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轮式
管道
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设计
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轮式管道机器人的设计,轮式,管道,机器人,设计
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本科毕业论文（设计）中期 进展情况 检查表 学生姓名 班级 指导教师 论文（设计）题目 轮式管道机器人的设计 目前已完成任务 （ 1）查找管道爬行器 相关资料； （ 2）制定毕业设计计划； （ 3）对 灵活运用； （ 4）完成毕业论文开题报告； （ 5）英文翻译 （ 6）完成爬行器机械部分 的加工方案 ； （ 7）完成 维造型 是否符合任务书要求进度： 符合 尚需完成的任务 （ 1） 爬行器电气部分的设计 ； （ 2）论文的撰写； （ 3）正式论文的整理； 能否按期完成论文（设计）： 能按期完成任务 存在问题和解决办 法 存 在 问 题 资料不足，对论文主题的研究不够透彻，且相关的理论知识还不够全面； 与指导老师的交流不够充分 拟 采 取 的 办 法 需要继续查找资料， 深入的了解管道爬行器的工作要求和特点， 进一步理解和掌握相关的理论知识，完善论文内容。 指导教师签 字 日期 年 月 日 教学院长（主任）意 见 负责人签字： 年 月 日 本科生毕业论文（设计）任务书 题目名称 轮式管道机器人的设计 学生姓名 冯春 所学专业 机械设计制造及其自动化 班级 机制 054 指导教师姓名 杜家熙 所学专业 机械设计与制造 职称 副教授 完成期限 2008年 12月 22日至 2009年 5月 32日 一、论文（设计）主要内容及主要技术指标 （一）主要内容 该题目主要内容有： 1. 管道爬行器 的运动原理分析 （ 1） 管道爬行器 的动力选择分析 （ 2） 管道爬行器 的 动力 传动分析 （ 3） 管道爬行器 的运动机构的分析 2. 管道爬行器 的结构研究与设计 （ 1） 管道爬行器 的工 作原理分析 （ 2） 管道爬行器 的机械结构的设计 （ 3） 根据其工作的要求设计 爬行器 的工作部分的结构 （ 4） 由于管道内工作，需要进行 爬行器 调整姿态，进行旋转机构的设计 （ 5） 由于需要在管道内进行管道连接处的转弯，进行转弯动作的分析 （ 6） 在工作时，由于有各种不利因素，进行管道检修部分（摄像头基座）的设计及安装分析 3. 爬行器 的零件设计及其装配 （ 1） 由管道的数据，进行 爬行器 的零件尺寸 ，形状设计 （ 2） 用 4. 对于 爬行器 的工作运动要求进行电机的动作分析 （ 1） 正常工作状态下，电机的运转状态分析 （ 2） 转弯时的电机运转状态及其工作顺序的分析 5. 对 爬行器 的控制电路原理的设计 （ 1） 根据工作条件进行电机的选择及其功率的核定 （ 2） 由电机进行电源分析和选择 （ 3） 确定工作电路的元件规格 （ 4） 由工作要求进行电机控制的电路分析 （ 5） 由工作要求进行各种控制电路的试制 （ 6） 分析各种控制电路的优缺点 （ 7） 结合工作环境和工作要求进行控制电路的确定 行器 管道内定位方案的提出及其电路设计。 （ 1） 根据 爬行器 所完成的任务列举 爬行器 定位方案。 （ 2） 分析 爬行器 定位方案 （ 3） 初步进行定位的设计 （ 4） 完善定位 7. 爬行器 工作电路的总结 （ 1） 通过人工控制电机的正反转和电机调速。人为的控制爬行器的顺序动作，完成十字口和丁字口的转弯。 （ 2） 通过里程计反馈电路反馈信号，结合管道工程图确定爬行器所在的具体位置。 （二）技术指标 爬行器全长 840通过 4501100气所需电源 24 里程计电源 5V。 二、 毕业论文（设计）的基本要求 文）一份：有 400字左右的中英文摘要，正文后有 15篇左右的参考文献，正文中要引用 5篇以上文献，并注明文献出处。 论文字数在 6000字以上； 000汉字的与本课题有关的外文翻译资料； 0000字以上； 配图； 三、毕业论文（设计）进度安排 1. 2008年 12月 22日 0日，下达毕业设计任务书；寒假期间完成英文资料翻译 和开题报告。 2. 2009年 2月 25日（第 1指导教师审核开题报告和设计方案。 3. 2009年 3月 10日 8日（第 3毕业设计各单元部分设计、撰写论文初稿。 4. 2009年 4月 20 11 周），毕业设 计中期检查。 5. 2009 年 5 月 5（第 12）， 设计计算 、 强度校核 、零件 模拟 装配 、电气部分设计撰写毕业设计论文。 