（机械工程专业论文）微小型螺旋推进管道机器人设计与分析.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 在化工、制冷、核电站等领域，采用常规方法对微小管道检测费时费力，且存在中毒、 辐射等危险因此，微小管道机器人在细小管道检测方面具有良好的应用前景 本文针对管道内径为0 1 5 m m 的微小型管道检测机器人研究，提出了基于螺旋推进原 理的微小型管道机器人的解决方案。设计了新型的螺旋头和保持架结构，使此管道机器人 的牵引力达到8 5 1 2 n ，移动速度大于1 0 m m s ，满足了管道机器入的。微小化。和“大牵 引力”的要求 本文介绍了螺旋推进管道机器人的组成及工作原理，分析了其运动力学性能，应用机 械系统动力学仿真软件a 1 ) a m s 和有限元分析软件a n s y s ，建立了管道机器人的虚拟样 机模型通过计算机仿真得到机器人牵引力、驱动力矩与机器人的驱动轮位置参数和尺寸 参数之间的关系以及管道机器人轮子所受的正压力对牵弓l 力的影响，证明了理论分析的正 确性，并对模型参数进行了优化，使其综合性能达到最优对机器人的各部分结构进行了 详细的机械设计计算，分析了其在弯管内的几何与运动约束条件和越障能力最后对机器 人进行了有限元强度分析和模态分析，得到最大等效应力、最大变形和各阶固有频率，分 别为机器人强度设计、机器人的末端位置精度补偿和机器人调速系统避免共振提供了参考 数据 主题词：微小机器人管道螺旋推进虚拟样机 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t u s i n gc o n v e n t i o n a lm e t h o d , i tt a k e st i m ea n dr e s o u r c et oi n s p e c tc r a c k si ns m a l lp i p e l i n e s i ns u c ha l e a sa sc h e m i c a lp l a n t s , r e f r i g e r a t i o n , n u c l e a rp o w e rs t a t i o n s w h a ti sm o l e 。i ti si n d a n g e ro fp o i s o n i n ga n dn u c l e a rr a d i a t i o n 1 1 螂慨。i l l s p e c t i o ni n s i d es m a l lp i p e l i n e sh a v e t l t ：c o l n eaf a v o r a b l ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n 1 1 l ep u r p o s eo f t h i sw o r ki st od e v e l o p 姐i n - p i p em i c r or o b o tf o rl o c o m o t i o na n di n s p 硎o n i np i p e l i n e sw i t hd i a m e t e r so f1 5 r a m b a s i n go nt h es c r 哪l o c o m o t i o n , t h en e w - s t y l es c r e w l o c o m o t i o na n dh o l d i n gm e c h a n i s m sa r cd e s i g n e d t h i si n - p i p em i c r or o b o t 啪d a mi ns m a l l p i p e l i n e sw i t h 删l o m m s ，a n dt h e 订a c 吐v ea b i l i t yi s8 5 1 2 n i tm e e t st h ed e m a n do f m i c r o s i z e a n d “l a r g el l d c t i v e ”a b i l i t y t h es t r u c t u r ea n dt h eo p t i n gl n i n e i p l eo ft h ei n - p i p em i c r or o b o ta 聪r e p o r t e d t b e k i n e m a t i c sa n ds m i l e sa n a l y s e s 啦p r e s e n t e d b a s i n g0 1 1t h em e c h a n i cc l y n a m i ea n a l y s i ss o t ! i w i u e a d a m s , t h ev i r t u a lp r o t o t y p eo ft l a ei n - p i t m i c r or o b o ti s 咖mr e l l l j o n s 峰b e t w e e l l l r a e t i o n , d r i v i n gt o