（机械工程专业论文）微小管道机器人结构设计及动力学分析.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 微小管道机器人是微机器人研究领域的一个重要组成部分，它具有体积小、能耗低的 特点，能够进入一般机械系统无法进入的狭小空间内，完成检测和维修作业，在化学工业、 核工业及医学领域有着广泛的应用前景。 本文首先对现代微小管道检测机器人的国内外科研进展情况做了较为全面和详实的 介绍，指出了本课题的研究重要性和研究方向，为本课题的研究提供了参考。 针对课题要求，提出了丝杠螺母副传动的蠕动式微小管道机器人、凸轮组式传动的微 小管道机器人及直进轮式微小管道机器人三种总体设计方案，做了详细的静力学分析，计 算了驱动力和移动速度，从结构及性能上做了对比分析，最终选用了丝杠螺母副传动的蠕 动式微小管道机器人方案。 本文设计的微小管道机器人，采用三组直流电机与丝杠螺母传动装置，通过控制三组 电机顺序协调动作，实现了机器人的蠕动式前进。利用s o l i d w o r k s2 0 0 5 及a u t o c a d2 0 0 6 软件设计了全部的机械结构，并对主要的零件做了相关校核。设计的机器人总体尺寸为 0 1 3 x 1 9 0 m m ( 收缩状态) ，质量约1 0 0 9 。同时研究了机器人在竖直管道中驱动负载的情 况，以及支撑结构适应管径变化的力学调节特征。 最后利用a d a m s 动力学分析软件，对机构做了运动学和动力学仿真，通过仿真得到 了驱动力和移动速度与结构参数之间的关系数据曲线。仿真表明，机器人可以适应1 5 2 0 m m 的管道，通过优化分析，使机器人在竖直管道上升爬行时的驱动力达到2 8 n ，移动 速度达到6 m m s 。 主题词：微小机器人管道蠕动式虚拟样机 第1 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 t h ei n - p i p em i c r o - r o b o ti sa l li m p o r t a n tc o m p o s i o nd i v i s i o no ft h em i c r or o b o tr e s e a r c h r e a l m t h ei n - p i p em i c r o - r o b o t s ，c a p a b l eo fr e a c h i n gt on a r r o w n e s sa n dd a n g e r o u sa r e a s ，a r e c h a r a c t e r i z e db ys m a l ls i z e ，l o wp o w e rs u p p l y t h e yh a v et h ep r o s p e c tt ob ew i d e l yu s e di nt h e f i e l d so ft h ec h e m i c a le n g i n e e r i n g ，t h en u c l e a rp o w e rp l a n t ，t h em e d i c a lt r e a t m e n t a tf i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s g e n e r a l l ya n di n d e t a i lt h es t a t eo fr e s e a r c h i n ga n d d e v e l o p i n gi n - p i p em i c r o r o b o t f o rt h ep u r p o s eo fg i v i n gm eo r i e n t a t i o n ，e m b o d y i n gt h e i m p o r t a n c e ，r e s e a r c h i n gd i r e c t i o no ft h i sp r o b l e ma n dp r o v i d i n gr e f e r e n c ef o rt h er e s e a r c ho ft h i s t o p i c t h e n ，t h r e ed e s i g np r o p o s a l sa r ep r e s e n t e d f o r t h es u b j e c t ，w h i c h c o m p o s e t h e s c r e w d r i v e nd e s i g no fi n p i p em i c r o r o b o t t h ec a m d r i v e nd e s i g no fi n - p i p em i c r o r o b o ta n d t h ew h e e lm e c h a n i s md e s i g no fi n - p i p em i c r o r o b o t a l lt h es t a t i ca n a l y s e so ft h et h r e ep r o p o s a l s a r em a d e ，a n dt h ed r i v i n gf o r c ea n dm o v i n gv e l o c i t ya r ec a l c u l a t e d t h ef i r s tp r o p o s a lo f s c r e w - d r i v e nd e s i g ni n - p i p em i c r o - r o b o ti sc h o s e na f t e rc o m p a r i s o nf r o mt h es t r u c t u r ea n dt h e f u n c t i o n t h ei n p i p em i c r o r o b o tw ed e s i g n e dc o m p r i s e st h r e ed cm o t o r sa n ds c r e w d r i v e nu n i t s t h et h r e em o