6. 2009年 5月 22日 第 15交毕业设计论文，指导教师、评阅教师审查 评阅设计论文，毕业设计答辩资格审查。毕业设计答辩，学生修改整理设计论文。 本科生毕业论文（设计）开题报告 题目名称 轮式管道机器人的设计 学生姓名 专业 机械设计制造及其自动化 班级 指导教师姓名 所学专业 机械设计与制造 职称 完成期限 20 2 月 16 日 至 20 2 月 27 日 一、选题的目的意义 随着中国改革开放以来，中国不断与世界拉近距离，其中人民的生活水平得到大幅的提高 2009 年，中国天然气以及各种管道已经覆盖了中国的每一个中小城市。 在我国及世界各个国家内，由于地形的限制和土地资源的有限，在地下都埋设了很多的输 送管道，例如天然气管道、石油管道等，在埋有管道的地面上面都已经建成了很多的建筑物、公路等，给管道的维修和维护造成了很大的困难。当这些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等问题时，人们普通的做法是挖开道路进行维修，有 些时候如果不能准确判断泄露和堵塞的具体位置时，会浪费很多的时间， 精力 和资源 ，同时降低了工作效率。 因此管道内机器人化自动检查技术的研究与 设计 十分必要。 人们不再为了维修、维护管道时挖开道路， 而是进行管道破损处的精确定位，然后进行维修。 节省了大量的人力，物力和财力。 二、国内外研究现状 在美国、日本和德国 等发达国家，随着机电一体化技术的发展，以及 器人技术的发展和管道测试等技术的进一步发展，相互之间的渗透程度越来越深，管道爬行机器人是在狭窄空间中进行精密操作、检测或作业的机器人系统。其中机器人的作业环境一般在三维尺寸上微小的或者危险的。广泛应用于火力发电厂、核电厂、化工厂、民用建筑等用到各种各样微小管道内的定期检修。 在我国， 20 世纪 80 年代开始少量引进爬行器 ,但远远不能满足我国管道工程发展的需要。进入 90年代，国内各科研机构和大中专院校开始研制各种管道爬行器，但由于各种原因，爬行器的 适应性和过复杂管道能力存在着或多或少的缺陷 。 三、主要研究内容 研究和设计爬行器 机构若干可行性方案。进行对比分析，选择最优方案。包括机械装备，驱动装置，自适应调节装置选择等 . 研究和设计爬行器 的各种电路的几套可行性方案。进行合理性分析，选择优化方案 。 包括电 机，电源， 开关 的选择。照明电路，转弯控制电路，姿态调整电路， 机器人管道中定位电路， 总体接线电路的选择和优化设计。 该爬行器可实现 4501100围内管道内径变化。实现探测摄像装置与水平面平行，不发生倾斜。通过人为的控制支撑臂的 “伞 ”型 伸缩结构以及个 电机的顺序动作可以顺利通过十字型、丁字型等较复杂管道 ， 通过人为的控制使机器人左转或右转，设计选择电路。 通过吊篮中的摄像头来检测管道的损坏与否，通过机器人定位系统进行管道破损处的定位 ，对机器人定位系统进行方案提出，分析，和电路设计。 四、毕业论文（设计）的研究方法或技术路线 毕业设计采取的研究与设计方法 解，明白设计过程与目的，掌握进行本毕业设计的所必须的基本知识。 助于网上数字图书馆搜集相关资料，对其进行分析、总结、概括、和借鉴，形成系统的外部资料，借鉴当今国内及国外此方面的研究及理论探讨进行本课题的理论和方法 五、 主要参考文献与资料 1齐占庆 M1994 2杨天明 M2006 3电机工程手册 M1996 4李国厚，杨青 杰 理与应用设计 M2005 5王永章 M2001 6黄立培 M2003 7李中年 M2006 8蓝荣香 件设计技术与实践 M2007， 2 9李杰 械绘图实战 M2007， 3 10龙马工作室 全自学手册 M2007， 6 11刘鸿文 M2006， 11 12王兰美 M2004， 2 13孙桓 M2006， 5 14濮良贵 M2006， 5 15李朝青 M2005， 10 16秦曾煌 M2003， 12 17王玉萍，邵峰 M18王立权，贾守波 制系统研究 J2008， 36（ 6）：9699 19刘伟明 J2007， 26（ 8）： 9698 20陈齐汉。小功率直流电机调速正反转切换控制的 制系统 J002， 1（ 26）：5152 21丁昆 J2008， 2（ 15）： 5355 六、 指导教师审批意见 签名： 年 月 日 毕业论文（设计）课题申请表 院（系）名称 机电学院 专业名称 机械设计制造及其自动化 指导教师 姓名及职称 课题名称 轮式管道机器人的设计 课题来源 自选 立题理由 和所具备 的条件 随着社会的发展和人民生活水平的提高，天然气管道以及各种输送管道的应用越来越多。在我国及世界各个国家内，由于地形的限制和土地资源的有限，在地下都埋设了很多的输送管道，在埋有管道的地面上面都已经建成了很多的建筑物、公路等，给管道的维修和维护造成了很大的困难。