r q u e , d r i v i n gw h e e l l o c a t i o na n dd i m e n s i o l lp a r a m e t e r so f i n - p i p em i c r or o b o t a r eo b t a i n e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n a n dt h ee f f e c to fn o r m a lp l e s s u l eo fw h e e lt oi t a c t i o ni s a l s oa c h i e v e d 低t h e o r ya n a l y s i si sp r o v e dc o r r e c t l yb yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s w b a li sm o i r e ， t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r so f t h em o d e la r ed e d u c e d a n dt h em o v i n gc h a z a e t e r 硎e si nt h ee l b o w , s u c h 鹬l o c o m o t i o nc o n s l l a j n tc o n d i t i o na n do b s t a c l ep e r f o r m a n c e 矾o b t a i n e d a tl a s t , u s i n g t h ef i n i t ed e m e n ta n a l y s i ss o t t w a r ea n s y s t h em e e l m i e a lr o b u s t n e s sa n dm o d ei sa n a l y z e d a n dt h em a x i m a le q u i v a l e n ts t r e s s , t h em a x i m a ld e f o r m a t i o n , f r e q u e n c yi sg f l i 谳t h o s e s i m u l a t i o nr e s u l t sc a l lp r o v i d et l a e o r e t i e a ld i 凭蜘o nt ot h em e c h a n i c a lr o b u s t n e s sd e s i g n i n g , p o s i t i o nc o m p e n s a t i o na n d 删g o v e r n i n ga v o i d i n gs y n t o n y k e yw o r d s - m i e r o r o b o t ；p i p d i 皑, s c r e wl o c o m o t i o n ；v i r t u a lp r o t o t y p e 第i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：垡! 型竖蕉整进篁道扭墨厶遮盐生佥堑 学位论文作者签名：盔豳日期：矿，否年1 1 月，。日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：邀! 型螺丝推进篁道扭墨厶遮进生佥扭 学位论文作者签名 作者指导教师签名 锄瓠 盈鹤 日期：沙年f | 月 日 日期：川年f f 月7 。日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 机器人是具有如下功能的的机器【1 鄙l ： ( 1 ) 动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官的功能； ( 2 ) 有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变； ( 3 ) 有一定程度的智能，如记忆、感知、推测、决策和学习等； ( 4 ) 有独立性，完整的机器人系统，在工作中可以不依赖人的操作 管道机器人是一种可沿管道内部或外部移动，携带一种或多种传感器及操作器( 如 c c d 摄像机、位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道裂纹 及管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、简单的操作机械手等) ，在操作人员的遥控操作或 计算机的自动控制下，能够进行一系列管道作业的机电一体化系统 管道机器人可完成的作业有生产、安装过程中的管内质量检测；使用过程中焊缝情况、 表面腐蚀、裂缝破损等故障诊断；恶劣环境下管道清扫、喷涂，焊接，内部抛光等维护； 对管道的修复；管内外器材运送、抢救等其他用途 1 1 课题来源、研究背景及意义 1 1 1 课题来源 本文的研究工作来源于部委级预研项目：管道机器人微小系统设计、制造与装配技术 