火电厂排灰管道自主除垢机器人系统的设计

摘 要- I -摘 要机器人作为机械自动化的一种高端表现形式，代表着二十世纪人类最伟大的发明成果。机器人拥有部分与人或其他生物相类似的能力，其中就包括了感知能力、行动能力、动作协调能力以及运动规划能力等。而随着科学技术发展的日新月异，尤其是信息技术的发展促进了控制理论的日趋完善，再加之其他学科的配合，使得机器人种类逐渐丰富起来，整体性能也有了很大的进步，可以被应用到多个领域当中。由深海至太空，这些人类自身生理身体难以承受的极限环境，都可以见到机器人的身影。应该说，随着现代机器人技术的逐渐完善，其已经突破了传统工业机器人的意义范畴，正在向特种机器人的方向发展。特种机器人是从事专门恶劣环境、高危险性的工作的机器人。管道除垢机器人属于特种机器人，在工业生产中主要用来清除附着在管壁上的污垢。国外管道机器人的研究工作较国内早，在工业上常使用的有管道探伤机器人和管道检测机器人等；针对管道机器人所做出的研究，国内尚且处于起步时期，大部分还都是停留在实验室阶段当中。无论国外还是国内，针对管道除垢机器人的研究工作进行的还很少，理论技术等也还不成熟。对管道的化学清洗是目前最常用的除垢方法，通常以酸性溶液来溶解较硬的钙、镁类污垢，这种方法的弊端是：成本较高，容易污染环境，还会腐蚀管壁。针对这一问题，本文提出了机械除垢方式，机器人除垢属于机械除垢方式，可以实现无腐蚀、无污染、劳动强度低等优点。本文是以吉林省教育厅的科技合作项目“火电厂排灰管道自主除垢机器人系统” 吉教科合字 2010 第 75 号 为支撑，主要设计、制造管道除垢机器人的样机，并以实体样机为载体进行对其运动控制进行研究。应用到电机原理控制、电子与驱动、信号检测与处理、组件对象模型、机械制造等技术，使这些技术与样机成为有机整体并使之系统化、工程化。在对机器人的设计、制造过程中，应用 SolidWorks 建立机器人仿真模型，东北电力大学硕士学位论文- II -从而为进一步实现机器人的工件图和样机实体模型做了准备；采用 VB 制作上位机控制界面；下位机利用 STC89C52 单片机实验板与直流电机驱动板相结合，实现样机的运动控制。在对机器人的运动控制系统研究与设计中，采用了闭环脉宽调速系统实现对直流电机的转动及转向的调节。实验结果表明，闭环脉宽调速系统能够快速地使电机进入稳态运行，缩短了暂态过程的时间，对直流电机的控制效果也十分理想，适用于市面上大部分直流电机的控制。因此整体系统具有很好的通用性。关键词： PWM；模糊控制；PID 控制；机器人技术；单片机Abstract- III -AbstractA robot is a machine automation form, with some person or creature similar abilities, such as perception, planning, action and movement coordination ability, the robot is considered to be one of the greatest inventions of mankind in twentieth Century. In the nineteen sixties advent of industrial robots, along with social progress and the rapid development of science and technology, especially information technology, control theory, and the integrated course of rapid development, more and more types of robots, performance is improved constantly, the specific application of the field is constantly expanding. From the depths of the sea to space, where humans cannot bear various extreme environments are applied to robot. Can say, modern robot technology development and the consummation, has already broken the traditional industrial robot category, is