当这些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等问题时，人们普通的 做法是挖开道路进行维修，有些时候如果不能准确判断泄露和堵塞的具体位置时，会浪费很多的时间和精力，同时降低了工作效率。 因此管道内机器人化自动检查技术的研究与应用十分必要。 人们不再为了维修、维护管道时挖开道路，节省了大量的人力，物力和财力。本设计主要 设计爬行机器人 的 驱动装置 、 自适应调节装置 、控制装置 等 00围内管道内径变化。实现探测摄像装置与水平面平行，不发生倾斜。通过支撑臂的伸缩结构顺利通过十字型、丁字型等较复杂管道。 课题组成员已具备相应的机械制图，机械设计和应用各种软件的能力。基础知识扎实，实践经验丰富。 教研室 审批意见 教研室主任签字： 年 月 日 毕业论文（设 计）工作领导 小组审批意见 组长签字： 年 月 日 1 a . s an 1) be to to be at 2) a of of , no of no no of 3) on be to in a or to of by to on 4) a to of of so 5) it to at by 6) to of 7) be to 8) be to to by to 9) be of as it to be an s of of of wed it by 000 So be as a “of in t be if it t to is a its a of of “by of is as a of in 2 or s of on to to to to of on of a ” t ll to of of as in a “on of on to to of in as to a in A 1st to A is a . it . . ne of in of to a It on as on of to is of is a it by It is as a In of of on in on of In a a to A on an on is a WW 3 is it a of on s or a of a to of it is a an to of of it is a s we 1) at as a as a to as a to 2) at in of 4 因特网 计算机网络是近来比较流行的话题，主要 的报纸，流行的杂志，专业的学报，甚至广播和电视都在谈论关于“信息高速公路”和“国家信息基础设施”，让我们 想象一个国际数据超级高速公路可以看成像这样： 1） 用户可以从地球的任何角落连接上网络。那将提供高速的信息通道在大学，政府机关和全世界的商业网点。 2）网络将运用标准的通信协议。通信协议 是建立一系列的法规来稳定地进行数据交换（在处理器和终端之间），提供数据通路，无论是人们用的电脑是什么样的品牌，无 论什么样的处理系统，无论计算机的尺寸的大小。 3）使用全球互联网的用户 将 能够相互交换电子邮件和他人， 能够传递 信息 用很短的时间几秒，不然几分钟。互联网允许不仅仅一个对一个的单线传递，也提供网络工具把个别的进行隔离通过距离和反映的时间。 4）互联网将提供一个简单的标准的通信信道 为用户登录全球的计算机网络。个别的将有利于不仅能从他们的家连接到办公室，而且能够使用互联网在他们旅游的时候，能连接回到家中。 5）导航工具让单独在互联网中游览变得简单，粗略的信息 被高校，商业组织，图书馆，一些基础设施，和个人提供。 6）搜索工具允许用户去浏览大型数据库，快速的查找处他们感兴趣的文件。 7）用户能够去检索 和回放电影，音频，和多媒体 文件。 8）互联网提供即时通信：人们可以在线和另一个人进行交流（用打字，或者用合适的设备，或建立的声音的连接） 甚至 能够用互联网玩即时的接近真实的网络游戏。 9）最后，网络将会变成双线的通信高速公路。用户不会认为那是他们自己专用的作为一个消费者，反而，网络工具将使那变得相当的简单，让任何一个人成为信息的提供者。个体可以公开简历，他们写的文学作品，他们家庭的照片，以及他们的艺术作品。 那些列举的网络特征看起来相当现代。一种可能的推测是我们可以见到那一天在 2000年。实际上每个如上所述列举的特征是存在的 在今天 在因特网上。 因特网呈现出一个真正的，实用的，世界的数据网络。所以，因特网可以被描述为“由网络连接成的网络”。 近来，世界上大多数工作能力强的网络不会非常的有用如果它没有有价值的信息为人们检索的话。因特网不仅仅是一个人们相互发电子邮件的媒介，它也是存放各种各样信息的仓库，被信息提供者向全世界公开。