螺旋轮式管道机器人毕业论文

精品文档 1欢迎下载1欢迎下载 学校代码 11517 学 号 200806111105 毕业设计毕业设计 题 目 管道机器人的机构设计与仿真分析 学生姓名 张 海 红 专业班级 机械设计制造及其自动化 0844 学 号 200806111105 系 部 机械工程系 指导教师 王新莉 教授 孟凯 助教 完成时间 2012 年 5 月 20 日 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载 河南工程学院论文版权使用授权书河南工程学院论文版权使用授权书 本人完全了解河南工程学院关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意 如下各项内容 按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本 学校有权保存论 文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提供本论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按 有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为 目的的前提下 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 论文作者签名 年 月 日 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载 河南工程学院毕业设计河南工程学院毕业设计 论文论文 原创性声明原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文 是本人在指导教师指导下 进行研究工作所取 得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文的研究成果不包含任何他人创作 的 已公开发表或者没有公开发表的作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法 律责任由本人承担 论文作者签名 年 月 日 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载 河南工程学院 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 题目题目 管道机器人的机构设计与仿真分析管道机器人的机构设计与仿真分析 专业专业 机械设计制造及自动化机械设计制造及自动化 学号学号 200806111105200806111105 姓名姓名 张海红张海红 主要内容 基本要求 主要参考资料等 主要内容 基本要求 主要参考资料等 选题背景 选题背景 在核工业 石油天然气 军事装备等领域中 管道作为一种有效的物料输送手段而在核工业 石油天然气 军事装备等领域中 管道作为一种有效的物料输送手段而 得到广泛应用 为了提高管道寿命 防止泄露等事故的发生 管道机器人作为高效得到广泛应用 为了提高管道寿命 防止泄露等事故的发生 管道机器人作为高效 准确的故障诊断 检测和维修手段应运而生 广泛地应用于管到的探伤 补口 维准确的故障诊断 检测和维修手段应运而生 广泛地应用于管到的探伤 补口 维 修 焊接等诸多领域 修 焊接等诸多领域 主要内容 主要内容 设计一款管道机器人的机构 对设计的机构进行动力学分析 设计一款管道机器人的机构 对设计的机构进行动力学分析 基本要求 基本要求 建立三维模型 进行运动学分析 提交图纸 设计说明书等相关资料 建立三维模型 进行运动学分析 提交图纸 设计说明书等相关资料 主要参考资料 主要参考资料 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 传感器技术传感器技术 机器人技术机器人技术 机构设计机构设计 单片机技术应用单片机技术应用 相关科研论文相关科研论文 1010 篇篇 完完 成成 期期 限 限 指指导导教教师师签签名名 专业负责人签名 专业负责人签名 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载 年年 月月 日日 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载 目 录 中文摘要 英文摘要 1 前言 1 1 1 课题的背景与意义 1 1 2 机器人的发展现状及趋势 1 1 2 1 国内外管道微型机器人的发展近况 2 1 2 2 商业领域的管道机器人 6 1 3 本课题的设计任务 9 1 4 论文的主要内容 9 2 螺旋轮式管道机器人的总体方案设计 11 2 1 机器人管内运动方式对比分析 11 2 1 1 轮式 11 2 1 2 蠕动式 12 2 2 螺旋轮式管道机器人的运动机理 14 2 2 1 机构的原理 14 2 2 2 机器人设计要点 15 3 管道机器人行走机构的分析与设计 16 3 1 旋转轮的结构设计 16 3 1 1 机构运动受力分析 16 3 1 2 运动自由度分析 18 3 1 3 电机的选择 18 3 2 电机连接轴的设计 20 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载 3 3 弹簧的设计与选择 21 3 4 支撑轮和电机的固定方案 22 3 5 