螺旋驱动管道机器人的结构设计-轮式机器人[含10张CAD图纸和说明书全套打包]

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摘要

　　　本设计的主要内容是螺旋驱动管道机器人的组成及工作原理,对机器人的机械结构进行了设计,并且分析了其在弯管内的几何与运动约束条件。新型的旋转体和保持体结构的设计,使此管道机器人具有较大的牵引力和移动速度。随着时间的推移，非工业领域的自动化程度越来越高，智能机器人的应用领域越来越广泛。总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统。机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。机器人采用节段式设计,使得其具有强大的功能扩展性。在制冷、化工、核电站等领域,采用常规方法对小型管道检测存在中毒、辐射等危险,且费时费力。因此,螺旋驱动管道机器人在细小管道检测方面具有良好的应用前景,并且其机械结构具有较高的实用价值和学术意义。螺旋轮式管道机器人特点：轮式行走具有结构简单、行走连续平稳的特点。

关键词：螺旋推进；管道机器人；旋转体管道检测

Abstract

　　The main content of this design is the composition and working principle of the spiral propulsion pipe robot. The mechanical structure of the robot is designed, and the geometry and motion constraints of the robot are analyzed. The design of a new type of rotating body and keeping body structure makes the pipe robot have great traction force and moving speed. The robot adopts the segmental design, which makes it have a powerful function. In refrigeration, chemical industry, nuclear power plants and other fields, using conventional methods to detect small pipeline poisoning, radiation and other hazards, and time and effort. Therefore, the small pipeline robot has good application prospects in small pipeline detection, and its mechanical structure has high practical value and academic significance. Characteristics of the spiral wheel type pipeline robot: the characteristics of simple structure and stable running.Decided to 3 RRR spherical parallel mechanism geometry and movement characteristics of parameters for the four angles. How the four institutions within the scope of design parameters, reasonable choice makes the operator at the end of the working space is greater than or equal to the design index, and try to make the agency dexterity and simplified kinematics calculation is an important issue. This article is based on the designed work space launch institutions parameters selection criteria, determine the four angles of the 3-dof spherical parallel mechanism parameters, and good balance the other features of the organization. And using the parallel mechanism of three series branch work space intersection method of 3-dof spherical parallel mechanism of working space is greater than the target working space. At the same time in order to avoid the interference between each member and make different bar working on different spherical; In order to reduce the radial size and bevel gear drive through the upright will drive system.

Keywords: Spiral propulsion; Pipeline robot; Rotating body pipeline detection

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1 研究的目的和意义 1

1.2 机器人的发展历程 2

1.3 机器人在各大领域的应用 2

1.4 螺旋驱动管道机器人的应用 3

第2章管道机器人总体方案设计 4

2.1 设计方案 4

2.2 机械结构设计 4

2.3 传动带的选择 8

2.4 本章小结 11

第3章管道机器人变管径自适应性方案设计 12

3.1 支腿单独调整方式 12

3.2 支腿整体调整方式 12

3.3 本章小结 15

第4章动力系统设计计算 16

4.1 管道机器人行驶阻力分析 16

4.2 减速器的选择 18

4.3 机器人的速度和驱动能力校核 19

4.3.1 运动速度校核 19

4.3.2 驱动能力校核 19

4.4 本章小结 20

第5章输送系统的设计与校核 21

5.1 输送系统的总体分析 21

5.2 输送系统电动机的选择 21

5.3 输送系统减速机构的运动及参数计算 22

5.4 输送系统各零件的设计及校核 24

5.5 本章小结 26

结论 27

致谢 28

参考文献 29

第1章绪论

1.1 研究的目的和意义

　　　1920年，捷克剧作家卡雷尔•卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》，他在说剧本中首次提出了“机器人(Robot)”这个词，并且把机器人描绘成像人一样工作的机器，不知疲倦地工作。自此之后，不仅“机器人(Robot)”这个词广泛的流行，而且设计制造机器人的活动也异常风行。

　　　现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”

　　　机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。

执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副(转动副或移动副)常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部(夹持器或末端执行器)和行走部(对于移动机器人)等。

