（机械工程专业论文）管道内蠕动进给机器人的设计.pdf

摘要 本文根据轮式管道机器人和蠕动式管道机器人的优缺点，提出了一种具有两者优点 的新型的蠕动进给的管道机器人；该蠕动进给的管道机器人采用步进电机带动丝杠来驱 动机器人，实现其在管道中的蠕动迸给，这使蠕动机器人的运行速度很快；该蠕动机器 人由三大部分组成，每个部分都有变径机构，具有管径自适应能力，并且对机器人具有 支撑扶正作用，保证蠕动机器人能够稳定地在比较大的管径范围的管道中实现蠕动进 给；该蠕动机器人的三大部分通过万向节连接在一起，并且采用柔性丝杠，保证机器人 能在管道弯道处顺利地通过；步进电机的使用，使得管道机器人的控制非常精确并且简 单，不需要传感器，这大大降低了机器人的成本和质量；该管道内蠕动进给机器人具有 运行速度快，运行稳定，越障能力强，变径范围大，弯道通过性好等优点。 关键词：蠕动进给管道机器人，管径自适应能力，形状记忆合金( s m a ) d e s i g no ft h ew o r m i n gf e e dr o b o ti nt h ep i p e z h a n gd a o y i ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i uy o n g h o n g a b s t r a c t i nt h i sp a p e rb a s e do nt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fw h e e l e dr o b o ta n dw o r m i n g r o b o ti nt h ep i p e ，an e ww o r m i n gf e e dr o b o ti nt h ep i p ei nt h ep i p ei sp r e s e n t e dw i t hb o t h a d v a n t a g e s t h en e ww o r m i n gf e e dr o b o ti sd r i v e db ys t e pm o t o ra n ds c r e wr o d t h i sm a k e s t h et h ew o r m i n gr o b o tl u l lq u i c k l y t h i sn e ww o r m i n gf e e dr o b o ti sc o m p o s e do ft h r e em a j o r p a r t sw h i c ha l lh a v ep i p e - d i a m e t e ra d a p t i v em e c h a n i s m ，a n dt h e s em e c h a n i s m sm a k et h e r o b o ta d a p td i f f e r e n tp i p e - d i a m e t e ri naw i d er a n g e b e s i d e s ，t h e s em e c h a n i s m sc a nm a k et h e c e n t r a la x i so ft h er o b o to v e r l a pt h ec e n t r a la x i so fp i p e ，s ot h en e ww o r m i n gf e e dr o b o tc a n r u ni nt h ep i p es t e a d i l y t h et h r e em a j o rp a r t so ft h er o b o ti sc o n n e c t e db yt w oc r o s s h e a d ss o t h a ti tc a nt r a v e li nt h ee l b o w s t e pm o t o rc a nc o n t r o lt h er o b o ta c c u r a t e l yw i t h o u tt h es e n s o r s ， a n di tc a nd e c r e a s et h ec o s ta n dt h ew e i g h to ft h ew o r m i n gf e e dr o b o t t h ew o r m i n gf e e d r o b o th a sal o to fa d v a n t a g e s ，s u c ha sm o v i n gf a s ta n ds t e a d i l y , b i gr a n g eo fp i p e d i a m e t e r , g o o dt r a v e l i n gc a p a b i l i t yi ne l b o w a n ds oo n k e yw o r d s ：w o r m i n gf e e dr o b o ti nt h ep i p e ，a c t i v ep i p e d i a m e t e ra d a p t a b i l i t y , s h a p e m e m o r ya l l o y ( s m a ) 关于学位论文的独创性声明 郑重声明：本人在指导教师的指导下独立进行研究工作，认真钻研，独立地完成了 论文，论文中涉及的有关资料和数据没有胡编乱造是实事求是的。