（机械电子工程专业论文）城市主排水管道穿缆检测机器人结构及其运动特性的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 城市主排水管道穿缆、检测机器人应用于城市排水管道的疏通与检测工 作，属于特种作业机器人。目前在国内尚无相关产品投入使用，而国外产品 的价格又相当昂贵。城市主排水管道穿缆、检测机器人是哈尔滨市科技攻关 项目，具有广阔的应用前景。 论文首先介绍了国内外城市排水管道疏通与清理方面的工作现状以及相 关的机器人应用情况，提出了采用双履带式管道机器人总体方案，设计了由 驱动装置、减速装置、张紧机构等部分组成的本体结构。 进行了管道机器人的运动特性的研究。从履带式机器人的行走必要条件 入手，对其抗倾覆能力进行了分析与研究。 系统的论述了机器人的控制系统方案，给出了控制器的硬件电路图与相 应的软件流程。 研究了机器人的水下密封性问题，很好的解决了机器人的动、静密封。 论文最后介绍了管道机器人控制器及实验模型的性能试验情况。试验结 果表明，控制器的性能稳定可靠，研制的管道机器人具有结构紧凑、运行平 稳等特点。 城市主排水管道穿缆检测机器人的研制为城市排水管道的检测与疏通清 理工作提供了一个新的解决方案。 关键词：管道疏通；双履带式管道机器人；运动特性；水密性 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sas p e c i a lt y p eo f w o r k i n gr o b o t ，“i n s p e c t i o na n dd e t e c t i o ni nc i t yd r a i n a g e p i p e l i n e s ”r o b o ti sa p p l i e df o rd r e d g ea n dd e t e c t i o ni nd r a i n a g ep i p e l i n e s a t p r e s e n ti th a sa l m o s tn o tb e e nu s e di nt h i sa r e a s a n dt h ef o r e i g np r o d u c t sc o s t q u i t ee x p e n s i v e l y t h er o b o tr e s e a r c h e di n t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yh a r b i n t e c h n o l o g yf u n d a n d i th a saw i d ea p p l i c a t i o nv a l u e a tf i r s t ，t h ea u t h o rs y s t e m a t i c a l l yo v e r v i e w st h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no ft h e p i p e l i n er o b o ta n dt h ec i t yd r a i n a g ep i p e l i n e sd r e d g i n ga n dc l e a n i n gt e c h n o l o g ya t h o m ea n da b r o a d ，a n dp u t sf o r w a r dt h es t r u c t u r es c h e m ew h i c ha d o p t sd o u b l e c r a w l e rm o v e m e n tf o rt h er o b o t t h ep a p e ra l s od e s i g nt h es t r u c t u r ew h i c hi s m a d eu po f d r i v ee q u i p m e n t ，s p e e d d o w ne q u i p m e n t ，t e n s i n ge q u i l ：i m e n t t h ep a p e rd e s i g n st h el o c o m o t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h er o b o t p r o c e e dw i t h t h er o b o t sm o v eq u a l i f i c a t i o n ，a n a l y s ea n ds t u d yt h ec a p s i z a lc a p a b i l i t y s y s t e m a t i c a l l yd i s c u s st h ec o r t r o ls c h e m e d e s i g nt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n d c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ef l