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内容简介：: 螺旋驱动管道机器人的结构设计摘要本设计的主要内容是螺旋驱动管道机器人的组成及工作原理,对机器人的机械结构进行了设计,并且分析了其在弯管内的几何与运动约束条件。新型的旋转体和保持体结构的设计,使此管道机器人具有较大的牵引力和移动速度。随着时间的推移，非工业领域的自动化程度越来越高，智能机器人的应用领域越来越广泛。总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统。机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。机器人采用节段式设计,使得其具有强大的功能扩展性。在制冷、化工、核电站等领域,采用常规方法对小型管道检测存在中毒、辐射等危险,且费时费力。因此,螺旋驱动管道机器人在细小管道检测方面具有良好的应用前景,并且其机械结构具有较高的实用价值和学术意义。螺旋轮式管道机器人特点：轮式行走具有结构简单、行走连续平稳的特点。关键词：螺旋推进；管道机器人；旋转体管道检测 AbstractThe main content of this design is the composition and working principle of the spiral propulsion pipe robot. The mechanical structure of the robot is designed, and the geometry and motion constraints of the robot are analyzed. The design of a new type of rotating body and keeping body structure makes the pipe robot have great traction force and moving speed. The robot adopts the segmental design, which makes it have a powerful function. In refrigeration, chemical industry, nuclear power plants and other fields, using conventional methods to detect small pipeline poisoning, radiation and other hazards, and time and effort. Therefore, the small pipeline robot has good application prospects in small pipeline detection, and its mechanical structure has high practical value and academic significance. Characteristics of the spiral wheel type pipeline robot: the characteristics of simple structure and stable running.Decided to 3 RRR spherical parallel mechanism geometry and movement characteristics of parameters for the four angles. How the four institutions within the scope of design parameters, reasonable choice makes the operator at the end of the working space is greater than or equal to the design index, and try to make the agency dexterity and simplified kinematics calculation is an important issue. This article is based on the designed work space launch institutions parameters selection criteria, determine the four angles of the 3-dof spherical parallel mechanism parameters, and good balance the other features of the organization. And using the parallel mechanism of three series branch work space intersection method of 3-dof spherical parallel mechanism of working space is greater than the target working space. At the same time in order to avoid the interference between each member and make different bar working on different spherical; In order to reduce