探测头的定位方案 22 4 管道机器人在管中运动通过性分析 23 4 1 管道环境对机器人的几何约束 23 5 监视控制系统 25 5 1 探测头的选择 25 5 2 检测系统 25 5 3 单片机控制系统 26 5 4 控制程序 27 5 4 1 H 桥式驱动电路 H bridged power amplifier 27 5 4 2 机器人与主控计算机的通讯 The com munication between the robot and master computer 28 6 行程的计算 29 7 应用前景 29 结束语 31 致谢 32 参考文献 33 精品文档 I欢迎下载I欢迎下载I欢迎下载I欢迎下载I欢迎下载I欢迎下载 螺旋轮式管道机器人的机构设计与仿真分析 摘 要 管道是人们日常生产生活中常用的一种运输工具 石油的运输 城市中废水和 废气的排放 城镇集体供暖中暖气的输送和空调的通风等等 都需要用到管道 但 管道并不能永久的保持有效性 如管道会出现老化 堵塞 破裂和附着细菌等现象 这就需要对管道进行检测 探伤与定位 有时由于管道结构的特殊性 使人们对管 道破损进行检测与定位非常困难 最有效的方式就是利用管道机器人进入管道执行 任务 所以管道机器人研制的根本意义在于 可以实现管道的无损维护 内窥检测 及破损定位等工作 提高管道检测和清理的效率 本文综合分析了国内外油气管道机器人近年来的发展情况 特别对油气输送管 道 油气井和油田与石化企业中的各种管道机器人进行了分析 设计了一种螺旋轮 式管道机器人 并详细说明了机器人的工作原理 结构特点及发展过程 最后结合 我国石油工业发展的具体情况 给出了管道机器人在油气输送管道 油气井及其他 管道中的应用前景 关键词 管道 检测 机器人 变径 螺旋轮式管道机器人的机构设计与仿真分析 II SpiralSpiral RollerRoller PipelinePipeline RobotRobot MechanismMechanism DesignDesign AndAnd SimulationSimulation AnalysisAnalysis ABSTRACTABSTRACT The pipeline is a common means of transport in the people daily life oil transportation city waste water and exhaust emission of urban collective heating heating transmission and air conditioning ventilation etc require the use of pipeline But the pipes are not permanently maintain effectiveness such as pipeline will appear aging jam rupture and attachment of bacteria and other phenomena it is necessary to detect detection and location of pipeline Sometimes because of the special structure of the pipeline so that the piping detection and location is very difficult the most effective way is to use the pipeline robot into the pipeline to perform a task So design the pipe robot for fundamental significance lies in it can realize pipeline non destructive maintenance endoscopic detection and localization of damage and so on improving the pipeline detection and cleaning efficiency This paper analyzes the domestic and international oil and gas pipeline robot about the development in recent years especially for oil and gas pipelines oil and gas and oil and petrochemical companies in a variety of in pipe robot are analyzed Design of a spiral roller pipeline robot and a detailed description of the robot s working principle structure characteristics and development process Finally combined with 精品文档 III欢迎下载III欢迎下载III欢迎下载III欢迎下载III欢迎下载III欢迎下载 the development of industry of our country oil situation gives the robot for pipeline in