1 1 2 课题研究背景及意义 由于现代工农业生产及日常生活中使用着众多微小的管道，如核电厂的蒸汽发生器传 热管、冶金、石油、化工、城市水暖供应、制冷行业的工业管道和煤气管道等，这些管道 系统的工作环境非常恶劣，容易发生腐蚀、疲劳破坏或存在使管道内部潜在的缺陷发展成 破损而引起泄漏事故等因此管道的监测、诊断、清理和维护就成为保障管道系统安全、 畅通和高效运营的关键，管道的在役和在线探查也就成了管道无损检测技术应用，发展的 重要方向之一然而管道所处的环境往往受人力或人手不及所限，且多数管道的安装环境 使人不能直接到达或不允许人直接介入，检修难度很大故通常对重要和不允许泄漏的管 道采用定期或提前报废的办法，从而造成了巨大人力和物力损失 目前关于管道的质检，常采用工程量十分巨大的抽检方法，不但劳动强度大、效益低， 而且由于随机抽样法经常出现漏检，因而准确率低、效果并不理想因此，研究适应在管 道这一特殊环境下工作的特种管道机器人，使人脱离危险作业的生产第一线减轻人的劳 动强度，提高生产效率，减少不必要的损失是管道机器人发展的必然方向管道检测微型 机器人也是国家8 6 3 计划微型机电系统( m e m s ) 预先启动项目指南( b ) 应用系统技术 支持的项目之一，具有非常好的推广应用前景因此研究微小型管道机器人检测维修系统， 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 有着极高的学术价值和实用价值 同时，在军事应用方面也有着广泛的应用范围，如对舰艇、潜艇、导弹等大型武器装 备上的细长管道内壁的检测。由于目前国外新的军用管道检测设备对我国禁运，因此自行 研制管道自主无损检测系统机器人将有效地提高武器装备的保障水平和保障能力 1 2 管道机器人的发展状况 自上世纪8 0 年代以来，随着计算机、；传感器、现代控制理论和技术的发展，为管道 机器人的研究应用提供了技术保证目前，国内外管道机器人的研究成果已经很多，对于 诸如煤气和石油等大口径管道检测装置的结构、原理有了较多的研究。但对细小管道、特 殊管道( 如变径管道、带有u 型管的管道) 的微小型管道机器人研究尚处于探索阶段，离 实际应用还有一定的差距郾6 ，4 近几年，国内外提出了仿生蠕动 1 3 , 1 6 , 2 8 1 、惯性冲击1 7 j , 9 1 0 1 4 1 ， 轮式驱动【1 7 , i s , 1 9 2 0 , 2 、螺旋推进【n ，1 2 , t 5 , 2 2 2 3 3 3 1 等运动方式，并且在样机研制方面取得了突破 但大部分机器人还只能运行一般的直管道，而实际工程中被广泛应用的变径管道、u 型弯 管道的检测机器人还处在试验开发阶段，通用性也很差但由于该类管道在各个领域的广 泛应用，因此研发该类机器人极具吸引力 1 2 1 国外发展状况 国外细小管道机器人的研究方面，日本、美国、德国等发达国家已走在世界的前列， 其中以日本最为活跃 日本n i p l ) o n d e n s oc o l t d 公司的研究实验室开发了一种叠层压电执行器微型管道机 器人0 1 ，如图1 1 所示机器人的直径仅为5 5 r a m ，自重l g ，适用于8 m m 管径( 包括弯管) ， 移动速度为1 0 m m s 它由6 0 u r n 厚的薄板金属基体、两个涡流传感器检测管壁缺陷、运动 机构( 三个u 形弹簧夹紧单元弹性贴紧管壁，一个叠层压电执行器，个质量块) 和散热 片四部分组成，采用压电晶体作微驱动器压电微驱动器的工作原理是采用压电材料的压 电效应，它具有体积小、动态响应频率宽和速度快的优点驱动器的不足是输出位移小， 输入与输出具有滞回非线性特征。但利用其动态响应快、力输出大的突出特点实现微管道 机器人的冲击式行走 图1 - 1 叠层压电执行器微机器人的外观与原理 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 压电执行器微型管道机器人由支撑爪弹性支撑，通过压电晶体单元连接一惯性质量 块。其运动机理是利用压电效应使得压电驱动器的功能元件p z t 薄膜产生变形，当缓慢 驱动压电晶体单元带动惯性质量伸长一定距离，然后快速驱动压电晶体单元带动惯性质量 返回。由于返回加速度大，惯性质量惯性力大于支撑爪的静摩擦力，结果使本体右移一段 距离：反之，慢速返回，快速伸开，便实现了左行 日本d e n s o 公司的n o b u a k ik a w a h a r at a k a y u k is h i b a t a 和t a k a n a r is a s a y a 等研制的无线双压电晶片执行器微机器人【嘲，如图1 2 所示采用微波能量供应和数据通 信技术，控制指令、c c d 图像数据无线传输，基于l s i 的图像数据通信新结构，c c d 采 用t o s h i b a 的产品，1 0 0 ，0 0 0 象素镜头，集成到9 2 r a m 直径摄像头开发了a 、b 、c 三 种原型样机，其中a 型可用于1 0 m m 管径管道采用双压电晶片执行器比叠层压电执行器 位移更大、需要的驱动力更小，改进型的移动速度是原先的2 5 倍，而功耗却只是原来的 1 8 0 另外d l n s 0 