除文中已经加以标注 和致谢外，其他人已经发表或撰写的研究成果本论文没有直接引用，本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料也不包含在本 论文。对其他同志在我的研究工作中所做的任何帮助均已作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：熊 学位论文使用授权书 日期：2 o l o 年- 6 月ff 日 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文，包括但不限于其印刷版 和电子版，学校可以按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，保留学位论文，允 许学位论文被查阅、借阅和复印，可以以学术交流为目的赠送和交换学位论文，也可将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，还可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：登堡望 指导教师签名： 司= f 垒 日期：劢d 年月f 1 日 日期：砷年莎月i 日 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 1 1 课题提出的目的和意义 第1 章绪论 管道作为一种快速有效的物料输送手段，在一般工业、石油天然气、油料、军事装 备特别是新式武器装备等领域中得到了广泛应用，但管道泄漏的事故时常发生，泄漏的 原因：主要是其工作环境非常恶劣，比较容易发生腐蚀、疲劳破坏，使管道内部潜在的 缺陷发展成破损等引起的。为防止发生泄漏事故，同时提高管道的寿命，必须定期地检 修和维护这些管道，但是管道所处的工作环境往往是人手不及或人力所限的，检查维修 难度很大，而管道机器人的出现和快速发展，正好可以解决这个难题，可以高效准确地 对管道进行检测维护。目前关于地下管道的质检，常采用工程量十分巨大的“开挖 式 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，并且往往会妨碍道路交通。因此开发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机器人发展的一个必然方向【l 】。在管道维护过程中，为了避 免挖掘、报废等情况的出现以及高效准确完成管道检测和维护任务，管道机器人应运而 生并逐渐发展起来。目前，管道机器人已经广泛应用于管道的焊接、维修和探伤等多个 领域【2 卅。 各种类型的管道在石油工业中得到广泛应用，包括油田内部集输管道、注水管道、 油气长距离输送管道、供水管道、石化工厂中传递各种介质的管道。由于输送的物料和 外部环境的双重影响会对这些管道产生腐蚀、结垢、裂纹、穿孔等导致管道失效，特别 在长期使用过程中会影响更明显。我国油气管道建设年代比较久远，许多都是六、七十 年代建设的，至今已使用4 0 多年，管道正面临着进入中老龄期，处于事故多发阶段， 因此对油气管道的检测和评价的需求已日趋迫切。 近些年我国经济又好又快发展，社会对埋地管道的需求量越来越大，要求也越来越 高，我国在未来的一二十年内，埋地管道将快速发展，进入建设和发展的高峰期。世界 上的工业发达国家鉴于埋地管道具有泄漏和爆炸等危险，都颁布了相关的法律法规，规 范了对埋地管道的设计、施工焊接、运行等过程的严格控制，确保埋地管道的运行安全， 确保不出现事故。近年来，由于我国在压力管道安全管理方面起步较晚，技术、管理、 维修等方面跟不上，造成泄漏与爆炸事故经常发生，严重威胁到人身安全并且污染环境， 第1 章绪论 因此在我们国家，提高压力管道的检测和维修技术，确保压力管道的安全有效运行，具 有更加重大的意义。而成为国内外研究热点【5 1 的管道机器人，已经作为一种有效而可靠 的管道检测工具，得到越来越多人的重视。 管道机器人是集驱动技术、传感器技术、控制技术以及信号处理技术与一体，可携 带操作机械沿着管道的内部或者外部行走并在计算机自动控制或者人员操作下进行管 道作业的机电一体化设备【6 - 9 。管道机器人属于特种机器人的研究范畴，它在管道内这 个特定的极限环境中作业，作业时，它携带各种检测仪器和作业装置，在操作人员的遥 控或计算机的自动控制下完成管道的检测及维修作业，检测作业项目包括防腐后状况， 对接管道焊缝质量，管道内腐蚀程度，管道壁厚，防腐层厚度，管道壁厚，管壁缺陷等； 维修项目包括清扫、补口、焊接等。实践己经证明随着管道机器人技术的发展，其应用 将会越来越广泛。 1 2 国内外管道机器人的发展现状 自从1 9 5 9 年美国的英格伯格和德沃尔研制出世界上第一台工业机器人以来，经过 四十多年的发展，管道机器人技术得到了迅猛发展【l o ，1 1 】并广泛应用于生产生活的各个 领域，如汽车制造、消防救灾、海洋探索以及炼油化工等【1 2 1 4 】。