oil and gas pipelines oil and gas and other pipeline application prospect KEYWORDSKEYWORDS pipe testing robot variable diameter 螺旋轮式管道机器人的机构设计与仿真分析 1 1 绪论 1 1 课题的背景与意义 工业管道系统已广泛应用于冶金 石油 化工及城市水暖供应等领域 工业管 道的工作环境非常恶劣 容易发生腐蚀 疲劳破坏或使管道内部潜在的缺陷发展成 破损而引起泄漏事故等 因此管道的监测 诊断 清理和维护就成为保障管道系统 安全 畅通和高效运营的关键 管道的探查也就成了管道无损检测技术应用 发展 的重要方向之一 然而管道所处的环境往往受人力或人手不及所限 检修难度很大 故通常对重要和不允许泄漏的管道采用定期或提前报废的办法 从而造成了巨大人 力和物力损失 目前关于地下管道的质检 常采用工程量十分巨大的 开挖 抽检 方法 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 我国油气管道大多是 在 6 0 7 0 年代建设的 迄今仅在役时间近 3 0 年 处于中老龄期和事故多发性 阶段的长输管线已逾 1 7 万 k m 正面临着道进入中老龄期 处于事故多发阶段 油气管道的检测和评价的需求已日趋迫切 在核工业 石油天然气 军事装备等领域中 管道作为一种有效的物料输送手 段而得到广泛应用 为了提高管道寿命 防止泄漏等事故的发生 管道机器人作为 高效准确的故障诊断 检测及维修手段应运而生 广泛地应用于管道的探伤 补口 维修 焊接等诸多领域 1 2 机器人的发展现状及趋势 工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备 技术附加值很高 应用范围很 广 作为先进制造业的支撑技术和 1 44 信息化社会的新兴产业 将对未来生产和社 会发展起着越来越重要的作用 国外专家预测 机器人产业是继汽车 计算机之后 出现的一种新的大型高技术产业 据联合国欧洲经济委员会 UNECE 和国际机器人联 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载 合会 IFR 的统计 世界机器人市场前景看好 从 20 世纪下半叶起 世界机器人产 业一直保持着稳步增长的良好势头 进入 20 世纪 90 年代 机器人产品发展速度加 快 年增长率平均在 10 左右 2004 年增长率达到创记录的 20 其中 亚洲机 器人增长幅度最为突出 高达 43 1 2 1 国内外管道微型机器人的发展近况 自驱动管内机器人包括图 1 1 所示的轮式 脚式 爬行式 蠕动式 还包括履 带式等 轮式 自驱动 爬行式 自驱动 蠕动式 自驱动 脚式 自驱动 利用管内流体压力 通过弹性杆加推力 图 1 1 管道机器人的基本形式 1 2 1 1 轮式 日本学者福田敏男 细贝英夫在 1986 年研制了可以通过 L 无圆弧过渡的管内 移动机器人 该机器人行走机构分别由头部和本体两部分组成 头部和本体可相对 回转 当机器人在直管内行走时 本体上的电动机 M1 通过减速装置带动本体上的驱 动轮转动 使机器人沿直管行走 当通过 90 度弯管时 电动机 M2 驱动头部做姿态 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载 调整 同时驱动头部履带 引导机器人通过弯管 该机器人的技术指标为 适应管 径 50mm 行走速度 8 1mm s 转弯性能 可以通过 90 度直角弯管 机器人重量 为 240g 机器人长度 76mm 日本东芝公司于 1997 年研制了一台轮式管内移动机 器人 前部带有一部微型 CCD 摄像机 能分辨管内异物并用微型机械手实现清理 胶管联接可过弯管 适应管径 25mm 行走速度 0 36m min 自重 16g 该机器 人采用多轮驱动式为了增加牵引力 由于轮径太小 越障能力有限 而且结构复杂 东京工业大学开发出基于螺旋轮式运动原理微型机器人 该机器人的本体由几 个单元通过弹簧联接而成 每个单元体上均匀分布有三只支撑臂 用螺旋弹簧将支 撑臂上的小轮紧压在管道内壁上 产生预压力 小轮的轴线相对单元体的轴线倾斜 了一角度 通过软轴将扭矩作用在单元体上使微型机器人移动 1 2 1 2 脚式 国内的太原理工大学研制成功管内脚式行走机器人如图 1 2 该机器人可在管 内双向行走 自动随管道弯度转向 该机器人由撑脚机构 牵引机构和转向机构构 成 撑脚机构由电机 16 小齿轮 15 齿圈及平面螺纹 14 滑杆 13 脚 靴 12 组成 牵引机构由电机 1 螺杆 2 螺母 5 拔销 4 拔杆 7 和支撑杆 9 组成 转向机构万向节 21 组成 当电机 1 带动螺杆转动时 螺母受拨杆的约束不能转动而沿螺杆轴向移动 固连其上的拨销 4 拨动拨杆 7 顺时针方向转动 由于脚靴 12 锁死在管壁上 支撑杆 9 不能向后运动 拨杆 7 通过销 6 带动支架 3 及其固连在 3 上的套筒 11 在筒体 10 内向前滑动 同时通过万向节 21 拖动机器人的后单元 此时后单元的脚 靴在抬起状态 向前运动 整个机器人前进 当脚靴 12 处在抬起的位置时 拨 7 通过支承杆 9 推动筒体在套筒 11 上万向节方向滑动 改变了腿的姿势 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载 图 1 2 脚式机器人结构示意图 1 2 1 3 蠕动式 