰流 量和 压降。这方面的资料，用来选择主要系统组件 ， 包括伺服阀 、 散热器 、 蓄能器 、 齿轮泵 等 。 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 V 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 . 6 道机器人的工作环境 . 6 道机器人的技术要求 . 6 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 . 8 第 3 章 移动部件的设计和计算 . 10 走机构的设计和计算 . 10 走机构的驱动电机功率的预算 . 10 走机构结构设计 . 11 小锥齿轮的设计和校核 . 18 的设计和校核 . 21 的校核 . 31 第 4 章 伸缩机构和机身设计和计算 . 32 缩机构设计计算 . 32 作臂的设计 . 33 总 结 . 34 参考文献 . 35 致 谢 . 37 1 第 1 章 绪论 器人概述 在现代化工业中，生产的机械化、自动化已成为特别突出的主题。化工等连续过程的自动化生产已基本上得到解决。但是，在机械工业中，加工和装配等生产是不连续的。专用机床就是实现大批量生产自动化的有效办法；数控机床、程控机床、加工中心等等自动化机械有效地解决了很多品种小批量生产自动化的重要办法。但是除切削加工本身外，另外还有大量的装卸、搬运、装配等作业需要进一步 实现机械化。机器人的出现与应用为这些工作的机械化奠定了很好的基础。 “ 机器人 ” （工业机器人）：指的是程序变量的大部分（主编）装置的自动抓取，独立的搬运工，操作工具（称为国内工业机器人或机器人）。 机器人是一种 带人体上肢的部分功能 ， 有 工作程序 固定的 自动装置。该机器人具有结构简单，成本低廉，易于维修的优点，但功能少，适应性 比较差 。目前我国常有机器人的特性称为特种机器人和工业机器人，称为通用机器人。 总之， 机器人是用机器来 代替 人手操作 ， 把工件由某个位置 移动到指定位置，或按照要求控制工件的加工。 机器人一般分为三类 。第一类是通用的机器人不需要人工操作，也是本文所研究的对象。它不属于一个特定的主机设备，独立，能根据任务程序的需要，完成操作规程。它除了具有普通的机械物理性能， 还具有通用机械、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（机械手）。它起源于原子，军事工业，先通过机器操作来完成某些任务，后来发展到使用无线电信号对月球探测 的 机器人。行业锻造操作机采用也属于这一范畴。第三类是专业的机器人，主要属于自动机床或自动生产线上，用以解决在机械传动的材料和工件。这种在国外机器人通常被称为 “ 机械手 ” ，它是为主机服务 的，由主机驱动。但是也有例外，工作程序一般是固定的。 机器人因结构形式的不同又可以分为多种类型，其中，关节型机器人以结构紧凑，所占空间小，相对工作空间最大，甚至还能够绕过周围的一些障碍物等这样一些特点，成为了机器人中使用最多的结构形式，世界著名机器人的本体部分都是采用这种机构形式的机器人。 要使机器人像人那样拿取东西 ，最简单的基本条件是要有一套类似的把握和手指， 2 手腕，手臂的运动机理，关节和其他部位 致动器驱动和传动系统；手臂运动就像一个肌肉；指挥控制系统的手动工作就像大脑。这些系统的性能决定了机器人的性能 。在一般情况下，机器人通常是由执行机构，驱动、传动系统和控制系统三部分组成，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 现代智能机器人，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。目前的研究主要集中在给定的机器人的 “ 眼睛 ” ，所以它可以识别物体和避开障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人这些组件不是独立的，或是不是简单的叠加在一起，从而形成一个机器人。为了实现机器人实现预期的功能，对机器人的零件之间也必然存在相互关联，相互作用、相互制约。他 们之间的关系如图 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是由执行机构和驱动传动系统组成的。执行机构是机器人完成工作任务的实体，经常由连杆和关节组成，先由驱动传动系统提供动力，然后按控制系统的要求完成任务。驱动传动系统主要由驱动机构和传动系统组成。驱动机构给机器人提供各关节所需的动力，传动系统则是将驱动力转换成为满足机器人各关节力 3 矩有运动所要求的驱动力或力矩。有的文章则把 机器人分成为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中，机械系统又叫操作机 (如同本文中的执行机构部分。 器人的历史、现状 机器人首先开始在美国的发展。 1958 美国联合控制公司开发的第一个机器人。结构是一个旋转臂安装在阀体上，安装在电磁铁工件取放机构的末端部分，控制系统是一个新型的教学。 日本是一个工业机器人是最快的，大多数国家使用。自 1969 以来，从美国 引进 了两种典型的机器人，大力从事机器人研究。 目前，大部分还属于第一代工业机器人，主要依靠人工控制；在开环式控制方法，没 有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度的。 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 着工业机器人制造的研究和应用领域的不断扩大发展，国际学术交流活动非常活跃，欧洲和美国和其他国家进行了大量的学术交流活动。国际工业机器人产业会议决定每年召开一次会议，开发和应用的探讨和研究机器人。 目前，工业机器人主要用于装卸，搬运，焊接，铸造，热处理，无论数量，品种，性能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，主要是在危险作业（广义），粉尘，高温，噪声，工作空间狭小，不适合人工作业的环境。 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 4 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 ，这种专用系统很难（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） 1963为试验定型阶段。 1963， 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为实际应用阶段。这一时期，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工业机器人，并用 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。 