公司也研制出了利用压电陶瓷逆压电效应驱动的管内探伤检测微机器 人，用于细小工业管道的自动化检测工作 图1 - 2 无线双压电徽机器人 日本m e i t e c 公司也研制出用压电晶片作驱动器的管道微小机器人，机器人由本体和 8 个针形驱动器组成，每个针形驱动器由l 块薄的弹性金属板和贴在板两面均布的4 对压 电晶片、以及固定在金属板的驱动腿构成将不同波形、频率或相位的电压作用于各块压 电晶片上使压电晶片产生交变位移，则金属板发生弯曲扭转振动，从而使针形腿的末端与 管道内壁发生相互作用产生驱动力推动机器人运动通过控制弹性金属板的振动模式可使 机器人作前后直线运动、旋转运动和螺旋运动 图1 - 3 向心力驱动微机器人原型 日本东京工学院研制的向心力驱动微机器人( 图1 3 ) 1 1 0 ，采用向心力驱动，两个具 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 有偏心重块的无芯电机产生向心力传递到弹性刷( f i b e r b r u s h ) 上，最终产生驱动力机器人 尺寸为4 5 x1 0 7 x 2 8 m m 。实验表明具有良好的高速性能( 可达0 2 m s ) 东京工业大学开发出了基于螺旋轮式运动原理微机器人( 图1 4 ) 1 1 t l ，该微机器人的 本体由几个单元体通过弹簧连接而成每个单元体上均布有三只支撑臂，用螺旋弹簧将支 撑臂上的小轮紧压在管道内壁上，产生预压力小轮的轴线相对单元体的轴线倾斜了一个 角度，通过软轴将扭矩作用于单元体上使微机器人运动。该机器人可带上微型c c d 摄象 机可用于细小工业管道的检测工作该微机器人适应q 2 7 m m 内径管道，2 0 0 r a m 转弯半径 最大速度3 4 m m s ，牵引力6 n 。 图1 4 螺旋运动原理机构及其改进设计 另外，东京工业大学根据蚯蚓蠕动原理开发出了一种蠕动式管道微机器人，它采用气 压驱动柔性微执行器( f m a , f l e x i b l e m i e r oa c t u a t o r ) ，整个机器人由三节单元组成，每一单 元有个f m a 和四个铰链按照一定的控制规律使三节单元协调动作能够实现微机器人 在直径为2 0 m m 管内的灵活移动，移动速度为2 2 m m s ，最大牵引力0 2 2 n 。 日本名古屋大学研制出了不需电缆供能的管道微机器人，微机器人由管道外的电磁场 来驱动控制，外径为0 2 1 r a m ，可用于检测和生物医学研究 日本东芝公司于1 9 9 7 年研制了一台轮式管内移动机器人，前部带有一部微型c c d 摄 像机，能分辨管内异物并用微型机械手实现清理该机器人适渤2 5 w a n 的管径，行走速 度为0 3 6 m r a i n ，自重只有1 6 9 ，采用多轮驱动式以增加牵引力由于轮径太小，越障能力 有限，而且结构复杂 针对核电站蒸汽发生器的热交换管道外表面检测工作自动化的要求，日本三菱公司提 出了研制链式微小机器人自治系统的计划。该计划设想单个微机器人可在蒸汽发生器的热 交换管道间的固定板上移动，检查热交换管与固定板相交处有无缺陷，多个类似的微机器 人可以连接成一条链，绕在管子外表面上下移动来对管子外表面进行检测其中的关键技术 有驱动器的微小化技术、微机器人的连接与断开技术和分布式微机器人自治系统的控制技 术目前微马达、微行星齿轮减速器和单个微机器人已研制成功，链式微机器人系统的仿 真实验亦获成功 比利时布鲁塞尔自由大学研制的螺旋推进管道机器人2 1 如图1 5 所示，采用万向节连 接两部分，一部分由平行于管道轴线运动的轮系驱动，另一部分由于驱动轮相对轴线略倾 斜而作螺旋运动所有轮均安装在悬挂系统上，以适应不同管径和曲率随身装备电池、 无线装置研制了4 种机器人原型，分别适用于0 1 7 0 m m 、0 7 0 m m 、0 4 0 m m 管径，更小 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的管道须将电池和无线接收装置装在另一个额外的单元上。 图1 - 5 小直径( 4 0 m m ) 管道检测机器人的三体结构 德国西门子公司研制出仿蜘蛛的爬管微机器人，这类机器人有4 、6 、8 只脚三种类型， 可在各种类型的管内移动，其运动原理是利用腿推压管壁来获得驱动力，多腿可以很方便地 在各种形状的管道内移动作业，但其控制较复杂 法国h y t e c 公司设计生产的核工业用管道检测机器人具有抗高温、抗腐蚀、抗辐射 的优良性能，最小可在0 2 0 m m 的管道内进行检测与维修 加拿大制造的管道爬行机器人携带c c d 摄像机，应用于热电厂、核电厂、水电厂、 石油化工等管道的检测，三足竖管爬行器可以在垂直的管道爬行检测，增加二级三足爬行 器，可以由垂直管转弯爬行到水平管道中 美国一公司研制的智能爬行器系列m a g s t e e r 是一个智能爬行系统，它能出色的检测有 保温层或无保温层或无保温层管道内部及外部缺陷通过计算机远程控制，爬行器可以自 动爬行在有保温层或无保温层的管道上m a g s t e e r 可以装配橡胶轮子来检测有保温层或非 磁性材料的管道，也可以装配强磁性的轮子检测无保温层的管道 1 2 2 国内发展状况 管道检测微型机器人是国家8 6 3 