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摘要 管道机器人的研制与工程应用 摘要 管道机器人是一种可沿管道内部或外部自动行走，具有一种或多 种传感器及操作机械( 如机械手、喷枪、焊枪、刷子) ，在操作人员的 遥控操作或自动控制下，能够进行一系列管道作业的机，电一仪一体化 系统。它常用于石油、化工、核工业、城建等许多工程管道的管道质 量检测、探伤、故障诊断、清洁、喷涂、焊接、管道维修等。 本课题在对国内外现有管道机器人技术和空调管道情况作了较 深入的调研、分析和论证的，论文的主要工作包括： 1 在查阅和掌握大量有关管道机器人文献的基础上，系统地研 究了管道机器人的运动原理、驱动方式以及结构形式，详细讨论了管 道机器人本体研制的相关技术问题。针对不同类型的空调管道，提出 了三种不同的管道机器人行走方案，并进行了对比分析。 2 针对垂直圆管的爬升设计讨论了螺旋推进式移动机构；为了 适应不同规格矩形管道和较大管径的圆管，提出了柔性组合履带式移 动机构，并进行了改进设计。 摘要 3 对管道机器人的控制系统、清扫系统、视频监视系统和外围 附属设备进行了较深入的研究。 4 在研究以上管道机器人关键技术研究基础上，研制了一套管 道清扫机器人系统，并进行了实验，说明了系统的有效性，达到了预 期设计目标。 关键词：机器人、管道、移动机构、清扫、履带、控制 项士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c h0 np p er o b o ta n di t sa p p l i c a t i o n a p i p er o b o ti sam e c h a t r o n i cs y s t e m ，w h i c hc a l lw a l ka u t o m a t i c a l l y i n s i d eo ro u t s i d eap i p e nw o r k si nv a r i o u si n d u s t r i a lp i p e sa u t o m a t i c a l l y o ru n d e rt h ec o n t r o lo fa l lo p e r a t o rw i t har e m o t ed e v i c e i ti sp o p u l a r l y a p p l i e d i nt h e e n g i n e e r i n gp i p e s u s e di ni n d u s t r i e so fp e t r o l e u m , c h e m i s t r y , n u c l e a r , c i t yc o n s t r u c t i o na n ds oo n ，f o rt h ep u r p o s eo f e x a m i n a t i o n ，f a i l u r ee x p l o r a t i o n ，c l e a n i n g ，s p r a y i n g ，j o i n t i n g ，m a i n t a i n i n g ， e t c 。 i nt h i st h e s i s b a s e do nt h ei n - d e p t hs t u d y , a n a l y s i s & r e a s o n i n go f t h ec u r r e n t l ye x i s t e dp i p er o b o tt e c h n o l o g i e sa n dm a i np r o b l e m so c c u r r e d t oa i rc o n d i t i o n i n gd u c ts y s t e m s t h ea u t h o rp r e s e n t e d t h r o u g hr e a d i n gal a r g eq u a n t i t yo f p r o f e s s i o n a lb o o k so np i p er o b o t , t h ea u t h o rg i v e saf u l l s t u d yo fi t sm o t i o nt h e o r y , d r i v i n gm o d e la n d c o n f i g u r a t i o n , a n dad e t a i l e de x p l a n a t i o no f t h et e c h n i c a li s s u e sr e l a t e dt o p i p er o b o tr e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r i n g a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t p r o b l e m sa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m