目前，工业机器人技术 及其产品的更新速度迅猛，已经成为现代制造系统中最为重要的自动化工具之一【”】。 轮式( 自驱动) 姐 乃州m y 俨 蠕动式( 自驱动) - 6 乃多0 y 、 爬行式( 自驱动) 八 h主 叫 脚式( 自驱动) 图1 - 1 机器人的行走方式示意图 f i g1 - 1 s k e t c hm a po ft h ew a l kw a yo fr o b o t 国内外管道机器人的研究成果目前已经很多，特别是国外开展研究的比较早，成果 也比较多，但是检测维修微小管道、特殊管道( 如带有u 型管的管道、变径管道) 的研究 2 中国石油大学( 华东) 7 - 程硕士学位论文 还刚起步，由于该类管道在各个领域的应用非常广泛，因此研发该类机器人极具吸引力。 管道机器人的种类日益增多，工作领域也在不断扩展，按照驱动方式可分为电机驱动、 压电驱动、记忆合金驱动、液压驱动、气压驱动、电磁驱动等；按照行走方式可分为轮 式、履带式、蠕动式、振动式等几种【1 6 q s ，不同行走方式如图1 1 所示。 我国从八、九十年代就开始对管内移动机器人技术进行研究，哈尔滨工业大学、大 庆石油管理局、上海交通大学、胜利油田、中国科学院沈阳自动化研究所、中原油田等 单位都进行了这方面的研究工作。对管内行走机构进行深入研究的是哈尔滨工业大学的 邓宗全等人于1 9 8 7 年起就开始了，并研制了“平面四点支撑的r i p r 型管内移动机器 人实验样机和螺旋驱动式管内移动机器人实验样机。随后他们又通过结合国家8 6 3 计 划中的5 1 2 主题“管内作业机器人产业化开发”项目，研制出了6 6 0 野外大直径管道x 射线探伤机器人以及8 9 管内补口机器人”。国家重点工程“陕京 天然气管线工程中 已实际应用了“6 6 0 野外大直径管道x 射线探伤机器人”。1 9 9 7 年1 0 月研制出的航空输 油管内喷涂机器人，也在浦东机场工程中得到了应用。“蠕动式管内移动机器人 实验 样机被哈尔滨工业大学的于殴勇、张永顺等人研制成功。上海大学钱晋武等研制了基于 螺旋轮移动机构的小口径管内机器人。该机器人具有自适应能力强、驱动力大、移动速 度快、控制方便等优点，具有良好的应用前景【l9 】。东华大学谢文彬等开发了基于两电机 驱动的螺旋轮式管道检测机器人。该机器人采用三节结构，节省了轴向空间，增加了驱 动力以及转弯时的灵活性【2 0 1 。履带式管道机器人由于具有良好的自复位和越障能力也得 到了很大的发展，天津大学基于积木式快速变宽结构研制出了履带式管道机器人【2 1 1 。上 海交通大学的吕恬生等研制了t 卜i 型履带机器人。该机器人具有两套控制系统，能够 适应不同的控制需求【2 2 1 。东北大学的赵丽娟等采用形状记忆合金( s m a ) 和钢丝弹簧研 制了一种蛇形机器人，具有结构简单、控制方面、运动灵活的特点1 2 3 1 。同年，中科院沈 阳自动化研究所采用模块化和可变结构的设计思路开发了一种蛇形机器人。它具有自动 识别地面环境的功能，可以采取多种步态完成在硬地、沙土和软土中的爬行动作。此外， 该机器人还能够跨越5 c m 的障碍物。2 0 0 4 年，广东工业大学李锻能等人研制了新型无 缆管道机器人自身携带动力转换装置及发电机【2 钔，并利用流体自身能量来运动和工作， 可实现快速行走、调速、调节转弯及发电等的要求。2 0 0 5 年上海大学研制成功一种新型 微型管道机器人【2 5 1 ，它基于正弦波动驱动机理避免了多台电机在驱动和布置上的麻烦， 只需一个电机即可驱动多足的爬行运动，为细长仿生机器人开发提供了一个新思路。 国内一些科研院所和有关单位研究与开发了与“管内作业装置”有关的多个项目， 第1 章绪论 作出了具有一定意义的工作，起到了很好的引导作用，它们是： ( 1 ) 上海交通大学对“管内移动装置行走机构研究”进行了探讨； ( 2 ) 中原油田研制出常温固化液态涂料的补口机，能够对埋地钢质管道( 适用于直 径5 2 9 m m 6 3 0 r a m ) 的内环焊缝区域进行喷涂； ( 3 ) 胜利油田研制出了s l 1 型钢质管道内涂层检测补涂机( 适用于2 1 9 m m 6 3 0 r a m 管道) ： ( 4 ) 吉林省模具厂和大庆油建科研所联合研制出了小1 2 1 径管道补1 ：3 机( 适用于管道 直径1 1 4 r a m ) 。 总体来看，我国管内机器人的研制和应用已经有了一定的基础，但仍处于起步阶段。 随着核工业、化学工业的发展，迫使人们研究管道机器人对这些严劣环境下的管道、 罐状容器进行检测，维修，这在一定程度上刺激了管内机器人的发展。然而，管道机器 人的迅速发展时期还是始于8 0 年代初。这是由计算机、传感器、检测技术、现代控制 理论技术的发展，为管道机器人的研究应用提供了技术保证，使应用管内机器人进行检 测，维修的手段成为现实，因此人们对各种管道机器人的行走机理、行走方式进行了大 量的研究和探索，并取得了可喜的成果。 管道机器人研究方面，日本、美国、英国、德国、法国等走在了世界的前列，进行 了大量的科学研究和实践探索。尤其是日本，研究出了多种管道内行走机构，使日本的 管道机器人技术处于世晃领先水平。日本a d e k 株式会社采用液压驱动的方式，研制了 一种驱动功率较大的大口径管内检测机器人系统。