这有一些关于 在因特网上 数据如何交换的 例子： 许多大学都建立校园网络信息系统，或被称为 为一个加强校园信息和数据的处理服务的方法在一些地点。大多数的 特网。全球的用户能够接触到教育目录，连接到关于校园屋内设施网，或者查询图书馆的在线目录。 一部分科学家和研究科学的机构建立起文件的收集库，数据库，以及为他们可用的因特网通路。采用网络工具比如菜单式信息搜索查询工具，万维网，广域信息服务，用户 可以得到 任何信息从天文学到生物多样性再到人类经济学方案再到流行病学到动物学。 经典的文学著作被作为免费的可用文件在因特网上，尽管那尽力被叫做“”网络上的标题 包括 莎士比亚经典著作，圣经， 弗雷德里克 道格拉斯 的自传，和其他更多的东西。 并不是所有的文学著作的文字你能够看到，采用合适的设备，你能够听到声音文件在因特网上。 你可以发现一段历史的声音，音乐样本，较长的音频文件比如总统的辩论，和用广播的格式 传递会谈。 5 当前的天气预报和和气象云图可以从因特网的数个信息来源获得。你甚至能够发现移动的图片描述关于气象云图，看起来像电视上看到的壮观的圆环。地震的预报也会被变得 每天就能获得。因特网甚至被用来发布 对灾民的忠告，关于密西西比河的 1993年中期的那次洪水。 政府服务机构发现因特网作为传播信息的通道的巨大价值。科研中心点的代表 ，比如概是沿着未来的方向公布信息通过因特网。 在 21世纪 一个新的关于制造业企业的模式 虚拟企业很轻易地对制造业产生了巨大的影响。虚拟企业是一个临时地组织出的“生产工厂”。尽管因特网可以同时使用关于社会生产资源和市场需求，因此可以理解被叫做“虚拟制造业”或者“远程 制造业 ” 。 特网提供的服务 1. 电子邮件 最早的一个电子邮件系统被组建在早先的阿帕网中，两个开发者开始相互发送短信给用 络。直到近来电子邮件，或“ 才变成大众观念。那是 进行 调度 通过 大的主机计算机平台 就好像 提供安放在各种地方区域的网络，今天电子邮件成为因特网的基础服务，也是用户重要的相互传递信息的工具。 2. 菜单式信息搜索查询工具 被叫做因特网菜单式信息搜索查询工具因为， 明尼苏达州 大学 。菜单式信息搜索查询工具是一个基本的工具，相当简单的工具，但是它被暴风雨捕捉因特网。那是一个描述作为一个文件传递的工具；实际上，菜单式信息搜索查询工具能够传递文件，文件清单，和索引。如此，菜单式信息搜索查询工具服务器歩仅仅能提供原文信息，也能有条理的浏 览资源清单在因特网上。 3. 万维网 这种工具 为了传递信息在因特网中， 是比较庞大的 在它的体系描述中。而非提供基本的成行描述文件的文件夹， 供 超文本。简而言之，这简单意思是一个文件能被嵌入（插入）链接到另一个文件的正文里面的任何地方。一个用户点击如此一个深入的链接，别的文件显现在电脑屏幕上。一种工具，被叫做 4. 是否 那是大量的非读的描述在某人的桌面上或者一个虚拟的大量的非读文件散播通过全球的因特网，用户需要一种方法来区分大量的信息。这有 是一种允许一 个信息提供者准备 索引关于数字信息系统中大量的无条理的文件的工具，那是容许用户接触那些自然的语言问题的索引的工具。 在使用因特网 就像我们看到的那样，因特网在历史上最早出现在美国人想象中。国家安全部门，防卫部门，以及大学的研究院。这仍然有许多因特网的用户在这些群体中，大众化的因特网用户变得十分普遍在以后的若干年里。谁在使用因特网？ 1） 大学，地方学院，和中小学校的老师和学生。他们使用因特网作为一个虚拟的 参考 的平台， 用来 作为一种学生和教员 同全世界的同辈交流的平台，也可以作为一个公示教育课程安 排的平台。 2） 教授，其他大学中的研究员和在公司的研究部门工作的人。这些研究员是因特网的用户，也是因特网基础技术的研究者和创造者。一些大学甚至开设了有学分的关于因特网的课程。 1 摘 要 本课题是在对管道爬行器 的结构和运动研究分析的基础上。本次设计在基础上构建管道爬行器 的若干套三维造型，然后依据要求进行选择。最终方案采用列车连接结构 ,伸缩结构和 “伞 ”型结构，以适应管道内部的弯道和大范围内径变化管道。通过电气控制，使各电机顺序动作以完成通过十字型和丁字型等较复杂的管道 ,通过新型吊环的调节始终保持摄像装置与水平面的平行。对管道爬行器的控制要求，采用常规的电气控制分析方法 设计电气部分的控制电路，最终方案采用人工控制电机的顺序动作进行管道内的转弯，里程计反馈信息与管 道工程图相结合的方法来进行爬行器的定位。为研究管道爬行器打下了一定的基础。 关键词： 自适应性，伸缩结构，内径变化，新型吊环， 2 of he on of to D by of in by of by of s s ew 3 目 录 1 绪论 . 1 2 设计方案初步分析 . 2 线控制与有线控制的选择 . 2 线控制及拖拽 . 2 拖曳 . 2 动方式选择 . 2 式爬行 . 