the radial size and bevel gear drive through the upright will drive system.Keywords: Spiral propulsion; Pipeline robot; Rotating body pipeline detectionIII目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1 研究的目的和意义11.2 机器人的发展历程21.3 机器人在各大领域的应用21.4 螺旋驱动管道机器人的应用3第2章管道机器人总体方案设计42.1 设计方案42.2 机械结构设计42.3 传动带的选择82.4 本章小结11第3章管道机器人变管径自适应性方案设计123.1 支腿单独调整方式123.2 支腿整体调整方式123.3 本章小结15第4章动力系统设计计算164.1 管道机器人行驶阻力分析164.2 减速器的选择184.3 机器人的速度和驱动能力校核194.3.1 运动速度校核194.3.2 驱动能力校核194.4 本章小结20第5章输送系统的设计与校核215.1 输送系统的总体分析215.2 输送系统电动机的选择215.3 输送系统减速机构的运动及参数计算225.4 输送系统各零件的设计及校核245.5 本章小结26结论27致谢28参考文献29V第1章绪论1.1 研究的目的和意义1920年，捷克剧作家卡雷尔卡佩克发表了科幻剧本罗萨姆的万能机器人，他在说剧本中首次提出了“机器人(Robot)”这个词，并且把机器人描绘成像人一样工作的机器，不知疲倦地工作。自此之后，不仅“机器人(Robot)”这个词广泛的流行，而且设计制造机器人的活动也异常风行。现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副(转动副或移动副)常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部(夹持器或末端执行器)和行走部(对于移动机器人)等。驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散(级)式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力(力矩)控制。1.2 机器人的发展历程从我国古代的用木头制成的能歌善舞的伶人，到1961年第一台工业机器人在美国问世，再到机器人蓬勃发展的今天，机器人主要经历了三个发展阶段。科技界把早期的机器人称作第一代机器人，它们按人编写的程序工作。这些机器人从严格意义上来说不属于机器人，因为它们只能重复一种动作，以一种固定的模式工作。第二代机器人由电脑控制，可根据需要按不同的程序完成不同的动作，这就使得机器人在很多人类所不能完成的工作上大展拳脚，解决了很多工业生产和日常生活中的难题。第三代机器人也称为智能机器人。随着科学技术的不断进步，机器人逐渐向智能化发展，智能机器人也应运而生。智能机器人具有人的智慧，可以认识周围的环境和自身的状态，并能进行分析和判断，然后采取相应的策略完成任务。早期的智能机器人主要用于工业和军事领域，我们看到的大多是机械手和机械臂。随着时间的推移，非工业领域的自动化程度越来越高，智能机器人的应用领域越来越广泛。总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统。机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。1.3 机器人在各大领域的应用工业机器人的应用领域日渐广泛,经过四十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。智能机器人的应用领域越来越广泛。总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统。此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机(飞行器)、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。随着科技不断进步，机器人的功能也越来越先进。最近，日本下结科研机构相继推出了最新研制的机器人：索尼公司的人形机器人于3月9日在东京市举行的节目彩排中登台亮相，担任指挥。身高只有58厘米的机器人，登上特制的指挥台，面对约70人的乐队它说心里感到紧张，然后用可爱的动作挥动指挥棒，指挥乐队演奏贝多芬第五交响曲命运的第一乐章。3月21日，日本经济新闻报道，日本京都大学信息学研究专业奥乃博教授领导的研究小组开发出一种会分辨亲疏的机器人。对它好，它会做出可爱的动作，对它不好，它会生气扭头。去年圆形自动真空吸尘器在市场上大出风头。有谁会想到，在21世纪初，飞碟形状的吸尘器的技术水平竟然代表了当前家用机器人技术的最高水平。去年，iRobot公司生产的圆形自动真空吸尘器鲁姆巴在市场上大出风头，一年内超过20万的消费者购买了鲁姆巴，销售额达数百万美元现在看来，机器人真空吸尘器正在受到消费者的广泛欢迎。家用机器人、工业机器人的市场前景看好，它有着56亿美元的巨大市场，而且还以每年7%的速度增长。但据联合国欧洲经济委员会(UNECE)的报告预测，未来3年内需求增长速度最快的将会是家用机器人。从如此多的机器人用途中我们看到，机器人现在在我们的生活中扮演着越来越重要的作用。所以，在大学教育中，同学们能够积极参加科研，对提高自己的能力以及对社会的发展都将是很重要的。