sf a c e d , t h r e ed i f f e r e n to r i e n t a t i o n s y s t e m so f p i p er o b o ta r ep r e s e n t e da n dc o m p a r e d i nt h i st h e s i s t h eo r i e n t a t i o ns y s t e mo fs c r e wd r i v i n gi se m p h a t i c l yp r e s e n t e di n t h ee f f o r t st od ot h ec l e a n i n ga n d t e s t i n gi nv e r t i c a lr o u n dp i p e su s e di n 硕士学位论文 a b s t r a c t s o m ea i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m s ，w h i l e f l e x i b l e t r a c k e dc o m b i n a t i o n s y s t e mi sw e l la p p l i e di nl a r g ed i a m e t e rp i p e sa n dr e c t a n g u l a rp i p e so f v a r i o u ss p e c i f i c a t i o n s i n - d e p t hs t u d i e so f p i p er o b o tc o n t r o l ，c l e a n i n ga n dv i d e om o n i t o r i n g s y s t e m sa n d i t sp e r i p h e r a le q u i p m e n ta r ep r e s e n t e d b a s e do nt h es t u d yo ft h ea b o v em e n t i o n e dk e yt e c h n o l o g yo fp i p e r o b o t ，ad u c tc l e a n i n gr o b o ts y s t e mw a sc r e a t e da n dal o to ft e s t i n g e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t ，i ts h o w st h ew o r k a b i l i t yo ft h es y s t e ma n d r e a c h e dt h ee x p e c t e dg o a l x ux i a n g ( m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n de q u i p m e n t s ) s u p e r v i s e db yz h a n gj i a l i a n g ，l ib e i z h i k e y w o r d s ：r o b o t ，p i p e ，m o b i l es y s t e m ，c l e a n ，t r a c k , c o n t r o l 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文背景及意义 1 1 i 空调风道清洁的重要性 室内空气品质( i a q 一一i n d o o ra i rq u a l i t y ) 是近十年国际空调 界最关注的课题之一。现代建筑为满足舒适性和工艺性两方面越来越 高的要求，普遍引入了空调系统，但是随着各种合成建材的使用、现 代办公设备如计算机等的普及、建筑密闭性的提高、运行管理水平的 局限以及为了节能或降低造价而尽可能减小新风量等原因，使室内产 生的有害气体和生物污染物得不到合理稀释和置换。c 0 2 含量升高， 有害细菌繁生，致使空气品质劣化，出现各种呼吸道疾病症状，表现 如困倦、乏力、胸闷、精神恍惚、过敏、工作效率下降等。人们9 0 的时间是呆在室内的，室内的空气污染程度比室外严重2 5 0 倍左 右，如果不清沽空调风道，甚至可以严重到1 0 0 倍以上。 目前我国的中央空调大多采用“间接式盘管换热”，即水在管内 流动、空气在盘管外流动，与管内水进行热量交换。这种设计会在凝 结水盘内形成高湿环境，如果施工不当或设计不周，甚至会造成凝结 水聚积。一旦室外空气中致病微生物通过新风入口由灰尘带入，或者 室内空气中的致病微生物从回风口盘旋而上，就会粘附在盘管上，沉 降在凝结水盘中。而凝结水盘的高湿环境正有利于病原微生物的大量 繁殖，它们同时还会被送入空调到达的每一个空间。再加上中央空调 管道内的许多有害颗粒和灰尘、病菌、病毒、尘螨及碳放射物等，如 图1 1 所示，在送风过程中也会对人体健康带来不利的影响。科学家 曾做过一项对比实验：开空调1 小时后，室内空气中细菌的含量是不 开空调房间内的3 4 倍。