管道爬行器的研究与设计.doc

管道爬行器的研究与设计391 绪论随着社会的发展和人民生活水平的提高，天然气管道以及各种输送管道的应用越来越多。在我国及世界各个国家内，由于地形的限制和土地资源的有限，在地下都埋设了很多的输送管道，例如，一方面天然气管道、石油管道等，在埋有管道的地面上都已经建成了很多的建筑物、公路等，给管道的维修和维护造成了很大的困难。当这些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等问题时，人们普通的做法是挖开道路进行维修，有些时候如果不能准确判断泄露和堵塞的具体位置时，会浪费很多的时间和精力，同时降低了工作效率7。另一方面石油、天然气、化工、电力、冶金等工业的管道工程大多采用焊接管路。为了保证焊接管路的焊接质量和运行安全,管道工程都要对焊缝进行检测,检测焊接部位是否存在虚焊、漏焊、伤痕等焊接缺陷。常用的焊缝检测方法是采用无损检测,如超声、射线、涡流等。对于管路检测,则大多采用管道内爬行探伤检验设备(简称爬行器) 对焊缝进行射线检测。这类爬行器由于受管道尺寸的限制,大多结构十分紧凑。在检测过程中,爬行器在其控制系统的控制下,可连续对同一管道不同位置上的焊缝质量进行检验。考虑管道焊缝检测的效率,常常当管道焊接具有一定长度之后,才集中对管道进行检测。如果一次要检测的管道比较长,爬行器的控制系统应采用车载式布置。使用时,通过外部的控制器对爬行器上的控制系统发出指令,决定爬行器的工作状态。随着机电一体化技术的发展，以及机器人技术的发展和管道测试等技术的进一步发展，相互之间的渗透程度越来越深，管道爬行机器人是在狭窄空间中进行精密操作、检测或作业的机器人系统。其中机器人的作业环境一般是危险的。火力发电厂、核电厂、化工厂、民用建筑等用到各种各小管道，其安全使用需要定期检修。但由于窄小空间的限制，自动维修存在一定难度。仅以核电站为例，检查时工人劳动条件恶劣。因此管道内机器人化自动检查技术的研究与应用十分必要。人们不再为了维修、维护管道时挖开道路，节省了大量的人力，物力和财力。目前的管道机器人都是以履带、轮子等实现在管道中的移动，其技术有着或多或少的缺陷，市场尚不成熟。例如：不能适应大范围的管道内径变化，运行中姿态的调整不够理想，在十字型、丁字型等较复杂的管道内径中不能较平稳的通过等等；结合目前管道机器人所存在的缺点，应用机械设计、机械原理等专业知识，设计出了新型管道爬行机器人。此机器人可实现大范围内的管道内径变化，顺利通过十字型、丁字型等较复杂管道；在运行中的姿态调整也得到了较好的解决。2 设计方案初步分析2.1 无线控制与有线控制的选择2.1.1 有线控制及拖拽 该方式采用机器人尾部装夹电缆、信号线、安全绳、其他电路等等，这样会造成机器人的牵引力增大，对爬行器的负载力和足轮的摩擦力提出了更高的要求，尤其是随着机器人的深入，牵引绳会成为机器人的累赘和枷锁。牵引绳的长短禁锢着机器人的爬行深度。其优缺点如下：缺点：附着力会不断增大，爬行器负载变化大，不利于长距离爬行。优点：爬行器本身初始载重小（本身不需携带能源等），信息反馈及时清晰，利于后期观察，也利于实现在线监控。观察结束时，可人工使用安全绳退出。2.1.2 非拖曳该方式不需跟随电缆线，本身有拍摄存储功能，并且本身携带电源等，其优缺点如下：缺点：爬行器本身载重加大，需设计爬行器退出管道方式等。优点：爬行器载重恒定，便于爬行器爬行。其在管道内行进方便，尤其在弯道时，拖曳式的过大的牵引力会使爬行器驱动轮打滑，不易通过。根据要求，非拖曳虽有自己强大优点，但爬行器在管道内出现问题而不能移动时，需要花费很大力气将爬行器取出。可以选择有线拖拽式。2.2 驱动方式选择根据设计要求现拟订2种爬行器驱动设计方案（如图1，2）： 图1 轮式爬行 图2 履带式爬行2.2.1 轮式爬行设计制造简便，成本低廉。但其穿越障碍能力差，只能穿越高度小于其本身半径的障碍物。如图3。 图3 轮式爬行越障2.2.2 履带爬行越障碍能力高于轮式爬行，但本身设计制造较复杂，成本相应提高（一个支点最少需4轮才可以爬行）3。根据设计要求本机器人是在管道内行走的机器人，无需考虑台阶等障碍物的问题，尽量降低成本，在不影响设计本身功能时，尽可能采用制造工艺简单，成本低的设计方案。可以采用轮式爬行。