1.4 螺旋驱动管道机器人的应用螺旋管道机器人在生活中有着极为广泛的应用。烟道清洗机器人是专门针对酒店、宾馆、学校、企事业单位等的油烟管道清晰的专用清洗机器人。它操作简单、清洗效率高、清洗录象可一次完成，它将彻底解决现有清洗方式中普遍存在的问题；检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。智能机器人的应用领域越来越广泛。总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统。对工作中的在线石油输油管道进行全线检测,可以细化了解全线管道内外壁受腐蚀损伤状态分布,最终了解和预测管道的可持续使用寿命的在役输油管道检测机器人；还有用于窖井等搜寻的窖井机器人，取代了人工操作，避免了一些工作的危险性，同时也减少了由于环境而带来的阻碍，提高了窖井工作的可操作性。这些都是螺旋式管道机器人对人们的生产生活带来的方便。第2章管道机器人总体方案设计2.1 设计方案按照下述的过程方案，由三维建模可以进一步确定机器人的可靠外形结构。安装加工出的理想外形经过安装调试环节成为完整的机器人，最后完善整个样机使其在螺旋管道内能顺利工作，帮助人们顺利解决难题。图2-1 整体设计流程2.2 机械结构设计目前国内外已研制出的管道机器人类型很多，从机械结构来区分主要有以下几种移动方式：1.活塞移动式，其原理类似于活塞在汽缸内的运动，即把管道看作汽缸，把具有一定弹性和硬度的机器人看作活塞。在结构上，机器人其后面的流体压力大于前面的压力时，在压差的作用下，机器人克服了管壁与活塞之间的摩擦阻力而向前运动。机器人可以携带各种传感器，一边行走一边用于管道检测。2.滚轮移动式，利用滚轮驱动式的行走结构，以电机作原动机，为了增加牵引力，一般采用多轮驱动式，由于轮径太小，越障能力有限，而且结构复杂。图2-2 滚轮移动式3.履带移动式，仿造履带式车辆行走原理，采用带齿轮减速箱的直流伺服电机驱动。图2-3 履带移动式4.足腿移动式，其基本原理是利用足腿推压管壁来支撑机体，利用多腿可以方便地在各种形状的弯管内移动。由撑脚机构、牵引机构和转向机构构成，可在各种类型的管道里移动。图2-4 足腿移动式5.蠕动移动式，模仿昆虫在地面上爬行时蠕动前进与后退的动作设计，机构由蠕动丝杠、螺母、前后支撑足及前后封闭弹簧构成。在行走时，分别使左右支撑足上端与管壁接触，下端用滚轮与管壁接触。驱动蠕动丝杠依次左转和右转，使螺母在丝杠上左右移动。6.螺旋移动式，利用螺旋原理使管外电机推动带有弹性的驱动部件前进，该驱动螺旋部件可以自动越过小的台阶。以上移动方式各有所长，我们在第六种螺旋移动的基础上进行改进，来实现我们设计目的。螺旋式上升的移动方式有着如下优点：移动速度稳定，能够实现中途停止，顺应了多变的情况，便于应用于工业上实际作业。在整个上升过程中利用了滚动原理，较为稳定没有震动，内部能够安装一些精密仪器。旋转过程中有着与管道相垂直的径向转动，接触面较广，不存在死角问题，便于实际应用中的勘测、清洗等实际工作的具体实施。就螺旋式管道机器人各种设计也有个各自的优点，就我们一些参考文献中的设计方案进行对比来具体了解我们的机械结构原理。下图出自论文URT螺旋轮式管道检测机器人越障性能研究中，与我们的方案类似的采用了三叉元结构，利用了三角形的稳定性。图2-5 螺旋移动式就单单上图的设计我们提出了如下几个没有克服的问题：驱动设计较少，在管道内部的环境中容易产生打滑等抱死的状况。弯半径较大，无法适应复杂的管道内部状况。上升力矩太小，垂直时无法克服重力以及管道内部的一些阻力。我们会在我们的设计过程中一一克服以上问题。1.实施方案2.螺旋头的轴心偏移图2-6 螺旋头的轴心偏移力学在正常管道中, 3个沿管道周向120均布的螺旋轮的初始预紧力大小关系为: Fk1 = Fk2 = Fk3。由于螺旋头的重量与弹簧预紧力相比较小,故可以忽略其影响。上升力矩太小，垂直时无法克服重力以及管道内部的一些阻力。设3个螺旋轮预紧弹簧的刚度系数均为k，则o1 轮的弹簧预紧力增量为: F1 = k ( x - oo) ; o2 , o3 轮的弹簧预紧力增量为: F2 = koo/sin30。由于3个轮子夹角不变,通过轴心处受力平衡易知: F1 =F2 ,即: x - oo= oo/ sin30,故得轴心的偏移量为: oo= x /3。3.多节设计图2-7 多节设计如图是我们的设计方案，采用此种多节设计有着以下优点：(1) 采用多节设计能够加大前进驱动力，不会出现卡死的现象。(2) 各节之间运用万向接头3连接，能够在较小的半径下转弯。(3) 多节半径柔韧性好，出现局部受阻现象后其他部位依旧能够正常工作。4.伸缩装置为了能够适应更多内径的管道，在每一节的设计中还有一个锁紧装置。该伸缩装置一段与电机固定，另一端与一伸缩关节相连接。工作时带有螺纹的主轴会随着电机进行转动，伸缩关节会随着螺纹进行上下移动。在移动的同时带动连杆，减少两个连杆的角度，从而增加了轮子的中心距，达到了增大半径锁紧的目的。伸缩关节的细节图如2-8所示，呈现三叶草状，每一个瓣对应相应的连杆。关节与连杆中间通螺栓进行间隙连接，能够自由移动。5.舵机变速装置为了便于控制，我们将控制轮子运动速度的电机设置为固定的，而轮子的角度则有舵机进行控制，控制范围为-20+20。如图所示，假设有一个竖直管道，x轴为水平转动速度，y 轴为竖直上升速度。轮子与水平夹角a可以在-20+20之间进行改变，从而造成在y轴上的分速度进行改变，达到了改变上升速度的目的。在更改a角的同时，也能够增加上升力矩，正如同千斤顶一样，用较小的力矩去克服较大的阻力，达到克服阻碍，顺利上升的目的。