o wc h a r t r e s e a r c ht h ew a t e r p r o o f o f t h er o b o t r e s o l v et h ed y n a m i cs e a la n ds e a l s t a t i e s e a l a tl a s t ，w eh a v ed o n es o m ee x p e r i m e n t so nt h er o b o t t e s tr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ec o n t r o l l e rh a v eag o o da b i l i t ya n dt h er o b o th a st h ec h a r a c t e r i s t i co f g o o d h o l d i n gl o a d ，s m o o t ha n ds t e a d ym o v e m e n t ，a d j u s t a b l es p e e d ，s t r o n ga n t i t o p p l e c a p a b i l i t ya n dg o o dd e v i a t i o n r e c t i f y i n g p e r f o r m a n c ei n d e xo ft h er o b o ti si n a c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n s i nc o n c l u s i o n s ，t h ed e v e l o p m e n to f t h ep i p e l i n er o b o to p e n su pan e wd o m a i n f o rt h es o l u t i o no f t h ed r e d g eo f t h ec i t y sb l o c k e dd r a i n a g ep i p e l i n e s k e yw o r d s ：d r e d g ed r a i n a g ep i p e l i n e s ：p i p e l i n e sr o b o tw i t hd u a l - t r a c k s ：t h e l o c o m o t i o nc h a r a c t e r i s t i c ：w a t e r p r o o f 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出贡献的个 人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：蔓丝鱼 曰期：鲁卯参年及月彳日 第1 章绪论 1 1 课题来源背景及意义 1 1 1 课题来源背景 课题来源：本课题来源于哈尔滨市攻关项目。 课题背景：管道机器人是一静可沿细小管道内部或外部自动行走、携带 一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下， 进行一系列管道作业的机、电、仪体化系统。城市排水管道机器人只是它 其中的一种。 城市排水是现代化城市不可缺少的重要基础设施，对城市经济发展具有 全局性、先导性影响的基础产业，是城市水污染防治和城市排渍、排涝、防 洪的骨干工程。随着经济的发展以及建立世界级新型城市的需要，城市排水 领域所暴露出的问题也突显出来。排水不畅，小则影响居民日常生活，严重 时会打乱整个城市的正常节奏。城市排水设施不仅是维护城市生态物质代谢 功能的重要前提，也是保护城市水质资源和生活环境的重要措施l j j 。 目前，城市排水管道清淤 主要采用的方法是：绞车清淤、 高压水清淤、冲刷清淤、清淤 球清淤、通沟机清淤和 s i e l w o l f 系统清淤等。其中绞 车清淤和高压水清淤在我国最 为常用。由于高压水清淤需用 图1 i 绞车清淤清淘示意图 饮用水质的干净水，所以成本很高，而且这种清淤方法对于管径还有一定的 限制，而绞车清淤相对于高压水清淤来说成本低，对于管径无特定限制，而 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 且也适用于管道淤积严重，淤泥黏结密实的情况，故而初步将本设计建立在 绞车清淤的基础上，如图i i 所示。 我国常用的绞车清淤疏通清理方法是在两个积水井( 马葫芦) 口分别放 有一绞车，拉动管道内拴有清污桶的钢丝绳往复运动，从而将污泥清理出管 道。操作时，首先要在两个积水井之闻管道内穿过一条钢缆。由于积水井中 充满污水及大量有害气体，人不能下到井中，这就增加了穿缆的难度。目前 采用的方法是用竹皮将钢缆穿过管道，这种方法穿缆效率很低，而且井深超 过3 米时人工就无法实现穿缆任务，如果排水管道堵塞只能将排水管道完全 挖开来进行疏通清理，这样不仅有损城市的市容而且影响交通和人们的日常 生活，所以有必要在这一应用领域进行些实用的自动装置的研究口】。 