上海交通大学研发了小口径管道内蠕动式移动机构如图 1 3 它是模仿昆虫在 地面上爬行时蠕动前进与后退的动作设计的 其主要机构由 1 撑脚机构 2 气缸 3 软轴 4 弹簧片 5 法兰盘组成 蠕动运动为 气缸 2a 动作 气 缸活塞左移 松开前撑脚 气缸 2c 动作 气缸活塞左移 撑紧后撑脚 气缸 2b 动 作 气缸活塞左移 使气缸 2a 前进 气缸 2a 动作 气缸活塞左移 撑紧前撑脚 气缸 2c 动作 气缸活塞左移 松开后撑脚 气缸 2b 动作 气缸活塞右移 使气缸 2c 前进 图 1 3 利用空气压力的蠕动式机器人 清华大学研制了一套小型蠕动机器人系统 其机构如图 1 4 由 1 蠕动体和 2 3 4 电致伸缩微位移器组成 蠕动体的蠕动变形形态由粘贴于柔性铰链部位的 电阻应变实时感 机器人的外形尺寸为 150 x61x46mm 重 2kg 最大步距 10 m 行 程 40mm 运动精度 0 2 m 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载 图 1 4 蠕动体结构示意图 西安交通大学以电致伸缩陶瓷微位移器做驱动器 电磁铁机构做可吸附于行走 表面的保持器 设计制作了蠕动式微动直线自行走机构如图 1 5 由簧片组 3 与左 右支架 1 6 联接成一体 作为电致伸缩陶瓷微位移器 4 的载体 驱动器 4 的一端 与支架 1 的侧面贴和 另一端与螺钉 5 的端面贴和 螺钉 5 为细牙螺纹 转动调节 螺钉 5 可对簧片组 3 施加必要的预紧力 并保证驱动器 4 的两侧面与承载体间无 间隙接触 图 1 5 自动行走机构简图 1 2 1 4 利用管道流体压力 利用管道流体压力对管道进行直接检测和清理技术的研究始于上世纪 50 年代 受当时的技术水平的限制 其主要的成果是无动力的管道清理设备 PIG 此类设备 依靠管内流体的压力差产生驱动力 随着管内流体的流动向前移动 并可携带多种 传感器 但是 PIG 自身没有行走能力 其移动速度 检测区域不易控制 上海大学 利用石油管道的石油高压研制成在役石油管道检测机器人如图 1 6 该型机器人分 成多节 利用与管道密封的橡胶环 皮碗 相当于活塞 在输油管内压力油作用下 推动检测机器人向前行走 主要由探头 1 高压密封件 2 电机仓 3 电池仓 4 仪 器仓 5 仪器仓 6 万向节 7 里程仓 8 清管器 9 和皮碗 10 组成 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 图 1 6 利用管内流体压力管内机器人 1 2 2 商业领域的管道机器人 1 2 2 11 2 2 1 北京某公司自行研制的管道内爬行机构 图 1 7 管外加力的管道机器人 该管道内窥仪针对工业设备中管道的检测而设计 通过调节螺母带动连杆运动 从而调节整个支架的直径 具有中心定位 手动或自动爬行 直径可调节 自动对 焦 电动变倍 置白光照明 周向 360 度扫查 轴向 90 度可手动调节等功能的自 动化内窥仪 仪器采用高清晰度的彩色 CCD 镜头 支架全部采用不锈钢制作而成 并且能与计算机相连进行图象数字化处理 适用于工业设备中各种管道的内部缺陷 和异物的检查 1 2 2 2 美国公司研制的智能爬行系列 MagSteer 是一个智能爬行系统 它能出色的检测有保温层或无保温层或无保温 层管道内部及外部缺陷 通过计算计远程控制 爬行器可以自动爬行在有保温层或 无保温层的管道上 MagSteer 可以装配橡胶轮子来检测有保温层或非磁性材料的管 道 也可以装配强磁性的轮子检测无保温层的管道 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载 1 2 2 2 新型微笑管道机器人的运动原理 图 1 8 所示为文献所提出的机器人原始方案 经过虚拟仿真和样机试验发现该 方案存在三个不足 1 支撑机构完全是刚性结构 当管径有一定变化时 可能达不 到撑紧管壁的要求 2 保持机构在管径变化时不能起到有效的保持作用 当管径小 于保持机构尺寸时 它就会被 卡住 使整个机器人 瘫痪 3 驱动部分尺寸过 长 在过弯时明显与管道发生 干涉 致使机器人被 卡死 1 8 原始方案 图 1 9 改进方案 1 自调节支撑机构 为解决原始方案中的刚性支撑问题 设计了如图 1 9 所示的自调节支撑机构 这种调节是一种硬调节和软调节共同作用的混合调节 硬调节是主动调节 由计算 机通过程序控制电机正反转时间 实现大范围的调整 软调节是被动调节 由图 1 9 中的压簧 1 和压簧 2 完成 实现小范围的调整 硬调节和软调节的协调作用 使 该支撑机构具有更好的径向调节能力 从而使机器人具有更强的管径适应能力 由 于增加了软调节单元 当管道径向发生微小变化时 在主动径向调节来不及响应时 连杆系统可以带动滑块压缩弹簧 以抵消管径的变化 另外 增加了支撑轮设计 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载 这样就避免了原始方案的支撑腿与管壁的直接接触 不仅增大了与管壁间的摩擦力 提高了牵引能力 同时由于支撑轮的塑性变形增大了接触面积 解决了原始方案点 接触的问题 可以更好地适应复杂的管道环境 支撑轮与销轴间采用胶粘方式固定 因此工作时 支撑轮并不产生转动 它与管壁间产生滑动摩擦而非滚动摩擦 另外 在滑块上装有微型压力传感器 可以直接测量在撑紧过程中滑块所受的合力 通过 换算就可以间接得到支撑轮与管壁问的正压力 这不仅保证了支撑机构以恒定压力 撑紧在管壁上 