t o r sa r ec o o r d i n a t e dt or e a l i z et h ec r e e p i n gm o t i o n a l lm e c h a n i c a ld e s i g n sa r ed o n e a n ds t r e n g t hc a l c u l a t i o n sa r ec h e c k e dw i t ht h eh e l po fs o l i d w o r k s2 0 0 5a n da u t o c a d2 0 0 6 s o f t w a r e t h ed i a m e t e ro ft h er o b o ti s13 m ma n dt h el e n g t ho ft h er o b o ti s19 0 m m ( w h e ni th a s c o n t r a c t e d ) ，a n di tw e i g h t s10 0 9 t h el o a di sa n a l y z e df o rt h ec a s et h a tt h er o b o tc r e e p si na v e r t i c a lp i p e a n dt h em e c h a n i c a la d j u s t m e n tc h a r a c t e r i s t i cf o rt h ec l a w st oa d a p tt ot h ev a r y i n g p i p es i z ei sa l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e r a tl a s t ，w i t ht h eh e l po fa d a m ss o f t w a r e ，k i n e m a t i c a la n dd y n a m i c a ls i m u l a t i o n sa r e p r e s e n t e d ，w h i c hg i v et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed r i v i n gf o r c e ，t h em o v i n gv e l o c i t ya n d s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h er o b o t s i m u l a t i o n sa l s os h o wt h a tt h er o b o ti sa p p l i c a b l et op i p e s 、析t hd i a m e t e rr a n g i n gf r o m15t o2 0 m m t h ed r i v i n gf o r c er e a c h e su pt o2 8 na n dt h em o v i n g v e l o c i t y6 m m s k e yw o r d s ：m i c r o r o b o t ；p i p e l i n e ；c r e e p i n g ；v i r t u a lp r o t o t y p e 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表2 1 已经实现的管道机器人方案及性能指标1 2 表2 2 三种方案比较2 2 表3 1m a x o ne c 6 电机部分参数_ 2 5 表3 2 行星齿轮减速箱g p 6 部分参数2 5 表3 3国产电机部分参数2 5 表3 4 耐磨性校核参数表2 8 表3 5 丝杠强度校核参数表2 9 表3 6 螺母螺纹牙强度校核参数表2 9 表4 1 接触材料参数表3 8 表4 2 接触参数的选择一3 9 表4 3 对非线性弹簧指数印的实验结果4 2 表4 4 对刚度系数k 的实验结果4 3 表4 5对静摩擦系数磊的实验结果4 4 表4 6 驱动力优化结果。4 4 表4 7 影响速度参数的选择4 6 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院学1 1 i 7 ：论文 图目录 仿蚯蚓微机器人的单元结构与运动原理2 叠层压电执行器微机器人的外观与原理3 无线双压电微机器人3 针式驱动管内移动机器人的结构4 向心力驱动微机器人原型4 螺旋运动原理机构及其改进设计4 日本东芝管内检测微小型机器人5 仿蜘蛛管道机器人运动示意图5 s m a 驱动的微小机器人6 蠕动式微机器人i n c h w o r m 6 汽缸蠕动式移动机器人7 叠层压电执行器机器人和双压电晶片执行器机器人7 电磁式管内机器人8 细小工业管道机器人8 图2 1 蠕动式结构组成示意图1 3 图2 2 蠕动式结构三维图。1 3 图2 3 微型蠕动管道机器人的结构示意图1 3 图2 4 机器人一个周期运动状态及受力分析图1 4 图2 5 爪部受力分析图。1 5 图2 6 凸轮组传动式管道爬行机器人三维结构图1 7 图2 7 机构受力分析简图1 8 图2 8 行星车轮机构动力学传递示意图2 0 图2 9 单个驱动轮受力分析图2l 机器人单元体尺寸约束图2 3 机器人整体结构三维图2 4 样机实物照片2 4 支撑部件结构2 6 蠕动机构。