1 1 2 本课题的研究意义 城市排水管道机器人研制的根本意义在于：可以实现排水管道的穿缆、 内窥检测及简单的疏通清理工作；改善当前疏通管道时工人恶劣的工作环境、 降低工人的劳动强度、保障工人的人身安全、提高排水管道清理的效率。此 外，还可应用于其它领域： l r 可以检测管道的破裂、腐蚀和焊缝质量情况； 2 ，在恶劣环境下管道的清扫、焊接、内部抛光等维护工作； 3 应用于核反应堆的管道方面，减少对工作人员的伤害； 4 ，应用于海洋油气输送管道方面等。 1 2 城市主排水管道机器人的工作环境 我国城市主排水管道的内径从3 0 0 2 0 0 0 m m 不等，井口内径一般为 6 8 0 m m ，内径最小为5 8 0 m s n ，井底内径可达7 0 0 m m ，沉淤井深一般为3 0 0 5 0 0 m m 。井距约为5 0 m ，管道敷设基本水平，规定其坡度不大于1 0 o ，实际为 1 5 。管道内的沉积物多为生活垃圾，建筑工地管道内可能有水泥浆、石 灰浆、砂子等沉积物结集，建筑垃圾石子外径一圾不大于4 0 m m 3 1 。我们设计 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 韵城市主排水管道检测机器入( 以下简称管道桃器人) 用于5 0 0 i l i - n 以上的管 径，有少量的沉积物，但少于1 3 管道堵塞的情况。 1 。3 城市排水管道检测机器人技术综述 1 3 1 国外管道机器人的发展概况 1 c a r n e g i em e l l o nu n i v e r s i t y ( 卡耐基一梅隆大学) 研制的a u r o r a ( 先进 的城市检测机器人) a u r o r a 是一个在陆地行走的单履带运动系统，包括可控制履带作为行走 部分、控制系统、基于检测装置的车载传感器和车载计算机作为系统的通讯 部分，采用蓄电池作为电源图1 2 为其三维图形，给出了各个组成部分的名 称及相互位置关系。图1 3 是其基本的行走单元部分的原理图。该系统的控 制部分是以简易的p c 一1 0 4 奔腾计算机为基础，整个车载装置的通讯与控制 的实现是通过并行i o 口来实现的”1 。 s t e e r a b l e + ”。鼋_ r 。u 一一b d t r f 国p6 j ， f f 和幽i 卉学矿脚m n 如l o l r 。r 坩村 _ 1 ，。“ d l l l p s p 。n e j 。 。 。 、4 “t j8 ， “一 ：- 。m 0 i 一“”。 g h i d e - s p l u e ( 4 ) 。f 一、+ j i ； s ”。n 溆m a o ，雾1 f i g , e d a s i e t r a de l c n l e n t l 图1 2a u r o r a 三维视图图1 3 行走单元图 该设计的难点在于其行走单元的实现：可控制( 变形) 履带的设计与制造 和单履带的转向问题。如若使其能够在水下行走，则应考虑整体的密封问题 及管内机械本体机构与管外控制系统之间的通信等4 1 。 2 r a d i o l o c a t i o n 公司的p e a r p o i n tp 6 0 0 管道检测机器人 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p 6 0 0 爬行器配置如图1 4 所示，有6 个动力控制的车轮。先进的传动装 置，可提供3 5 k g 的牵引力。坚固耐用、低重 心设计的机身，确保其极大的牵引力和高度 的机动性，能有效地深入管道2 0 0 米进行自 动检测各种管道，可快速卸下和安装车轮。 该管道检测机器人的主要参数及技术指标 为： ( 1 ) 摄像头：3 6 0 度连续摇动和旋转， 提高摄像头的移动速度和确保高分辨率图像 的快速定位。内置离合器用于保护摇动和旋 转马达。高分辨率摇动和旋转光学装置所提 供极其优质的图像直接进入数字录像杌中。 6 4 0 h z 信号发射器，极易确定摄像头的位置； ( 2 ) 光源：对于更大管径的管道，加装 2 0 w 灯泡( 选件) ，提供更明亮、精确的图像； ( 3 ) 电缆：电缆使用质地牢固重量轻的 合成纤维凯夫拉尔，坚固、防水、可抵抗1 5 k n 的张力； 图1 4p 6 0 04 - 6w h e e l ( 4 ) 电动电缆盘：电缆自动收放系统。d r i v e t r a c t o r 高性能的带马达电缆盘，可提供超过5 0 k g 的牵引力。仪器精确确定电缆层数， 可提高电缆回绕速度和增加电缆寿命。微处理器控制的离合器和刹车系统， 减少电缆回绕的摩擦力； ( 5 ) 带操纵杆的遥控监视器：在整个测量过程中，使用操纵杆可精确控 制爬行器及摄像头。操作人员可以控制摄像头的定位、摇动旋转及镜头的焦 距。8 4 高分辩率全彩色l c d 显示器，可程序化热键及下拉式菜单，确保整 个系统在完全控制之中。录像机及q w e r t y 键盘确保测量报告的价值高质量的 图像记录，使用q w e r t y 键盘编辑文字注释，提供测量报告所需的附加信息。 通过r s 2 3 2 接口，可实时连接至报告软件如p i p e s e e 5 1 。