gradually shifting to application development for various special field and special conditions of the special robot.Special robot is specialized in harsh environment, high risk work robot. Pipeline cleaning robot is a kind of special robot, in the industrial production is mainly used to remove the dirt adhered to the pipe wall. Foreign pipeline robot research is domestic, in industrial use a pipeline inspection robot and the pipeline inspection robot; pipeline robot research in China started late, and most remain in the laboratory stage. Whether foreign or domestic, for pipeline cleaning robot research work are also rarely, theory and technology, is also not mature. On line chemical cleaning is the most commonly used cleaning methods, usually in acid solution to dissolve the hard calcium, magnesium dirt, this method of malpractice: high cost, is easy to pollute the environment, but also corrosion of tube wall. Aiming at this problem, this paper presents a mechanical descaling method, belonging to the mechanical descaling cleaning robot mode, can realize no corrosion, no pollution, low labor intensity.This paper is based on the Education Department of Jilin province science and 东北电力大学硕士学位论文- IV -technology cooperation project thermal power plant ash pipeline cleaning robot autonomous systems, UNESCO word 2010 No. seventy-fifth as the support, the main design, manufacture of pipeline cleaning robot prototype, and to the physical prototype as carrier to carry on its motion control research. Applied to the principle of electric control, electronic and driver, signal detection and processing, component object model, mechanical manufacturing technology, the technology and the prototype as an organic whole and make it systematic, engineering.In the robot design, manufacturing process, SolidWorks application robot simulation model, so as to further realize the robot prototype workpiece drawing and entity model is prepared; making use of VB