单节结构示意图伸缩关节示意图图2-8伸缩装置2.3 传动带的选择机器通常是由原电机，传动系统和工作机三部分所组成。传动系统是将原动机的运动和动力进行传递与分配的作用，可见，传动系统是机器的重要组成部分。传动系统的质量与成本在整台机器中占有很大比重。因此，在机器中传动系统设计的好坏，对整部机器的性能、成本以及整体尺寸的影响都是很大的。所以合理地设计传动系统是机械设计工作地一重要组成部分。合理的传动方案首先应满足工作机的性能要求，其次是满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、使用维护方便、工艺性和经济性好等要求。很显然，要同时满足这些要求肯定比较困难的，因此，要通过分析和比较多种传动方案，选择其中最能满足众多要求的合理传动方案，作为最终确定的传动方案。机器人常用的驱动方式有:液压驱动、气动驱动、电动驱动三种基本方式。电动驱动主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。液压与气动方式对环境要求较高，实现起来较复杂，而电机驱动结构简单，较易实现密封与调速控制。故在本设计中选用步进电机作为机器人本体的驱动动力;减速器选用行星齿轮减速器。驱动动力从电机经由减速器减速后，在满足管径自适应性的基础上，如何更好地将动力传递到主动轮上，是选择机器人传动方式过程中重点考虑的问题。结合径向辐射管道射流清洗机器人的结构布局方式的特点，在本设计中主要通过一套动力变换装置和同步链传动机构来实现。1.动力变换装置的设计在如图所示的径向辐射轮式移动结构中，当预紧弹簧给于基本的预紧力后，刚好使得位于最上侧的轮处于与管壁相接触的临界状态，也就是说上轮与管壁间的接触压力刚好为零，所以机器人整体的驱动力绝大部分来自轮1和轮3，而且机器人本体的重心位置位于管道的轴线下方40mm左右，增强了机器人的稳定性。下面两轮所在支腿中心线与减速器输出轴线垂直，且两支腿中心线的夹角为120，故需要一动力变换装置来实现动力的分流。蜗杆传动是空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可为任意值，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的次对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。在设计中蜗杆与两蜗轮之间的轴线夹角为90，两蜗轮轴线之间的夹角为120。如图2-9所示。图2-9 车轮端面图2.同步链传动设计由于设计的机器人具备在一定的管径变化范围内行走的能力，在管径发生变化的时候，主动轮与管道中心的距离也相应发生改变，在现有的相关管道机器人传动方案中，更多的是采用全齿轮传动方式，即动力经变换后，通过增加惰轮的方式，将动力传递到主动轮，虽然该方案的传动效率较高，但是结构复杂，对环境的适应能力较差，可适应管径变化范围较小，传动系统是将原动机的运动和动力进行传递与分配的作用，可见，传动系统是机器的重要组成部分。传动系统的质量与成本在整台机器中占有很大比重。因此，在机器中传动系统设计的好坏，对整部机器的性能、成本以及整体尺寸的影响都是很大的。所以合理地设计传动系统是机械设计工作地一重要组成部分。在本设计中，动力经蜗轮蜗杆装置变换后，通过传动比为1:1的齿轮传动，将动力传递到各支腿，因为空间尺寸关系，在两者之间增加一惰轮机构，再应用同步链将动力传送到主动轮1和轮3。同步带轮轴1与支腿与安装底座的连接轴同轴，故无论管径如何变化，两个同步链轮间的轴线距离是保持不变的，只要支腿的长度足够长，就可适应足够大的管径变化范围。1,2圆盘式舵机 4腿部支架 3轮子图2-10 轮子组合1、2之间可以进行相对的精确转动，从而调整轮子与水平面的角度。5.多节结构之间的连接多节之间要能相对转动，但是却要保持连接。于是我们采用了三节万向接头的连接方式(如图2-11所示)。1-套筒 2-十字轴 3-传动轴叉 4-卡环 5-轴承外圈 6-套筒叉图2-11 万向接头连接工作原理：十字轴式万向节由一个十字轴，两个万向节叉和四个滚针轴承等组成。两万向节叉1和3上的孔分别套在十字轴2的两对轴颈上。这样当主动轴转动时，从动轴既可随之转动，又可绕十字轴中心在任意方向摆动，这样就适应了夹角和距离同时变化的需要。在十字轴轴颈和万向节叉孔间装有滚针轴承5，滚针轴承外圈靠卡环轴向定位。十字轴式刚性万向节具有结构简单，传动效率高的优点，但在两轴夹角不为零的情况下，不能传递等角速转动。6.预期的一些设计图图2-12 设计方案图预期基本参数净重：2-5kg行走速度：16r/min无级调速适应圆形管道：直径范围195mm297mm；管内越障高度：5mm最小转弯半径:100mm2.4 本章小结本章利用机器人的方法，研究了工作空间；由目标工作空间推出了参数的选择范围，并以此为基础确定了参数值。选取在工作空间、简化运动学计算等机构特性方面取得较好的平衡。在机构的具体形状设计时，为了避免干涉而使不同杆件工作在不同的球面上；同时为了缩小径向尺寸，驱动系统采用锥齿轮传动而竖直放置。总结本机构设计具特点: 通过各个参数的选取使机构模型工作空间达到了最大。第3章管道机器人变管径自适应性方案设计管道由于制作误差、使用过程中局部结垢、局部压力过大而产生变形以及内表面杂物的存在，清洗机器人在碰到变形部位及杂物时，由于阻力而使支撑臂收缩，同时在驱动力的作用下通过变形部位，当再次达到管道正常段时，支撑臂能够在弹簧的作用下像伞一样张开，使机器人重新恢复原来的平稳状态。这个过程就是机器人的自适应过程。