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 r o b o p r o b et e c h n o l o g i e si n c 的系列产品 此爬行器系列采取不同结构形 式可构成串联结构形式如图1 5 所 示、并联结构形式如图1 6 所示， 适应大范围的管径范围，最小管径 为l o o m m ，大管径可至9 0 0 m m 以上 吼 主要技术参数： 直视摄像头：1 3 “c c d 彩色： 工作温度：0 5 0 ； 电源和控制箱：线形速度调节； 游戏控制柄； 防水深度：3 0 m ： 拖拉力：3 2 k g 单履； 载重量：4 6 k g 单履： 尺寸：3 8 c m 长9 c m 宽l o o m 高； 重量：6 k g 铝制、1 2 k g 铜不锈钢 爬行速度：o 1 0 米分钟； 电压：4 8 vd c ； 运载方式：孤j n i 履带或微型履带 【6 】 0 4 m a k r 0 管道机器人 图i 7 所示的是德国g m d 学院一隶 属于国家研究中心，研究自驱动智能 系统的信息技术协会研制的m a k r o 管 道机器人，它是由多个部分组成的、 图1 5 并联式爬行器 图1 6 串联式爬行器 图1 7 管道机器人m a k r o 喻尔滨工程大学硕士学位论文 可遥控自治的管道机器人，其中每个部分都有不同的功用，工作是可以实现 对排水管道的初步清理及检测。适用予大直径、淤积不严重、管路复杂的排 水管道。m a k r o 的缺点是密封性不好，不宣在过分潮湿的环境中长时间工作 7 】o 5 ，o h s 管道清理机器人 2 0 0 2 年，由美国佛罗里达 大学电子及计算机工程学院 智能机械设计实验室研制的 o p c r o h s 管道清理机器人如 图1 8 所示，o p c r 由三个部分 组成：头部、驱动部分、稳定 性控制部分。头部按有传感器 可以检测到需要清理的障碍、 发现管道终端，从而能够及时 停止机器入的运动。驱动部分 图1 8o h s 管道机器人 主要有两个功用，一是适当的驱动运动；二是可以根据障碍物的尺寸来调节 轮的角度，通过螺旋运动来清理障碍物，o p c r 共有三个驱动轮，每个轮均有 两个微型电机控制，其中一个电机作为驱动，另一个电机作为改变轮的角度， 这样在转弯的情况下，机器人可以实现快速转弯。当驱动部分难以控制o p c r 能稳定的处在管道轴线中心线时，稳定性控制部分这时就会起作用了，它是 由四个在管道内部的延长支架组成隅】。 6 法国布鲁塞尔大学活动构造实验室研制的管道机器人 如图1 9 所示，机器人包括两个主要的部分，定子和转子，它们由一个 活动的关节联结着，此关节包括一个带减速器的d c 电机和一个万向节。定子 中装有一套可以沿着管道轴线移动的轮子；转子中配有具有一定小角度的斜 轮，其中角度与垂直于管道轴线的平面有关。这样，当转子上的轮系仅仅能 沿着螺旋轨道移动时，定子会受到限制只能沿着管道轴线运动，并且与定子 有关的转子的转动产生轴向运动。贯穿整个设计，在定子和转子上的轮系是 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 9 管道机器人示意图 为了确保翻转的稳定性，确保在机器人和 管子之间能有足够的接触力，适应管道直 径和障碍的微小变化，及能够在曲线管道 中运动【9 】。 7 日本福田敏男、细贝英夫研制的可通过 l 形弯管的管内检测机器人 l 形弯管管内检测机器人行走机构由 头部和本体两部分组成，当机器人在直管 内行走时，本体上的电机m l 通过减速装置 带动本体上的4 个驱动轮转动，使机器人 直线行走。当通过9 0 度弯管时，屯动机 i 2 驱动头部作姿态调整，同时驱动头部履 带，引导机器人通过弯管。通过头部的4 个! x 夕l - 传感器可感知和识别l 型弯 头的位置和力、方向，如图1 1 0 所示。 该机器人的技术指标为： 适应管径：由5 0 m m ： 行走速度：8 1 册s ； 转弯性能：可通过9 0 度直 角弯管； 机器人重量：2 4 0 9 ； 机器人长度：7 6 硼【a 1 0 l 。 8 ，俄罗斯“塔里斯”公 司“月球车”，即机器人 维修车 图1 1 0l 形弯管检测机器人 该维修车有9 个电驱动装置，能把整个机器联接起来，推出并转动工作 部件，翻转摄像机，用于观察修理过程，还能“指使”刷子去清洗应洗的部 位。除此以外，为了使机器人能从竖孑l 中钻进横向管道，机器人自身可折弯 7 曲，因而可在直径t 9 0 毫米到6 0 0 毫 米的管道中工作。机器人的机身是用 一整块不锈钢加工出来的，只有这样 才能达到轮子所必须的孔的同轴度 和可靠的密封性。机器人装有轮子， 以每秒0 3 米的速度向前行驶，有大 图1 1 l 适应管径范围为3 0 0 9 0 0 m m 图1 1 2 适于管径1 5 0 4 0 0 r a m 图1 1 3 适于9 0 r a m 以上的管径 功率灯泡照明，摄像机向不同的方向旋转，可以判断故障点。在发现故障点 后，机器人用一整套工具一一铣刀、钻头、切割和清理工具完成各道工序 机器人由操作师控制。操作师的指令传给机器人内安装的微处理系统“1 。 9 美国r i d g i d ( 里奇) 管道疏通机 图1 1 4 美国r i d g i d 管道疏通机 其基本原理是利用机械装置带动软轴( 弹簧软管) 旋转，深入管道进行管 道疏通。