计划微型机电系统( m e m s ) 网预先启动项目指南( b ) 应用系统技术支持的项目之一，面向化工、制冷，电站等行业存在的众多细小管道主要 研究内容包括：驱动和控制技术研究；无损检测微型传感器研究；系统集成技术研 究主要参考技术指标为：适应管径0 2 0 m m ；水平管道内移动速度1 4 m m s ，垂直管 道内移动速度 一1 0 m m s ；携带微型c c d 或其他探伤传感器，能可靠地进行无损探伤 目前，国内研究管道机器人有代表性的单位有清华大学特种机器人研究小组，哈尔滨 工业大学机器人研究所，上海大学机械电子工程学院和精密机械研究所、上海交通大学信 息检测技术及仪器系、天津大学机械工程系、太原理工大学和国防科技大学等 清华大学研制的小型蠕动机器人系统，其机构如图l _ 6 所示由蠕动体l 和电致伸缩 微位移器2 、3 、4 组成蠕动体的蠕动变形形态由粘贴于柔性铰链部位的电阻应变实时感 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 应，机器人的外形尺寸为1 5 0 x 6 1x 4 6 r a m ，重量2 k g ，最大步距1 0l im ，行程4 0 m m 1 3 5 7 图1 6 清华大学研制的蠕动机器人系统 清华特种机器人研究小组( 简称n s r ) 先后研制了电致伸缩小型蠕动机器人， 管道清淤机器人( 四轮驱动，单螺旋桨式作业) ( 图1 7 ) 。小型长距离管道检测机器 人p i p e s b o t - i 和p i p e s b o t - 1 1 p i p e s b o t - i 适用管径范围a 1 4 0 - 1 6 0 m m ，多级串连驱动方式， 机器人本体前端携带c c d 摄像头，后部拖带控制小车和电源小车；通过交流输入和电源 转换模块供电，采用p w m 调速，r s 4 2 2 串行通讯p i p e s b o t - 为全驱动直进式结构，由 三个直流电机通过蜗轮蜗杆副，带动三个径向均布的驱动轮，通过一个剪形压紧结构使驱 动轮撑紧管壁，依靠摩擦力运动剪形压紧机构具有可调接合点，调节接合点的位置，可 使机器人的驱动轮向内缩进或向外扩张，适应一定范围的管径，如图1 8 所示 圈l - 7 清华大学研制的电致伸缩小型蠕动机器人和管道清淤机器人 图! - 8 清华特种机器人研究小组的p i p e s b o t - i 和p i p e s b o t - i i 上海大学精密机械研究所对两种压电执行器机器人进行了研究t 蛳，叠层压电执行器 ( s t a c k e d 叮a c t u a t o r ) 机器人，如图1 - 9 所示适于1 0 m m 管径水平或竖直管道管内作业， 前进速度2 1 9 m m s ，后退速度2 4 8 m m s ，尺寸为0 9 8 2 2 m m ，o 9 0 度爬坡能力；双压 电晶片执行器( b i m o r p hp z ta c t u a t o r ) 机器人，适于2 0 m m 管径水平、竖直或弯管道管内 检测竖直管上下速度分别为4 6 m m s ，1 7 2 2 m m s 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 l 一伽审p 扣嘲哪懒毛扣嘲嘲氟- 4 嚼 i 岫峨鲁o ，_ - - 晦 知- _ h 电_ - 。佣蜘l h 呻州盯埘印y _ - 慨，制- 峨- _ 竹t 钾- - 图1 - 9 叠层压电执行器机器人和双压电晶片执行器机器人 上海大学机械电子工程学院对电磁式管内微小移动机构进行了研究主要部分为：与 芯柱衔铁相连的配重块m l ，电磁铁本体m 2 ，前后两组支撑脚，以及位于m l 与m 2 之间 的螺旋弹簧支承脚均匀分布在外缘，并与管壁呈一定角度o 如图1 1 0 所示电磁铁加 电振动时，由于电磁吸引力与弹簧力的相互作用，产生往复变形，借助支承脚与管壁的摩 擦，促使微小机构沿着管道爬行其尺寸为a 1 5 3 0i n n l ，可实现2 0 m m 管道内裂纹和缺 陷的移动探测水平方向管道内的移动速度达到5 3 8 4 m m s ，垂直方向的移动速度达到 4 1 6 6 m m s 。 图i - i1 细小工业管道机器人 上海交通大学研制的小口径管道内蠕动式移动机器人如图1 1 2 所示它是模仿昆虫在 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 地面爬行时蠕动前进与后退的动作设计的。其主要机构由支撑机构i 、汽缸2 、软轴3 、弹 片4 、管道5 组成。蠕动运动为汽缸2 a 动作活塞左移，松开前撑脚；汽缸2 c 动作活塞左 移，撑紧后撑脚；汽缸2 b 动作活塞左移，使汽缸2 a 前进；汽缸2 a 动作活塞左移，撑紧前 撑脚；汽缸2 c 动作活塞左移，松开后撑脚；汽缸2 b 动作活塞右移，使汽缸2 c 前进 图1 - 1 2 汽缸蠕动式移动机器人 哈尔滨工业大学机器人研究所研制了四类八种管内移动机器人产品。0 7 5 - 6 6 0 m m 管径 范围内的移动机器人已经实现系列化设计，实现了几种用途的管内作业取得了多项成果 专利，主要有螺旋推进式和直迸轮式管内机器人 天津大学研制的p r i 履带式移动机器人样机采用了积木式快速变宽结构，强附着力 的异型履带，大功率小结构双重密封传动系统，采取手动、机动双控制系统适应管径范 围为a 2 0 0 m m a 5 0 0 m m 。