2 带爬行 . 3 态调整的选择 . 3 传感器的关节进行调整 . 3 用吊篮方式进行调整 . 4 用新式 吊篮进行调整 . 4 适应分析 . 4 缩臂长和加弹簧方式 . 5 缩臂长和 “伞 ”型摇杆 . 5 案的基本确定 . 5 3 方案一的设计与分析 . 5 身的设计 . 6 腿的设计 . 6 缩单元 . 7 长单元 . 8 节单元 . 8 动轮的设计 . 8 案一的分析 . 9 4 方案二的设计与分析 . 9 身的设计 . 9 身内部传动结构设计 . 9 给螺杆与螺母的设计 . 10 篮的设计 . 10 腿的设计 . 11 案二的分析 . 11 5 方案三的设计与分析 . 12 4 身的设计 . 12 身内部传动机构的设计 . 13 给丝杠和螺母的设计 . 13 择联轴器 . 17 择键 . 17 环的设计 . 18 承的设计 . 18 腿的设计 . 19 动轮的设计 . 19 道爬行的实现 . 20 道内路口转弯的实现 . 20 体装配体设计 . 21 6 管道爬行机器人的功能分析 . 21 7 管道爬行机器人的动作分析 . 22 8 电气控制基本元器件的选取 . 22 机的参数计算与选取 . 22 动轮电机的参数计算 . 22 电机参数计算 . 23 器人动力源的选取 . 24 源的选取 . 24 机调速元件的选取 . 25 联 电阻调速方法的实现 . 25 型调节脉宽 调速的实现 . 26 机调速方法的确定及元件的确定 . 27 9 电路设计 . 28 足电机动作的正转与反转的电路设计 . 28 后伞足的张开闭合电路设计 . 28 机部分总电 路设计 . 29 机顺序动作的电路设计 . 30 为控制 . 30 辑控制 . 30 片机 /行自动控制 . 31 明系统的电路设计 . 32 道内机器人定位系统（ 设计 . 33 5 行器管道内定位方案的提出与分析 . 33 器人定位系统部件的选择与设计 . 35 10 结论 . 36 11 结束语 . 37 致谢 . 40 参考文献 . 39 1 1 绪论 随着社会的发展和人民生活水 平的提高，天然气管道以及各种输送管道的应用越来越多。在我国及世界各个国家内，由于地形的限制和土地资源的有限，在地下都埋设了很多的输送管道，例如，一方面天然气管道、石油管道等，在埋有管道的地面上都已经建成了很多的建筑物、公路等，给管道的维修和维护造成了很大的困难。当这些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等问题时，人们普通的做法是挖开道路进行维修，有些时候如果不能准确判断泄露和堵塞的具体位置时，会浪费很多的时间和精力，同时降低了工作效率 7。另一方面石油、天然气、化工、电力、冶金等工业的管道工程大多采用焊接管路 。为了保证焊接管路的焊接质量和运行安全 ,管道工程都要对焊缝进行检测 ,检测焊接部位是否存在虚焊、漏焊、伤痕等焊接缺陷。常用的焊缝检测方法是采用无损检测 ,如超声、射线、涡流等。对于管路检测 ,则大多采用管道内爬行探伤检验设备 (简称爬行器 ) 对焊缝进行射线检测。这类爬行器由于受管道尺寸的限制 ,大多结构十分紧凑。在检测过程中 ,爬行器在其控制系统的控制下 ,可连续对同一管道不同位置上的焊缝质量进行检验。考虑管道焊缝检测的效率 ,常常当管道焊接具有一定长度之后 ,才集中对管道进行检测。如果一次要检测的管道比较长 ,爬行器的控制系 统应采用车载式布置。使用时 ,通过外部的控制器对爬行器上的控制系统发出指令 ,决定爬行器的工作状态。 随着机电一体化技术的发展，以及机器人技术的发展和管道测试等技术的进一步发展，相互之间的渗透程度越来越深，管道爬行机器人是在狭窄空间中进行精密操作、检测或作业的机器人系统。其中机器人的作业环境一般是危险的。火力发电厂、核电厂、化工厂、民用建筑等用到各种各小管道，其安全使用需要定期检修。但由于窄小空间的限制，自动维修存在一定难度。仅以核电站为例，检查时工人劳动条件恶劣。因此管道内机器人化自动检查技术的研究与应用十分 必要。人们不再为了维修、维护管道时挖开道路，节省了大量的人力，物力和财力。 目前的管道机器人都是以履带、轮子等实现在管道中的移动，其技术有着或多或少的缺陷，市场尚不成熟。例如：不能适应大范围的管道内径变化，运行中姿态的调整不够理想，在十字型、丁字型等较复杂的管道内径中不能较平稳的通过等等；结合目前管道机器人所存在的缺点，应用机械设计、机械原理等专业知识，设计出了新型管道爬行机器人。此机器人可实现大范围内的管道内径变化，顺利通过十字型、丁字型等较复杂管道； 在 运行中的姿态调整也得到了较好的解决 。 