2.3 姿态调整的选择根据要求结合可行性，可以拟定3种方案如下：2.3.1 加传感器的关节进行调整在管道爬行时会出现爬行器偏移原来轨道，可用倾斜传感器进行控制。现拟订采用改变轮子（履带）前进方向一定角度来进行矫正（加关节）。其原理为：通过电磁铁的吸合，从而控制爬行器的爬行轨迹。关节单元装配图如图4：图4 关节调节通过关节调整可实现如图5：图5 关节调节的实现2.3.2 利用吊篮方式进行调整在爬行器内安装吊篮（内置摄像观察装置）。当爬行器偏斜时，吊兰因为和机座为铰链连接，保留一个自由度，由于重力的原因不会随着爬行器偏斜而偏斜，而是在任何时候都垂直与地面。其在爬行器内遇到倾斜时的自动调节如图6。通过吊篮式调节，摄像装置始终保持与水平面平行图6 吊篮式的实现 2.3.3 采用新式吊篮进行调整 根据吊篮的原理，结合鲁班的榫卯结构，可以采用2个偏心圆环相扣，进行重力自由调节，其原理如图7如图7 小环直径为150mm，大环直径为250mm，大环与小环相切，小环的转动并不能带动大环的转动，并且大环会由于重力的作用始终与地面保持平行。可以在大环上安装照 明器件和信号采集器件，是它们能够与地面保持平行。根据这种思路，可以3D造型，进行新式吊篮调节如图8,图9。 图7 吊环原理图2.4 自适应分析图8 吊篮分装图 图9 吊篮装配图2.4.1 伸缩臂长和加弹簧方式大范围内径变化（400-1100）在支撑臂上添加变长杆，小范围内在支撑臂上添加弹簧。2.4.2 伸缩臂长和“伞”型摇杆在4001100大范围内的管道中爬行，可通过使支架伸缩来改变。在管道直径改变不大处爬行，十字型、丁字型等较复杂管道内径时可通过“伞”型摇杆闭合控制支撑臂移动以适应，通过“伞”型摇杆与伸缩杆的结合就可以变换出很多适应不同管道内径的条件。以上2方案各有其优点，相比较下，第2种方案更符合要求，但其需要独立的驱动单元，因此制造成本远高于第1种方案。在普通情况下，第1种方案足可以适应。故再做出三维造型后进一步进行运动分析。2.5 方案的基本确定通过以上分析，初步确定采用有线拖拽式，但姿态调整和自适应均存在3种不同的方案可供选择，故设计3种总体方案再进一步分析。方案一：姿态调整采用关节调节，自适应采用变长杆和弹簧。方案二：姿态调整采用吊篮方式，自适应采用伸缩臂和“伞”型张合结构。方案三：姿态调整采用新式榫卯吊篮方式，自适应采用伸缩臂和“伞”型合构。3 方案一的设计与分析综合设计方案一如图9.本方案基本有3部分组成，1机身、2机腿、3驱动轮。 图9 方案一的三维效果图3.1 机身的设计 可装载各种探测设备等，如图10。 图10 机身 3.2 机腿的设计 由9部分组成，其三维图与爆炸图如图11。机腿可分为3个单元：伸缩单元（1-5）、变长单元（6）、关节单元（7-10）。通过螺纹连接。其爆炸图如图11。三维转配图如图12。图11 机腿的爆炸图3.2.1 伸缩单元1-5部分组成的伸缩单元依靠弹簧的弹性变形以适应小范围内的管道直径变化和越障。其三维图如图13。 图13 伸缩单元三维图 图14 变长杆图12 机腿装配图3.2.2 变长单元 6为变长杆，可以人为的更换（增长或缩短）以适应管道直径的大范围变化。其三维图如图14。3.2.3 关节单元7-10部分组成关节单元，7、9上均装有电磁铁，7、8，8、9之间用螺母和绕簧固定。各部位三维图如图15。关节单元用于爬行器的姿态调整。其原理为通过倾斜传感器对爬行器进行监控。当爬行器偏移其原轨道，倾斜传感器发出电信号，此时7或9上的电磁铁得电，吸合8，促使轮子向左或右倾斜，以校正爬行器。在爬行器被校正后，倾斜传感器发出信号，使电磁铁断电，在绕簧的作用力下，使关节各部位复位。图15 关节单元零件图爬行器正常前进。7、9分别用于爬行器的左、右校正。3.3 驱动轮的设计驱动轮由5部分组成，如图16图16 驱动轮三维图与爆炸图(1)联接块用于与驱动轮与关节单元的联接。(2)电动机箱安装步进电动机或励磁电动机。用以驱动轮子。3.4 方案一的分析优点：结构简单，制造成本低廉，对管道内径变化不大和弯道较少时基本能满足设计要求。缺点：该爬行器在爬行器由于机身是长方体，在管道内转弯时，会出现卡壳现象，在爬行十字型、丁字型管道内径时会出现在机腿卡在管道中，驱动轮悬空等情况；但该种情况，一般当轮子半径大于管道壁厚，也能顺利通过。4 方案二的设计与分析根据方案一的优缺点进行改进，增加必要改良元素，现设计出方案二，如图17。本方案由3部分组成：1机身，2机腿，3驱动轮。 