软轴大多为分段结构，两端有接头，可以多根软轴接在一起使用， 从而疏通较长距离的管道。用于排水管道疏通的疏通机一般疏通直径范围为 1 0 0 2 5 0 m n l 之间，最大疏通距离一般为5 0 m 。根据疏通管道的直径配备不同的 钻具( 刀头) 进行管道疏通。软轴采用6 5 m n 特质弹簧钢丝为原材料，经特殊工 艺加工而成。坚固而有韧性，可以顺利通过1 8 0 度弯道或连续1 8 0 度返水弯 管【12 1 。 1 3 2 国内管道机器人的发展概况 国内在排水管道机器人领域的研制方面还没有自己的成型产品，还没有 达到实际应用。下面简单介绍一下相关的管道检测机器人方面的研究情况。 1 上海交通大学的履带式管道机器 人 该管道机器人仿造履带式车辆 行走原理，采用带齿轮减速箱的直流 伺服电机驱动。机器人上部装有c c d 图像传感器，由另一个直流伺服电机 控制c c d 图象传感器作俯仰运动， 以扩大检测范围。另外，机器人上还 装有角度传感器，如图1 1 5 所示。 其相关参数如下： 电机功率5 w ； 减速箱减速比为1 0 0 ； 输出转速为0 3 0r m i n ； 最小管道直径o 1 2 0m 运动速度可由计算机给定 一般为1 2 m r a i n 13 1 。 由j i ：灯 图1 ，1 5 履带式管道机 器人的运动机构简图 图1 1 6 下水道自动清淤机器人 2 清华大学的下水道自动清淤机器人 该下水自动清淤机器人适合4 0 0 m m 的管道。载体采用了轮式的行走结 构，四轮驱动方式、以三相异步电机作原动机。其实验数据如下： 在空载干静的管道中运行时，功率约为3 5 0 4 0 0 w ；速度在5 7 5 9 m m i n ；载 体的推力为6 0 k g f ；淤泥沉积到管径的1 3 处：平均速度为4 5 m m i m 机器 人总功率增加到4 0 0 5 0 0 w ，运行平衡，但有打滑现象【l 。 3 天滓大学研制的履带式可变结构管道机器人 该机器人系统采用模 块化的设计思想，如图 1 1 7 所示，主要包括三个 组成部分：履带式移动机 器人本体模块、收放线装 置模块、控制系统模块。 本体模块的显著特点是采 用积木式变宽结构以满足 机器人适用于不同管径的 管道作业。收放线装置模 1 履带传动秉1 ：2 履带传动最2 ：3 扩充扳 4 ，载件支撑块 5 峨建器；6 电机 图i 1 7 本体结构示意图 块实现电缆收放。缠线轮内装有1 6 环精密导电滑环实现信号、电流传递，移 动载体在管道内的行程通过电缆导向轮一侧的码盘记数来实现。控制模块设 计为两套控制系统：一是手动控制系统，另一是微机控制系统。手动控制系 统通过控制箱面板上的按钮和旋钮来控制机器人本体前进、后退、加速、减 速、紧急停车，并实时显示机器人本体行进深度等；微机控制系统由插在p c 机扩展槽上的自行研制的专用接口卡与控制箱上的计算机接口相联，通过软 件实现计算机对机器人系统的控制f 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 】。 综合上述国内外排水管道疏通、清理技术研究与应用情况，可以看到， 应用比较成熟的技术为高压水射流技术和自动化清理机器人。高压水射流技 术在我国大、中、小城市无法普及应用，其原因是国内排水管道大多数是水 泥管，时间长了局部会有破损和老化，高压水冲洗会加剧排水管道的老化的 过程。再者，每台车的价值有上百万元，不适合我国发展中国家的国情。其 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 它的能达到实际应用的管道检测机器人，技术尚未公开，价格也很昂贵。我 国的排水管道疏通还停滞在人工操作的落后状态，效率低，而且对工人的人 身安全也存在很大的危害。所以迫切需要研制一种造价低廉、实用且效率较 高的排水管道机器人以代替人工操作。国内这一领域的研究很少，还处于科 研阶段，所以本课题的研究非常必要，而且具有很大的社会效益和经济效益， 具有非常广阔的应用前景。 1 4 论文的主要研究内容 城市主排水管道穿缆检测机器人任务主要是携带缆绳穿过排水管道并进 行检测与简单的维修工作。主要由控制系统、驱动装置和机器人机械本体结 构组成。因而，本课题的研究内容拟定如下： ( 1 ) 研制一台能完成穿缆作业的管道机器人样机；( 2 ) 管道机器人样机 作为载体的本体结构的研究。此机器人可以作为载体，通过安装不同的设备 实现排水管道内障碍物检测及清除等作业； ( 3 ) 管道机器人运动特性的研究。其中包括行走必要条件和行走抗倾覆 能力的研究分析： ( 4 ) 管道机器人控制器软硬件的设计。采用上下位机设计，上位机设计 成个手持式的控制器，下位机的主要包括直流电机驱动器和传感器信息采 集模块的设计； ( 5 ) 控制器及管道机器人样机的性能试验。 第2 章城市排水管道机器人的总体结构设计 2 1 引言 为满足穿缆、检测的要求，所研究的城市主排水管道穿缆、检测机器人 在结构设计上应该具有良好的姿态调整能力和行走机能；其次，考虑到作业 环境和作业性质的特殊性，需要管道机器人具有一定的负载能力以及越障能 力：最后，管道机器人要具有一定的抗倾覆能力。本章就以上几点内容进行 分述。 