host computer control interface; the next-bit machine using STC89C52 MCU experimental board with DC motor driving plate combination, implementation of the movement control prototype.On the robot motion control system research and design, has used the closed loop PWM speed control system for DC motor rotation and steering control.Keywords: PWM; Fuzzy Control; PID Control; Robotics;MCU目 录- V -目录摘 要 .IAbstract.III目 录 .V第 1 章 绪 论 .11.1 管道除垢机器人研究的背景及意义 .11.2 管道机器人的国内外研究现状 .21.2.1 国外研究现状 .21.2.2 国内研究现状 .51.3 国内燃煤电厂排灰管道的除垢现状 .61.4 课题的主要研究内容 .7第 2 章 管道除垢机器人本体结构设计 .82.1 引言 .82.2 设计中存在的关键问题 .82.2 管道除垢机器人的机械部分总体设计 .102.2.1 管道机器人的结构特点 .102.2.2 管道机器人连杆系统工作机理 .122.3 管道除垢机器人的软件部分总体设计 .122.4 机器人的实际运动方式及除垢原理 .132.5 本章小结 .13第 3 章 管道机器人控制部分硬件和软件设计 .143.1 引言 .143.2 控制系统软件总体设计 .143.2.1 上位机控制界面 .143.2.2 机器人视觉编程 .143.2.3 上位机部分的通信协议程序 .153.2.3 下位机部分的通信协议程序 .163.3 控制系统硬件总体设计和电机选型 .173.3.1 直流电机选型 .183.3.2 下位机模块 .183.3.3 TX-1C 开发板基本配置 .193.3.4 电机驱动器设计 .19东北电力大学硕士学位论文- VI -3.3.5 电机无线驱动模块设计 .213.3.6 霍尔计数模块 .233.3.7 供电系统 .253.3.8 通信系统 .253.4 本章小结 .26第 4 章 管道机器人控制策略的研究 .274.1 引言 .274.2 直流电机的工作原理和数学建模 .274.2.1 直流电机的工作原理 .274.2.2 直流电动机的数学建模 .284.3 直流电机的 PID 控制 .314.3.1 模拟 PID 控制器 .314.3.2 位置式数字 PID 控制算法 .324.3.3 增量式数字 PID 控制算法 .344.4 直流电机的模糊控制 .354.4.1 有关模糊的基本概念 .354.4.2 模糊 PI 复合型控制器 .384.5 直流电机的 MatIab 仿真 .394.5.2 模糊控制器模型 .404.5.3 PI 控 制器建模 .434.5.4 模糊 PI 仿真 .444.5.5 无模糊控制的 PID 控制器 .45结 论 .47参考文献 .49攻读学位期间发表论文情况 .错误！未定义书签。致 谢 .错误！未定义书签。第 1 章 绪 论- 1 -第 1 章 绪 论1.1 管道除垢机器人研究的背景及意义管道除垢常用的方法一般可以划分成为当中不同的类型，分别是化学除垢、喷射高压水除垢以及机械除垢。其中，化学除垢主要在分析了垢层的化学成分之后，注入对应的酸类化学药剂对垢进行溶解除垢，在施工过程中很容易损坏管道，对环境造成严重的污染，而且除垢的时间也较长，除垢所需要的成本也比较高；而喷射高压水除垢，则是通过气压离心水泵来增加水的压力，形成高压水，再喷入结垢层，在压力的作用之下使得垢层被剥离，除垢的效率比较高，同时效果也比较令人满意。但是喷射高压水除垢也存在着几个缺陷，那就是装机容量比较大，会消耗过多的水资源，而且除垢之后的污水处理也比较麻烦；至于机械除垢则只使用一些强力清管器，比如钉轮式清管器以及刷轮式清管器等，采取的都是机械力的方式进行除垢，但这些清管器都是不具备自主动力的机械工器具，不能满足工业上的要求，尚不能自主地行走，不能独立完成除垢工作 1。在我国电力结构中，火电的比例约占75.6%，最新统计的结果表明，目前已经达到了百分之八十。火电厂的燃煤灰渣排放仍是以灰浆的形式经泵提压排放到较远的灰场。