我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚 5，但是由于种种原因，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。 5 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。 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。 6 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。 计方案过程及特点 道机器人的工作环境 a管道直径为 400 600 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； 7 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。 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。 8 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 50m 才有一个开口，其大部分时间都在行走上，所以机器人的工作效率很低。 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： 9 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。 （ 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）。 10 第 3 章 移动部件的设计和计算 走机构的设计和计算 走机构的驱动电机功率的预算 管道机器人受力图如左图所示：其中预取：1 400 212 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） =200 =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= =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 11 m 150 2F= 驱 =s = 行走机构结构设计 确定行走机构 由于管道直径最小时， D=400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： 12 50=580=175构总图 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 13 1 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=14 7 =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 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 15 齿顶圆直径： *12 c o d h m =75+212.52 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=3143 齿根角： *()a r c t a n c = (1 0 . 2 ) 2 . 5a r c t a . 2 5 3=3471 顶圆锥角： =52 3126 +3143 =55339 根圆锥角： =52 3126 71 16 =484425 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 =12.57 28 34 = 齿根圆直径： *12 ( ) c o d h c m = 1+2.57 28 34 = 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=3143 小锥齿轮： 23z 17 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=3471 顶圆锥角： =37 2834 +3143 = 41 3017 根圆锥角： =37 2834 71 =33 4133 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 2 . 5 2 . 5h m 齿 根 高： *()h c m(1 0 ) 2 =18 3 47 1f a 41 3017f 33 4133b=25d=100mm .5 全 齿 高：h h= 齿顶圆直径：112d h=100+2105 齿根圆直径：112d h=100 齿 厚： / 2 3 . 1 4 2 . 5 2 3 . 9 2 7 齿 根 宽： / 2 3 . 1 4 2 . 5 2 3 . 9 2 7 中 心 距： 100a d 顶 隙： * 0 . 2 5 2 . 5 0 . 6 2 5c c m 小锥齿轮的设计和校核 选择齿轮的类型 ,精度等级 ,材料和齿数 选择直齿圆锥齿轮 8级精度齿轮 ,软齿面 小齿轮的材料为 40制处理，硬度为 280齿轮的材料 为45钢，调制处理 初选小齿轮的齿数1 21z ；大齿轮的齿数为2 27z 。 按齿面接触疲劳强度设计计算 131 21 9 5 . 1t 根据轴 承布置方式和载荷的冲击情况，取 K= 查附录 2（机械设计 、 机械设计基础课程设计）得小齿轮的接触疲劳 19 极限为： li m 1 600H M p a 大齿轮的接触疲劳极限为： l i m 2 550H M p a 计算接触疲劳许用应力： l i m 11 0 . 9 0 . 9 6 0 0 5 4 0 p a l i m 22 0 . 9 0 . 9 5 5 0 4 9 5 p a 12 5 4 0 4 9 5 5 1 7 . 522 p a 1 540H M 2H 495 计算小齿轮的分度圆直径 131 21 9 5 . 1t =3 21 . 8 3 6 . 11 . 3 0 4 5 1 7 . 5 中 109 5 5 0 / n9 5 5 0 0 . 8 2 1 1 . 0 6 = 按齿根弯曲疲劳强度设计计算 13 2 2 213 . 2 1K T 计算当量齿数并查取齿形系数，两齿轮的分度圆锥角分别为： 12227c o t c o t 5 2 0 7 2 5 21za r c a r 1 37 52 35当量齿数为： 20 1 1 1/ c o s 2 1 / c o s ( 3 7 5 2 3 5 ) 2 6
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