2 2 管道机器人系统指标和系统组成 2 2 ，1 管道机器人系统指标 管道本机器人整体性能指标如下： 适应管径：5 0 0 i i n 移动速度：o i 1 m s ； 电源：配有电缆绞车，通过电缆提供动力源； 控制方式：4 8 5 通信； 机器人总重约：1 9k g ； 负重能力： l o 始； 作业能力：完成2 0 0 m 以内的排水管道穿缆、检测任务。 2 2 2 管道机器人系统组成 城市主排水管道穿缆、检测机器人由机械本体、控制系统、收放线装置 及可视装置四部分组成，其工作过程为：在检查井附近放有起吊装置，它把 机器人从垂直的检查井口送入水平的排水管道入口处。然后机器人进入水平 管道开始作业。地面上放置运载小车，车上有控制柜，c r t 显示器，动力源 1 j 及收放线装置。动力源可为机器人的移动、控制系统及传感器提供动力；收 放线装置随着机器人在管道内移动及时地收放保护缆绳，为机器人提供安全 保障条件，同时也为机器人适时输送动力和控制电缆；显示器通过安装在机 器人本体上的c c d 摄像机，实时地显示机器人的工作环境，便于操作者掌握、 控制机器人的工作状态。 综合以上性能指标，城市排水管道穿缆、检测机器人系统的总体设计如图 2 1 所示。 蓥载小车机器人本体 习 工 管道机器人移动 l “”“7 。i 本体结构 电 控 源- - q 电缆绞车l 机 c r t 显示器l i 摄像机 倾角传感器 图2 1 机器人总体系统方框图 2 。3 管道机器人本体结构设计 排水管道穿缆、检测机器人应用于5 0 0 m m 以上的管道中工作，工作环境 要求整个结构的尺寸应尽可能的小并且具有很大的拖缆力。在结构设计时要 重点考虑机器人的水下密封问题，从结构设计上提高密封可靠性。整个设计 从选取移动方式入手，确定合适的驱动方式。估计整个机器人的重量及所需 的拖动力确定电机的大小。再由选定的驱动电机进行具体的结构设计。排水 管道机器人的本体结构如图2 2 所示。该机器人的行走机理是，人发送命令 到控制模块中，控制两个电机，动力由电机输出轴经由中间级机构，传送到 履带上驱动整个机器人的运动。 13 图2 2 管道机器人本体结构图 1 一履带2 一张紧装置3 一从动轴4 一从动轮5 一联结体6 一箱体 7 一光电码盘8 一直流减速电机9 一传感器模块1 0 一驱动模块1 1 一传动 小链轮1 2 一传动链1 3 一传动大链轮1 4 一主动轴1 5 一主动轮 1 6 一外支架 1 7 一穿缆钢管 1 , 4 2 3 1 驱动方式的选择 管道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 【1 7 。因为液压与气动方式对环境要求较 高，实现起来较复杂；另一方面电机驱动 较易实现密封与调速控制。所以本设计选 用的是电动驱动。电动驱动主要有步进电 机、直流伺服电机和交流伺服电机。我们 耄景德国轰产善翥嚣嚣盖嚣景差豸雾 2 3gr4gr42 2 5 z z s 电机外形图 电机 作为机器人本体的驱动方 。 式，其中外加减速比为2 3 ：1 的蜗轮蜗杆$ g 6 2 减速器。电机的额定功率为 1 4 w ( 没有把6 3 5 的效率计算在内) ，额定电压为1 2 v 。其它相关参数见表 2 1 。电机外形如图2 3 所示。 2 3 2 管道机器人的移动方式 2 3 2 1 管道机器人移动方式概况 管道机器人的机械本体机构基本上分为两大类：一类是操作本体机构， 袁2 1 电机参数 n o m i n a lv o l r a g e1 2v n o m i n a ls p e e d3 4 5 0r m i n n o m i n a lt o r q u e3 9n c m n o m i n a lc u r r e n t1 8 5a e f f i c i e n c y 6 3 5 m o m e n to fi n e r t i a 7 1g 2 w e i g h t o ，3 9 r a t i o 2 3 ：l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 它类似人的手臂和手腕，配上各种手爪与末端操作器后可进行各种抓取动作 和操作作业，工业机器人主要采用这种结构。另一类为移动型本体结构，主 要目的是实现移动功能，主要有轮式、履带式、足腿式结构阻及蛇行、蠕动、 变形运动等几种形式。如壁面爬行、水下推动等机构。蛇行、蠕动、变形运 动多适合于光滑的管壁、地面或水下。轮式移动方式移动速度快，转弯容易， 但其着地面积小，维持一定的附着力较困难；履带式着地面积大，易产生较 大的附着力，对不平路面的适应性强，牵引性能非常好。缺点是体积大，不 易实现转弯，结构稍复杂，要保持履带的张紧：足腿式对粗糙路面性能较好、 带载能力强，但其控制复杂、机械结构复杂、移动困难、行走速度慢l “o 。 综合上述，选用履带式移动方式。 2 3 2 2 管道机器人履带的设计 链传动由链条和主、从动链轮组成，链轮上制有特殊齿形的齿，依靠链 轮轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。链传动与带传动相比，无弹性滑动 和打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率较高。作用于轴上的 径向压力小、结构也较为紧凑。