在排灰管道和回水管道中，Ca 2+、Mg 2+的浓度较高时，在管壁上很容易形成钙、镁盐结垢层，结垢可使过流的有效截面大大减小，使阻力大大增加、排灰所用能耗增加，甚至会威胁除灰系统安全 2。针对我国燃煤发电厂排灰管道的特点，研发可用于输灰管道、回水管道的管道除垢机器人，并以旋转刀具作为除垢的执行器，实现燃煤发电厂的灰管道除垢有着重要的实用意义。本文是应用管道机器人技术，研发发电厂灰管道的除垢机器人样机，达到对管道进行无损除垢，而且具有无腐蚀、无污染、低成本、劳动强度低、快捷高效等特点，具有非常好的除垢效果。管道除垢机器人除了在解决发电厂灰管道除垢问题，同时还可以把管道除垢机器人作为检测管东北电力大学硕士学位论文- 2 -道的载体，携带各种传感器进行灰、水管道内窥检查等工作。研发具有通用性的管道除垢机器人，解决我国燃煤电厂排灰管道的除垢难题有其巨大的经济价值、具有较大的需求市场和现实意义。1.2 管道机器人的国内外研究现状目前国内外对管道机器人的研究已有了很大进展，研究成果也非常多，但针对发电厂灰管道除垢机器人方面的研究还很少，理论与技术等方面还不是很成熟，因此研发应用于发电厂灰管道的管道除垢机器人具有很大的现实意义和实用价值。管道除垢机器人的研发涉及到机械学、电子学、计算机、单片机、电机学等多学科，设计、制造综合各类学科而形成的管道机器人是相对来说比较困难的。1.2.1 国外研究现状国外由于科学技术发展起步较早，所以管道机器人的发展情况也比较好。而针对管道机器人做出的研究最早始于二十世纪四十年代。而伴随着计算机信息技术、微电子技术以及机械自动化技术的迅猛发展，管道机器人技术水平也有了较大的提高，在二十世纪九十年代初期已经研制出来大量的实验样机，取得了十分显著的研究成果，而且已经能够接近于实践应用水平 36。20 世纪 50 年代，美、英、法、德和日本等国家开创了把机器人技术用于管道除垢的研究。随着机器人学和计算机技术等许多综合类的现代科术的发展，使得越来越多的管道除垢机器人的研究取得了重大突破 7。从事轮式管道机器人研究工作的先驱者是法国的 JVERTUT8，1978 年提出了轮式管内行走的机构模型 IPRIV，该机器人虽然简单，但为以后轮式管道机器人的研究工作起到了推动和促进作用。日本的管道机器人研究成果很多。1987 年，日本学者 T.Morimitsu 等人成功地研制了振动式管道机器人。其工作原理是：靠外表面所装的弹性针改变形状，使得管道机器人能够紧贴管道内壁。管道机器人的机身当中还设置了可以由电动机驱动的偏心重物，能够在离心力的作用之下使得弹性针逐渐的变形、滑动，这样就可以带动管道机器人不断向前运动。T.Morimitsu 等人所设计的第 1 章 绪 论- 3 -机器人不仅结构简单，而且能够实现小型化。但是，由于管道内部情况复杂，单纯依靠电动机驱动，就难以有效控制机器人的运动速度；再就是振动出现的离心力容易导致管道机器人沿着圆周方向发生自传，从而影响到了正常工作，同时还会在很大程度上影响机器人的使用寿命均 9。日本三井工程和造船公司进行联合开发了用于清理和检查热电站进水管道的管道机器人；日本 M.Miura等研制出了轮式螺旋推进管内作业的管道机器人；1986 年，日本学者细贝英夫成功研制出来了一种能够无圆弧过渡的管内移动机器人，具体是采取“L”形运动轨迹 911。这种管理机器人的行走结构被设计成为两个构成部分，分别是头部与本体，两者都能够相对回转。其中，机器人本体上面安装的电动机能够驱动转轮运作，带动机器人在管道内部直线运动。在遇到转弯的时候，头部上面安装的电动机则运作驱动头部做出方向调整，实现顺利转弯 12；从 90 年代开始，东京工业大学航空机械系的几位专家陆续研制了 Thes-型、Thes- 以及 Thes-等多种管道机器人，能够分别适用于多种内径的管道 13。其中，Thes-型机器人能够伴随着外界阻力的变化而改变驱动轮的倾斜角，如果自身的负载过大，驱动轮就会通过改变倾斜角来降低行走速度，增强前进的推进力14。而 Thes-型机器人则是在每一节上都安装一对减速驱动轮，这样就可以确保管道机器人具备前进与后退的能力 15。而且这种能力还可以确保机器人能够在具备多个弯管接头管道当中顺利行进 16。Thes-型机器人所使用驱动方式为“电机蜗轮蜗杆驱动轮” ，也就是在每个主驱动轮上面都安装一个测量轮，可以测量倾角 17，同时还会将测量数据反馈回来，通过及时的修正来保持管道机器人的主驱动轮垂直度。Thes-型机器人安装有 CCD 摄像头，可以实时采集相关信息，而且检测距离超过 100m18。同为亚洲发达国家的韩国，针对管道机器人也开展了大量的研究工作，同时也获得了一定的研究成效。