图17 方案二的三维图4.1 机身的设计机身设计成筒状机身和其他部件组成。如图18. 图18 机壁三维图4.2 机身内部传动结构设计机身内部主要完成“伞”足的张合传动，以及吊篮的安装。如图19。图19 机身内部三维图4.3 进给螺杆与螺母的设计 为使机腿伸缩，采用螺旋传动，该类型传动是利用螺杆（丝杠）和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。在爬行器中其工作原理为：进给螺杆在电动机的驱动下，进行回转运动。从而使螺母进行水平移动。螺母用来推动机腿的伸缩，使爬行器进行自适应伸缩如图20。图20 丝杠螺母运动简图4.4 吊篮的设计 吊篮的活动关节采用圆柱销，采用间隙配合，以保证吊篮的左右移动。其机构图如图21，22。其工作原理为，在重力的作用下。吊篮通过活动关节始终保持与地面的水平。活动关节由一活动销联结。吊篮通过螺母固定在机身上。 图21 吊篮三维图 图22吊篮示意图4.5 机腿的设计机腿的三维造型如图23图23 机腿三维图机腿通过关节1、2、3的伸缩进行自适应调节。连接杆与推动盘连结。连接杆与关节3采用铰接。为适应管道最大内径1100mm的调节，关节1尺寸为200mm，关节2尺寸为150mm，关节3尺寸为100mm。4.6 方案二的分析优点：能够采用伸缩杆适应大范围管道内壁直径变化，“伞”型结构能够适应管道内一定范围的转弯，牵引力大，结构紧凑，控制简单。缺点：由于机身为一个圆筒（整体，过长），不能完全适应弯道的转弯。吊篮安装在机身内部，安装复杂，并且吊篮在内部，不能采用摄像头观察管道内壁的情况。机身的制造复杂，孔系较多。5 方案三的设计与分析根据方案一，二的优缺点，综合整理资料，经过反复修改，提出新的设计思路，先设计出方案三，如图24。本方案有3部分组成，1机身、2机腿、3驱动轮。图24 方案三的三维图5.1 机身的设计 机身主要有两部分构成，即前机身和后机身，对于管道内转弯的为题，我们可以借鉴火车的节装结构，设计出有两节机身组成的机车型爬行器，减小机身长度，有利于机器人顺利通过弯道，为减轻重量，机身材料选用硬铝。5.1.1机身组成结构 爬行器爬行最小内径为450mm，爬行最大内径1100mm。设计机身内径为150mm，外径为200mm机壁厚度最小处为10mm。机壁与机腿之间只是做简单的伸缩动作，前后机身可以采用旋转铰链连接故采用GB119-83 A5X40，采用间隙配合。其前后机身三维图如图25 ，图26。图25 前主体三维图 图26 后主体三维图5.2 机身内部传动机构的设计机身内部结构为机腿运动的传动机构的设计，在这里运用丝杠和螺母结构完成曲柄滑块机构的实现。并推动机腿的张合。其结构示意图如图275.2.1 进给丝杠和螺母的设计 为使机腿伸缩，采用螺旋传动，该类型传动是利用螺杆（丝杠）和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。图27 丝杠螺母装配图在爬行器中其工作原理为：进给螺杆在电动机的驱动下，进行回转运动。从而使螺母进行水平移动。螺母用来推动机腿的张合，使爬行器进行自适应张合。A初步确定螺杆杆轴的最小轴径 按机械设计式15-2 初步估算丝杆轴的最小轴径，选取材料为45钢，调质处理。根据机械设计表15-3取A0=112 初步设定螺杆转速为30r/min =112=15.28mm (1)式中，P可根据主体电机取P=89W n=30r/min B求取轴向力 按照自锁条件先求出当量摩擦角，查机械设表5-12知螺旋副材料中钢对钢的摩擦系数，取中间值0.15，则当量摩擦角(2)则在此按最大值计算，取C耐磨性计算滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大，螺旋副间越容易形成磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力p，使其小于材料的许用压力。假设作用于螺杆的轴向力为F（单位为N)，螺纹的承压面积（指螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的面积）为A（单位为），螺纹中径为（单位为mm），螺纹工作高度为h（单位为mm），螺纹螺距为P（单位为mm），螺母高度为H（单位为mm），螺纹工作圈数为，则螺纹工作面上的耐磨性条件为(3)上式可作为校核计算用。