同时也对电机起过载保护的作用 2 柔性保持机构 为满足管道机器人 形封闭 力封闭 的设计要求 设计了柔性保持机构 其 中保持轮轴线始终与管壁母线保持垂直 工作时 保持轮沿管壁滚动 当机器人在 不同直径的管道内运动时 压簧的伸长和缩短带动滑块上下滑动 并通过连杆机构 的作用 保持轮将始终贴紧管壁 达到 适应不同管径 的目的 这样机器人在管 内运动时 其中心线基本与管道的中心线保持一致 保证各单元与管壁的夹角在稳 定运动的范围内 1 3 本课题的设计任务 本次设计的任务是设计一个螺旋轮式管道机器人 要求机器人可以在管道内实 现前进 后退 按一定曲率半径回转动作 能高效地完成管道内的探伤和定位工作 具体设计内容为 1 了解螺旋轮式管道机器人的基本构成及工作原理 熟悉其设计 生产的基 本知识 2 进行螺旋轮式管道机器人的总体方案设计及其零部件设计 3 设计原始参数 1 机器人可以在管道内实现前进 后退 按一定的曲率半径回转向动作 2 机器人的适应管径 146 164mm 3 机器人的运动速度为 16r min 4 可以实现竖直管的前进后退 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载 1 4 论文的主要内容 1 方案的确定 考虑课题所要求的变径需要 拟订几个可行的变径方案 并对 每个方案进行可行性分析 最终 经过方案比较和各方面的综合考虑 确定最佳方 案 2 材料的选择 为了使管道机器人在管道内更加灵活 所以采用铝合金型钢 6063 T4 合金 表 1 1 铝合金型钢 6063 T4 合金的特性 属性数值单位 弹性模量 6 9e 010 牛顿 m2 泊松比 0 33 不适用 剪切模量 2 58e 010 牛顿 m2 密度 2700Kg m3 张力强度 170000000 牛顿 m2 X 压缩强度牛顿 m2 屈服强度 90000000 牛顿 m2 热膨胀系数 2 4e 005 k 热导率 200w m k 比热 900J kg k 材料阻尼比率不适用 铝合金有如下优点 铝合金是纯铝加入一些合金元素制成的 如铝 锰合金 铝 铜合金 铝 铜 镁系硬铝合金 铝 锌 镁 铜系超硬铝合金 铝合金比纯铝具有更好的物理力 学性能 易加工 耐久性高 适用范围广 装饰效果好 花色丰富 铝合金分为防 锈铝 硬铝 超硬铝等种类 各种类均有各自的使用范围 并有各自的代号 以供 使用者选用 精品文档 10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载 铝合金仍然保持了质轻的特点 但机械性能明显提高 铝合金材料的应用有以 下三个方面 一是作为受力构件 二是作为门 窗 管 盖 壳等材料 三是作为 装饰和绝热材料 利用铝合金阳极氧化处理后可以进行着色的特点 制成各种装饰 品 铝合金板材 型材表面可以进行防腐 轧花 涂装 印刷等二次加工 制成各 种装饰板材 型材 作为装饰材料 成本低 而且使用一种加工工艺可以大量生产同样的零部件 这也是他的特点 之一 它的材料特性是轻 容易加工 以及在可耐强度方面不像碳素纤维有一个最大 受力范围 也就是说 碳素纤维因为有纤维的特性所以在一定的纤维方向上受力能 力很强 但是在在别的方向上的受力就会很差 变得一层一层的 而铝会慢慢变形 再损坏 还有就是铝合金容易加工和具有高度的散热性 此外 铝合金的加工工艺多 种多样 通用性较强 3 机械结构的设计 根据所确定的方案原理和管道检测机器人在石油管道中 的工作情况 如 要克服 5mm 高的凸起 凹坑 要通过拐弯半径为 R933mm 的弯道 还要保证超声传感器的探头探测范围覆盖内径为 150mm 的管道环面等 设计出能 够满足实际要求的机械结构形式和各个零件的具体尺寸 并绘制出变径装置的零件 图 装配图 4 结构优化分析 根据管道检测机器人在石油管道中的工作情况 如在 5mm 高 的凸起 凹坑处以及在拐弯半径为 R933mm 的弯道处 对设计出来的机械装置进行受 力分析 优化部分结构参数 从而使超声检测装置既能正常工作 5 基本尺寸的确定 使机构满足一定的几何限制条件 6 绘制出变径装置的零件图和装配图 并最终用 Solidworks 终绘制出该装置 的三维实体模型 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载 2 2 螺旋轮式管道机器人的总体方案设计 2 1 机器人管内运动方式对比分析 2 1 1 轮式 日本学者福田敏男 细贝英夫在 1986 年研制了可以通过 L 无圆弧过渡的管内 移动机器人 该机器人行走机构分别由头部和本体两部分组成 头部和本体可相对 回转 当机器人在直管内行走时 本体上的电动机 M1 通过减速装置带动本体上的驱 动轮转动 使机器人沿直管行走 当通过 90 度弯管时 电动机 M2 驱动头部做姿态 调整 同时驱动头部履带 引导机器人通过弯管 该机器人的技术指标为 适应管 径 50mm 行走速度 8 1mm s 转弯性能 可以通过 90 度直角弯管 机器人重量 为 240g 机器人长度 76mm 目前 轮式管道机器人是实际工程中应用最多的一种 轮式管内移动机器人行走 的基本原理是驱动轮靠弹簧力 液压 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 由驱动轮与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 轮式管道机器人的行走方式有 2 种 1 如果驱动轮轴线与管道轴线垂直 驱动轮沿管道母线滚动 