城市“大楼病”的诸多病因中，中央空调常 常是罪魁祸首。 硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 1 中央空调管道中的病原生物 目前在所有发达国家无一例外地实施了中央空调的清洗，如美国 有近4 0 0 家公司，日本有近百家公司，欧洲和澳洲也有数百家公司从 事中央空调的清洗服务。 我国中央空调的应用要比国外晚很多年，空调清洗行业的形成及 空调清洗的具体实施，也自然待以时日。但这一行业的形成及清洗的 普遍执行则是毋庸置疑的。近年来，我国和世界很多国家都连续暴发 了“非典”和“禽流感”，这一问题再次引起了高度重视。我国分别 颁布实施了室内空气质量标准、 0 时，表明a 点在b c 之上，反之则a 点在b c 之下，显然，本题情况只有a 点在b c 之上 时才合理。 对于该问题曾尝试过解析解，但结果相当复杂。故该问题可根据 具体的管道和机器人尺寸计算相应的m 。，如果机器人尺寸小于m 。 则可以通过弯角，反之则不能。 在管道中常见的相交两管等宽的情况属于该问题的一个特例，即 a 点坐标为( a ，a ) ，该情况下求出d m i 。时，e = 4 5 。，可直接用 = 乙一妻求解。 上述分析结果增加一个安全系数，就能确保机器人安全地通过直 角弯道。 在工程实践中，可以通过此方法确定机器人能通过弯管的尺寸范 围，方便了具体作业的实施。 2 4 2 管道机器人在矩形管斜接弯头的通过性分析 矩形管斜接弯头如图2 1 l 所示。这可看作是直角弯道的一般情 况。 如图所示情况，设两相交管夹角0 ，两管分别宽a 和b ，机器人 机体长l ，如图建立平面直角坐标系。基本原理如前所述，即在c d 线段从x 轴运动到o d 所在直线时( 充分利用管道空间) ，a 点到c d 线段的最短距离就是此斜接弯头所允许的最大机器人宽度。 硕上学位论文第二章机器人构成和移动机构方案设计 oc x 图2 1 l 矩形管斜接弯头通过性示意图 由几何关系可以列出管道外缘四条边界线的直线方程，根据 a c o s 0 求出a 点坐标为( a - _ b _ c o - s o ，b ) 。设c 点坐标为( x c ，o ) ，d s m 点坐标为( x d ，t a nox d ) ，则有 4 ( x c x d ) 2 + t a n 2 以2 d = l ( 2 一1 9 ) c d 连线方程为 羔二! ：- t a n 0 x o - 0 x x cx d x c 化简得 t a n a x d x + ( x d x c ) y t a n 0 x c x d = 0 则a 点到此线的距离为 d =( 2 2 0 ) +x 伊 n a1 = 印 y y ，j、l 硕士学位论文第二章机器人构成和移动机构方案设计 当然，此结果仍然是在t a l l 钗。a - _ b c 石o s 一6 + ( x 。一x c ) b 一伽l 以c x d o s t n 仃 时有效，即a 点在c d 之上的时候是合理的。 因此问题是一个条件极值问题，即在式( 2 1 5 ) n 条件下，求d 。m 亦可通过m a t l a b 等软件来求解。得出大于0 的d 。一即为机器人 在此斜接弯头的最大允许宽度m 。 当0 9 0 * 时，两相交管道是成锐角交错，故允许通过 的宽度相应的就比0 = 9 0 0 时窄。 2 , 4 3 管道机器人在矩形管水平圆弧形弯头的通过性分析 还有一种情况就是如图2 1 2 所示的矩形管圆弧形弯头，圆管半径 r ，宽a 。同样假设机器人机体沿管道最外沿运动，从而充分利用管 道空间。 该情况下，可通过几何关系得出所允许的机体宽最大值m 。分 析如下： 图2 - 1 2 通过矩形圆弧弯头的情况 如图所示尺寸，管道内边半径r i a ，外边半径r + 呈。 由而= r + 兰，面= 三，有 硕士学位论文第二章机器人构成和移动机构方案设计 丽= ( r + 争2 一( m i n t 。= 丽- ( r 一争 化简得 m 一= 2 2 1 一r + j a ( 2 2 1 ) 通过以上分析计算，就可以根据具体的管道情况设计机器人机体 尺寸，或者验证已成形的管道机器人能否通过实际的管道。计算完成 后应该在算得的数据上加安全系数，以排除管道内其它位置因素的影 响，确保机器人可以顺利通过矩形管道的弯角 3 9 - 4 0 1 。 2 5 本章小结 本章首先根据课题的研究背景，提出了空调管道清扫机器人的总 体组成。其次根据不同类型的空调管道，提出了螺旋推进式和履带式 的移动本体方案，对其受力、拖线阻力和弯道通过性等进行了较详细 的理论分析。 硕士学位论文第三章管道机器人移动机构设计 第三章管道机器人移动机构设计 管道机器人移动机构应能适应各种不同种类和管径及恶劣工况的管道。开发 具有一定的越障能力和负载力的工程样机，是机器人实用化的必要步骤。 3 1 螺旋式管道机器人 根据实际应用情况，螺旋式管道机器人移动机构应适用于0 1 8 0 0 2 0 0 左右 的空调管道，主要适用于圆管和垂直管道。由于空调管道具有转弯较多、转弯半 径较小的特点，因此，机器人移动机构必然受电机驱动转矩和安装尺寸等多因素 的限制。