将代入上式整理后得(4)a计算螺杆中径 查机械设计第97页，由于工作圈数不多，故取查机械设计第97页表5-12取 则因为按剪切强度计算的最小直径为15.28mm ，由d2=26mm根据国家标准选取螺纹公称直径d=30mm，P=3.5mm的螺纹。(5)b螺母高度 H=1.526=39mm c 旋合圈数(6)故旋合圈数合理d螺纹工作高度 (7)e验算工作压强(8) D验算自锁 自锁条件，对于单线螺纹，为当量摩擦角等于。则： 自锁条件满足。E螺杆强度计算 螺杆工作时承受轴向压力（或拉力）F和扭转T的作用。螺杆危险截面上既有压缩（或拉伸）应力，又有切应力。因此，校核螺杆强度时应根据第四强度理论求出危险截面的计算应力，其强度条件为 (9)mm式中：F 螺杆所受的轴向压力（或拉力），单位为N； 螺杆螺纹小径，单位为mm；T 螺杆所受的扭矩；螺杆材料的许用应力，单位为MPa。则： 螺杆材料的许用应力 查机械设计手册表34.2-10知=80，故螺杆强度满足。F螺纹牙强度(1)螺纹牙宽度(2)螺杆的强度校核螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母的材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹牙的强度。如果将一圈螺纹沿螺母的螺纹大径D（单位为mm）处展开，则可看作宽度为的悬臂梁。假设螺母每圈螺纹所承受的平均压力为，并作用在以螺纹中径（单位为mm）为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面aa的剪切强度条件为(10)螺纹牙危险截面aa的弯曲强度条件为(11)式中：b 螺纹牙根部的厚度，单位为mm，对于矩形螺纹，b0.5P，对于梯形螺纹，b0.65P，P为螺纹螺距；l 弯曲力臂，单位为mm 螺母材料的许用切应力，单位为MPa，见机械设计表5-13；螺母材料的许用弯曲应力，单位为MPa，见机械设计表5-13；a.抗剪强度其中查 机械设计表5-13 并计算得=48MPab.抗弯强度其中查机械设计表5-13经计算知=80MPa。(3)丝母的强度校核a.抗剪强度其中查机械设计表15-3知。b.抗弯强度 其中查机械设计表15-3知=80MPa。故丝母强度满足。综上计算所的螺杆工程图如图28。螺母工程图如图29。图28 螺杆工程图 图29 螺母工程图5.2.2 选择联轴器联轴器是机械传动中重要的轴系部件。主要用来联接两轴(有时也实现轴与其它转动零件的联接)，使之一起转动并传递运动和动力。两轴用联轴器联接， 只有停机并经拆卸才能分离；采用联轴器可把整机分成若干部件，便于机器的 设计、制造、装拆及运输；联轴器大都已标难化、系列化，因此主要问题是如何合理选择。因输出输入端均为16mm。故选择Tl8型弹性套柱销联轴器。5.2.3 选择键键是机械传动部分的动力传递原件，在选择时要求其符合传递扭矩的要求。且键已被国家定位标准件，在此主要进行间的选择和校核。根据轴的直径，由机械设计表6-1 选择普通平键的圆头平键,材料选45钢。依据键的校核如下： (12)式中： T传递的转矩 kk=0.5h ，h为键的高度 l键的接触长度，mm d轴的直径，mm 可计算得：查机械设计表6-2 静载荷时可知所选的圆头平键符合条件5.3 吊环的设计如前所诉，吊环采用榫卯结构，吊环与环槽的表面粗糙度要求达到Ra1.6。其工作原理是根据吊环的自重，调节吊环始终与地面保持垂直。因其受力不大，减轻重量，故材料采用硬铝。图30 吊环装配图 图31 吊环爆炸图5.4 轴承的设计用于固定螺杆。螺杆后部只是普通光轴，转速低。故采用滑动轴承（表面粗糙度要求较高），又因轴承在主体内的紧固要求采用自行设计的轴承。的为减轻重量材料采用硬铝。其工程图如图32。 图32 轴承工程图5.5 机腿的设计其三维装配图，爆炸图如图33，34。图33 机腿装配图图34 机腿爆炸图机腿通过关节1、2、3的伸缩进行自适应调节。连接杆与推动盘连结。连接杆与机腿1采用铰链。为适应管道最大内径1100mm的调节，关节1尺寸为250mm，关节2尺寸为150mm，关节3尺寸为100mm。5.6 驱动轮的设计驱动轮的设计与方案二大至上一致（部分结构不同），故不在赘述原理。驱动轮装配和爆炸如图35，图36。