该系统主要用于海底管道的内部检 查，提供管道内状况的图像信息。1 9 8 6 年，福田敏男、细贝英夫研制了可以通过”l ”型 弯管的移动机器人，它实现了两台电机完成三种运动的功能。1 9 9 7 年，东芝公司研制了 一台轮式机器人，它可以利用微型摄像头对管道内的异物进行分辨并使用机械手进行局 部清理。东京工业大学开发出基于螺旋轮式运动原理微型机器人，它是将摩擦轮倾斜一 定角度安装并在外力作用下沿管壁做螺旋运动来提高机器人的运行速度、承载能力以及 对管壁的自适应性。东京工业大学广濑茂男采用防水设计研制了一种蛇形机器人，此机 器人可以实现远程遥控、翻越障碍、捕捉图像等功能。日本d e n s o 公司利用压电驱动 开发的微型管道机器人突破了传统的有线驱动方式。机器人尾部安装有微波模块，主要 实现机器人的无线通信和提供微波能量。西门子公司开发了仿蜘蛛机器人，可以在水平 和竖直管道中爬行。日本关西电力株式会社研制的履带式海水管道机器人沿径向分布， 可以在水平和竖直管道内行走【2 6 】。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 经过四十多年的发展，国内外机器人的发展呈现以下趋势： ( 1 ) 机器人的整机性能不断提升( 精度高、速度快、可靠性好、易于操作和管理) ， 而价格却在不断降低。 ( 2 ) 模块化和可重构性是机械结构发展的一大方向。如用关节模块和连杆模块可 以重构机器人整机模型；国外也已经有模块化的产品问世。 ( 3 ) 基于p c 的开放式控制系统设计，便于形成产品的标准化和网络控制；部件的 集成度日益提高且大多采用模块式结构；系统的可靠性、操作性和可维护性要求大幅度 提高。 ( 4 ) 传感器的作用日益突出。除了使用传统的位置传感器、速度传感器和加速度 传感器外，机器人也在不断融合视觉传感器、声觉传感器、力觉传感器和触觉传感器等 多种其他传感器进行决策控制。 ( 5 ) 虚拟显示技术推动着机器人的不断发展。虚拟现实技术已应用到机器人的过 程控制当中。 ( 6 ) 人机交互控制。遥控机器人不同于传统的工业机器人，区别在于操作者和机 器人之间的信息交流，局部的自主管理加远程遥控就构成了完整的操作系统。 ( 7 ) 计算机技术的迅速发展，传统的机械结构也发生了重大革命。自从1 9 9 4 年美 国g & l 公司开发出了第1 台虚拟轴机床以来，该技术就成为了国际研究的一大热点。 随着机器人的发展，以工业机器人为主的生产线大大提高了企业的劳动生产率，并 且提高了产品的质量和性能，缩短了产品的研发周期。机器人已使传统的工业生产发生 了根本性的变化。机器人的出现使人类的生产方式发生了全新的改变，从手工作业、机 械化、自动化跨入了智能化。目前，机器人已越来越广泛地应用于工业、农业、社会服 务业，并且在海洋开发、宇宙空间、地下矿藏、军事作战、抢险救灾等领域也有新的应 用，以代替人类在特殊的环境下进行工作，这将极大地扩展人类的生产活动范围，大大 提高人类创造性和劳动能力。 13 各种管道机器人的优缺点 由于轮式行走具有结构简单，行走连续平稳、速度快、可靠性高、行走效率高等诸 多优点，目前已开发出的管道机器人大多为轮式，也是实际工程中使用最多的一种方式。 轮式移动机器人的驱动轮要靠弹簧力，液压和气动力，磁性力等压紧在管道内壁上以支 承机器人本体并产生一定的正压力，这样轮式移动机器人就具备了行走的基本条件，我 第1 章绪论 们将使机器人行走轮压紧在管壁上的力叫封闭力，驱动其中某一个或几个轮子转动，由 驱动轮和管壁之间的附着力产生机器人前后行走的驱动力，以实现机器人的移动，这是 轮式管内移动机器人行走的基本原n 2 7 , 2 8 】。 履带式管内移动机器人由许多优点可以借鉴，但其结构复杂，不易小型化，转弯性 能差，因此实际应用中大多用于中大口径的管道机器人载体上，履带式管内移动机器人 有效地解决了驱动力正压力摩擦力之间的矛盾，是一种在恶劣环境下有效的行走方式 2 9 - 3 h o 有了轮式和履带式管内机器人，人们在寻找新的管内行走方式上继续探索新颖的结 构，观察蚯蚓、毛虫等洞穴生活的动物可以发现，他们是通过身体的伸缩( 蠕动) 运动 的，尾部支承，身体伸长带动头部向前运动，然后，头部支承，身体收缩，带动尾部向 前运动，这种运动循环下去，实现在洞穴内行走，利用与之类似的原理人们制造出蠕动 式管内移动机器入3 2 确】，如日本日立制作所研制出了一种蠕动式管内移动机器人。 通过分析总结了各种管道机器人的优缺点。一是轮式管道机器人：结构比较简单， 速度比较快，牵引力大，承载能力比较强，容易设计与制造。但是管道中有障碍物的时 候，通过能力较弱，其牵引力的提高受到封闭力大小的限制，并且其驱动轮作为动力来 源，靠与管道壁的摩擦来运动，对管道壁的磨损比较大，容易损伤管道；二是蠕动式机 器人：越障能力强，能稳定运行，但是由于蠕动机器人大多采用形状记忆合金、气动、 压电金属、电磁等驱动方式，其中气动驱动的蠕动机器人的气流导管较复杂，控制不准 确，并且能源供给不方便f 3 7 4 0 】，采用形状记忆合金、压电金属和电磁驱动的蠕动机器人 运行速度比较慢，承载能力弱。 我们发现轮式管道机器人和蠕动管道机器人的优缺点是互补的，本文设计了一种具 有两者优点的新型的蠕动进给管道机器人。