该机器人本体设计过程需要考虑如下因素： ( 1 ) 在爬垂直管道时要克服本体的重力和拖线与管道的摩擦阻力，需要较大 的承载能力； ( 2 ) 较高和均匀的移动速度： ( 3 ) 较好的弯管通过性，能够通过一定曲率的弯曲管道； ( 4 ) 具有较好的柔性，有一定的管径适应能力，能够越过焊缝、腐蚀等障碍 物。 3 1 1 预紧力机构的设计 图3 - 1 腿轮弹性装置示意图 预紧力有以下两方面作用： ( 1 ) 保证管道机器人有一定的越障能力 硕士学位论文 第三章管道机器人移动机构设计 长期使用的空调管道内部由于大多长年未曾清扫，灰尘沉积以及管道焊接焊 缝等因素，管道内壁情况并不理想，肯定会有障碍物或者凸起等现象发生，因此 管道机器人在管道内部爬行过程中，腿轮机构在碰到障碍物或者凸起的时候，应 该具有一定的弹性，以便越过障碍物或者凸起，保障机器人不被卡死。 ( 2 ) 充足的预紧力保证机器人输出稳定的牵引力 管道机器人在管道内部爬行过程中，必须要有足够的、稳定的牵引力，尤其 是在垂直管道内部，输出的牵引力要足以克服机器人的本体重量。充足的预紧力 保证腿轮机构的橡胶轮紧贴在管道内壁，足够的正压力产生的向上的摩擦力才能 克服机械本体的重量，因充足的预紧力是管道机器人在管道内部能够运动的前提 条件。 本机构的预紧力由弹簧提供，当遇到障碍物或者将机器人装入管道过程中， 腿轮机构可以沿着垂直于机器人轴向的方向滑动，以提供预紧力。 通过理论计算选取的弹簧参数为：d = 2 r a m ，d = 1 8 r a m ，p = 8 r a m 。 3 i 2 螺旋驱动部分的设计 图3 - 2 螺旋驱动部分示意图 硕士学位论文第三章管道机器人移动机构设计 1 、橡胶轮2 、驱动轴3 、车轮轴l4 、旋转体5 、轴承 6 、称套7 、支撑轴8 、车轮轴29 、弹簧 l o 、定位销 l l 、调整滑块1 2 、联轴器1 3 、支撑体1 4 、调整电机 图3 - 3 螺旋驱动结构图 三组驱动轮均匀分布于旋转体上，且与管壁呈一定的倾斜角0 。随着电机的 转动，驱动电机m i ( m 2 ) 带动旋转体1 ( 2 ) 转动，使驱动轮沿管壁作螺旋运动， 保持机构沿管道中心轴线移动。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。驱动电机采用内嵌式安装在支撑体1 ( 2 ) 上。旋转体1 ( 2 ) 和支撑体1 ( 2 ) 的轮腿上装有弹性机构。腿轮与本体之间有滑块连 接，靠螺钉固定，调节滑块位置，腿轮可以伸缩。 3 1 3 改进设计 第一代螺旋推进管道机器人主要缺点：( 1 ) 由于受空间尺寸限制，电机尺寸 受限，因此能够提供的驱动力受到限制；( 2 ) 由于是螺旋前进，对电缆的走线带 来困难。 针对这一问题，提出了进一步的改进方案，如图3 - 4 所示，旋转体和支撑体 由一根空心轴连接，驱动电机不直接驱动旋转体，而是通过一对减速齿轮驱动旋 转电机。在空心轴的前部可以安装监控装置或者清扫装置。 硕士学位论文第三章管道机器人移动机构设计 图3 4 螺旋式移动机构 3 2 履带式管道机器人 3 2 1 技术指标 机器人样机主要技术指标有： 适用管径：2 2 0 x2 6 0 m m 局部最大爬坡：一2 5 。+ 3 0 。 管内越障：1 0 m m 一次行程深度：3 0 m 行进速度：1 5 m s 、3 m s 、5 m s - 2 9 - 硕士学位论文 第三章管道机器人移动机构设计 负载要求：电机的功率输出既要保证在负重情况下正常移动，还 要能在遇到障碍时，通过增大转矩以克服阻力。 调速要求：为实现较宽的调速要求，选用调速性能优越的直流电 机为宜。 转向要求：目前管道机器人从运动控制角度分析，是因为独立电 机驱动。导致机器人转向要求时，通过差动驱动来实现。 3 2 2 履带设计和选用 本课题采用铝质同步带轮和氯丁橡胶的交叉双面齿同步带作为 履带驱动机构，有利于增加履带与壁面的附着力和越障能力。 3 2 3 履带驱动电机设计和选用 机器人在行走过程中，受到行走阻力、转弯阻力、爬坡阻力以及 拖线阻力的作用。另外，越障因为过程复杂，其所受阻力不易详细估 计，所以机器人的驱动电机还应该考虑足够的安全系数为越障预留功 率。在以下的计算过程中，只通过考虑机器人直线行走阻力、转弯阻 力、爬坡阻力和拖线阻力的情况来计算所需行走电机功率。 本机构两个履带足由独立的电机驱动，目的是为了简化传动机 构，使机构更加紧凑。设机器人直线行走阻力、爬坡阻力和拖线阻力 分另0 为f 1 、f 2 、f 3 。 本课题研究的管道机器入主要应用于硬质管道环境，直线行走时 的地面变形阻力和外部行驶阻力可以忽略不计，故直线行走阻力只考 虑履带装置运行内阻力。履带机构驱动力主要表现为履带与地面之间 的摩擦力，即附着力。履带装置运行内阻力是由同步带和带轮，传动 齿轮之间的摩擦阻力形成，一般可用以下经验公式计算f 3 0 】：内阻力系 数可取o 0 3 0 0 7 ，考虑到本机构的实际情况，取o 0 6 。设机器人机 重g = l5 k g ，则直线行走阻力f 1 为9 n 。 设爬坡坡度为3 0 。，那么其爬坡阻力e = g s i n a = 7 3 5 ( n ) 设线缆重8 k g ，线长2 5 m ，与地面问摩擦系数o 4 ，则拖动一整 根电缆所需要的拖线力f 3 为3 1 4 n 。 