有了自适应性，机器人就能穿过一个个变形部位，以达到对管道进行有效清洗的目的，在本设计中，对于自适应性的设计主要包括两方式:各支腿单独调整和支腿整体调整。 3.1 支腿单独调整方式各支腿的单独调整方式。当机器人在行进过程中，其中的一个或多个支腿遇到障碍物(包括突起和凹陷)时，利用支腿内部的调整弹簧来改变支腿的长度使得支腿与管壁处于理想的接触状态，以满足稳定作业要求。同时调整弹簧也能起到一定的缓冲减震作用。该装置主要是针对相同管径或管径变化范围不是很大的情况下，当管径变化范围较大时，则应使用支腿的整体调整方式。3.2 支腿整体调整方式目前管道机器人在适应不同管径的调节机构常用的有:蜗轮蜗杆调节方式,升降机调节方式、滚珠丝杠螺母副调节方式和弹簧压紧调节方式。比较研究了各种调节机构的优缺点，针对本课题的工程实际需要，并根据前后支腿的特性要求，在前支腿(即从动轮支腿)选用弹簧压紧调节方式，后支腿(即主动轮支腿)选用滚珠丝杠螺母副调节方式。这两种调节机构能保证机器人具有充裕并且稳定的牵引力，并且管径变化范围比较大，下面综合分析该两种调节方式。 1.滚珠丝杠螺母副调节方式自适应方案。其具体设计如图2-2所示是滚珠丝杠螺母副调节方式示意图，其工作原理是:安装在轴套和丝杠螺母之间的压力传感器间接检测驱动车轮和管道内壁之间的压力Fy，并实时将压力值回馈回监控装置，当压力Fy的值小于所允许的最小压力值Fy时，连杆AB的一端和车轮轴铰接在一起，另一端铰接在固定支点A，推杆CD与连杆AB铰接在B点，另一端铰接在轴套上C点，轴套在圆周方向相对固定，因此滚珠丝杠的转动将带动丝杠螺母沿轴线方向在滚珠丝杠上来回滑动，从而带动推杆运动，进而推动连杆AB绕支点A转动，使车轮撑开或者紧缩以达到适应不同的管径的目的。同时调整弹簧也能起到一定的缓冲减震作用。该装置主要是针对相同管径或管径变化范围不是很大的情况下，当管径变化范围较大时，则应使用支腿的整体调整方式。保证管道机器人以稳定的压紧力撑紧在管道内壁上，使机器人具有充足且稳定的牵引力。图3-1 滚珠丝杠螺母副调节方式下面分析滚珠丝杠螺母副调节方式的力学特性，如图所示，以固定支点A为坐标系的原点，建立如图所示的坐标系XOY,石为连杆AB的长度，几是推杆CD的长度，乌是支点D到固定支点A之间的距离，“是推杆CD与水平方向之间的夹角，尹是连杆AB与水平方向之间的夹角，凡为管道内壁作用在车轮上的压力即封闭力，艺F是滚珠丝杠螺母作用在推杆上的轴向推力，T是作用在滚珠丝杆轴上的有效扭矩。Tmda是电机轴的输出扭矩。在坐标系XOY中，由几何关系可得Lsin=Lsin (3-1)y=Lsin (3-2) x=Lcos+Lcos (3-3) 对上式两边分别取微分可得 =Lcos (3-4)Lcos=Lcos (3-5) =-Lsin-Lsin (3-6) 化简上式得 =-(tan+tan) (3-7) 由虚功原理得 +=0 (3-8) 将式代入上式并化简得 = (3-9)所采用的滚珠丝杠螺母副的导程记为，为滚珠丝杠和丝杠螺母之间的相对转角，则丝杠螺母的位移为 S= (3-10)对上式等号两边分别取微分得 = (3-11) 考虑滚珠丝杠螺母副，由虚位移原理可得 (3-12) 式中滚珠丝杠螺母副的传动效率。合并整合上两式得: T (3-13)此式即为滚珠丝杠螺母副调节方式的力学特性。2.弹簧压紧调节方式如图所示的是从动轮的弹簧压紧调节方式示意图，其工作原理与滚珠丝杠螺母副调节方式原理类似，只是在张紧力调整方面采用被动调整方式。当管径发生变化时，作用在从动轮上的压力变化，使得压紧弹簧产生伸缩，而带动推杆运动，进而推动连杆AB绕支点A转动，使车轮撑开或者紧缩以达到适应不同的管径的目的。因此该机构具有负反馈作用，在一定的管径变化范围内，封闭力之和N变化不大。由此可见该机构具有常封闭特性，这样便增加了载体的稳定性和可靠性，同时由于弹簧压紧力的回馈作用可使机构具有自适应调节的功能与滚珠丝杠螺母副调节方式的主要区别就在于在压紧力的调节方面由调整电机的的主动调整变为压紧弹簧的被动调整。故在弹簧压紧调节方式的力学特性如下:图3-1 弹簧压紧调节方式选取其中的一个支承臂作为研究对象，其受力分析如图所示，由前述滚珠丝杠螺母副调节方式的分析可知，弹簧压紧调节方式的力学平衡方程为: (3-14)式中 f弹簧的压紧力，N。整理得f= (3-15)弹簧压紧力可表示为 f=k (3-16)式中 f弹簧的初始长度(mm) 。从上边的式子可以看出，弹簧压紧力f只是位移函数，因此该机构具有负反馈作用，在一定的管径变化范围内，封闭力之和N变化不大。3.3 本章小结在俯仰运动、摇头运动和摆头运动仿真时，首先用运MATLAB通过运动学逆解求出目标姿态相对于初始姿态的三个输入角度后，然后在相同的时间内对各个轴施加匀速运动并同时完成各个输入；对于环转运动，则是通过插补运动来完成圆弧轨迹。在完成以上各项仿真后，通过测量功能测量最后的姿态，都是仿真前设定的目标姿态，这证明了本文运动学推算正确，面向颈关节的运动规划正确。第4章动力系统设计计算4.1 管道机器人行驶阻力分析在计算前，我们先设定我们所设计的机器人的行进速度是1.8m/min。机器人在管道内进行清洗作业时，必须克服来自管道内表面的滚动摩擦阻力， (4-1)式中 f是滚动摩擦因数，即轮子在一定条件下滚动所需要的推力。机器人轮子负荷之和。也就是Gcos( (4-2) Gcos( (4-3) 式中机器人管内作业姿态角，机器人本体重量，kg。当姿态角分别为60或者-60时候，系统的阻力最大。预设为0.5，机器人重量为10kg，由于轮子手的是弹簧调节，则弹簧对轮子又很大的压力，由于我们采用的是型芯磨头切削，对车身的稳定性要求较其他更为严格，假设弹簧对轮子的压力是40x9.8N，=109.8=490N。