机器人在管内做平 移运动 此为轮式直进式管内移动机器人 它的优点是机器人行走时 不产生姿态旋转 下面以上海交通大学研制的轮式管道机器人 图 1 10 为例说明其工作原理 驱动电 机通过轴驱动与之相连接的蜗杆 蜗杆驱动沿圆周方向成 120 均匀分布的 3 个蜗轮 蜗轮又通过链轮和链条带动机器人本体的车轮转动 实现机器人本体在管道内的前进 或后退 车轮与管道壁面之间的正压力由调节部分提供 调节电机驱动滚珠丝杠转动 丝 杠螺母将在丝杠上来回轴向移动 并带动推杆通过链 使摇杆转动 从而实现预紧力的调节 精品文档 12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载 1 蜗杆 2 驱动电机 3 驱动电机安装座 4 调整电机 5 铰链 6 推杆 7 丝杠螺母 8 丝杠 9 蜗杆 10 蜗轮 11 链条 12 车轮 图 1 10 驱动机构原理图 2 1 2 蠕动式 清华大学研制了一套小型蠕动机器人系统 其机构如图 2 1 由 1 蠕动体和 2 3 4 电致伸缩微位移器组成 蠕动体的蠕动变形形态由粘贴于柔性铰链部位的 电阻应变实时感 机器人的外形尺寸为 150 x61x46mm 重 2kg 最大步距 10 m 行 程 40mm 运动精度 0 2 m 走效率高 能以一定的速度平稳地运动 通过一些结构 设计 可以适应一定的管径变化 图 2 1 蠕动体结构示意图 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 然后 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 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载 1988 年 Ikuta 等引用蚯蚓运动的原理开发出了蠕动机器人 后来随着蠕动机 器人技术的不断完善 其开始向大型化发展 目前已可在 200 300 mm 的管道内应用 蠕动式管道机器人主要由蠕动部分 头部 尾部组成 如图 2 2 所示 前部和尾部 支撑分别装有超越离合锁死装置 实现单向运动自锁 中间蠕动部分提供机器人运 动的动力 对于蠕动动力机构 目前有很多实现形式 如上海大学利用气压伸缩驱 动 上海交通大学利用形状记忆合金伸缩驱动 昆明理工大学利用电磁吸合驱动 下面以电磁驱动的蠕动式管道机器人为例 分析蠕动式管道机器人的运动机理 蠕动式管道机器人的运动原理如图 2 2 所示 一个动作循环分为 3 个步骤 1 当初始状态时 电磁铁失电 弹簧处于自由状态 故头部与尾部分离 2 当电磁铁通电时 磁铁与线圈吸合 安装在头部上的超越单向行走方式使头 部原位不动 尾部由于电磁吸力的作用向前移动 3 断开电源 电磁力作用消失 弹簧促使磁铁与线圈分开 安装在尾部上的超 越单向行走方式使尾部原位不动 头部由于弹簧力的作用向前移动 至此 机器人回到了初始状态 机器人前进了一步 蠕动机器人优点是可在细小的微型管道中行走 但由于速度的间断性和缓慢性 阻碍了它的发展 图 2 2 蠕动机器人的运动原理 综合轮式驱动 履带式驱动 腿式驱动 电磁式驱动等不同结构的优缺点 以 及简单性和实用性特点 最后确定采用轮式驱动结构 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 通过一些结构的设计 可以适 应一定的管径变化 通过控制轴向尺寸 采取适当的结构 可以实现在弯管中行走 而且轮式驱动控制方便 可以方便地和各种传感器 速度传感器 压力传感器等 集成 常见的轮式驱动机构有直进轮式驱动和螺旋轮式推进两种方式 由于螺旋式 精品文档 14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载 推进机构具有诸多优点 前进速度快 驱动力大 对管径大小和管道形状变化的适 应性较强 控制方便 机构的管内稳定性好 因此我们最终确定采用螺旋轮式驱动 的方案 该方案采用了分节式螺旋驱动轮式结构 管道检测机器人基本结构由前后 两部分螺旋驱动部分和中间的超声波探测部分构成 2 2 螺旋轮式管道机器人的运动机理 2 2 1 机构的原理 如图 2 3 螺旋机构由驱动电机 1 2 旋转体 1 2 和支撑体 1 2 组成 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 随着电机的转动 驱动电机 1 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 电机采用内嵌式安装在支撑体 1 2 上 支撑体 1 2 通过弹簧 万向联结接头与无损检测传感器相联结 旋转体 1 和支撑体 1 2 的轮腿上装有弹性机构 使得机械本体有较好的越障能力 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 使得管道检测机器人有 一定的管径适应能力 1 旋转轮 2 弹簧 3 轮轴 4 支撑轮 5 电机托盖 6 万向节联轴器 7 探测仓 8 旋转电 机 9 探测头 10 万向节联轴器 11 电机托盖 12 支撑轮 13 旋转轮 14 小轮支撑 体 15 小轮 16 螺钉 图 2 3 油管检测机器人的检测本体结构 精品文档 15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载 2 2 2 机器人设计要点 第一 轮式驱动控制方便 可以方便地和各种传感器 速度传感器 压力传感 器等 集成 