硕士学位论文第三章管道机器人移动机构设计 则机器人的总阻力f 0 为l l3 9 n ，每只履带上的阻力f 为5 7 n 。 设带轮节径d = 4 0 m m ，则每只履带所受阻力矩t 为1 1 4n m 。 假设机器人行进速度为6 m m i n ，则电机输出转速n = 4 8 r p m 。 履带足电机输出功率p ，可以通过下式求出： p ：旦：幽：5 8 1 0 。3 ( 足形) ：5 8 ( ) 9 5 5 09 5 5 0 、 考虑到管内可能碰到比较恶劣的情况，而且为越障预留一些功 率，以使其在拖线3 0 m 的情况下仍然可以比较轻松的攀爬障碍，取 足够的安全系数，并考虑电机的性价比和安装尺寸，最后选择2 4 v 额定功率1 5 w 2 的日本o r i e n t a lm o t o r 直流电机驱动履带足。 试验表明这款电机能满足驱动要求。 履带式移动机构如图3 5 所示。 图3 - 5 履带式移动机构 3 3 柔性组合履带式管道机器人 目前，国内中央空调既有圆管又有矩形管道。根据具体实际情况， 提出了柔性组合履带式管道机器人的设计。 3 3 1 柔性组合履带式管道机器人的设计思想 如图3 - 6 所示，机器人每条摆腿都通过腿部关节与机器人本体相 连。通过手动调节两侧摆腿的张开角度，使管道机器人实现柔性适应 不同直径圆管的功能，保证了履带足与圆管管壁充分接触，使机器人 在运行中牵引力和稳定性都得以保证。机器人出现倾斜时，还能通过 硕士学位论文第三章管道机器人移动机构设计 水平传感器的检测，机器人自动改变两侧履带速度，纠正机器人机体 位置，避免机器人倾覆。 腿努* 节 图3 6 管道机器人移动机构示意图 图3 - 7 适应管径示意图 图3 7 所示为机器人不同管径时调整摆腿角度的示意图，通过手 动调节移动本体的摆腿机构，调节履带足底面与管壁接触位置，保持 机器人履带在圆管中接触状态良好，使机器人足够的附着力和牵引 力。由图可见当管径发生变化时机器人通过改变摆腿的角度，调整到 履带足平面与管壁充分接触的状态。 其次，机器人履带足部关节可以调节，使机器人整体高度降低， 从而可以进入更矮小的管道，完成相应的作业，增强了机器人的适应 性。机器人调整高度过程如图3 8 所示。 图3 1 5 高度调节示意图 3 3 2 高度调整功能 将机器人两腿向两侧对称摆开，再调整机器人履带足的相对位 置，即可降低机器人的整体高度，如图3 9 所示。 硕士学位论文 第三章管道机器人移动机构设计 设机器人机体宽为b ，腿长为a ，机器人摆腿角度为0 ，履带足部 关节到地面距离为x ，尺寸如图3 1 0 所示。 b l 一 ! 图3 - 9 高度调整机构示意图 图3 一l o 可调整高度机构尺寸示意图 设机器人原始高度为h ，调整后高度为h ，则 h = a + x h = a c o s 0 + 工 高度差h 为： a h = h h = a ( 1 一c o s 0 )( 3 - 1 ) 此时机器人两侧履带宽度变为b + 2 a s i n 0 ，因此当机器人高度降低 后，弯管的通过性会发生变化，对于进入扁平管道的机器人要注意管 道宽度是否满足要求1 3 9 - 4 0 1 。 3 3 3 可调整适应管径功能 普通双履带式机器人在圆管行进过程中，履带与管壁只是线接触 甚至点接触，使管道机器人的牵引力受到了很大影响。所以圆管内移 动机构应能根据管径不同调整位置，使履带足面可以充分与管壁接 硕士学位论文 第三章管道机器人移动机构设计 触，从而保证机器人有足够的牵引力。 扁平连杆铰链1 m1 0 限位螺母长连杆 图3 - ! l 可调整适应管径机构示意图 对于圆形管径变化的情况，一般同一中央空调管道中，管道的尺 寸较统一，突然变径的情况较少见，同时考虑到研发的成本和管道实 际情况，本课题提出的管道机器人移动机构具有可调整适应管径功 能，以解决不同管径环境下，履带与管壁接触不良的难题，如图3 - 1 l 所示，其基本原理是，操作者事先根据管道的实际情况，调节长螺栓 使得机器人的两个摆腿作横向摆动而张开，再调节履带足和摆腿的连 接关节，确保履带足的履带面与管壁保持充分接触，以提供履带机器 八 。 图3 1 i 可调整适应管径计算简图 硕士学位论文第三章管道机器人移动机构设计 人行走时必要的摩擦力。 如图3 1 l 所示，设机器人机体宽度b ，腿长a ，履带足关节距履 带底面x ，履带足关节距履带足中心线b ，两侧摆腿角度均为0 。 一般来说履带宽度远小于管道半径，所以可以近似的认为圆心0 到履带足中心线底部0 的连线为管道半径。履带足装置置于摆腿之 外时，可视为一个宽度为b ，摆腿长度为a 的等效机构，如图3 一1 2 所示。 可以根据几何关系算得： 曰：6 + 旦 c o s o a = 口+ 工一b 。t a n o 则相应的管径为： r ：b e o s o + 2 b + d + x b t a n o s i n 2 0 ( 3 - 2 ) 该式可以在做结构设计时选用尺寸参数，也可用于确定机器人的 适用管道范围。 图3 1 2 可调罄适应管径简化机构 图3 1 3 管道机器人管内受力分析 如图3 - 1 3 所示为管道机器人在圆形管道内的受力分析，图中g 为机器人机重，n 为管壁对机器人履带的支撑反力。