另外，链传动的制造和安装精度要求较低， 成本低廉。链传动的主要缺点是运转的瞬时速度不均匀，高速时不如带传动 平稳，链条磨损后易发生跳齿现象。主要失效形式为疲劳破坏、铰链的磨损 和胶合、还有静力拉断。链传动主要应用于要求工作可靠，且两轴相距较远， 以及其它不宜采用齿轮传动的场合和极为恶劣的工作环境中【2 ”。链传动的使 用范围是：传动功率一般为l o o k w 以下，效率在0 9 2 0 9 6 之间，传动比j 不超过7 ，传动速度一般小于1 5 m s 。 根据本体结构的需要，综合考虑传动性能、成本等方面的原因，主从动 轮之间的传送动力的中介我们选用履带来传动，此履带是通过改型的单侧带 翼板的链传动而制造成的，其外型如图2 4 所示，从这张机器人的侧视图我 们可以看到履带的外部形状，这里采用的链条为单侧带翼板的不锈钢滚子链， 以便在改形后的外侧翼板上镶嵌橡胶块。 故而，机器人移动方式采用滚子链式履带。如图2 2 所示，4 为从动轮， 1 5 为主动轮，在从动轮和主动轮上安装一条不锈钢单侧带翼板的滚子链，同 样，在他们的对应下方也安装一条不锈钢单侧带翼板的滚子链，在两条链子 之间，搭接不锈钢板，为了增加摩擦力、越障能力、减小机器人的重量，在 每个链节上安装橡胶履带块。 图2 4 机器人的侧视图 2 3 2 3 管道机器人链传动主要参数的确定4 2 1 选择链轮齿数z 为了适应管径，减小机器人的整体尺寸，如图2 2 所示，我们采用主、 从动轮尺数相同= = 3 0 。 直流电机额定转i g n 。= 3 4 5 0 r m i n ，经减速比为2 3 ：i 减速器后输出的转 速为n 。= 3 4 4 5 6 0 = l s o r m i n ，考虑整个机器人的速度及输出力矩的要求，由于 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一 中间级传动比f 2 1 = 萼，经中间级链传动后的转速n z - 8 0 r m i n 。则有主、从动 轮的速度为n = 8 0 r m i n 。 2 计算功率圪 计算功率g o 是根据传递的功率p ，并考虑到载荷性质和原动机种类而确 定的，即 只：2 x 盟：2 x 3 9 x 1 0 - 2 x3 4 5 0 ：2 8 w ” 9 5 5 09 5 5 0 p = 只r r = 2 8 0 6 3 5 = 1 7 7 8 w 乇= k - p = i x l 7 7 8 = 1 7 7 8 w ( 2 - 1 ) 其中，只传递的功率 尸经效率损失后传递的功率 丁传递扭矩，由表2 1 可知t = 3 9 n c m 聊经效率损失后传递的功率，由表2 1 可知珊= 6 3 5 k 。工作情况系数，k 。= 1 3 链条节距p 链条节距p 的大小，与传动的平稳性、承载能力等均有一定的关系。在 一定条件下，链条的节距越大，承载能力越高，但传动的多边形效应也要增 大，振动、冲击、噪声也越严重。为使传动平稳、结构紧凑、延长链条的使 表2 2 滚子链相关数据 i s o节距滚子内节销轴 销轴内链板极限拉 每米长 链直径内宽直径长度高度伸载荷重 号 p d 1b 1攻 三 h 2q g m a xm l n m “m a xm a xm i n k n k g m 0 8 a 1 27 7 9 5 7 8 5 3 9 61 7 81 2 0 71 380 6 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用寿命，尽量选用较小节距的单排链。根据本体结构尺寸的需要，功率及转 速，综合考虑传动性能、成本等方面的原因，我们选用i s 0 6 0 6 - - 8 2 的a 系列 的单排链链号为0 8 a 的滚子链，其数据见表2 2 。 4 链传动中心距和链节数 若链传动的中心距过小，链速不变时，单位时间内链条绕转次数增多， 链条曲伸次数和应力循环次数增多，因而加剧了链的磨损和疲劳。并且，由 于中心距小，链条在小链轮上的包角变小，在包角范围内，每个轮齿所受的 载荷增大，且易出现跳齿和脱链的现象；中心距太大，会引起从动边垂度过 大，传动时造成松边颤动。一般初选中心距为( 3 0 5 0 ) p 2 ”。 当传动比i 4 时， d o 。= 8 0 p = 8 0 6 3 5 = 1 0 1 6 m m a o 曲= 0 2 z l ( i + 1 ) p = 0 2 3 0 ( 1 + 1 ) p = 1 2 p = 1 5 2 4 r a m 初选中心距为a o = 2 6 p = 3 3 0 。2 m m 链节数l p 与中心距关系为： 铲等+ 半+ ( 等 2 2 3 3 0 23 0 + 3 03 0 一3 0 1 2 7 2 2 万 = 一十+ l 圆整取偶数l p = 8 2 ( 节) 理论中心距a ： 5 2 + 3 0 = 8 2 ( 2 2 ) d 北，一半卅，一半h 等) 2l ：啡z 一半 + 厄孚露 s ， l j = 3 3 0 2 r a m 中心距减小量口 = ；一= 3坠孤一1 卫下i = ；坠塑型垒鎏型垒垡三；= a a = ( o 0 0 2 0 0 0 4 ) a = 0 6 6 1 3 2 r a m 实际中心距a ，= a a a = 3 2 9 5 4 3 2 8 8 8 m m ，因中心距不可调整且没有 张紧装置，故取3 2 9 咖n 。 