2 6 保持架结构2 7 力卸载机构2 7 模块的串联扩展示意图2 8 第v 页 0 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 l l_iti，i，-i_1_，_，_，_ 图图图图图图图图图图图图图图 l 2 3 4 5 6 7 8 ，j ，j 3，j，j，、，j，j 图图图图图图图图 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 传统设计过程和虚拟样机设计流程比较3 3 a d a m s 仿真参数化模型3 5 i m p a c t 功能函数参数设置及f r i c t i o n 参数设置3 6 机器人虚拟模型通过u 形弯管仿真3 7 机器人直管中的驱动力测试模型3 9 静摩擦系数为0 3 时直管驱动力曲线3 9 静摩擦系数为0 5 时直管驱动力曲线4 0 弯管内测驱动力的a d a m s 模型l 4 0 静摩擦系数为o 3 时弯管驱动力测试曲线1 4 1 静摩擦系数为0 5 时弯管驱动力测试曲线1 4 l 弯管内测驱动力的a d a m s 模型2 4 l 静摩擦系数0 3 时弯管驱动力测试曲线2 4 2 静摩擦系数0 5 时弯管驱动力测试曲线2 4 2 非线性弹簧指数印对驱动力的影响4 3 刚度系数k 对驱动力的影响4 3 静摩擦系数对驱动力的影响4 4 驱动力优化分析4 4 机器人前段( 1 ) 和后段( 2 ) 位移曲线4 5 电机转速对机器人位移的影响4 5 第v 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：邀尘篁道扭墨厶结拉遮进区边左堂佥堑 学位论文作者签名： 量杰国9日期：0 7 年f1 月) 7 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： 邀尘篁道狃墨厶结捡遮j 土丞边左堂金盘 一 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期： 9 7 年f7 月2 罗日 日期：矽年i1 月巧日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论弟一早珀y 匕 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十一五武器装备预先研究项目。项目编号：5 1 3 1 8 0 2 0 3 1 0 。 1 1 2 课题研究背景及意义 在发电、制冷、炼油、化工等行业中，普遍使用大量直径不等的细小金属管道，这些 管道长期工作后会出现积垢、腐蚀、机械损伤、裂纹等缺陷，若不及时检测维修，就会造 成事故，后果不堪设想。由于空间窄小，甚至环境有毒有害，人工检查起来不仅劳动强度 大、难度大，而且还会带来许多危害。因此迫切需要寻求能够自动检查这些细小管道内部 缺陷的方法。 随着机器人技术的迅速发展，管道机器人作为特种机器人中的一个分支得到了迅速发 展。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仪一体化系统【l 捌。管道机器人可完成的作业 有生产、安装过程中的管内外质量检测；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；对埋地旧管道的修复；管 内外器材运送、抢救等其他用途。 微小管道机器人是国内外微型机器人研究的重点对象。它主要包括工业用管道微机器 人和入体管道微机器人两个领域。对于人类无法进入的危险或狭窄区域，如航天飞机、导 弹、核动力工厂、石油化工厂和热交换站等领域的大量微细管道，十分需要可以应用于管 道内探伤、维护和维修的微机器人。 因此，微小管道机器入在细小管道检测方面具有良好的应用前景。 1 2 管道机器人的发展状况 自上世纪8 0 年代以来，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。但对内径尺寸在2 0 m m 以下的细 小管道、特殊管道( 如变径管道、u 形管、t 形管及l 形管) 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t 3 - 6 】。近几年，国内外提出了惯性冲击【弘1 1 】、轮 式驱动【1 2 - 1 6 1 、仿生蠕动 1 9 1 、螺旋推进 2 0 - 2 5 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，在实际工程中被广泛应用的变径管道、u 形管 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 道的检测机器人还处在试验开发阶段，通用性也很差。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，r 本、美国、德国等发达国家已走在世界的前列， 其中以同本最为活跃。其中最为代表性的如下面的几种。 1 2 1 1 基于蚯蚓原理的微小型机器人 1 9 9 4 年，日本东京工业大学的1 w a oh a y a s h i 等根据蚯蚓蠕动原理开发出了一种蠕动式 管道微机器人1 2 6 1 ，如图1 1 所示。它采用气压驱动柔性微执行器( f m a ，f l e x i b l em i c r o a c t u a t o r ) ，整个机器人由三节单元组成，每一单元有一个f m a 和四个铰链。f m a 采用 橡胶驱动器，由压缩气体提供动力，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 。这种 结构的缺点是牵引力和移动速度都不高。 m o v i n gl a ) d i r e c t i o n l ( ” 童 l c ) ( a ) 单元结构( b ) 运动原理 图1 1 仿蚯蚓微机器人的单元结构与运动原理 1 2 1 2 惯性冲击式压电陶瓷驱动微小型机器人 1 9 9 5 年，日本d e n s o 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， 如图1 2 所示r 7 1 。机器人的直径仅为5 5 m m ，长2 0 m m ，自重仅1 5 9 ，适用于8 m m 管径( 包 括弯管) ，移动速度为l o m m s 。它由6 0 9 m 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，一个质量 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、动态响应频带宽和速度快的优点。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。优点是动态响应快、移动速度快。 压电执行器微型管道机器入由支撑爪弹性支撑，通过压电晶体单元连接一个惯性质量 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，惯性质量块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。 