原动力电动机的选择与计算在机器人的电气控制研究设计部分完成。图35 驱动轮装配体 图36 驱动轮爆炸视图5.7 管道爬行的实现 图37 管道内爬行实现5.8 管道内路口转弯的实现在十字型管道内爬行时，会遇到驱动轮悬空，并可能被卡住的情况。此时，在通过摄像观测装置观测到该种情况时，工作人员通过控制机身电机，进给螺杆开始转动，使螺母水平移动，从而使机腿伸缩，以通过该类型管道，如图36。其控制过程框图如图37。程序中控制由现场工作人员控制，通过对机身电机的控制，以实现机腿的伸缩。这里只是叙述了爬行器前半身过复杂管道的控制过程图，再后半身过复杂管道时，基本类似，故不在赘述。图38 管道内路口转弯实现 图39 转弯控制电机流程图机器人的电气电路控制设计将在本文的第六部分进行阐述。5.9 总体装配体设计根据SolidWorks三维造型和各零件的设计，现设计出方案三总体装配图如图40。图40 爬行器装配体工程图6 管道爬行机器人的功能分析根据管道机器人的机械部分的设计，要求：这种伞型6足的爬行器在管道中要完成前进，后退，转弯以及前伞，后伞的张开和闭合等动作，管道机器人在工作条件下需要有较强劲的动力，较好的可控性，能够在管道内确定自己的位置，来精确的定位的PDPS（Piping Disrepair Position System） 管道破损处定位系统，由机器人的位置来确定管道破损的确切位置。要求较小的体积以及较简单的电路。根据机器人的动作要求可以把管道机器人的动力源设计为： （1）由6个电机来控制机器人的爬行（前进，后退）采用的动力驱动。（2）由2个电机来控制前后伞足的张开和闭合。根据前后伞足的张开和闭合，爬行机器人的转弯等，必须要求前后伞足的张开及闭合为独立事件，相互不干扰才能完成转弯时伞足的独立动作。7 管道爬行机器人的动作分析管道爬行机器人主要完成的动作有：（1）六轮的驱动（前进，后退，调速）。（2）伞足的张开和闭合（前后相对独立）。（3）管道中的转弯动作顺序：前伞足闭合后伞足前进前伞足打开后伞足闭合前伞足前进后伞足打开。（4）由吊环进行机器人的姿态调整自适应。 （5）照明（管道中十分黑暗，摄像头摄像，必须有照明设施）。8 电气控制基本元器件的选取基于以上电气运转控制及顺序制动的问题分析，根据管道机器人的使用特点和工作条件，要求：方便，安全，可靠，性能优越，价廉，适用于复杂的环境条件，体积小，重量轻，可控性能好等，可对元器件进行如下选取：8.1 电机的参数计算与选取8.1.2 驱动轮电机的参数计算通过对机器人的三维实体建模，以及材料的选取，通过已知密度进行零件分析，查阅资料综合算的爬行器的总质量为:M=26Kg通过查阅相关资料查得橡胶与45#（钢）之间摩擦系数为0.15，则取实际计算摩擦系数为： 最大功率：轮子承受的压力为机器人的重力与机腿张开时产生的管壁压力 （为机器人的重力 ，为机腿对管壁的压力）由于工作时，机腿张开的幅度不同，所产生的压力也不同。为了安全和电机满足设计要求的目标，机腿张开对管壁的压力可取1倍的重力。即： 根据牛顿第一定律，牛顿第二定律可算得 (14)根据要求爬行器在管道内的速度为 (15)为了保证安全系数为1.5，则实际电机计算功率为： (16)8.1.3 主电机参数计算主电机通过联轴器丝杠螺母滑块曲柄(机腿)通过对曲柄滑块的分析如图41图41 机腿张合机构原理图通过采用Solidworks实体分析，可以得出机腿的质量及驱动轮整体的质量，即根据图41分析，采取安全计算方法，极限位b时,对机腿进行受力分析如图42，滑块的推力最大。图42 机腿机构受力分析根据理论力学的知识，计算如下：根据平行四边形法则，重力G可分解为,两个分力。螺母的推力可分为，两个分力。 (17)可规定螺母速度为则按照安全计算方法，可得螺母功率为： (18)(19)从电机联轴器丝杠螺母传动过程中，查机械传动手册传递效率依次为：，为了符合安全系数，和考虑到野外工作电源电压受时间的变化，电机功率的选应以1.2倍的计算功率选取。 (20)8.1.4 机器人动力源的选取最终确定驱动轮电机的功率为，主电机功率为。根据以上分析，需选用调速性能好，可控性高，体积小，容量小并且价廉的直流他励电动机作为执行元件。对于此种直流小功率电机可以查电机工程手册，对于直径在30毫米以下，功率在100W以下的直流电机一般都中小功率用电机的技术数据，采用铁氧体永磁ZYT以及Y15Z的圆筒式钢板外壳电机。