根据力平衡关系 易得管道壁面对履带的正压力n 与摆腿摆角0 的关系为： ：三 2 c o s 0 ( 3 3 ) 硕士学位论文第三章管道机器人移动机构设计 随着摆角e 的增大，管道壁面对履带的正压力n 也随之增大， 当摆角。为9 0 。时，n 将为无穷大。因此机构设计时限定摆角。不超 过6 04 ，并由此确定机器人能进入的最小管道直径1 4 们。 3 3 4 水平姿态保持功能 图3 一1 4 柔性水平姿态保持装置 机器人在管道中行走时，随时都有可能偏离管道的轴线，偏向一 边。如果不加以控制，则会导致机器人碰撞管壁，严重的还会导致机 器人清扫装置受损、清扫电机烧毁等情况。 本管道机器人设计了一种水平姿态保持装置，以保证机器人沿管 道的轴线运行，而不跑偏。其基本原理如下： 假设机器入偏离轴线继续行走，当保持装置碰撞到一侧的管壁， 装置中的弹簧受到压缩，随即弹簧产生反作用力。在弹簧反作用力下， 推动机器人返回管道中轴线上。使机器人依靠两侧履带速差恢复正常 位置。从而保证机器人在管道中沿着正确的路线行走。 3 3 。5 履带足设计 履带足是机器人移动机构的关键部件，其设计应满足如下几个方 面的要求： ( 1 ) 履带传动要可靠、结构要合理紧凑； ( 2 ) 有结构紧凑的传感器安装空间，并且保证传感器稳定可靠； ( 3 ) 同步带轮需要有相应的张紧装置，易于安装，并具有防跑偏 功能； 硕士学位论文第三章管道机器人移动机构设计 图3 1 5 所示为机器人履带足外观。 图3 1 5 履带足外观效果图图3 1 6 履带足传动机构示意图 其传动结构如图3 1 6 所示，电机输出轴通过一对换向齿轮和两 对减速齿轮组成的传动系统将运动传递到履带足。 在履带足前部设有张紧装置，它是用来调整履带的张紧度；主动 履带轮由电机通过传动装置直接驱动，并通过双面同步带带动从动履 带轮。履带足通过履带足关节和摆腿连接，并且可以绕履带足关节旋 转一定角度，使履带与管壁充分接触。 3 3 6 撰腿设计 除了履带足之外，在机器人移动 机构中，摆腿的作用也是不容忽视的。 摆腿有两个关节，一个是与机体连接 处，一个是与履带足连接处，分别实 现适应管径和调整高度的作用。 如图3 1 7 所示，由于自适应管径 是自主适应，而进入扁平管道是需要 2 图3 1 7 摆腿设计示意 手工调节的，故关节l ，关节2 为手动调节。关节1 的设计应该遵循 机械传动的基本规则和原理，关节2 在设计时应考虑到手工操作的方 便性以及调整以后结构的自锁性。 硕士学位论文第三章管道机器人移动机构设计 柔性组合履带式管道机器人结构如图3 1 8 所示。 扁平连杆铰链im 1 0 限位螺母长连杆 图3 1 8 柔性组合履带式移动机构( a ) 图3 一1 8 柔性组合履带式移动机构( b ) 硕士学位论文第三章管道机器人移动机构设计 3 4 本章小结 图3 1 8 柔性组合履带式移动机构( c ) 本章介绍了螺旋式、履带式和柔性组合履带式移动机构的详细设 计，分别适用于圆管、方管和两种管道，对其工作原理、参数优化等 进行了讨论。 硕士学位论文 第四章空调管道清扫系统的研制 第四章空调管道机器人维护系统 本课题研制管道清扫机器人维护系统包括清扫系统、视频监控系统 和控制系统等模块，以能广泛适应空调管道特殊环境条件的维护作业。 4 1 清扫系统 本课题研制管道清扫机器人，其清扫系统所要达到的目的是：能有 较大的自由度、可靠度，能较自由的清扫不同位置的管壁。考察国内外 现有的管道清扫机器人的清扫方法，绝大多数都是使用毛刷、气动鞭等 方式打落灰尘，然后结合大功率的吸尘器吸走灰尘以达到清洁管道的目 的阱】，如图4 1 所示 图4 - 1 目前常用的管道清洗方法示意 首先用气囊将要清扫的管道段两端用气囊堵住，然后从一侧开口， 放入机器人，另一侧用大功率的吸尘器吸风，将机器人清扫下来的灰尘 收集，该段管道完全清洗干净后，再进行下一段管道的清洗，如此往复， 直到清扫完所有的管道。对于机器人无法进入的狭小管道，则可以用软 硕士学位论文第四章空调管道清扫系统的研制 轴刷来清扫，清扫方法类似。 管道清扫机器人清扫机构也有使用吸尘器的。吸尘器构件由于其转 向不灵活，而且仅仅靠吸力不能去除很多顽固的污垢，必须要有毛刷之 类的构件辅助。如果使用气动鞭，须配置一整套空气压缩系统和气流输 送装置，增加了操作的复杂性和用户的投资。所以本课题考虑采用毛刷 形式清洁灰尘。 现有的机器人清扫圆管和矩形管时都采用换毛刷传动部件的方法， 操作不方便。本课题设计一种兼容矩形管毛刷和圆管毛劂的刷头驱动装 置，节省了替换时间，增强了机构的适应性，方便了使用者的操作。 管道清扫机器人的摆动机构，一般安装在该机器人的机体上，将高 速旋转的清扫装置如清洁刷、喷雾器等安装在位于该摆动机构前端的清 扫装置底座上。摆动机构带着清扫装置上下摆动，使清扫装置适应不同 高度管道的作业要求。本课题拟提出一种工作稳定，承载力大的摆动机 构作为执行机构，其和毛刷构件相互配合，以达到清洁管道内所有壁面 和角落的目的。 4 1 1 毛刷形式 目前国外的管道清洗机器人，其毛刷形式主要有三种，矩形管毛刷、 圆管毛刷以及吸尘器形式阮1 7 ，2 4 捌。其中较为广泛采用的是毛刷形式，吸 尘器形式较少见。 