比如 Sungkyunkwan 大学的 Segon Roh 等人，就研究了出来了 MRINSPECT 系列的管道机器人 30-39。MRINSPECT 系列机器人共同特征就是都安装了拖缆，可以给管道机器人提供动力供给，也可以发出并反馈通信指令。MRINSPECT I 型机器人属于单节结构，采取的是非独立驱动方式，安装有柔性弹簧，能够伴随着管径的变化而做出调整，同时也能够实现被动转弯。MRINSPECT II 型机器人则属于多节结构，两节中间有万向绞接连接，东北电力大学硕士学位论文- 4 -能够适应弯管接头，所采取的支撑方式则是弹簧支撑式连杆机构，可以根据管径变化做出调整。而 MRINSPECT III 型机器人在结构上更为复杂一些，节数较多，前后都安装有驱动节与转向节，而中间的则是工作节，和列车相似。MRINSPECT III 型机器人能够安装上 NDT 检测作业装置，不论是前进还是后退都有着主动转向的能力，可以适应各种弯管接头环境。至于 MRINSPECT IV型机器人则是针对 III 型做出了改进与缩小，采取的是单节独立驱动方式，前后都有“剪刀”式的柔性支撑，灵活性以及转向适应性都比较好，同时还安装了 CCD 摄像头，利用差速来针对驱动做出控制，可以顺利通过“T”型管道接头。但是，目前这种 MRINSPECT IV 型机器人尚且处于实验室检测结果，还未能有效解决适应管径范围小、拖缆能力差的关键问题。美国作为机器人的诞生之地，不仅技术领先，而且研究基础非常好，是世界上最好研制成功工业机器人的国家 20，目前在管道机器人研究方面也处于世界领先地位。本世纪初期，美国纽约煤气集团公司成功研发了一种能够适用于地下煤气管道检测的 EXLORER 管道机器人 21。该机器人系列有以下特点： (1)能够顺利通过 90的弯管接头。(2)可以在钢质和铸铁煤气管道中，不同压力的条件下工作 22。(3)采用无线通讯的方式与外部通讯。(4) 采用无缆方式，一次作业检测距离长，自带电池，使管道机器人具有良好的自推进能力 23。而加拿大 INUKTUN 公司则在 2002 年研发成功一种双履带式管道机器人。这种管道机器人的履带使用的是刚性支承结构，履带之间的夹角是能够根据管道内径做出调整的 24。这种双履带式管道机器人能够在矩形管道内自如行走 25。德国作为一个老牌工业化国家，其工业机器人发展水平处于世界第三 26。其在管道机器人研究方面也有着先进的成果。比如西门子公司就研发成功了多种类型的履带式管内作业机器人，具备良好的机械除垢性能，越障能力强，牵引能力能够适应多种环境下管道除垢，但是它们都结构复杂，价格昂贵。而德国学者 FrankKirchner 等人在 2001 年也研发成功一种多关节蠕虫式管道机器人MAKRO27。这种管道机器人具备良好的越障能力以及拐弯能力，实现了无缆控制，可以被应用到内径 250mm 到 600mm 之间的管道除垢上。第 1 章 绪 论- 5 -1.2.2 国内研究现状国内关于管道机器人方面的研究起步较晚，从 20 世纪 90 年代末我国才开始进行管道除垢机器人的研究，与发达国家相比差距还很大，而且多数停留在实验室阶段 19。中科院沈阳自动化研究所、清华大学、北京大学、哈尔滨工业大学等国内众多院所都在管道机器人研究方面做着大量的工作，多数都是就特定环境下完成特定垢种的清除工作 28，研制的样机结构简单，易实现，行走效率较高，但一般多用于管道清理或探伤，少有用于除垢。清华大学研发成功了一种“细小工业管道机器人移动探测器集成系统” 。能够将机器人机构及控制技术、涡流检测技术、视频监控技术以及机器人管内位置检测技术等融为一体 29。这套系统能够适用于 20mm 管道内裂纹以及缺陷探测方面。哈尔滨工业大学研发成功了一种轮式行走管道机器人。该机器人具有以下特点: (1) 一次作业距离长，可达 2km 以上。 (2) 焊缝寻址定位精度高为5mm。(3) 适应大管径的管道检测。 (4)检测效率高，每道焊缝检测时间都低于三分钟；可以无缆操作管内外机构同步作业，采取的是新型钢带式以及链式管外旋转机构，能够适用于大口径管道的自动化无损检测工作当中 30。而上海交通大学则研发成功一种管内蠕动机器人，具备是由 12 个蠕动元件构成的，可以确保在管理完成全方位运动，能够顺利通过直管、曲率半径较大的弯管，甚至那些 L 型管以及 T 型管等高度复杂的管道。综合国内外的管道机器人研究能够看出，如果想要设计出来一种可以完成自主移动、检测以及作业任务的管道机器人，就必须在两个方面问题上取得突破性进展：一是驱动机构方面。驱动机构能够对管道机器人的移动方式产生直接影响；二是控制系统方面。管道机器人在作业过程当中，必须做到有效控制，同时还需要具备良好的识别能力。