局部最大爬坡能力为- - 1 5 。+ 2 5 。，行进速度不大于6 m r a i n 太原理工大学研制成功管内脚式行走机器人，如图1 1 3 所示该机器人可在管内双向 行走，自动随管道弯度转向该机器人由撑脚机构、牵引机构和转向机构构成撑脚机构 由电机1 6 小齿轮1 5 、齿圈及平面螺纹1 4 、滑杆1 3 、脚靴1 2 组成。牵引机构由电机l 、 螺杆2 、螺母5 、拨销4 、拨杆7 和支撑杆9 组成转向机构由万向节2 1 组成当电机l 带动螺杆转动时，螺母受拨杆的约束不能转动而沿螺杆轴向移动，固连其上的拨销4 拨动 拨杆7 顺时针方向转动，由于脚靴1 2 锁死在管壁上，支撑杆9 不能向后运动，拨杆7 通 过销带动支架及其固连的套筒在简体内向前滑动，同时通过万向节2 l 拖动机器人的后单 元( 此时后单元的脚靴在抬起状态) 向前运动，整个机器人前进当脚靴处在抬起的位置 时，拨杆通过支承杆推动筒体在套筒上向万向节方向滑动从而改变了腿的姿势 o9 瞎口巧坫 l b 图l 1 3 脚式管内机器人 1 3 课题研究的主要内容与性能指标 1 3 1 研究的主要内容 本课题将以某倒u 形管道为研究对象，针对管道内径为a 1 5 m m 的微小型管道检测机 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论支 器人进行研究，设计了基于螺旋推进原理的微小型管道机器人，采用虚拟样机技术，对管 道机器人性能进行了分析和仿真研究。主要包括以下几部分的内容： 第一章对国内外采用不同移动机构的管道检测机器人的现状进行了调查研究，为本 课题的设计提供参考，并概括了本文的主要研究内容、意义及本课题所要研究的管道机器 人的主要性能指标 第二章针对所研究的管道机器人的主要性能指标进行具体分析，并与已有的设计方 案进行比较，确定采用基于螺旋推进原理的微小型管道机器人的解决方案，并建立起螺旋 推进的力学模型。 第三章利用虚拟样机技术，建立虚拟样机模型，在a d a m s 中对机器人的各参数进 行仿真分析与优化，得到机器人的最佳参数组合 第四章对0 1 5 m m 的微小型螺旋推进管道检测机器人进行机械结构设计首先通过 对不同弹簧机构布置方法的对比分析，最终采用弹簧呈正三角形环行布置方案；然后对机 器人的三大部件( 螺旋头、保持架、电机卸载结构) 进行了详细的设计 第五章分析螺旋推进管道机器人的运动性能包括几何与运动干涉条件及越障能 力，最后对螺旋推进管道机器人通过倒u 型管道时实际牵引力大小进行了验证 第六章对机器人的关键零部件进行有限元强度分析和模态分析，得到最大等效应 力、最大变形、各阶固有频率分别为机器人强度设计、机器人的末端位置精度补偿和机器 人调速系统避免共振提供参考数据 第七章总结与展望 1 3 2 主要性能指标 本课题研究的管道机器人主要技术指标如下： ( 1 ) 适应的管道直径为0 1 5 m m ，长度 g n ； ( 2 ) 在管道内的移动速度大于1 0 m m s ； ( 3 ) 能通过曲率半径5 0 m m ，总长为1 0 m 的倒u 型管道； ( 4 ) 能够搭载微型c c d 和无损检测传感器对管道内的裂纹和腐蚀缺陷等进行检测。 1 4 本章小结 本章主要介绍了课题的来源、研究背景及意义，调研了国内外微小型管道机器人的研 究现状，同时提出了本课题的研究内容和研究目标，以及要达到的主要性能指标 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章微小管道机器人移动方案设计 一个完整的管道检测移动机器人系统，应由行走机构、驱动部件、管道内部环境识别 检测系统、信号传递和动力传输系统及控制系统组成其中行走机构和驱动部件是管道检 测移动机器人的核心部分 2 1 管道机器人设计的基本要求 2 1 1 实现管内行走的基本条件 受管道形状、管内空间的影响，一般管道机器人欲在管内平稳、可靠的启停、行走， 必须满足以下几个基本条件 5 2 1 ： ( 1 ) 形封闭：机器人在管道中工作时，为了能够保持一定的姿态，不出现倾覆，扭 转等现象，这就要求管道对机器人施加的个封闭的形状约束 ( 2 ) 力封闭：移动机构在行走过程中，应具备支撑在管道内壁上而不失稳的能力， 即机器人的支撑机构受到管道的径向支反力而组成的一个封闭力多边形 从形封闭和力封闭的角度来分析行走机构至少需要三个对称支撑点，一般为了提高 姿态的稳定性，可以采用更多的支撑点 ( 3 ) 驱动行走：指行走机构具有主动驱使机构。 