经查表对于主电机可以选用额定电压为24V的ZYT-80/08的直流电机，主要技术参数为空载时：转速8200转/分，内阻1.0欧姆，电流6.32A；负载下转速：5000转/分，电流0.68A ，效率43%，转矩。对于驱动轮电机的选取，根据电器元件配合的简单，方便的原则，结合主电机的额度电压24V，可以初步选择小电机额定电压为24V，查电机工程手册初定为驱动轮电机选用ZYT20/10型。8.2 电源的选取机器人的工作场所一般在野外，户外对于电源的便携性，耐久性，可靠性要求较高。所以选用可充电的蓄电池直流电源。它重量轻，体积小，电量大，是较为理想的恒压源。根据机器人电机的要求和控制电路的要求，可以选择主要技术参数为电压24V的直流蓄电池和5V电池组作为机器人的电源。8.3 电机调速元件的选取(21)对于直流电机的调速比较简单，由公式可知调速有三种方法：（1）调压调速U（2）节气隙磁通K（3）调节电枢电路串接电阻调速（4）新型调节脉宽PWM对于这种永磁式小容量直流电机磁通量K为定值，调节气隙磁通不现实。采用调压调速对于我们所用的24V直流蓄电池来讲也不现实，直流变压没有交流变压简单，因为这样设备较为复杂，成本上升。所以我们考虑最为简单的调速方法和新型PWM型脉宽调速。8.3.1 串联电阻调速方法的实现在电枢电路中串接电阻（滑动变阻器）。可以进行无极调速，虽然这样会大大减弱电机的机械特性曲线的硬度，但不失为一种快捷，简单的变速方法。串联电阻的计算如下：(22)对于电机的转速可近似认为(23) 对于已经出厂的电机来讲是定值。(24)由所选的电机参数可知，有负载时(25)对于加上串联电阻后 我们希望得到的调速电机的转速为 则有，则有，0.0482937237A，由于Ra为理论值，考虑到直流电机采用电枢串联电阻调速会使电机的机械特性曲线大幅变软，又要保证机器人电机在负载下能正常工作，所以就可用滑动变阻器来进行电阻补偿调速。由以上计算，可选择滑动变阻器量程为01000欧姆的型号。8.3.2 新型调节脉宽PWM型调速的实现 PWM脉宽调制调速系统是近期流行起来的对于直流电机无极调速的最优化的调速系统。它相比改变电压电压，改变磁通参数，改变电枢电流等具有相当大的优越性。脉宽调制就是使功率放大器中的晶体管工作在开关状态下，开关频率频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间的方法来改变其输出，从而使电机电枢两端获得宽度随时间变化的给定频率的电压脉冲。其工作原理电枢两端电压变化如图43图43 PWM原理图PWM主要是通过单片机和晶体管将电压信号进行调制转换为脉冲宽度调制。通过调节频率和脉宽使直流电动机的工作时间有一定的空行程比例，我们成为占空比，脉宽的连续变化，使电枢电压的平均值也连续变化，因而使电机转速连续调整。PWM调速的原理决定了它的电路图要采用单片机，进行脉宽的控制，和电机的驱动。PWM的电路连接图有很多，不同公司生产的PWM控制电路板不同，本文仅以SG1731电路板为例，其电路图如图44图44 PWM控制电路图其中，驱动电机的功放一般选用H型桥式开关放大器，由4个晶体管构成换向，放大电路，其电路图如图45。这种电机驱动电路可以通过激发不同的晶体管的工作方式，进行电机正反装控制，电机的调速。8.3.3电机调速方法的确定及元件的确定通过以上电路的设计与分析，采用电枢串联电阻的调速方法的特点是：（1）电路简单（2）价格低廉图45 H型桥式电路图（3）控制方便，没有延迟现象（4）电能损耗严重（5）不适合长时间的调速采用PWM脉宽调速方法的特点是： （1）可调节频带宽（2）电流脉动小（3）电源功率因数高（4）电机动态硬度好（5）电路复杂（6）成本较高综合机器人的野外工作环境，节约电能是十分重要的，根据机器人工作时间很长的要求，我们选择采用PWM脉宽调节器。（注：在此我们已经表述出直流电机PWM调速电路图，在总设计电路图中我们将以方框代表调速电路）9 电路设计9.1 轮足电机动作的正转与反转的电路设计对轮足电机进行编号，前足3个电机分别是M1 、M2 、M3，后足3个电机分别是M4， M5， M6。对于直流电机的正转与反转，主要采用的方法是电枢接线的正接与反接，所以可以借鉴机床电机的正反转接线图来设计6个驱动电机的正反转。由于电机容量小，可以直接启动，所以可以直接用开关直接控制接线方法。