图舢2 各类毛刷形式( a ：矩形管毛刷b ：圆管毛刷c ：吸尘器) 圆管毛刷与矩形管毛刷均呈圆柱型。不同的是，圆管毛刷轴线与机 器人行进方向一致，毛刷直径大小与管道直径相配：矩形管毛刷轴线与 硕士学位论文 第四章空调管道清扫系统的研制 机器人行进方向垂直，一般由两个或多个毛刷圆盘组成，分列机器人两 侧，矩形管毛刷的横向跨度与所要清洗的矩形管宽度相配。 吸尘器形式的管道清洗机器人和家用吸尘器类似，单靠空气泵产生 的负压将污垢吸入，通过一根很长的管子，把污垢吸到管道外面进行清 理工作，如图4 2 所示。 4 1 2 方案设计 对于打落灰尘型的清洗方法，毛刷大一些有利于快速清除灰尘。但 是毛刷不能过大，否则将堵塞风管，无法正常排除管内灰尘。同时毛刷 也不能过小，过小的毛刷使清洁同一壁面的时间变长，间接的降低了效 率。 对于矩形管道：有四个壁面需要清洗，包括项面、底面和两个侧面。 毛刷应在侧面制作一定量的刷毛以清洗侧壁，顶面、底面和端面可通过 摆臂改变刷毛位置进行清洗。 对于圆形管道：就其截面来讲，只有一个弧形面，所以圆管清洗毛 刷不应太小，否则毛刷升降只能清洗上下管壁面，而不能顾及左右( 在 圆管内机器人是无法转向的) ，如图中左图所示。所以毛刷直径至少应 该和圆管的直径相同，将毛刷驱动装置提升到管道中心位置，转动毛刷 进行清洗。 设计一种既可适用于圆形管道又可用于矩形管道的管道清洗机器 人毛刷装置。圆管毛刷的轴线总是与机器人前进方向一致，而矩形管毛 刷的轴线总是与机器人前进方向垂直，且圆管毛刷总是处于机器人正 中，矩形管毛刷总是处于机器人两侧 该装置有三根轴，通过3 个伞齿轮连接。电机输入轴将运动传递到 水平的矩形管毛刷轴上，矩形管毛刷轴再通过伞齿轮将运动传递到竖直 的圆形管毛刷轴上。实现了矩形管毛刷和圆管毛刷同刷头。当需要用到 哪类毛刷时，只需要安装该类毛刷即可。 硕士学位论文 第四章空调管道清扫系统的研制 4 1 3 毛刷驱动电机的选用 图4 _ 4 测量毛刷扭矩示意图 毛刷驱动电机要驱动毛刷进 行清洗工作，刷头在管道的壁面， 甚至是边角的地方进行清洗时，如 果电机功率不够，刷头转动时产生 较大的阻力矩，电机会因扭矩不足 而停止转动，时间长就会烧毁。 选用一个功率和转速满足要求的 电机是非常必要的。 在选择电机之前，应确定毛刷 所需扭矩，为此设计了如下试验。 如图4 - 4 所示，只需测量出毛 刷在碰到管壁的情况下稳定转动的驱动力f ，毛刷轴半径r 已知，那么 f r 即所需扭矩。测量f 时运用的方法如下：将一条绳子绕在毛刷轴之 上，确保绳与轴之间不产生相对滑动，将绳引出的一头与弹簧秤相连， 将毛刷放置在不同的管壁状态，通过拉弹簧秤使毛刷平稳转动来读取f 的数值。之后可根据实际的传动情况、毛刷软硬程度等定出合适的安全 系数，以此作为电机选型的依据。 将测得的数据带入m = f r 计算，得到电机的输出扭矩为o 7 3 5 n 掰， 即可保证毛刷在一般情况下正常运转。 为了保证基本的清洗要求，根据实际情况选取毛刷驱动电机5 0 0 r p m 计算。 此时电机功率可以通过下式求出： 尸：旦：些坠塑：0 0 3 8 5 。1 0 3 ( 肼) 。3 9 ( w ) 9 5 5 09 5 5 0 、 考虑到电机实际存在传动损失，电机的性价比和安装尺寸等，最后 选择2 4 v 额定功率6 0 w 的日本o r i e n t i a lm o t o r 的直流电机驱动毛 刷。 硕士学位论文 第四章空调管道清扫系统的研制 4 2 视频监控系统 因为考虑到管道外的环境并不是非常恶劣，同时p c 机容易更新换 代，工程造价也较低，所以本课题的管道清洗机器人拟采用外置p c 机 作为监控装置。 摄像头拍摄的资料通过视频采集卡传入计算机，可以根据需要选择 录制机器人操作过程。录制的资料便于保存、播放和携带。 4 2 1 摄像头和照明系统 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合器件) 传感器是把信息作为图 像加以输入的最常用传感器，其基本结构是一种密排的m o s 电容器， 它能够存储由入射在c c d 像敏单元激发出的 光信息电荷，并能够在适当相序的时钟脉冲驱 动下，把存储的电荷以电荷包的形式定向传输 转移，实现自动扫描，完成从光信号到电信号 的转换3 ”。 机器人采用c c d 摄像头作为视频输入设 备，如图4 5 所示，由于机器人在全黑的管道 图4 - 5 c c d 摄像机环境内工作，所以必须加装辅助的照明设备， c c d 摄像头才能正确有效的工作。照明设备采用冷光源照明灯，亮度高， 长时间工作不会发热，适合在黑暗管道环境中使用。 在机器人前后安装摄像头照明灯组合。摄像头位于两照明灯中间； 照明灯与机体成一角度向外侧倾斜，照清机器人附近的管道环境，提供 给操作者足够的照明光线。 硕士学位论文 第四章空调管道清扫系统的研制 4 2 2 视音频压缩卡 视音频压缩卡是计算机与光学系统的关键接口部件0 3 2 锄l ，主要完成 图4 6 视音频压缩卡 对视频信号进行模拟数字( a d ) 转 换的功能该系统采用的视音频压缩 卡是广州铭视科技制造的g v 6 0 0 0 系 列视音频压缩卡，如图4 6 所示，该 卡是专为实时影像采集需求而设计， 视频压缩采用高性能的h 2 6 4 图像压 缩标准，提供高清晰画质：音频采用 g 7 2 9 语音压缩标准。