第2 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 _ i | | | “_ ：镧赫蠢陵 审t o t h e r 喀h l 肇d n v c 舭d - f t ( a ) 叠层压电执行器微机器人的外观 ( b ) 运动原理 图1 2 叠层压电执行器微机器人的外观与原理 19 9 9 年，f _ = 1 本d e n s o 公司的n o b u a k ik a w a h a r a 、t 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 8 , 9 1 ，如图1 3 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 万象素镜头，集成到直径为9 2 m m 摄像头中。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采用叠层压电 执行器位移更大、需要的驱动力更小，改进型的移动速度是前一种的2 5 倍，而功耗却只 是原来的1 8 0 。另外，d e n s o 公司还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 3 无线双压电微机器人 1 2 1 3 压电针形振动微小型机器人 1 9 9 4 年，同本m e i t e c 公司研制出用压电晶片作驱动器的管道微小机器人【27 i ，如图 1 4 所示。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 和贴在板两面均御的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，从而使针形腿的术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。该机器人长 4 9 m m ，重3 5 9 ，能量及信息以有线方式传送，可在直径为3 6 m m 的管内前进、后退、旋转 及螺旋移动，以2 5 v 电压驱动时，最大速度可达2 0 0 m m s ，最大驱动力为0 5 9 n 。这种驱 动方式的优点是移动速度快，缺点是驱动力不足。 第3 页 藩潼 国防科学技术人学研究生院。、何论文 甘朦删瑚曩 蚓1 4 针式驱动管内移动机器人的结构 1 2 1 4向心力驱动微小型机器人 同本东京工学院研制的向心力驱动微机器人，如图1 5 所示。机器人采用向心力驱 动，两个具有偏心重块的无芯电机产生向心力传递到弹性刷( 胁e rb r u s h ) 仁，最终产生驱动 力。机器人尺寸为4 5 1 0 7 2 8 m m 。实验表明具有良好的高速性能，可达0 2 m s 。 t 离b o ev i - ( a ) 届l j 状运动原理 ( b ) 实物照片 图1 5向心力驱动微机器人原型 1 2 1 5 轮式驱动微小型机器人 1 9 9 4 年，东京t 业大学丌发出了基于螺旋轮式运动原理微机器人【2 0 1 ，如图1 6 所示。 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，己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，产牛预压力。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j ：使微机器人运动。该机器人可带上微 型c c d 摄像机可用于细小工业管道的检测工作。该微机器人适应0 2 7 m m 内径管道及 2 0 0 m m 转弯半径。最大速度2 6 0 m m s ，牵引力1 2 n 。螺旋轮式驱动的优点是牵引力及移动 速度都比较大，但是尺寸不易进一步缩小。 y l j ( a ) 螺旋运动机理( b ) 螺旋头结构 图1 6螺旋运动原理机构及其改进设计 第4 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 1 9 9 9 年，同本东芝公司的k i o c h is u z u m o r i 等研制了一台轮式管内移动机器人1 2 引，如图 1 7 所示。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。该机器人尺寸0 2 3 11 0 m m ，可适应0 2 5 m m 的管径，自重1 6 9 ，行走速度6 m m s ，驱 动力1 n ，采用多轮驱动以增加牵引力。由于轮径太小，越障能力有限，而且结构复杂。 图1 7日本东芝管内检测微小型机器人 1 2 1 6 仿蜘蛛爬行微小型机器人 德国西门子公司研制出可在管道罩爬行的仿蜘蛛管道机器人1 2 圳。该机器人在爬行过程 中用脚撑住管壁，因此它可以在任意形状的管道内运动。它不仅适合在水平管道中运动， 在垂直管道中机器人的腿也能支撑起身体的重量并自由行走。其运动仿真如图1 8 所示。 整个管道蜘蛛机器人由1 6 个微型伺服电机驱动。伺服电机的最大扭矩为9 5 n c m ，自重 1 3 k g 。该机器人可以在管径为0 8 0 - - 一3 0 0 m m 的管道中行走，最大移动速度0 3 r n s ，最大 可带动7 0 0 9 负载，机器人每条腿的小腿末端都覆盖有触觉传感器薄膜，来测量小腿与管 壁接触处压力的大小和方向。多腿结构可适应复杂管道，但是结构及控制都比较复杂，且 驱动力不足。 图1 8 仿蜘蛛管道机器人运动示意图 1 2 1 7 蠕动式微小型管道机器人 同本名古屋大学研制出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2 1 m m ，可用于检测和生物医学研究p 。 法国b e s a n c o n 自动化实验室研制了一种可以在直径为1 0 m m 管道内移动的微型管内机 器人【3 ，结构如图1 9 所示。机器人采用形状记忆合金( s m a ，s h a p em e m o r ya l l o y ) 驱动， 在直管中移动速度为1 m r n s 。这种结构的缺点是驱动移动速度比较低，牵引力也不足。