机器人的伞足的设计，在考虑电机转动方向的同时，因为前后伞足均有一个足要接触管道的上表面运动，所以要与接触下表面的两个轮足的旋向相反才能使三个足同时拉动机器人前进。即有M3与M1、 M2旋向相反，M6与M4、 M5的旋向相反。如图46所示的控制电路，为完成驱动电机正转与反转动作的电路。（注：电路中，调速PWM控制省略不画，在以后的总电路图中调速电路画出）电路中，用三位开关，左接通为正传，右接通为反转，中位为停止。这种电路方便，简单，较易控制。适合这种低压电气控制电路，并且廉价。9.2 前后伞足的张开闭合电路设计图46 驱动轮电机控制接线图对于前后伞足要求能张开和闭合。为此，要求电机能带动螺旋丝杠进行正、反转。可以沿用驱动电机的接线思路，借鉴机床电气控制的接线方法，采用反接的方法进行正反转控制。如图47所示。这种电路简单易接，没有延迟现象，可以满足较快和较慢的调速需求，较为理想。 图47 前后伞足的张开闭合控制电路 图479.3 电机部分总电路设计综合图46、图47 的电路设计可得电机部分总电路图如图48所示。图48 各电机控制总电路机器人中电机由8个，电机较多，采用一个电源显然不能满足电机的能量消耗，所以采用2个电源同时供电能满足电机的长时间工作的要求。Q1、 Q2 、Q3 、Q4、Q5、Q6均为3位开关，对于开关左位接通为反转，右位接通为正转。中位为断路。9.4 电机顺序动作的电路设计由转弯的方法可以分离出电机的顺序动作有：电机M7反转-电机M4、 M5、 M6 前进-电机M7正转-电机M8反转-电机M1、 M2、 M3 正转-电机M8 正转。对于电机的顺序动作由现代控制 理论我们可以由以下几种选择：图49 逻辑控制一(1)采用手动开关通过摄像头观察，人为进行控制。(2)采用传统的电磁电气控制电路进行逻辑控制。(3)采用单片机/PLC进行自动控制。9.4.1 人为控制若采用第一种方法控制， 如图48所示，这种电路可以进行人为的进行电机的顺序动作控制，先闭合开关Q1的左边再断开-闭合Q2的右边再断开-闭合Q1的右边再断开-闭合Q3的左边再断开-闭合Q4的右边再断开-闭合Q3的右边再断开。9.4.2 逻辑控制若采用第二种控制方法，可以参考机床电气控制的经典电路作出如图49 ，图50图50逻辑控制二组成的由电磁铁，继电器组成的电磁控制电路，采用时间继电器来控制元件的顺序动作（6个KT）通过不同的KT得电实现6个顺序动作，时间继电器KT的延时为5秒，也可以根据不同的伸缩要求设定动作时间。KM1控制步骤1，KM2控制步骤2，KM3控制步骤3，KM4控制步骤4，KM5控制步骤5，KM6控制步骤6。9.4.3 单片机/PLC进行自动控制考虑采用单片机/PLC自动控制电路，可以把顺序动作分解为由不同的使能端输出，由一个初始激发信号，来使PLC上电，同时执行程序从而输出各个电信号，各个电信号来驱动各执行原件控制电机的动作，如图51所示为由I/O端口分配接线图，PLC端口分配表1如下： 表1 I/O口分配表输入输出转弯启动X0前伞闭合Y1后伞足前进Y2前伞打开Y3后伞闭合Y4前伞足前进Y5后伞足打开Y6如图52为电机主回路接线图，如图53为PLC程序梯形图构成的PLC组合控制电路。图51 I/O端口分配接线图 图52 电机主回路接线图图53 PLC程序梯形图构成的PLC组合控制电路（1）电路分析：对于图51所示I/O接线图由SB1闭合、PLC上电发出启动程序指令，由X0端口接收。由图所示程序梯形图的执行程序可以进行顺序的动作执行，通过定时器来设定元件的接电时序来输出电信号。使Y1、 Y2 、Y3 、Y4 、Y5 、Y6按顺序得电（共6步），其中Y1、 Y2 、Y3 、Y4 、Y5 、Y6依次控制转弯时各电机的顺序动作，并由KM1、 KM2 、KM3 、KM4、 KM5、 KM6依次执行元件执行动作。由图52所示电机主回路接线图可以进行执行元件的直接执行动作，由KM1、 KM2 、KM3 、KM4 、KM5 、KM6触点的接通和断开来直接驱动电机的顺序动作。电路的比较与选择如下：对于如图48所示电路，它的优点是方便，简单，结构精炼。但要人为的控制，并且步骤复杂，开关较多，操作麻烦。对于如图49，50所示电路图，它的优点是能够由一个激励信号完成所有的顺序动作，操作简单，但结构复杂，并且继电器电路一般需要24V以上的电源配合，还要连接各个触点，对于管道机器人的电路系统要求不符合，还要重新配置电气系统，配置控制箱，系统庞大，不太符合野外工作要求。