对称机构 双电机安装方式可以使机器人前进速度快 驱动力大 控 制方便 机构的管内稳定性好 第二 管道检测机器人采用三节对称结构具有以下优点 1 两驱动电机分担机器人所需的驱动力 可以降低电机的外形尺寸 节省 轴向安装空间 2 转弯时分别控制两电机的转动 可以减小转弯时驱动内耗 增加灵活性 3 增加爬垂直管道的驱动力 4 前后两部分驱动 可以尽量缩短轴向尺寸 减小转弯半径 第三 弹簧自定心作用 弹簧力的大小要考虑行走轮与管壁之间要有足够的正压力 使电机能够有较大 的功率输出 使行走机构拖动力最大 同时 还要考虑保证机器人能够在弹簧力的作 用下不会因其重力作用而明显地偏离管道中心 由于弹簧机械性能及参数变化该机 构设计上有调正环节 以使 3 个弹簧拉力基本平衡自定心 当机器人放入管内后 弹簧力的大小仍可由外面的轴杆来调节 通过理论分析与比较 螺旋轮式管内行走机构结构紧凑 双电机对称机构提供 的拖动力大 并且结构稳定 灵活 电机的是一种理想的管内行走机器人载体 可 以进行工业的应用和推广 精品文档 16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载 3 3 管道机器人行走机构的分析与设计 3 1 旋转轮的结构设计 图 3 1 旋转轮零件图 旋转轮盘选择两盘相扣结构 使机构更加灵活 支撑滚动轮的支撑轴 设计一 个凸起卡在一个盘内 既可以防止其在盘内轴向旋转 又不影响适应不同管径 变 径范围 146mm 164mm 3 1 1 机构运动受力分析 管道内机器人其移动机构的主要任务是携带探测 修补或维护所需的设备 如 CCD 传感器 涡流传感器或复杂的微操作手等 这就要求移动机构有一定的负载能 力 该机器人的供电方式为拖缆供电 随着机器人在管道内部行走的距离的加大 拖动电缆也就越长 这样电缆与管壁的摩擦力也就加大 所以要求机器人的移动机 构有一定的带载能力 当检测不同的管道时 管道内径可能是在一定范围内变化的 这种变化也会影响到移动机构负载能力的变化 一般情况下 在不使机器人打滑的 同时 管径增大时 撑紧机构施加到车轮上的正压力减小 从而摩擦力减小 负载 减小 电机所需的驱动力降低 反之在管径变小时 撑紧机构施加到车轮上的正压 力增大 从而摩擦力增大 负载增大 电机所需的驱动力降低 因此有必要将机构 的负载能力 或说轴向输出牵引力 作为一个重要的指标来分析 由前面的分析可 知 移动机构在管道中行走时 要实现力封闭及驱动行走 下面分析移动机构在管 精品文档 17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载 道中行走时的受力情况 对管道检测机器人受力分析时 只考虑机器人在垂直管道上升时的情况 因为 对管道检测机器人在垂直管道中上升过程中受到的负载最大 如果爬垂直管道时机 器人的承受负载能力能够满足要求 那么 管道机器人本体在水平或者坡度管道时 负载能力必定能够达到要求 机械平台共有 6 组 12 个驱动轮和 6 组 12 个支撑轮 为了使计算出的负载能力有一定的安全系数 所以只考虑 12 个驱动轮的负载能力 来平衡机械本体的负载 以螺旋驱动部分的受力为例 如图 3 2 假设处在理想状 态下 每个橡胶驱动轮的受力状态相同 因此取一个车轮作为隔离体 对其进行受力 分析 受力图如图 3 2 图 3 2 力学分析原理 分析可知 整个移动机构是依靠电机驱动 驱动轮紧紧压着管壁 驱动轮转动 时与管壁之间产生纯滚动 依靠管壁对驱动轮的摩擦力作用而实现行走的 因此 机器人在管道内部的前进 后退 启停 加减速等动作只需控制电机的正反转 启 停和调整电机电压大小来实现 得出及机器人的最大载荷 W max 12 N f F sin 由 MAZ 0 F y 0 可得 F N R f1 R f2 r 带入可得 W max 12 N f N R f1R f2r sin 3 1 1 1 受力分析时的一些假设条件 因为管道机器人的实际受力情况比较复杂 为了简化分析和计算 所以对管道 机器人的移动机构的受力情况 先做一些假设 以满足分析的需要 下面是一些假 设条件 1 移动机构是在直管中运动 忽略管道的内径的不均匀性 精品文档 18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载 2 管道机器人的移动机构的车轮在管道内作纯滚动 而忽略掉零件加工中的 误差而导致的机构其他形式的运动 3 整个移动机构作匀速运动 不考虑其惯性力的影响 4 移动机构移动时共有六个轮子与管道内壁接触 假设每个轮子的封闭力都 相同 5 忽略一切损失 6 负载无波动 7 分析时采用标量 当所求值为负时表示实际方向与图示方向相反 3 1 2 运动自由度分析 移动机构自由度的设计与其要完成的任务是相关的 往往采用完成任务时所需 的最小自由度数 本设计任务中对移动机构的自由度要求是能够在管道的约束下沿 管道的轴线方向移动 且不能作沿管道轴心线的旋转运动 即只要求是一个单自由 度移动机构 由上一节的分析可知 在所设计的双电机驱动直进式移动机构中 电 机壳体与机架固连 电机座的反力在电机内部被平衡掉 驱动轮仅受平面力系的作 用 只能作沿轴线方向的运动而不会产生沿管道轴心线的转动 即整个移动机构是 一个单自由度移动机构 3 1 3 电机的选择 12Fsin G G mg 2 9 8 19 6 12F 75 4 N 提供的牵引力至少 75 4N T 75 4 0 082 6 18Nm 每个电机提供转矩 3 09Nm 1 根据外形尺寸 估计机器人的总质量 M M 