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 9s m a 驱动的微小机器人 法国a n t h i e r e n s 等人研制的适用于内径为1 6 m m 管道的蠕动机器人1 3 引，微机器人如图 1 1 0 所示，它由两部分组成：其中一个是支持体，另一个是伸长体。前部的丝杠螺母副使 得三条支撑腿支撑在管壁上；后部的活塞系统利用气压使三条腿产生移动。驱动器是金属 波纹管。微机器人最大移动速度为5 m m s ，负载可达2 0 n 。这种微机器人有很高的运动精 度( 1 0 9 m ) ，负载大，但是运动速度较慢且结构复杂。 1 2 2 国内发展状况 图1 1 0 蠕动式微机器人i n c h w o r m 国内的研究起步较晚，但在国家8 6 3 计划和自然科学基金委的资助下，以上海大学、 哈尔滨工业大学、上海交通大学、广东工学院等为代表的院校，开展了卓有成效的工作， 取得了一系列成果。 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 ) 【3 3 】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 1 4 m m s ，垂直管道 内移动速度 1 0 m m s t 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。 上海交通大学研制的小1 2 1 径管道内蠕动式移动机器人【3 4 】，如图1 1 1 所示，它是模仿昆 虫在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1 、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。 机器人整体尺寸5 2 2 4 x 3 2 8 m m ，牵引力可达5 0 n ，可越过4 5 m m 高的凸台，也可在一5 0 + 5 0 的锥度管内行走。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 11 汽缸蠕动式移动机器人 上海交通大学的颜国正等在国家8 6 3 计划和国家自然科学基金委的资助下，开展管内 移动微小型机器人方面的研究。研制出了多关节电磁蠕动机器人1 3 引，微小型压电驱动惯性 冲击式机器人，以及微小型电磁驱动惯性冲击式机器人。其中电磁蠕动机器人由三个驱动 单元件、弹性密封膜、前舱组成，其尺寸为t 1 ) 7 x 6 0 m m ，重5 9 。驱动器采用动圈式结构， 由导磁套筒、永久磁体、导磁端盖、导磁壳体构成。机器人的驱动器各节之间用万向节相 连以增加其柔性。可携带光学成像、传像、内部照明装置自动进入微小管道，实现对管内 表面状况的成像和图像传输。 上海大学对两种压电执行器机器人进行了研究l l ，叠层压电执行器( s t a c k e dp z t a c t u a t o r ) 机器人，如图1 1 2 所示。机器人适于管道内径为1 0 m m 的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 ，其尺寸为m 9 8 x 2 2 m m ，0 - - 9 0 0 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，适于管道内径为2 0 m m 的水平、竖直 或弯管的管内检测。竖直管上下移动速度分别为4 - - 一6 m m s 、1 7 - - 2 2 m m s 。 ( a ) 叠层压电执行器机器人( b ) 双压电晶片执行器机器人 图1 1 2 叠层压电执行器机器人和双压电晶片执行器机器人 上海大学对电磁式管内微小移动机构进行了研裂3 6 。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，并与管壁呈一定的角度p 。如图1 1 3 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。其尺寸为西1 5 x 3 0m i l l ，可实现0 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 - - 一8 4 m m s ，垂直方向的移动速度达到4 1 - - 6 6 m m s 。 第7 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 触l i n t 图1 1 3 电磁式管内机器人 上海大学研制的“细小工业管道机器人移动探测器集成系统”包含：2 0 m m 内径的垂 直排列工业管道中的机器人机构和控制技术( 包括螺旋轮移动机构、行星轮移动机构和压 电片驱动移动机构等) 、机器人管内位置检测技术、涡流检测和视频检测应用技术，在此 基础上构成管内自动探测机器人系统。该系统可实现2 0 m m 管道内裂纹和缺陷的移动探 测。其中螺旋轮移动机构管道机器人适应管径0 3 8 m m ，水平行走平均速度4 m m s ，最大 牵引力4 n 左右1 2 引，如图1 1 4 所示。 、 ( a ) 细小1 ：业管道机器人实物照片( b ) 细小ib l k 管道机器人系统构成图 图1 1 4 细小f ：业管道机器人 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 3 7 - 4 1 1 。其中适应 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。 1 9 9 9 年，广东工业大学程良伦、杨宜民等研制一种电磁力驱动的蠕动式微小管道机器 人【4 引，该机器人由前磁腿、机器人主体、后磁腿、软连接组织和驱动弹簧等构成，适合在 直径为1 5 2 0 m m 的管道内运动，头部可携带微型c c d 或微小操作工具。最高速度2 0 m m s ， 牵引力大于0 5 n 。 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 本课题针对管道内径为1 5 2 0 m m 的微小管道检测机器人进行研究，设计了基于蠕动 式原理的微小管道机器人，采用虚拟样机技术，对管道机器人性能进行了建模和仿真分析 研究。