对于如图51，52，53所示电路图，可以用PLC进行自动化控制，一般PLC也需要24V的电源配合，并且价格较高，并且需要KM接触器来进行控制执行，并且各种管道的小径不同，不能通过简单的设定延时来控制伞足的张开和闭合。用在这种机器人身上显然大材小用了。通过以上电路的比较以及管道爬行机器人的工作要求及条件，我们选用人为手动开关控制转弯动作，并且可以随时调整，采用这种控制方法可以省略很多元器件，节约线材，简单快捷，价格低廉，适合低压控制电路，并且可以随意的人为执行动作，适合不同的工作环境下的动作执行，接线简单，采用手柄式控制盒布线体积较小，重量轻，适合任何电源，具有一定的通用性。9.5 照明系统的电路设计照明电路选用2个24v的荧光灯并联在电源上即可。如图54所示。图54 照明电路9.6 管道内机器人定位系统（PDPS）的设计在机器人工作时，通过人眼观察摄像头传输的信息来确定管道是否破损，需要对机器人进行管道中的定位来确定管道破损处的定位。9.6.1 爬行器管道内定位方案的提出与分析 根据所学的电路及信号方面的知识。大致列出机器人管道中定位方案如下：方案一：可根据工业过程控制中，常用的小车模型中的确定小车位置的行程开关或感光元件（光敏管、发光二极管、感光二极管）进行编号，对机器人经过时进行信号的传输，来确定机器人在管道中的位置。方案二：可以借鉴通信运营商的GPS卫星定位系统，自行设计无线传输通信系统，对机器人进行安装信号源，通过外部的全局的信号接受，来确定机器人的确切的位置。（即小型的管道用GPS）。方案三：对于管道机器人的特殊性，可以变相的认为管道机器人就是一列小型的有轨火车，则可以模仿火车调度室的火车运行定位方案进行管道机器人定位的设计。方案四：由于管道是封闭的，有固定路径的，可以仿出租车的里程计算系统来直接计算出机器人的行程长度，通过计算里程和比对管道线路工程图来间接的确定机器人的准确位置。对于方案一那就必须把管道内部按照一定的步距安装一定密度的敏光管或感光二极管等感应器，信号反馈线路（有线或无线），外接串口或并口。对感应器进行编号，由个编号的感应器发出的信号来确定机器人所在的大致位置。根据机器人的大致位置，和摄像头所发出的视频信号人为的判断管道是否破损，对破土进行管道维修提供破损定位。对于方案二可以在管道机器人上安装卫星定位器，借助通信运营商进行卫星结合管道的布局图进行定位（类似于车载卫星定位GPS，可以把道路看做管道线路，把车看成管道爬行机器人）。其卫星定位原理如图55，运用到机器人上形成的上位机展示图如图56。图55 卫星定位原理 图56 上位机仿真图像图57 列车运行图对于方案三基于有轨列车的轨道行进过程中。可以组建列车线路网，基于列车线路网这个平台进行列车行驶位置的监控。如图57。对于火车的调度及运行定位可以查到，系统采用以GPS定位为主，以相关信息为辅的定位方式，通过车载计算机实时对系统各功能模块信息的交互，完成对机车运行全过程的信息采集，进而实现对机车运况的监测。同时应用无线通讯手段与地面设备相结合，由此实现地面各单位对线路上机车运况全过程的跟踪、监测。并据此可以为建立各种信息平台提供详实、可靠的信息资源。由此启发，可以火车线路网换成管道线路网，把火车换成管道爬行机器人。运用无线反馈设备，对机器人进行实时监控。对于方案四我们已知管道线路，已知管道各段的长度，以及管道的路径。就可以根据机器人运行的参考量来断定机器人在管道中的具体位置。 确定机器人位置的参考量有很多，比如路程，位移，时间，管道内部标志等等，通过对参考量的分析，显然用位移，时间，管道内部标志来确定机器人的位置比较粗略，精度相当不高。用路程来衡量机器人在管道中的位置比较合适，精度适中。那就必须在机器人上安装里程计（由于管道的长度不像城市的道路那么长，所以里程计的精度必须要达到0.1m），通过测量运行的距离，反映到译码管上，读出机器人运动的距离，通过机器人移动的距离可以与通过管道线路的对比就可标出出机器人的确切位置。机器人管道内模拟图如图58图58 机器人管道内定位模拟图9.6.2 机器人定位系统部件的选择与设计通过以上的分析，我们根据机器人的工作条件，和野外工作状况，以及成本低廉，制作简单，方便携带的原则，可以选择采用里程式机器人管道内定位系统。图59 里程计原理图里程式系统的原理是采用确定机器人的移动距离来反馈