结合本课题实际情况，同时还要满足以下几个条件： ( 1 ) 结构简单； ( 2 ) 在满足检测和维修效率的前提下，微机器人应具有一定的运动速度； ( 3 ) 机器人在行走过程中应保持姿态稳定，有利于检测装置作业； ( 4 ) 机器入在管道内部可以实现水平方向前进后退，竖直方向上升和下降运动，以 便对管道进行全方位作业，具有快速检测和局部精检测功能； ( 5 ) 考虑搭载检测装置的需要，微机器人应具有一定的负载能力； ( 6 ) 机器人驱动方式应容易实现 2 1 2 移动机构及驱动器 移动机构及驱动器作为微小型管道机器人的移动载体，主要解决以下几个基本问题： ( 1 ) 移动机构及驱动方式的选择； ( 2 ) 大的牵引力和移动速度； ，( 3 ) 结构的微小化设计 移动机构的类型决定了管道机器人运动性能的好坏和控制方法的难易能否研制出新 颖的管道机器人也依赖于移动机构的研究成果移动机构主要有螺旋式、直进式、蠕动式、 冲击式外，还有摩擦差振动式、履带式等 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 驱动器同时也是一种能量转换装置，把电能、磁能、化学能转换成机器人移动机构所 需要的能量形式。驱动器的类型有：电机：气压、功能材料( 形状记忆合金、磁流变材料、 电流变材料) 、电磁铁、压电元件等。 2 1 3 操作方式的选择 不论管道机器人采用何种驱动器，其操作方式只有两种选择：有缆和无缆两大类 有缆操作方式以其安全可靠、简便易行、无射线污染等优点受到人们的青睐而被大量 采用对于有缆操作方式的机器人，在机器人进入管道内作业时，电缆与管道内壁将产生 滑动摩擦作用，当机器人行走距离达到一定程度，特别是当转弯较多时，线缆与管壁的摩 擦力会变得很大，甚至达到机器人的牵引力所不能克服的程度 无缆机器人的能源供给是自身携带电源，这样除了可靠性和耐久性等问题外，其体积 庞大也是管道机器人难以克服的问题管内作业机器人在管内进行检测、维修等作业时， 需要随时与外界进行联系，将传感器采集到的数据及有关管内环境的信息传递给控制台， 并接受操作人员的命令这种信息的传递若采用无线通讯，信号经过管壁等介质后衰减很 大，当管壁为金属时，由于电磁屏蔽作用，信号无法穿过管壁，且当管道周围电磁环境十 分恶劣时，将导致无线传输无法进行 针对上述分析，具体对本课题的所研究的微小型管道机器人而言，在目前比较现实的 方案还是采用有缆能源供给方式，同时尽量减少拖缆的线数，以减少拖缆的重量及与管道 内壁的摩擦力 2 2 不同移动方案的分析与比较 从国内外的研究现状来看，实现机器人在管道中行走的方式多种多样，按照实现的方 法分为以下几类： ( 1 ) 轮式驱动 轮式驱动机构结构简单，容易实现，行走效率高，能以一定的速度平稳地运动能够 适应管径在一定范围内变化，辅之于适当的结构，还可以实现在弯管中行走控制方便， 可以方便地和传感器集成轮式驱动机构有直进式( 即机器人的驱动头沿管轴方向作平 动) ，也有螺旋式( 即机器人的驱动头一边沿管轴向前运动，一边绕管轴转动) 不足之 处在于轮式机构的驱动力大小受封闭力大小限制，尺寸不易减小 ( 2 ) 蠕动式驱动 蠕动式驱动是基于仿生学原理，参考蚯蚵，毛虫等生物的运动而实现的首先，尾部 支撑，身体伸长带动头部向前运动；然后，头部支撑，身体收缩带动尾部向前运动，如此 循环实现机器入的行走蠕动式驱动的优点在于可适用管径及曲率的变化但是，蠕动式 机构运动是间歇式的，速度波动大，不容易实现和传感器的集成实现蠕动的方法复杂， 附带的元件多，如气动蠕动，就需要外接多根导气管 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 3 ) 压电冲击驱动 压电冲击是以压电晶体为驱动器压电晶体是利用了压电材料的逆压电效应，具有体 积小、能量效率高、响应速度快和分辨率高等优点，主要缺点为牵引力小这种行走机构 主要包括：压电驱动器、惯性体和支撑机构，利用惯性力和最大静摩擦力之间的动力学关 系来实现微小管道内行走 ( 4 ) 足式驱动 足式驱动具有最大的自由度，通过性最好但也有其突出的缺点，如控制复杂、鲁棒 性不好，机构复杂以及耗能太大 除了以上所提的三种驱动方式外，还有其它一些驱动方式。如s m a ( 形状记忆合金) 、 电磁力等 微小型管道机器人按功能原理和已实现的管道机器人方案总结如表2 1 和表2 - 2 所示 、 表2 - 1 管道机器人功能原理 箩动椭 量u 拉a 棚e 班腿螺旋仿生仿生仿生惯性振 执行器、 轮式履带 式推进蠕动波动游动冲击动 电磁式( 直线运动) a 。 气动式( f m a ) a 形状记忆合金( s m a ) a 压电式 aa 电机 aaaa 气动马达 a 注：“a ”为可实现 表2 - 2 已经实现的管道机器人 序号工作原理主要性能指标研制单位 l 压电执行器+ 惯 本体直径4 5 5 r a m ，长2 0 m m ，自重l g ，移动日本d e n s o 公 性冲击速度为6m m $ 最大牵；i 力0 2 5 n 司、上海大学 2 气动式+ 仿生蠕直径为巾2 0 m m 管内的灵活移动，移动速度为日本东京工业大 动2 2 m m s ，最大牵引力0 2 2 n 学 3 电磁式+ 仿生蠕其尺寸为夺1 5 3 0m m ，适用管径为4 , 2 0 r a m ，上海大学 动移动速度可达5 3 & 4 m m s ，最大牵引力4 5 n 4 形状记忆合金+直径4 2 0 m m ，9 0 m m 长，1 5 m m m i n ，最大牵上海大学 仿生蠕动引力3 n 5 电机+ 轮式适应管径：4 , 2 5 m m i 行走速度；1 0 m m s ；自日本东芝公司 重；1 6 9 ，最大牵引力7 s n 6 电机+ 螺旋式推4 ，2 2 x 2 5 0 m m ，含两个驱动单元和三个弹簧日牟糸尿l 3 z x 进牵引力6 5 n 学 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 3 移动方案的确定 根据本课题所要求的“大牵引力”兼“微型化”的特点，通过对国内外成熟方案的对 比，有两种设计方案可供选择；多节式串联汽缸蠕动式管道机器人和多节式串联电机螺旋 式驱动管道机器人。 