它不但具有轮式管道机器人运行速度快，承 载能力强的优点，还具有蠕动管道机器人的运行稳定，越障能力强的优点，它的动力源 不是驱动轮与管壁之间的摩擦力提供的，所以它克服了轮式管道机器人与管道壁磨损严 重的缺点。 1 4 课题的主要研究内容 综合轮式管道机器人和蠕动式管道机器人的优点，本文提出了一种具有两者优点的 新型的蠕动进给的管道机器人，综合利用机电一体化技术、传感与检测技术、自动控制 技术等多学科的研究成果来对该管道机器人进行结构设计与控制系统研究。主要研究内 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 容有： ( 1 ) 管道内蠕动进给机器人的结构设计 本文提出的管道内蠕动机器人不光具有轮式机器人运行速度快，承载能力强的优 点，而且还能运行平稳，越障能力强和弯道通过性好，还克服了轮式机器人驱动轮与管 壁摩擦严重的缺点。该机器人主要包括五大部分：两个变径制动轮总成，套筒总成，柔 性丝杠和丝杠螺母，电机。 ( 2 ) 管道内蠕动进给机器人的运动分析 弯道是管道机器人经常遇到的障碍，克服该障碍的能力用管道机器人在弯道处的通 过性来描述。本管道机器人采用两组万向铰链结构克服弯道障碍，对管道内蠕动机器人 如何通过弯道进行了运动分析，采用s m a 制动弹簧，分析了电流和拉伸长度对变形速 度的影响。 ( 3 ) 管道内蠕动进给机器人的控制系统研究 设计了步进电机的控制系统，对步进电机进行了选型计算，并分析了s m a 制动弹 簧所需要的p w m 控制电流。 2 章管道内蠕自# 培机g 凡# 构设 第2 章管道内蠕动进给机器人的结构设计 21 管道内蠕动进给机器人的总体设计 2ll 管道内蠕动进给机器人的总体结构 本文设计的思路是结合轮式管道机器人和蠕动式管道机器人的优点，设计一种同时 具有两者优点的新型的蠕动式管道机器人，该蠕动机器人不光具有轮式机器人运行速度 快，承载能力强的优点，还能够平稳运行，有较强的越障能力强和良好的弯道通过性等 蠕动机器人的优点，另外，它还克服了轮式机器人驱动轮与管壁摩擦严重的缺点。奉文 设计的蠕动进给管道机器人质请为25 k g ，运行速度为2 4 0 m m m i n ，步距为1 2 0 m m ，蠕 动过程中身体的最大长度为5 9 0 r a m ，适应的管道直径为0 1 0 0 m m 1 6 0 r n m 。其结构如 图2 - 1 所示，它主要五大部分：两个变径制动轮总成，套筒总成，柔性丝杠和丝杠螺母， 电机。 2 荇毒l 动船万自聃* i r 4 q 月向聃* 电帆壹件搁栳蓝口 骨逆 铺甚幢 n # 图2 - 1 蠕动进给机器 的结构图 f i g2 - 1s k e t c h m a p o f t b o s l r u e t u m o f t h e w o r m i n gf e e d r o b o t 三个在空川成1 2 0 度分靠的轮架组成丁变径制动轮总成结构，该结构具有两方而的 作用：第一，通过三个轮架的张丌和压缩来适应不同管径，使该结构可以在管道直径为 m 1 0 0 m m m 1 6 0 r a m 的管道中运行；第二，通过该结构申制动架的作片 | 来制动机器人的运 行。套简总成结构中的套简能够为丝杠的运动提供空自j ，其外面的甲行四边形轮架具有 两个功能：一是适应不同大, j , f l j 管径：二是能够支撑套筒，使套简的轴线与管道的轴线 重合，防止套简发生偏斜妨碍丝杠的传动。左右两边的变径制动轮机构均通过万向联 蛰 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 轴节与外部结构连接，其中左边的变径制动轮机构通过万向联轴节与套筒总成连接，而 右边的变径制动轮机构通过万向联轴节与柔性丝杠连接，这样容易实现机器人在弯道处 的灵活转弯。带动丝杠工作并给其提供动力的是步进电机；丝杠采用的是圆筒式橡胶丝 杠，该丝杠具有良好的柔性和刚性，不但能保证完成传动作用，还可以在机器人通过弯 道时发生弯曲变形，以保证机器人能顺利地通过弯道。 2 1 2 管道内蠕动进给机器人的工作原理 该蠕动进给机器人可以在管道中实现双向运动，下面以该机器人在管道中向左运动 为例说明其运动的原理。机器人向左运动的过程如下：右变径制动轮机构保持原来状态， 左变径制动轮机构在其制动机构作用下处于锁死状态，此时步进电机正转并且带动柔性 丝杠转动，丝杠螺母机构在丝杠的带动下向左运动，从而带动右变径制动轮机构和套筒 总成向左移动，同时左变径制动轮机构保持不动；当丝杠右端移动到套筒中的某个确定 的位置时，步进电机停止运动进行延时，在该延时过程中右变径制动轮机构在其制动机 构的作用下处于锁死状态，左变径制动轮机构的制动机构松开，然后步进电机发生反转， 带动丝杠转动，同时推动左变径制动轮机构，电机和丝杠整体向右运动，这样就完成了 一个蠕动行程，重复以上的步骤可以实现机器人连续的向左蠕动。 如果改变左右两个变径制动轮机构总成的锁死的顺序，则该机器人可实现向右的蠕 动。 2 2 变径制动轮机构总成设计 由三个空间成1 2 0 度对称分布的轮架，滑杆，滑套，支撑头，压缩弹簧，导向键以 及三个空间成1 2 0 度对称分布的支撑架组成了变径制动轮机构总成，图2 2 为其具体结 构示意图。