2 2 设计方案 初步分析 线控制与有线控制的选择 线控制及拖拽 该方式采用机器人尾部装夹电缆、信号线、安全绳、其他电路等等，这样会造成机器人的牵引力增大，对爬行器的负载力和足轮的摩擦力提出了更高的要求，尤其是随着机器人的深入，牵引绳会成为机器人的累赘和枷锁。牵引绳的长短禁锢着机器人的爬行深度。其优缺点如下： 缺点：附着力会不断增大，爬行器负载变化大，不利于长距离爬行。 优点：爬行器本身初始载重小（本身不需携带能源等），信息反馈及时清晰，利于后期观察，也利于实现在线监控。观察结束时，可人 工使用安全绳退出。 拖曳 该方式不需跟随电缆线，本身有拍摄存储功能，并且本身携带电源等，其优缺点如下： 缺点：爬行器本身载重加大，需设计爬行器退出管道方式等。 优点：爬行器载重恒定，便于爬行器爬行。其在管道内行进方便，尤其在弯道时，拖曳式的过大的牵引力会使爬行器驱动轮打滑，不易通过。 根据要求，非拖曳虽有自己强大优点，但爬行器在管道内出现问题而不能移动时，需要花费很大力气将爬行器取出。 可以选择有线拖拽式 。 动方式选择 根据设计要求现拟订 2 种爬行器驱动设计方案（如图 1， 2）： 图 1 轮式爬行 图 2 履带式爬行 式爬行 设计制造简便，成本低廉。但其穿越障碍能力差，只能穿越高度小于其本身半径的障碍物。如图 3。 图 3 轮式爬行越障 3 带爬行 越障碍能力高于轮式爬行，但本身设计制造较复杂，成本相应提高（一个支点最少需 4 轮才可以爬行） 3。 根据设计要求本机器人是在管道内行走的机器人，无需考虑台阶等障碍物的问题，尽量降低成本，在不影响设 计本身功能时，尽可能采用制造工艺简单，成本低的设计方案。 可以采用轮式爬行。 态调整的选择 根据要求结合可行性，可以拟定 3 种方案如下： 传感器的关节进行调整 在管道爬行时会出现爬行器偏移原来轨道，可用倾斜传感器进行控制。现拟订采用改变轮子（履带）前进方向一定角度来进行矫正（加关节）。 其原理为：通过电磁铁的吸合，从而控制爬行器的爬行轨迹。关节单元装配图如图 4： 图 4 关节调节 通过关节调整可实现如图 5： 图 5 关节调节的实现 4 用 吊篮方式进行调整 在爬行器内安装吊篮（内置摄像观察装置）。当爬行器偏斜时，吊兰因为和机座为铰链连接，保留一个自由度，由于重力的原因不会随着爬行器偏斜而偏斜，而是在任何时候都垂直与地面。其在爬行器内遇到倾斜时的自动调节如图 6。 通过吊篮式调节，摄像装置始终保持与水平面平行 图 6 吊篮式的实现 用新式吊篮进行调整 根据吊篮的原理，结合鲁班的榫卯结构，可以采用 2 个偏心圆环相扣，进行重力自由调节，其原理如图 7 如图 7 小环直径为 150环直径为 250环与小环相切，小环的转动并不能带动大环的转动，并且大环会由于重力的作用始终与地面保持 平 行 。 可 以 在 大 环 上 安 装 照 明器件和信号采集器件，是它们能够与地面保持平行。根据这种思路，可以3D 造型，进行新式吊篮调节如图 8,图9。 适应分析 图 7 吊环原理图 5 缩臂长和加弹簧方式 大范围内径变化（ 400支撑臂上添加变长杆，小范围内在支撑臂上添加弹簧。 缩臂长和 “伞 ”型摇杆 在 4001100 大范围内的管道中爬行，可通过使支架伸缩来改变。在管道直径改变不大处爬行，十字型、丁字型等较复杂管道内径时可通过 “伞 ”型摇杆闭合控制支撑臂移动以适应，通过 “伞 ”型摇杆与伸缩杆的结合就可以变换出很多适应不同管道内径的条件。 以上 2 方案各有其优点，相比较下，第 2 种方案更符合要求，但其需要独立的驱动单元，因此制造成本远高于第 1 种方案。在普通情况下，第 1 种方案足可以适应。故再做出三维造型后进一步进行运动分析。 案的基本确定 通过以上分析，初步确定采用有线拖拽式，但姿态调整和自适应均存在 3种 不同的方案可供选择，故设计 3 种总体方案再进一步分析。 方案一：姿态调整采用关节调节，自适应采用变长杆和弹簧。 方案二：姿态调整采用吊篮方式，自适应采用伸缩臂和 “伞 ”型张合结构。 方案三：姿态调整采用新式榫卯吊篮方式，自适应采用伸缩臂和 “伞 ”型合 构。 3 方案一的设计与分析 综合设计方案一如图 9. 图 8 吊篮分装图 图 9 吊篮装配图 6 本方案基本有 3 部分组成， 1 机身、 2 机腿、 3 驱动轮。 图 9 方案一的三维效果图 身的设计 可装载各种探测设备等，如图 10。 图 10 机身 腿的设计 由 9部分组成，其三维图与爆炸图如图 11。机腿可分为 3个单元：伸缩单元（ 1变长单元（ 6）、关节单元（ 7通过螺纹连接。其爆炸图如图 11。三维转配图如图 12。 7 图 11 机腿的爆炸图 缩单元 1分组成的伸缩单元依靠弹簧的弹性变形以适应小范围内的管道直径变化和越障。其三维图如图 13。 图 12 机腿装配图 图 13 伸缩单元三维图 图 14 变长杆 8 长单元 6 为变长杆，可以人为的更换（增长或缩短）以适应管道直径的大范围变化。