2 3 1 汽缸蠕动式管道机器人 汽缸蠕动式结构由三部分组成，见图2 1 、图2 - 2 每个支撑机构和蠕动机构都由一个 微型汽缸驱动。三个汽缸由计算机控制，产生顺序动作：前支撑机构保持收缩、中问蠕动 机构伸张、后支撑机构保持支撑一前支撑机构支撑，中间蠕动机构保持伸张、后支撑机构 保持支撑一前支撑机构保持支撑、中间蠕动机构保持伸张、后支撑机构收缩一前支撑机构 保持支撑、中间蠕动机构收缩，后支撑机构保持收缩一前支撑机构保持支撑、中间蠕动机 构保持收缩，后支撑机构支撑一前支撑机构收缩，中间蠕动机构保持收缩、后支撑机构保 持支撑一前支撑机构保持收缩，中间蠕动机构伸张，后支撑机构保持支撑，这样周而复始、 蠕动前进 图2 1 汽缸蠕动式结构组成示意图 图2 - 2 汽缸蠕动式结构三维图 根据汽缸蠕动式管道机器人的运动方式，汽缸的伸缩频率和工作气压将决定机器人运 动速度和机器人的有效驱动能力根据管道直径，目前汽缸可选型号为s m cc j l b 4 - - 5 s u 4 1 3 0 1 ，其使用压力为5 k g f c m 2 ，活塞半径2 m m ，则驱动力f 为； f - - p x s - - 5 x 兀x 0 2 2 = o 6 2 s k g f - - 6 1 5 n 式中：卜汽缸工作压力；s 汽缸活塞面积 可见，驱动力较小，不满足微小型管道机器人的性能指标要求，方案不可行1 2 3 2 电机螺旋推进管道机器人 2 3 2 1 螺旋推进原理分析 微小型螺旋管道机器人采用三节式结构，即由三大部分组成：螺旋头、驱动电机和保 持机构，三部分之间为万向联结接头 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 螺旋头部分在圆周方向均匀分布着三组六个驱动轮，每组由前后两个驱动轮组成，并 且所有驱动轮轴线与管道轴线成一定的倾斜角0 保持机构同样也由三组六个导向轮在圆 周方向上均匀布置，每组也是由前后两个导向轮组成，并且所有导向轮的轴线与管道轴线 平行螺旋头上的驱动轮和保持机构上的导向轮在弹簧机构作用下紧压在管壁上当电机 通电时，电机轴通过万向节带动螺旋头旋转，使驱动轮沿管壁作螺旋运动，同时驱动电机 和保持机构在导向轮圆周向摩擦力的作用下不能旋转而只能沿管道轴线移动，这样实现整 个机器人在管道内的运动改变施加于电机的电流极性，可改变机器人的移动方向，从而 使机器人在管内进退自如其结构组成见图2 - 3 ，图2 - 4 。 图2 - 3i 旋式结构组成示意图 图2 - 4 螺旋式结构三维图 2 越2 螺旋推进管道机器人的受力分析 对管道检测机器人受力分析1 2 5 1 ，以管道机器人在垂直管道中上升时的情况为例进行说 明 当机器人的载荷达到最大时，螺旋头的驱动轮就达到了沿管道壁打滑的极限，此时对 机器人系统及单个驱动轮做受力分析，如图2 5 所示 图中： 卜啦子沿管壁螺旋方向的摩擦力； 粥动机器人的重量； 胪负载重量； 丑r 厂由于g 和矿引起机器人驱动轮沿管道壁周向滑动趋势的摩擦力； 研一由于g 和矿引起机器人驱动轮沿管道壁轴向滑动趋势的摩擦力； m 驱动轮受到管壁的径向支反力； 尬一导向轮受到管壁的径向支反力； t m - - 电机输出力矩； 局一导向轮的滚动摩擦阻力； 厅，乃，兄分别为驱动轮轴对驱动轮的支反力； 8 一驱动轮与管壁轴线的夹角； 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 抒一导向轮与管壁在圆周方向产生的最大静摩擦力 i 譬 图2 - 5 机器人系统及驱动轮受力图 假设三组驱动轮和三组导向轮的受力相同且均匀，得到机器人的下列各静平衡方程 取机器人整体为分析对象，在y 轴方向取合力，由e r = o 得： ， 6 , ：, s m o r + 6 r 一一6 i r g = 0 ( z 1 ) 取整个螺旋头为分析对象，对y 轴取合力矩，由m ( y ) = 0 得： r + 6 n l ：, c o s o “詈2 0 q 2 取单个驱动轮为分析对象，对轮心取合力矩，由e m ( o ) = 0 得： h y r s d n o + n l f r n x 触o + 叶l ，= 0 ( 2 3 ) 因为船和嘶为滑动摩擦力的两个分力，满足下列关系： ( 啉) 2 = ( ) 2 + ( ) 2 ( 2 4 ) 同旺机器人运动过程中导向轮与管壁的圆周向的静摩擦力产生的力矩需大于机器人 螺旋推进的力矩，否则，整个保持机构发生旋转而失效即由导向轮不发生相对管壁的滑 动有； 6 2 厶等乙 q 5 ) 式中： 矗滚动摩阻系数； 靠轮子与管壁的滑动摩擦系数 r 一驱动轮的半径； 峭道内径； 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 厶1 一轮与轮轴摩擦系数； ，一轮