变径制动轮总成有两个功能：一是可以适应1 0 0 m m 一1 6 0 m m 之间的任意 管径，通过压缩弹簧使空间的三个轮始终与管道内壁接触，便于实现蠕动进给；二是通 过控制它的制动架，把变径制动轮机构锁死，为机器人蠕动进给的实现提供条件，控制 机器人双向运动就是通过控制左右两个变径制动轮的锁死顺序实现的。 9 锥2 * 遵自埔动进捃机# 人镕相h 是摊又 k 缩弹簧 轮架 滑班 滑杆 裂 导向键 图2 - 2 变径制动轮机构总成 f i g2 - 2s t r u c t u r e a s s e m b l y o f t h e a i t e r a b l e b r a k e w h e e l 2 2l 变径制动轮机构的变径原理 滑套在滑杆上沿导向键进行左右滑动，能够带动三个窄m 成1 2 0 度对称分布的轮架 进行张开和收缩，从而实现了变径制动轮的变径。图2 2 所示为最大管径1 6 0 m m 的状 忐，该状态下滑套位于其行程的最左端。蠕动进给机器人在进入管道之前，通过人工调 节滑套在滑杆上的位簧，就可以改变空间成对称分砸的三个轮子的径向尺寸，从而改变 他们的直径，然后将机器人放入到管道中，就能够实现机器人在小于m 1 6 0 m m 管径的管 道中工作。在把机器人放入管道后，由于存在压缩弹簧，能够保证空间的三个轮子始终 与管道内壁接触，支撑住机器人并能实现机器人的左右运动，从而实现机器人的稳定运 行。支撑轮不是驱动轮不提供动力，因而不需要太大的下压力，用压缩弹簧是完全能 够满足要求的。另外，现实中的管道由于使用长久物料侵蚀导致其变形、破损等管道 内壁不可能是标准的圆柱面，会有突起、凹陷，高低不平，但是只要将陔机构送到管道 中，机器人就可以很好的适应管道内壁的变化，可使机器人在o l o o m m - 1 6 0 m m 的管 径范围内进行工作，因此谈变径机构的调节范围夸人满意，调节教果显著， 在滑套和滑杆之问有。个导向键该导向键能够使滑套在沿滑杆滑动的过程中j i 发 生圆周方向的转动否则就会对空间的支撑轮产生圆周方向的附加的扭矩。造成空间轮 中胃6 油大学( 华东) i 程碗_ 学位论空 架的扭曲，从而会对蠕动进给机器人的正常运动产生附加的摩擦阻力，影响运行的稳定。 2 22 变径制动轮机构的制动原理 由于该机器人采用蠕动进给的形式，蠕动进给要求机器人需要有胀死机构以及制动 模块，_ 能够实现蠕动进给。三个空间成1 2 0 度对称分布的轮架构成了该蠕动机器人的 锁死机构，轮架的结构如图2 - 3 所示。 _ 一 ! e !畦：蜘 卜一轮架杆头套：2 一轮架；3 一制动架：4 一制动块；卜轴承； 6 制动齿轮；卜轮子；8 - 轴承盖；卜t 1 n i 记忆台金弹簧： 1 0 - - 轮架杆前头套；1 l 轮架筒：1 2 恢复弹簧；1 3 一制动架 推杆。 圈2 - 3 轮架结构图 f i g2 - 3c o n f i g u r a t i o n d i a g r a mo f t h e w h e e l r a c k 用螺栓将两个制动齿轮( 模数m = 08 齿数z = 1 9 ) 连接在轮子的两边，两个制动齿 轮与轮子固结在一起不发生相对的转动，只能一起转动。制动架安装在轮架内在制动 架两侧对称安装了两个制动块，制动块形状如制动齿轮一个齿，能啮合制动轮，在中空 的轮架支撑杆内装有制动架的推杆，推杆上套有一复位弹簧，在j 下常状态下通过复何弹 簧使支撑架处于正常的松丌状态，在轮架杆前头套和制动杆之间套了一t i 州记忆台金 s m a 的螺旋弹簧，通过记忆台盒弹簧的作用，控制制动架的运动。完成锁死和松开的 任务实现机器人的左右运动。 2 23 变径制动轮的制动过程 s m a 驱动嚣是一种利用s m a 的形状记忆效应和室温马氏体时柔弱，高温舆氏体相 对强硬的机械特性对外作功的自动化装蹙。其中，t i n i 台金的弹性各向异性小，在热循 环和应力循环中性能比较稳定故目i j i 在机器人中广泛使用的都是t i n i 合金驱动器。 第2 章管道内蠕动进给机器人的结构设计 不受热时，s m a 螺旋弹簧处于马氏体状态，形状合金弹簧处于伸长状态：对s m a 螺旋 弹簧通电加热，s m a 产生逆相变变为强硬的奥氏体，产生较大的相变回复力，使s m a 弹簧处于压缩状态。 这样，要想使变径制动轮的制动机构锁死，只要将形状记忆合金弹簧冷却止室温， 弹簧伸长带动制动轮架运动，使锲形的制动块与制动齿轮啮合，从而使变径制动轮机构 锁死。当对其加热的时候，形状记忆合金弹簧会产生很大的恢复力使其收缩，在复位弹 簧的作用下，制动块与制动齿轮分离，使变径制动制动轮机构处于松开的状态。蠕动机 器人在运动过程中，左右的两个变径制动轮机构的s m a 弹簧始终是一个处于加热状态， 一个处于冷却状态，通过控制左右两个变径制动轮的s m a 弹簧的通电和断电，来实现 蠕动机器人的蠕动过程。 2 2 4s m a 制动弹簧的设计 本蠕动机器人的s m a 制动弹簧采用t i n i 双程记忆效应的螺旋弹簧。根据蠕动机器 人的制动轮的工作条件，要求机械性能如下，高、低温时的弹性模量分别为： g = 2 5 g p a ，g 工= 7 5 g p a ，使用条件为：高温时的载荷b = 3 n ，低温时的载荷 f l = 1 5 n ，= 3 n ，工作行程a o = 7 m m ，作用次数为27 j 一- 3 万次。 ( 1 ) 首先确定最大剪切应变y 。 这里取7 一= 1 5 。 ( 2 ) 确定高、低温时的剪切应变量h 和九 盟：f h g l ：垒翌：o 6 ( 2 - 1 ) ylf l g h 1 5 x 2 5 可见h 九，故取九= y m 。= 1 5 = 0 6 7 工= 0 6 1 5 = 0 9 ( 3 ) 确定高温下的剪切应力r 月 f = g = o 9 2 5 = 0 2 2 5 g p a = 2 2 5 m p a ( 4 ) 设定弹簧指数 取c 黾赃= 貉+ 半一 1 2 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 中国石油大学( 华东) - e 程硕上学位论文 ( 5 ) 计算弹簧丝直径d 和弹簧直径 d = 4 8 k f h c i 刀7 日= 4 8 1 2 5 3 6 2 2 5 n = o 5 0 5 m m 取d = 0 5 m m ，则d = c d = 6 0 5 = 3 r a m ( 6 ) 计算螺旋弹簧的有效圈数n 高低温时剪切应变之差为： 7 = 7 l y 阿= 1 5 一0 9 = o 6 有效圈数为：刀：j 姿：旦三了7 ：2 0 6 圈 砖r 0 2 万x 0 6 3 2 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 故本蠕动机器人的s m a 制动弹簧的参数如下：弹簧直径3 m m ，弹簧丝直径o 5 m m ， 有效圈数2 1 圈【4 1 1 。 2 3 套筒总成设计 套筒总成主要由空间成1 2 0 度对称分布的平行四边形的支撑轮架、套筒、套筒支撑 杆、滑套，导向键，压缩弹簧等组成，其结构如图2 ，4 所示。其中空间成1 2 0 度分布的 是三个平行四边形的支撑轮架结构，该结构的构成是由两个相同尺寸支撑轮架通过中间 的轮架连接板( 图2 4 中的5 ) 铰接在一起的，其中两个轮架的末端分别连接在同一套 筒支撑杆的支撑套上，通过铰链连接，支撑套通过固定销固定在套筒支撑杆的相应位置 上，由于两个支撑套之间的距离和轮架连接板的长度相同，平行四边形的支撑轮架就构 成了。 柔性丝杠在套筒内部的空间运动，柔性丝杠的活动空间比较大，从而使蠕动机器人 的运动比较长，行程较大，同时套筒还可以保护柔性丝杠。 空间成1 2 0 度平行四边形的三个支撑轮架，具有两方面的功能：一是它能适应 1 0 0 m m 1 6 0 m m 之间不同管径的要求；二是它能支撑扶正套筒，保证套筒的轴线和管 道的轴线重合，从而避免了套筒偏斜，实现了蠕动机器人的正常蠕动进给。 第2 章管道内蠕动进给机器 的结构设计 o 5 i h 目4 目口g 雹 卜- 支撑套固定铺：2 套筒滑套支撑杆：3 摩筒支捧轮架；4 一支撑轮：s 一套筒轮梨连接板：6 套倘支撑套；7 藿筒支撑 杆：卜套筒：9 压缩弹簧；l 卜滑套：1 】一导向键。 6 7 田2 - 4 套筒总成结构圈 f i 9 2 - 4c o n f i g u r a t i o n d i a g r a mo f t h e s l e e v e a s s e m b l y 2 3i 平行四边形的支撑轮架的工作原理 空间成1 2 0 度的三个平行四边形的支撑轮架的变径工作原理和变径制动轮机构变径 相似。图2 5 是平行四边形支撑轮架在最大和最小管径的变径原理图，它的变径范围也 是q ) 1 6 0 m m d p l 0 0 m i l l 与左右两变径制动轮机构的变径范围相同，这样才能保证蠕动机 器人的正常稳定运行。 当蠕动机嚣人工作在不同管径的管道中时，在弹簧力的作用下，套筒滑套支撑杆作 用在支撑轮架上使之发生摆动从而改变其在径向上的尺寸以适应不同的管径。一旦蠕动 机器人被送进管道，在压缩弹簧的作用下套筒上的平行四边形支撑轮将始终与管道内壁 接触，这个过程的工作原理和左右变径制动轮一样。由于化学侵蚀、压力作用以及自重 作用会导致管道的变形或破损，管径内壁经过一定使用时自j 后将不再是标准的圆桂面， 但它也能自适应管径并且支撑扶正套筒。 中国石油大学( 华东) 丁程硕士学位论文 必1 6 0仍1 0 0 图2 5 平行四边形支撑轮架的变径原理图 f i g2 - 5 s k e t c hm a po ft h ep a r a l l e l o g r a ma l t e r a b l eb r a c ew h e e l 2 3 2 平行四边形的支撑轮架的支撑扶正原理 机器人在管道中会经常遇到弯道，为了保证能够顺利通过弯道，设计过程中我们在 机器人的总体结构中采用了两个万向联轴节。如果只有两个万向联轴节而没有平行四边 形的支撑轮架结构的作用，此时，机器人在运动过程中可能会出现两个问题：一是丝杠 和螺母的自重会使套筒和丝杠发生弯曲使套筒和丝杠之间的摩擦力增大从而影响丝杠 的传动效率，同时增大了制动轮的摩擦力使磨损加剧，机器人不能正常工作；二是套筒 和丝杠发生相对运动时，由于套筒比较长，丝杠向外时整体的距离比较长，套筒此时有 可能会发生偏斜，导致与管道内壁发生接触，从而影响机器人的蠕动进给。 * 2 管m 内蠕自进碧帆 的结构设计 田2 石平行四边形支撑轮架的支撑原理圈 f 2 - 6s k e t c h m a po f t b e p a r a l l e l o g r a ms u p p o r ib r a c e w h e e l 有了空问成1 2 0 度对称分布的三个平行四边形支撑轮架，结果就不同了，如果套筒 有发生偏斜的趋势，就会有一个来自支撑轮的相反方向的力矩作用在套筒上，从而对套 简起到支撑挟币作用，其套筒轴线与管道轴线能够始终保持重合，左右两个变径制动轮 机构和丝杠也不会发生偏斜，机器人的正常的蠕动进给得到了保证。 下面通过图2 - 6 对平行四边形支撑轮架的支撑扶正原理进行简单说明，为了分析的 方便和直观，我们来分析在空间对称分布的两个平行四边形的支撑轮架。假设套筒产生 逆时针方向偏斜的趋势，则f 2 ，f 4 会对套简产生一反力矩阻止其偏斜；相反套简如 果有顺时针方向偏斜的趋势，则斜对角的f 1 ，f 3 会对其产生一反力矩，阻止套筒的偏 斜趋势。通过支撑轮架的作用，保证了套筒轴线与管道轴线的重合，机器人就能正常的 完成蠕动进给过程。由于空间成1 2 0 度对称分布的三个平行四边形的支撑轮架构成了我 们蠕动进给机器人的套筒总成，但其工作原理与图2 - 6 一样，由于空日j 对称分布三个轮 架结构，套简更加的稳定，不会向任何方向偏斜，机器人运行的更稳定。 2 4 柔性丝杠设计 9 茹、 一颈口p v c 尼龙革、金属扳；树脂扳 金桶板。 图2 7 圆筒式橡胶丝杠产品图 f i g2 - 7p r o d u c t s m a p o f c y l i n d r i c a l r u b b e r w i r e 目前大多数蠕动机器人驰动方式采用形状已忆合金、压电金属、电磁等，这些驱动 中国i n ( 十笨) i # 龋十学位论立 方式使得蠕动机器人的运行速度相对比较慢，不利于其在管道中进行高效工作。采用电 机带动丝杠一螺母副的传动方案，可以大大增加螨动机器人的运行速度并且具有较高的 传递效率。套筒中的丝杠采用柔性丝杠一圆筒式橡胶丝杠，其刚性和柔性都非常好。既 可以满足高效、稳定、快速的传动要求，又能在通过管道弯道处时保持良好的弯曲变形， 使得机器人在管道中能够顺利实现拐弯。 图2 7 所示为圆筒式橡胶丝杠产品。其中丝杠外部面料采用尼龙革，内部采用峰硬 的p v c 板材和钢丝圈作为支撑骨架。该材料可以在高温至1 1 0 c 、低温至- 4 0 之间的 温度条件f 正常工作而且其防尘、防水、坊油、防乳剂和化学药品等方面的性能表现 出色。 蠕动机器人所采用的橡胶丝杠结构如图2 8 所示其参数如表2 1 所示。 图2 - 8 奉机器人所用的圈筒式橡胶丝杠 f i g2 c y l i n d r i c a l r u b b e rs c f e w u s e d i n t h e r o b o t 袭2 - 1 哪筒式橡胶丝枉参数表 t a b l e 2 - 1p a r a m e t e r s o f c y l i n d r i c a lr u b b e r s c r e w 第3 章管道内蠕动进给机器人的运动分析 第3 章管道内蠕动进给机器人的运动分析 3 1 蠕动机器人的弯道通过性分析 管道机器人经常遇到的障碍是弯道，用管道机器人在弯道处的通过性来描述机器人 克服该障碍的能力，管道机器人能自如、平稳地通过弯道是本文的设计目标和设计要求， 采用两组万向铰链结构克服弯道障碍作为本文所设计的管道机器人。对于功能结构不同 的管道机器人，不同的结构形式和控制方法被用来克服弯道的障碍。为了蠕动机器人能 顺利的通过弯道，要对机器人的各部分的尺寸进行限制，所以机器人必须满足一定的几 何条件约束。下面对其进行求解。 设管道机器人单元体和管道弯道的几何尺寸如下：l 为单元体长、d 为单元体直径、 r 为弯道曲率半径、d 为管道直径及力为弯道弯曲角度，通常五为9 0 度。由于管道机器 人一般都是对称的结构，并且机器人的单元体与管道轴线是重合的，因此两者处于同心 状态，图3 1 为该状态示意图，则可以用下列方程来表示单元体的几何尺寸： 图3 1 机器人单元体与弯道的几何关系 f i g3 - 1 r e l a t i o n s h i pb e t w e e nu n i tb o d ya n db e n do ft h er o b o t 三一= 2 4 ( r + d 2 ) ( r + d 2 ) 一( r + d 2 ) ( r + d 2 ) ( 3 一1 ) 式3 - 1 中，三一表示弯道尺寸和机器人的单元体直径d 确定的情况下能够通过的最 大机器人长度，基本约束条件如式( 3 1 ) 所示，这就是管道机器人整体的极限几何长 窿【4 3 】 ，j 己。 由于本文设计的蠕动进给机器人，可以在l o o m m 1 6 0 m m 范围的任意管径中工 1 8 十日“淮走学( * 东) i r 硬学位论文 作因此只需要分析这两种情况f 的所得到的值都大于我们所设计的机器人单元体 的长度值，这样就可畎保证机器人能够顺利的通过管道中的弯道，反之则4 i 能通过。左 右变径制动轮机构总成和套筒总成是我们所研究的机器人中的三个单元体。根据弯道设 计通过性的有关规定，弯道的曲率半径r 一般取l5 d 。 (