其三维图如图 14。 节单元 7分组成关节单元， 7、 9 上均装有电磁铁， 7、 8， 8、 9 之间用螺母和绕簧固定。各部位三维图如图 15。 关节单元 用于爬行器的姿态调整。其原理为 通过倾斜传感器对爬行器进行监控。当爬行器偏移其原轨道，倾斜传感器发出电信号，此时 7 或 9 上的电磁铁得电，吸合 8，促使轮子向左或右倾斜，以校正爬行器。在爬行器被校正后，倾斜传感器发出信号，使电磁铁断电，在绕簧的作用力下，使关节各部位复位。 图 15 关节单元零件图 爬行器正常前进。 7、 9 分别用于爬行器的左、右校正。 动轮的设计 驱动轮由 5 部分组成，如图 16 图 16 驱动轮三维图与爆炸图 (1)联接块用于与驱动轮与关节单元的联接。 (2)电动机箱安装步进电动机或励磁电动机。用以驱动轮子。 9 案一的分析 优点：结构简单，制造成本低廉，对管道内径变化不大和弯道较少时基本能满足设计要求。 缺点：该爬行器在爬行器由于机身是长方体，在管道内转弯时，会出现卡壳现象，在爬行十字型、丁字型管道内径时会出现在机腿卡在管道中，驱动轮悬空等情况；但该种情况，一般当轮子半径大于管道壁厚，也能顺利通过。 4 方案二的设计与分析 根据方案一的优缺点进行改进，增加必要改良元素，现设计出方案二，如图17。 本方案由 3 部分组成： 1 机身， 2 机腿， 3 驱动轮。 图 17 方案二的三维图 身的设计 机身设计成筒状机身和其他部件组成。如图 18. 图 18 机壁三维图 身内部传动结构设计 机身内部主要完成 “伞 ”足的张合传动，以及吊篮的安装。如图 19。 10 图 19 机身内部三维图 给螺杆与螺母的设计 为使机腿伸缩，采用螺旋传动，该类型传动是利用螺杆（丝杠）和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。 它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。在爬行器中其工作原理为：进给螺杆在电动机的驱动下，进行回转运动。从而使螺母进行水平移动。螺母用来推动机腿的伸缩，使爬行器进行自适应伸缩如图 20。 图 20 丝杠螺母运动简图 篮的设计 吊篮的活动关节采用圆柱销，采用间隙配合，以保证吊篮的左右移动。其机构图如图 21， 22。 11 其工作原理为，在重力的作用下。吊篮通过活动关节始终保持与地面的水平。活动关节由一活动销联结。吊篮通过螺母固定在机身上。 图 21 吊篮三维图 图 22 吊篮示意图 腿的设计 机腿的三维造型如图 23 图 23 机腿三维图 机腿通过关节 1、 2、 3 的伸缩进行自适应调节。连接杆与推动盘连结。连接杆与关节 3 采用铰接。为适应管道最大内径 1100调节，关节 1 尺寸为200节 2 尺寸为 150节 3 尺寸为 100 案二的分析 优点：能够采用伸缩杆适应大范围管道内壁直径变化， “伞 ”型结构能够适应管道内一定范围的转弯，牵引力大，结构紧凑，控制简单。 12 缺点：由于机身为一个圆筒（整体，过长），不 能完全适应弯道的转弯。吊篮安装在机身内部，安装复杂，并且吊篮在内部，不能采用摄像头观察管道内壁的情况。机身的制造复杂，孔系较多。 5 方案三的设计与分析 根据方案一，二的优缺点，综合整理资料，经过反复修改，提出新的设计思路，先设计出方案三，如图 24。本方案有 3 部分组成， 1 机身、 2 机腿、 3 驱动轮。 图 24 方案三的三维图 身的设计 机身主要有两部分构成，即前机身和后机身，对于管道内转弯的为题，我们可以借鉴火车的节装结构，设计出有两节机身组成的机车型爬行器，减小机身长度，有利于机器人顺利通 过弯道，为减轻重量，机身材料选用硬铝。 身组成结构 爬行器爬行最小内径为 450行最大内径 1100计机身内径为150径为 200壁厚度最小处为 10壁与机腿之间只是做简单的伸缩动作，前后机身可以采用旋转铰链连接故采用 5用间隙配合。其前后机身三维图如图 25 ， 图 26。 13 图 25 前主体三维图 图 26 后主体三维图 身内部传动机构的设计 机身内部结构为机腿运动的传动 机构的设计，在这里运用丝杠和螺母结构完成曲柄滑块机构的实现。并推动机腿的张合。其结构示意图如图 27 给丝杠和螺母的设计 为使机腿伸缩，采用螺旋传动，该类型传动是利用螺杆（丝杠）和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。 在爬行器中其工作原理为：进给螺 杆在电动机的驱动下，进行回转运动 。 从而使螺母进行水平移动。螺母用来推动机腿的张合，使爬行器进行自适应张合。 A 初步确定螺杆杆轴的最小轴径 按机械设计式 15步估算丝杆轴的最小轴径，选取材料为 45 钢，调质处理。