总阻力= =4900.5=245N.根据实际情况，我们设计主动轮半径r=50mm，总阻力矩为：=2450.05=12.25Nm (4-4)已经设过机器人行进速度为1.8m/min，则主动轮转速应该是:电机的额定转速为1500r/min系统传动比为电机提供的驱动力矩为：考虑到机器人在管道内行进出现的在和突变情况，取安全系数为2，则电机的功率为46W,电机选用YS5614型。如下表。得：转速为1500r/min 额定功率为60W 额定电流为0.28A效率为56% 功率因数为0.58额定转矩为2.4Nm表4-1 YS系列电机技术参数型号额定功率额定电流额定电压额定频率同步转速效率(%)功率因数YS4512160.93或380503000460.57YS4514100.121500280.45YS4522250.123000520.60YS4524160.161500320.49YS5012400.173000550.65YS5014250.171500420.53YS5022600.233000600.66YS5024400.231500500.54YS5612900.323000620.68YS5614600.281500560.58YS56221200.383000670.71YS5624900.391500580.61YS63121800.533000690.75YS63141200.481500600.63YS63222500.673000720.78YS63241800.651500640.66YS71123700.95300073.50.80YS71142500.831500670.68YS71161800.741000590.63续表4-2 YS系列电机技术参数额定频率同步转速效率(%)功率因数声功率极3000460.572.36.02.4651500280.452.46.02.4603000520.602.36.02.4651500320.492.46.02.4603000550.652.36.02.465501500420.532.46.02.4603000600.662.36.02.4701500500.542.46.02.4603000620.682.36.02.4701500560.582.46.02.4603000670.712.36.02.4701500580.612.46.02.4653000690.752.36.02.4701500600.632.46.02.4653000720.782.36.02.4701500640.662.46.02.465300073.50.802.36.02.4751500670.682.46.02.4651000590.62.05.52.0604.2 减速器的选择在选择了电机型号之后，需要选择与之相应的减速器。在确定了减速器的类型后，减速器的选择关键在减速比的选择。1.考虑驱动能力时减速比的计算根据电机的相关资料，可知电机的额定转矩为0.9Nm，为满足机器人能正常行驶，则整个驱动系统电机的驱动力矩经传动系统减速增扭后，驱动力矩应大于等于机器人所受到的总的阻力矩，即应保证传动系统的传动比应满足：2.考虑机器人最高运行速度传动比的计算根据电机相关资料，可知电机的额定转速为n=1500r/min则传动系统的最大传动比应该满足： (4-5) 基于上述传动比，我们可以确定传动系统的传动比应该满足 (4-6) 传动比里面蜗杆传动的传动比为=5-80，选用20则减速器的出动比为 (4-7)我们选用=12 根据小功率计算机书上说明，选用GBX40行星减速器。4.3 机器人的速度和驱动能力校核确定电机和减速器后，我们必须进行机器人的运动速度和驱动能力的校核，以确保机器人有足够驱动力的同时，能满足机器人的最高行走速度要求。4.3.1 运动速度校核根据以上所选电机和减速器的性能指针，可知电机的额定转速= 3000r/min，减速器的传动比是12，以及机器人所要求的主动轮半径r= O.O5m，可以计算出机器人在确定电机和减速器后的最高车速V: (4-8) 虽然V大于预期设定速度，但是我们可以通过控制电机的转速已使机器人低于此速度行驶，而且还有一定得速度储备，在机器人需要快速行进至工作位置的情况下，尽可能有较快的速度。4.3.2 驱动能力校核根据电机的额定输出转矩为2.4Nm，传动比i为240，则机器人总的驱动力矩为： (4-9)因为机器人总的驱动力矩大于其所受到的总的阻力矩，所以机器人能够有足够的动力起车，并有一定的动力储备。经过上述计算和校核，根据螺杆和螺母的相对运动关系，螺旋传动的常用运动形式，主要有两种形式：一种是螺杆转动，螺母移动，多用于机床的进给机构中；另一种是螺母固定，螺杆转动并移动，多用于螺旋起重器。本设计选择第一种形式。该传动系统为传力螺旋，以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，用以克服工件阻力，这种传力螺旋主要是承受很大的轴向力，一般为间歇性工作，每次的工作时间较短，工作速度不高，而且通常需有自锁能力。螺旋传动按其螺旋副的摩擦性质不同，可分为滑动螺旋滑动摩擦、滚动螺旋滚动摩擦和静压螺旋流体摩擦。滑动螺旋结构简单，便于制造，易于自锁，但其主要缺点是摩擦阻力大，传动效率低一般为30%40%，磨损快，传动精度低等，本设计选择滑动螺旋。所选的施奈德BSH4552T伺服电机和GBX40行星齿轮减速器能够满足管道射流清洗机器人的性能要求，从而可以由其组成机器人的行驶驱动系统。4.4 本章小结关于本章是通过最初基于机器人的自主性能有限，而且同一时间内只能向单一用户提供网络服务。