主要包括以下几部分的内容： 第8 页 4鼾脚删羊1_一静量辞，v础睡j 荆翮 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章对国内外采用不同移动机构的微小管道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微小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，提出了三种设计方案，并分别详细阐述了各个方案的运动机理，计算了 驱动力及移动速度，通过对结构及性能的对比，最终采用了基于蠕动式原理的微小管道机 器人的方案。 第三章利用a u t o c a d2 0 0 6 及s o l i d w o r k s2 0 0 5 软件对蠕动式微小管道机器人进行了 机械结构设计，对机器人的四大部件( 支撑机构、保持机构、蠕动机构及力卸载结构) 做 了具体的设计。并对主要零部件做了相关校核。 第四章对系统进行了运动学及动力学分析，利用虚拟样机技术，在a d a m s 中建立 了虚拟样机模型，测试了样机的驱动力和移动速度，并分别就影响机器人性能的各个参数 做了仿真分析与优化，通过优化设计，提高了机器人的性能。 第五章对全文工作做了总结和对今后应当继续深入研究的工作做了展望。 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 ) 适应的管道尺寸为1 5 2 0 m m ，机器人本体长度不大于2 0 0 m m ，驱动力不小于 l k g f , ( 2 ) 在管道内的移动速度不低于5 m m s ： ( 3 ) 能通过曲率半径大于8 0 m m 的弯管，一次性检测长度不小于1 0 m ： ( 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。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章微型管道机器人总体方案设计 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m ，4 7 1 。 2 1 微小管道机器人的设计要求 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l 4 4 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一个封闭的形状约束。 ( 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， 即管壁对机器人提供一定的附着力。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。 结合本课题的实际情况，为使机器人在管道内平稳运行，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： ( 4 ) 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； ( 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 ) 机器人驱动方式能比较容易实现。 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 ) 结构的微小化设计； ( 3 ) 大的牵引力和移动速度。 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 颖的管道机器入也依赖于移动机构的研究成果。已经研制的移动机构按照运动原理分主要 有惯性冲击式、蠕动式、直进轮式、螺旋轮式、摩擦差振动式、履带式等。 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 第l o 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 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。 由于电机使用广泛，且输出控制性能良好，而微型直流电机具有尺寸小，启动惯量小， 力矩输出大的优点，故采用微型直流电机作为驱动器。 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 4 3 j 。 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，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和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 几种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 ) 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、晌应速度快和分辨率高等优点，压电冲击驱动的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。 ( 2 ) 蠕动式驱动 蠕动式驱动是基于仿生学原理，参考蚯蚓、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：其次，头部支撑，身体收缩带动尾部向前运动，如此 循环实现机器人的行走。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11 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 3 ) 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，同时 能够适应管径在一定范围内的变化，辅之于适当的结构，还可以实现在弯管中行走，而且 控制方便，可以方便地和传感器集成。轮式驱动机构有直进轮式( 即机器人的驱动头沿管 轴方向作平动) ，也