根据机械设计表 15 12 初步设定螺杆转速为 30r/0 11238930= (1) 式中， P 可根据主体电机取 P=89W n=30r/图 27 丝杠螺母装配图 14 B 求取轴向力 按照自锁条件先求出当 量摩擦角，查机械设表 5螺旋副材料中 钢对钢的摩擦系数 0 0 s ，取中间值 当量摩擦角 则 4 0 0 0 t a n 8 . 8 6 2 0F N N 轴在此按最大值计算，取 620C 耐磨性计算 滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大，螺旋副间越容易形成磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上 的压力 p，使其小于材料的许用压力 p 。 假设作用于螺杆的轴向力为 F（单位为 N)，螺纹的承压面积（指螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的面积）为 A（单位为 2，螺纹中径为2d（单位为 螺纹工作高度为 h（单位为 螺纹螺距为 P（单位为 螺母高度为 H（单位为 螺纹工作圈数为 /u H P ，则螺纹工 作面上的耐磨性条件为 上式可作为校核计算用。将 / 代入上式整理后得 a 计算螺杆中径 查机械设计第 97 页，由于工作圈数不多，故取 查机械设计第 97 页表 5 则 因为按剪切强度计算的最小直径为 由 6据国家标准选取螺纹公称直径 d=30P=螺纹。 b 螺母高度 0 . 1 5 a r c t a n a r c t a n 8 . 830c o s c o s 22F F F d h u d h H 2 2 0 d P 10P 26200 . 8 4 . 51 . 5 1 0d m m m m 2(2) (3) (4) (5) 15 H=26=39mm c 旋合圈数 39 5 7Z m m故 旋合圈数合理 d 螺纹工作高度 0 . 5 0 . 5 7 3 . 5h p m m (7) e 验算工作压强 620 0 . 3 6 6 1 1 02 6 3 . 5 6 . 4 2P M P a M P a D 验算自锁 自锁条件2a r c t a n ( / ) ，对于单线螺纹 7L P ， 为当量摩擦角等于 。 则： 007a r c t a n 5 . 3 0 6 8 . 826 自锁条件满足。 E 螺杆强度计算 螺杆工作时承受轴向压力（或拉力） F 和扭转 T 的作用。螺杆危险截面上既有压缩（或拉伸）应力，又有切应力。因此，校核螺杆强度时应根据第四强度理论求出危险截面的计算应力其强度条件为 21143 ( ) (9) 214 1 23d 中： F 螺杆所受的轴向压力（或拉力），单位为 N； 1d螺杆螺纹小径，单位为 T 螺杆所受的扭矩； 螺杆材料的许用应力，单位为 则： 12 2h z(6) (8) 16 221 4 2 8 3 2 8 . 76 2 0 3 ( ) 2 0 . 6 0 3 54 1 5 . 2 6 5 2 3 P a 螺杆材料的许用应力 查机械设 计手册表 =80，故螺杆强度满足。 F 螺纹牙强度 (1)螺纹牙宽度 0 . 6 5 0 . 6 5 7 4 . 5 5d p m m (2)螺杆的强度校核 螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母的材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹牙的强度。 如果将一圈螺纹沿螺母的螺纹大径 D（单位为 展开，则可看作宽度为 D 的悬臂梁。假设螺母每圈螺纹所承受的平均压力为 并作用在以螺纹中径 2D （单位为 直径的圆周上，则螺纹牙危险截面 a a 的剪切强度条件为 螺纹牙危险截面 a a 的弯曲强度条件为 式中： b 螺纹牙根部的厚度，单位为 于矩形螺纹， b 于梯形螺纹， b P 为螺纹螺距 ； l 弯曲力臂，单位为 螺母材料的许用切应力，单位为 机械设计表 5 b 螺母材料的许用弯曲应力，单位为 机械设计表 5 1620 0 . 3 4 3 0 5 4 82 3 4 . 5 5 5 . 5F M P a M P a M P ad b z 其中查 机械设计表 5计算得 =482216 6 6 2 0 3 . 5 1 . 5 8 3 2 3 4 . 5 5 5 . 5 P ad b z 其中 b查机械设计表 5计算知 b=80 (3)丝母的强度校核 FD 26b u(10) (11) 17 1620 0 . 2 6 3 3 0 4 . 5 5 5 . 5F M
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