5 链条传动速度 。 。：型：! ! ! 坠! 型。0 2 5 4 m s ( 2 4 ) 6 0 x 1 0 0 06 0 1 0 0 0 6 计算滚子链链轮的主要尺寸 分度圆直径d ： d = 南= 1 2 4 9 取1 2 1 m m ( 2 - 5 ) d2 奇2 面引“戢 s 1 n s l n z 3 0 齿顶圆直径d ： d 。= p ( 0 5 4 + c o t ( 1 8 0 z ) ) “1 2 8 m m 齿根圆直径d ，： d ，= d d = 1 2 1 7 9 5 = 1 1 3 0 5 m m 式中，d l 一滚子链的滚子外径，由吐= 7 9 5 m m 分度圆弦齿高h 。： h 。= o 2 7 p = o 2 7 1 2 7 3 4 3 m m 齿侧凸缘直径d 。： 。堕一104h，一076：10752d p c o t 10 4 h7 6 1 0 75 2 m m p 一2 2 式中：死一滚子链内链板高度，h ，= 1 2 0 7 m m 齿宽b ，： 6 r = 0 9 3 b l = 0 9 3 x7 8 5 = 7 3 0 r a m 式中：b l _ 内链节内宽，b = 7 8 5 r a m 7 链轮结构尺寸 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 大链轮和小链轮的尺寸较小，所以均制成整体式链轮，主要结构参数见 表2 3 ： 表2 3 链轮结构尺寸 轴孔直径轮毂厚度轮毂直径轮毂长度齿宽 巩( r a m )h ( m m ) d h ( m i l l ) 1 ( r a m ) b ，( m m ) 主动链轮 1 6 g3 41 4 7 3 从动链轮 2 453 42 07 3 2 3 2 4 机器人履带的张紧装置 履带用的滚子链链条在应用时要注意张紧问题。链条包在链轮上太松和 太紧都不好，其松紧程度用松边垂度，来表示。合适的松边垂度为 f = ( o 0 1 0 0 2 ) a 。链条垂度过大时，会产生与链轮啮合不良和链条的振动 等现象，影响机器人的移动功能。并且链条在使用过程中也会因磨损而逐渐 伸长，也需适时地调整链条的松紧程度。链传动的张紧方式主要有两种，一 种是中心距可调时，可以通过调节中心距来控制张紧程度；而中心距不可调 图2 5 张紧装置 2 1 时，可设置张紧轮，或在链条磨损交长后从中取掉一、二个链节，以恢复原 来的长度。张紧轮有定期调整及自动张紧两种。前者多用弹簧、吊重等自动 张紧装置，后者采用螺旋、偏心等。这里采用了螺旋的方式来控制链条的张 紧【z “。其结构如图2 5 所示。当链条太松时，通过调整位于从动链轮两侧的 张紧螺钉。，使从动链轮向远离主动链轮的方向移动，从而加大了两链轮的中 心距，起到了调整链条松紧的作用。 2 3 2 5 履带驱动方式的选择 履带行走装置由于驱动位置的不同，履带内张力的分布也不同。前驱动 和后驱动方式的履带内张力分布如图2 6 所示。其中( a ) 为前驱动方式，( b ) 为 后驱动方式。图中兀为履带的总预张力，最为主动轮上的牵引力，为履 带的内部牵引力。履带预加张力是尽量减小履带的振动、噪音和磨损等因素 对履带在行驶过程中的影响，履带总预张力死包括预加动张力和预加静张力 两部分。主动轮上的牵引力只是用来克服履带行动装置的内部阻力和外部阻 力的。而履带的内部牵引力如包括了所有作甩于履带上的牵引力，即： b = t ，+ 瓦 ( 2 - 1 0 ) 前驱动方式的主动轮较后驱动的磨损较少，因为履带在从壁面到主动轮 的过程中，履带上携带的杂物已经被较好地冲刷了。但从图2 6 ( a ) 可以看出， 驱动装置前置时，大部分履带在行驶过程中承受较大的牵引力。随着履带的 使用，履带将剧烈地伸长，导致在行驶时下部履带处形成所谓的“履带腹部”， 一一 f a ) 前驱动 伯1 后驱动 图2 6 采用不同驱动方式时履带的内张力分布 哈尔滨工程大学硕士学位论文 机器人在转向行驶过程中，履带更会有脱落的危险。 而采用如图2 6 ( b ) 所示的后驱动方式，由于履带内部牵引力的高区段短， 避免了主动轮前置时存在的问题。并且后驱动方式更为重要的优点在于提高 了机器人对不同管道内的适应性。当履带经过管道内的凹凸处时，位于前面 的从动轮在主动轮的驱使下，会更好地将履带移至与管道表面接触，这样能 保证机器人在管道内可靠地形驶【2 ”。 ，2 3 3 中间级传动机构 传动机构的产生因为整体结梅尺寸的限制以及增大转矩、降低转速的要 求。为此我们在电机输出轴与机器人主动轴之间增加了一级链传动，通过它 来降低转速、提高转矩，也使得整个结构尺寸达到最优。另外，中间级链传 动也采用了滚子链。 23 3 1 中间级链传动主要参数的确定嘲 管道机器人在管道中行走时不需要太快的速度，并且要有大的拖动力， 所以在减速器输出轴与驱动轴之间增加了一级链传动，方面可以降低管道 机器人的行走速度，另方面也可以提高驱动轴上的输出力矩。其主要参数 的确定如下： 1 选择链轮齿数z ，、z ：和传动比： 小链轮齿数z ，z 。= 9 。若z ，增大，链条总拉力下降，多边形效应减弱， 但会增大结构的重量和尺寸，选取小链轮齿数