瑞士联邦洛桑科技研究所的KheponTheWeb就是其中典型代表。用户可通过网络控制小型移动机器人在人造迷宫中进行运动并能同时经摄像头的图像反馈进行观察。CarnegieMellon大学研发的Xaiver是第一个可通过网络控制并运行于复杂办公环境的自主移动机器人。机器人可在线或离线接收请求命令并在运行时段内进行处理。Xaiver完成任务后会通过电邮件通知用户。Xaiver的网络界面使用了client-pull和server-push技术来获取图像。此外Xaiver的用户界面还提供办公环境的地图并显示机器人在其上的位置。在更为复杂的动态环境(中，机器人在执行任务时会遇到大量不可预见事件。博物馆导游机器人Minerva除了要对网络用户进行在线响应，同时还要与博物馆中的游客进行现场人机交互，所以其任务规划要能够处理各种不可预测的突发事件。博物馆导游机器人要及时向用户提供各种反馈.由于使用了基于Javaapplet的技术，其在低带宽情况下仍能按要求更新机器人状态。网络用户界面还提供机器人所带摄像头和安装于天花板上摄像头所传回的图像。使用多种方式的代理技术可支持多用户同时访问。实际应用中常要求网络用户同现场用户分享机器人的控制。网络能给异地用户提供远程现场再现,而现场用户则通过比网络更直接的方式控制机器人，这就要求混合控制的界面设计要避免两者相互干扰。第5章输送系统的设计与校核5.1 输送系统的总体分析本次设计中，因为输入系统和输出系统的功能有很大的相似之处，所以输入系统和输出系统采用相同的机构设计，统称输送系统。输送系统采用电动机作为动力源，经过一级或多级减速传动，最后传送至输送系统的执行构件处，随后执行构件夹持玉米棒进行运动。在本文的设计中，总体思路为电动机动力和运动经带传动或链传动传送至蜗杆或锥齿轮处，通过蜗轮蜗杆或锥齿轮传动进行减速、转动变相。最后经由蜗轮轴或锥齿轮轴将运动传送到夹持执行件处。对于输入的夹持滚轮采用橡胶材料制造，该滚轮对玉米棒具有夹持和导向的作用，送料滚轮采用凹面圆柱体形状，以增加对玉米棒接触面积，使玉米送料排料通畅。利用滚轮，刀片和刀杆实现联合定位夹持，当玉米轴线有较大误差时，也能自动校正，以保证顺利切削。而滚轮采用橡胶材料，是为了避免生锈和对食品的污染。 5.2 输送系统电动机的选择选择电动机系列，根据工作要求及工作条件应选用三相异步电动，封闭式结构，电压380V，Y系列电动机。 (5-1)式中工作机功率,单位(kw）；工作力，单位(F）；为工作机线速度,单位(m/min)。将以上各数据代入上式，得滚轮所需要的有效功率为传动总效率 (5-2)得，，，，将以上各数据代入上式，得传动总效率为电动机功率 (5-3)式中电机所须功率，单位(kw)；传动总效率。将以上各数据代入上式，得选择电机 (5-4)式中工作机转速，单位(r/min)；工作机滚筒直径，单位(mm)。将以上各数据代入上式，得该电动机的数据参数如表5-3所示。表5-3 电动机数据参数表电动机型号额定功率同步转速满载转速Y801-40.55Kw1500r/min1390r/min5.3 输送系统减速机构的运动及参数计算1.输送部分的总传动比及传动比的分配总传动比 (5-5)式中总传动比；电动机转速，单位(r/min)；工作机转速，单位(r/min)。总传动比为：因在整个系统中运动的转向需要进行向垂直方向转化，故在整个传动减速过程中需要有蜗轮蜗杆传动或者锥齿轮传动。但是在本文所涉及的机器设计中需要较大的传动比但还希望机构紧凑。而蜗轮蜗杆传动具有：结构紧凑，传动比大，传动平稳，无躁声等一系列特点，故在运动方向变化、较大减速的部分采用蜗轮蜗杆的传动。在一级减速中，减速的幅度不需要太大，因此可以选择链传动或者带传动均可以，不过带传动有：传动平稳，躁声小；传动过载时可以打滑，防止其它零件损坏；结构简单，易于制造和安装，成本低等特点，故在一级减速结构中选用带传动。而带传动另外一个有点就是不需要进行油润滑，这对于食品加工机械需要清洁这一要求非常相符。这也是在一级传动中选用带传动的主要原因。因此根据总传动比和各个减速结构的传动比范围和性质粗略初定传动比分配如下：则蜗杆传动比为：故由此可计算出各轴功率，转速和转矩：0轴电动机主动轴 (5-6)式中电动机主轴的转矩，单位(Nm）；电动机主轴功率，单位(kw)，将以上各数据代入上式，得 I轴蜗杆轴 II轴蜗轮轴轴主轴5.4 输送系统各零件的设计及校核1.求计算功率 (5-7)式中计算功率，单位(kw）；工况系数，由表86得。将以上各数据代入上式，得计算功率为2.选定带的截型选用普通V带。由图89，根据，应该选择Z型带。3.确定带轮基准直径根据表83，Z型带，应选用。而该级传动比为，故大带轮的基准直径为4.验算带速和传动比 (5-8) 将数据代入上式，得带速在525m/s之间，故所选带轮基准直径合适。5.初定轴间距 (5-9)式中初定中心距，单位(mm)。将以上各数据代入上式，得取。6.确定带的基准长度 (5-10)式中基准长度，单位(mm)。将数据代入上式，得=739 mm 7.实际轴间距 (5-11)将数据代入上式，得8.小带轮包角 (5-12)将数据代入上式，得5.5 本章小结本章完成了输送系统的整体设计与校核，确定了以电动机为动力，以运动经带传动传送至蜗杆处为传动部分，并且通过蜗轮蜗杆或锥齿轮传动进行减速、转动变相，最后经由蜗轮轴将运动传送到夹持执行件处的输送方式。完成了输送系统的计算和校核确认数据计算无误。结论本次设计经历了管道机器人的构思，理性地设计出各个结构图，此次设计的创新点是：1.使用

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