各个零件的质量总和 大体估计总质量为 2kg 精品文档 19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载 2 计算驱动机器人所需要的牵引力 F F 履带轮摩擦力 旋转刷摩擦力 据估计牵引力大小在 75 4N 左右 3 电机的选取 由于所需的负载转矩小 并且转速不宜太大 故选择带减速装置的电机 P T w 3 09 2 16 60 5 2kw 即每个电机需要提供 2 6kw 的功率 JBY37 540 减速电机 实体图 3 4 基本尺寸 3 5 考虑到在油管里 由于油管内的压力和摩擦力 选择如下参数的电机 3 2 电机连接轴的设计 图 3 6 电机连接轴 精品文档 20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载 表 3 3 电机选择参数 电 压 空载负载堵转 减速 比 减速 箱长 重量 转速电流转速电流扭矩功率扭矩电流约 V rpm minArpm minA Kg c m WKg cmA 1 00mm g 4640 153710 3381016 2519250 2900 152320 3481311019250 1540 151230 35816118 822258 970 1577 60 3781813022258 660 15530 39822143 7524263 510 15610 310825156 2524263 320 15260 31283019024263 220 15180 3148351131 226 5268 12 170 15140 3158381168 726 5268 转速电流转速电流扭矩功率扭矩电流 9280 37240 64121026 2519250 5800 34640 66121521019250 3080 32460 691220218 822258 24 200 3160 62112552270 26 5 275 表 3 1 选择电机参数 电压 24V 转速 16r min 功率 12w 电流 0 6A 减速比 27 体长 26 5mm 额定力矩 21Nm 重量 275g 精品文档 21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载 采用键连接 使结构紧凑稳定 第一 键连接的作用 键连接是通过键实现轴与轴向零件间的周向固定以传递运动 和转矩 其中有些类型还可以实现轴向固定和传递轴向力 有些类型并能实现轴向 动连接 普通平键用途最广 因为其结构简单 拆装方便 对中性好 适合高速 承受变载 冲击的场合 第二 键连接的装配工艺要点 1 装配前应检查键的直线度 键槽对轴心线的对称度和平行度 2 普通平键的两侧面与轴键槽的配合一般有间隙 重载荷 冲击 双向使用 时 须有过盈 键两端圆弧应无干涉 键端与轴槽应留 0 10mm 的间隙 3 普通平键的底面与键槽底面应贴实 4 半圆键的半径应稍小于轴槽半径 其他要求与一般平键相同 第三 键的选择和键联接的强度计算 1 键的选择 键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面 选择键连接类型时 一般需考虑 传递转矩大小 轴上零件沿轴向是否有移动及移动距离大小 对中性要求和键在轴 上的位置等因素 并结合各种键连接的特点加以分析选择 键的截面尺寸 键宽 b 和键高 h 按轴的直径 d 由标准中选定 键的长度 L 可根据轮毂的长度确定 可 取键长等于或略短于轮毂的宽度 导向平键应按轮毂的长度及滑动距离而定 键的 长度还须符合标准规定的长度系列 2 平键连接的强度计算 平键连接的可能失效形式有 较弱零件工作面被压溃 静连接 磨损 动连接 键的剪断 一般极少出现 因此 对于普通平键连接只需进行挤压强度计算 而对 于导向平键或滑键连接需进行耐磨性的条件性计算 3 3 弹簧的设计与选择 拉伸弹簧是直进轮式管道机器人的关键部件 如果拉伸弹簧的拉力不够 不能 保证每组轮轴机构都能被拉开使车轮挤压在石油管道内壁 这样不能保证机器人能 精品文档 22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载 够平稳行驶 如果拉伸弹簧的拉力太大 虽能保证机构都能被拉开并挤压在石油管 道内壁 但挤压在石油管道内壁的压力过大 使得直进轮式管道机器人运动阻力过 大 这对电机要求也会相应提高 因此 拉伸弹簧的设计是一个关键问题 需要选 择合适的参数 不仅要机构平稳行驶 而且要尽量减小整个行走机构的运动阻力 降低对电机功率要求 F 75 4N F 12 6 3N 故此弹簧所受力为 6 3N 经查表得 1 弹簧中径为 8mm 2 压缩弹簧有效圈数为 10mm 3 压缩弹簧的自由高度 H0 16mm 4 圆柱螺旋弹簧极限应力与极限载荷 工作极限应力 j 1 67 p 5 端部并紧磨平 d 0 的情况下 机器人通过弯管时需考虑 两种情况 机器人的两个端面在弯管的直边部分 见图 4 2 机器人的两个 精品文档 25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载 端面在弯管的弯曲部分 见图 4 2 a b 图 4 2 机器人处于弯管时的几何约束 当机器人的两个端面在弯管的直边部分时 机器人的直径和长度应满足下式 0 d R D 2 C O S a 2 R D 2 L max R D 2 C S C a 2 R D 2 d c o t a 2 当机器人的两个端