这就需要开发出来机器人视觉系统，在图像处理方面做得更好一些 31。而采用先进策略来实现机器人的控制系统是机器人自主进行工作的关键。东北电力大学硕士学位论文- 6 -1.3 国内燃煤电厂排灰管道的除垢现状国内燃煤电厂排灰管道目前的除垢方法有两种：化学法和物理法。化学法有加酸、炉烟、分散剂和阻垢剂；物理法有人工振击、管材法、晶种过滤、电解、三相流法及高频电磁场防垢。经过实践证明，上述方法都有一定的局限性，不符合环保要求，经济性和技术性较差。大部分电厂仍采用化学除垢法 32，一般每隔两年就必须对排灰管道清洗一次。但是，这种除垢方法存在很多弊端：(1)需要停机清洗，影响设备的正常运行；(2) 化学除垢法多用酸类药剂，常因酸液使用不当而造成环境污染；(3)药剂消耗量大，成本高，对一个中型电厂来说，平均每清洗一次成本就高达 10 万元之多；(4)施工麻烦，且工作量很大，费力费时(5)很难准确计算投药量，容易造成欠洗或过洗。少数电厂为了环保和节约资金，选择人工振击法除垢。人工振击法就是派工人用铁锤等工具敲击管道外壁，使污垢脱落，然后用吊车将管道吊起以使污垢倾倒出来。这种办法的弊端是除垢不彻底，且劳动强度大 3335。针对上述缺点，淮南矿业集团、国电郑州机械设计研究所的李建国、李伟等人提出了一种以高压水射流喷枪为末端执行机构的管道除垢机器人，其设计思想是利用高压水流将垢层冲开，使污垢脱落。这种除垢方式可实现机组不停机除垢，且除垢成本低、不腐蚀管道、可以实现自行走。这种机器人已经极大程度地解决了以往除垢方式的种种弊端，但是有些地方还存在缺陷，具体表现为：(1)机器人本体需要安装一进水管以提供水源，这对于长距离管道及地下管道来说增加了困难；(2)对于较坚硬的垢层，水射法无法有效地将垢层冲开，因此除垢不彻底；(3) 大量的排水将造成水资源浪费及环境污染，对于西北缺水地区来说，此方法有一定的局限性。综上所述，考虑各种除垢方式的各种弊端和优势，本文提出了一种新的机器人除垢方式- 旋转刀具式机器人除垢方式，该机器人以旋转刀具为末端执行器，除垢彻底有效，并且可以实现自主移动、适应环境能力强、改装容易、可重开发性好等优势，并且除垢无污染环境、无腐蚀管道、劳动强度低、成本低，是一种前景十分可观的管道除垢方式。第 1 章 绪 论- 7 -1.4 课题的主要研究内容针对电厂排灰管道的灰垢的特点，设计带有旋转刀具的轮式管道除垢机器人实体模型，规划机器人的机械结构，形成工件图，进行机械加工。用霍尔传感器做反馈的闭环脉宽调速机器人运动控制系统，用来控制、调节驱动用的直流电机的转动方向（正转、反转）和转速，控制、调节平衡连杆机构的张合度以适应管道内径的变化。利用 VB 建立上位机操作界面，利用天祥公司的STC89C52 单片机实验板与电机驱动板相结合，实现样机的运动控制。用matlab 仿真技术来评价所设计的控制系统的好坏（如跟随性能的快慢、超调量的大小、进入稳态阶段的速度等指标） 。最后对整体机器人系统进行做整体性能实验得出实验数据，这些实验包括：运动速度实验、爬行实验、牵引力实验、拖缆能力实验、调节范围实验。东北电力大学硕士学位论文- 8 -第 2 章 管道除垢机器人本体结构设计2.1 引言本文所设计管道机器人所采用的是轮式运动方式，轮式运动方式作为一种广泛的运动方式，从原始的手推车，到现代化的地面运输车辆，大部分都是因循着这种轮式运动方式。长期实践已经能够表明：轮式运动方式的可靠性好、运动连续性好、运动平稳性好、运动效率很高、运动阻力小、运动速度快、机械结构简单、制造工艺简单等很多优点，轮式机械结构同样可以应用在管道除垢机器人上，轮式结构是目前已开发出来的管道机器所普遍采用的一种运动方式。管道是一个沿着中心的轴线在圆周四周构成封闭空间。所以，管道内部的运动环境和地面上的运动环境有差较大的差别。机器人在管道里运动时，要求机器人的主驱动轮能紧压在管道内壁，这样可以产生足够大的摩擦阻力以驱动机器人能够有效地运动，这是确保轮式机器人可以在管道内顺利行走的重要前提条件。通常而言，封闭力指的就是管道机器人驱动轮紧贴在管道壁上的作用力。而正是在封闭力的影响之下，才会使得管道机器人驱动轮和管道内壁产生出附着力，在各种力的合成所形成的驱动力驱动下，机器人在管道内就能够做前、后运动，这便是轮式管道动机器人的最基本运动机理。本文采用的机械结构方案为 120 度分部的轮式运动方式本章的主要内容是对机器人整体结构进行设计，在实现机器人模型的模拟运动仿真的基础上，作出机器人的工件图、装配图，并投入生产加工进而完成了管道机器人实体样机的研制。