产品具有图像 质量高，码率低，运动搜索精确，图像质量、码率、帧率可调等特点， 同时结合独有的硬件技术，大大降低板卡运行温度，从而提高系统运行 时的稳定性。每块板卡支持4 路视频输入和4 路线性音频输入( 可选) ， 每路视音频参数可以完全独立设置。视频图像的同步预览和实时压缩全 部由板卡上的专用d s p 完成，完全由硬件实现了视、音频的实时压缩 ( c i f 格式2 5 帧，秒) ，整个视音频预览和压缩编码过程无需主机c p u 介入做任何操作，占用主机c p u 资源少。支持一机多卡，一台p c 能稳 定、可靠地支持3 2 路视音频输入，同时，为提供更高的安全性考虑， a n g e l o 系列产品附有功能保护的回路设计及w a t c hd o g 定时器。 4 2 3 基于v c 的系统开发 g v 6 0 0 0 系列视音频压缩卡产品提供功能强大的s d k 包和d e m o 应用程序，s d k 包分系统s d k 、播放器s d k 和网络s d k 三部分，并提 供了对应的d e m o 源码。基于g v 6 0 0 0 系列板卡，用户可以快速地构建 基于h 2 6 4 的数字硬盘录像机、网络视频服务器、视频会议系统等产品 3 2 - 3 6 。 在v i s u a lc + + 6 0 的工程中添加一个视频接收对话框类，在视频接 收头文件中调用m i l 库函数具体程序实现如下。 s h i p i n g j i e s h o u h ；h e a d e rf i l e # i n c l u d e ”m 1 h ”调用m i l 函数 硕士学位论文第四章空调管道清扫系统的研制 ，c s h i p i n g j i e s h o ud i a l o g c l a s sc s h i p i n g j i e s h o u ：p u b l i cc d i a l o g ，c o n s t r u c t i o n p u b l i c ： v o i df u l l s c r e e n ( ) ； c s h i p i n g j i e s h o u ( c w i n d p p a r e n t = n u l l ) ；，s t a n d a r dc o n s t r u c t o r m i l i dm i l a p p | i c a t i o n ，应用标识 m i l s y s t e m 系统标识 m i l d i s p l a y ，显示标识 m i l d i g i t i z e r ，数字化标识 m i l l m a g e ，图象标识 在视频接收c p p 文件中，设置图像显示窗口比例，图像接受模式制 式，具体实现以下程序如下。 b o o lc s h i p i n g j i e s h o u ：o n i n i t d i a i o g ( ) 初始化图象采集卡 c d i a l o g ：o n i n i t d i a l o g ( ) ： m a p p a i l o c d e f a u l t ( m s e t u p ，& m i l a p p l i c a t i o n ，& m i l s y s t e m ，& m i l d i s p l a y ，m u l l ，m n u l l ) ；+ 选择图象接收模式+ ， m d i l g a l l o c ( m i l s y s t e m ，m d e f u l t ，”m p a l ”，m d e f u l t ，& m i i d i g i t i z e r ) ； r e t u r nt r u e ； ，获得图象函数 v o i dc s h i p i n g j i e s h o u ：o n g r a b l m a g e o 获得图象显示窗口句柄 c w i n d + p w i n d = g e t d l g l t e m ( i d c j i e s h o u ) ； | l m d i g c o n t r o l ( m i l d i g i t i z e r ，m g r a b s c a l e x ，0 4 5 ) ； m d i g c o n t r o l ( m i l d i g i t i z e r ，m g r a b s c a l e y ，0 8 5i ) ； 4 6 硕士学位论文 第四章空调管道清扫系统的研制 m d g l n q u i r e ( m i l d i g i t i z e r ，m s i z e b a n d x ，m n u l l ) ， m d g l n q u i r e ( m i l d i g i t i z e r ，m s i z e x ，m n u l l ) ， m d g l n q u i r e ( m i l d i g i t i z e r ，m s i z e y m - n u l l ) ，