2.2 设计中存在的关键问题对灰管道进行除垢是一个具有重要实用意义的工程，为了尽可能的体现实际应用需求，灰管道除垢机器人的机械结构的本体设计除了考虑支撑以及运动两个基本功能之外，还必须有效解决以下两个至关重要的问题：第 2 章 管道除垢机器人本体结构设计- 9 -（1）牵引力调节问题管道机器人在输灰管道内进行工作时，除了要克服自身的重量外，还要携带各个类型的仪器，包括：测量仪表、检测仪器以及其他装置。尤其是在进行拖缆作业的过程中，如果运用有线控制方式，在机器人所处的工作区域离输灰管道较远时，就会增大拖缆阻力，管道机器人的拖缆能力是这种工况下的一个主要技术指标。拖缆能力在第六章中有专门的实验来测定。因此，主驱动电机要有充足的转矩从而能够协助驱动轮发出充足的动力牵引电缆，保证其他设备的正常工作。初次之外，机器人工作的效率还会受到其他外界因素的影响，例如不同管道的坡度、清理的灰垢体积等等。这些因素都需要机器发挥更大的牵引力。基于此，如果机器人在进行管内作业的过程中常常会遇到行走阻力这一难题。如果始终保持较大的牵引力，就会造成的资源的浪费，还会影响机构的使用寿命。如果牵引力不能满足机器人的需要，就会延长工作时间，耽误工作效率。要想妥善地解决该难题，就要为机器人开发牵引力调节功能，这样其就可以通过实际工作需要动态调节牵引力。（2）管径适应问题在进行管径计算时，可以通过测量输灰管道主要的截面的方式获得准确数值。数值的准确度直接影响管道的输送能力，对工作空间的估算也是根据该数值得出的。基于此，在设计选取输灰管道检测机器人的过程中，要充分考虑其工作管道的直径。目前，能够进行管道工作的机器人只能在一种直径的管道下实施作业。虽然也有部分专家运用弹簧压缩的方法对管道做出调整，但是这种方式过于被动，适应范围较小。无可置疑其也具有结构简单等特点，能够在一定程度上消减此类问题的难度。要想彻底攻破这一难题，研制可以灵活改变自身尺寸的管内工作机器人是必行的。对于上述两个问题，笔者采用了 “一机多用”的设计理念研制开发可以灵活调节的管内工作机器人，研究的核心内容就是在保证其原有点的前提下，将所有的运动功能都集中在内部行走组织中，在确保运动和支撑等重要功能的同时，可以进行有效的牵引力调节和组织结果转型以及管径适应等。这种集成化的设计，能够解决管内工作机器人因缺乏灵活性导致的工作效率低下等问题，同时保证了原有点，解决了管道空间限制的难题，在当今社会的城市生活中，东北电力大学硕士学位论文- 10 -尤其是在错综复杂的地下煤气管道中是非常重要的。笔者本着上述设计目标，在本文提出将新型可控平行连杆行走机械结构运用到机器人本体的关键部件这一设想。2.2 管道除垢机器人的机械部分总体设计管道机器人有共有两部电机，一部用来作行走驱动，另一部用来调节平行连杆机构适应管道工作环境；共有六个轮子，其中三个主驱动轮，三个从动轮；有一套涡轮和蜗杆传动机构，用一个蜗杆三个配涡轮进行驱动，把电机的径向旋转运动变为轴向旋转运动，从而使机器人前进后退；有六个链轮和三根链条，其中三个链轮与三个涡轮进行硬装配，三个齿轮与三个主驱动轮硬装配，并与链条进行链接传动；有三套平行连杆机构与丝杆和丝母配合通过调节电机的驱动来调节机器人的张开程度，以适应管道的变化。 2.2.1 管道机器人的结构特点图 2-1 机器人机实体样机的械结构图机器人的结构特点如下：（1）机器人采用 120o 分布的支撑轮行走结构，可使机器人在圆形管道内运动更加平稳；并且由于机器人的采用丝杠丝母的调节方式，可适应相应管径变化的要求，如图 2-2 所示。第 2 章 管道除垢机器人本体结构设计- 11 -（2）机器人内部采用两套独立的电机控制系统，一套用来控制驱动轮来现实控制机器人的运动，另一套用来控制调解平行连杆机构的转动适应相应管径变化。（3）机器人实验实体以变压整流装置作为电源，这种方案具有降低成本，供电连续、供电电流大、可降低机器人自重的特点。（4）行走电机带旋转刀具为末端执行器，这样可以有效地进行行走算法的研究，并达到较好的清垢效果。（5）在刀具的支架上安装摄像头，为观测污垢的厚度（也可用超声波对污垢的厚度进行检测）和实际的工作环境。（6）机器人的行走系统采用涡轮蜗杆配齿轮链条的驱动方案，这样可以实现增大扭矩，从而可以采用小功率直流电机，可降低成本、减少机器人自重。（7）可控平行连杆行走机构，其主要由三个系统构成，分别是连杆系统、行走驱动系统和径向调节系统，下面是具体的结构原理图：图 2-2 平行连杆机构原理图以上七点的机械结构已经基本满足了设计要求，同时也能满足管内除垢要求。由于机器人的重开发性好，在以后的改进设计中，还可以为机器人配备更完善的智能系统。东北电力大学硕士学位论文- 12 -2.2.2 管道机器人连杆系统工作机理如图 2-2 所示，连杆系统