毕业论文-φ20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计

20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计AbstractThein-pipemicrorobotisanimportantresearchdirectioninthefieldofmicrorobot.Theminiaturepipingrobotcanenterandworkinthenarrowandsmallspacewherethepersoncantdo,itistobewidelyusedinmanyplaces.Thein-pipemicrorobotbasedonscrewmotionwheelsissuitableformovingandinspectioninsidesmalldiemeterpipes，andcanexercisesinthesmallcalibercertainscopelibbersandflectionsdegreetube.Themicroin-pipescrewmotionwheelsrobotincludethreeparts:drivingmechanism,motor/reducerandholdingmechanism,itstructureissimple,controlconvenience.Thistextcarryonthetheoriesforthein-pipemicrorobotmovewhichorganizationbasedonscrewmotionwheels,putforwardthetotaldesignproject,designtoeachpart,havedesignthepartsshape,thesizeandthematerials,andthelinkprojectofthreeparts.Onthisfoundation,tocarryonthepossibilitytechniqueanalysisfortheproduct,designthemicroin-pipescrewmotionwheelsrobotforthebore20mmpipes.Keywords:Thein-pipemicrorobot,screwmotionwheel,organization，Design-III-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计目录第一章前言.11.1管内微型机器人发展的现状.11.1.1国内外管内微型机器人研究现状.31.1.2国内外微型管内螺旋轮式机器人研究现状.41.1.3微型管道机器人所面临的问题.51.1.4微型管道机器人发展方向的探讨.61.2课题的提出和研究内容.61.2.1课题的提出.61.2.2研究的基本内容.71.2.3研究步骤、方法.71.3本章小结.8第二章总体结构设计方案.92.1管内螺旋轮式机器人机构设计的思想.92.2整体机构总体设计.92.3驱动机构，保持机构和电机的设计.102.3.1电动机的选择.102.3.2保持机构.112.3.3驱动机构.112.4三部分之间连接设计.122.4.1钢丝软轴.122.4.2胶接.152.4.3扭簧.1725本章小结.19第三章机械机构主要零件的设计.203.1驱动力矩、承载能力及移动速度的理论计算.203.1.1驱动力矩和承载能力.203.1.2移动速度.223.2各主要零件的设计.22-I-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计3.2.1轮子.223.2.2轮轴.233.2.3扭臂.243.2.4前元实体.253.2.5前单元实体扭簧.253.2.6软轴接头1.263.2.7电动机和减速器的选择.273.2.8软轴接头2.303.2.9软轴接头3.323.2.10后单元实体.323.2.11后单元实体扭簧.343.2.12其它零件.353.3本章小结.35第四章微型管道螺旋轮式机器人的技术分析.364.1机器人的可行性分析.364.1.1问题的提出.364.1.2微型管内螺旋轮式机器人运动受限情况分析.364.1.3微型管内螺旋轮式机器人适用管道分析.374.2机器人的安装与维护.394.2.1机器人的安装.394.2.2机器人的维护.404.3本章小结.40第五章经济技术分析报告.415.1经济效益分析.415.1.1成本初步核算.415.1.2市场前景分析.415.2社会效益分析.425.3本章小结.42毕业设计总结.43主要参考文献.45致谢.46声明.46-II-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计第一章前言在工业、核工业、石油天然气等领域中，管道作为一种有效的物料输送手段而得到广泛应用，为了提高这些管道的寿命，防止泄露等事故的发生，管道机器人作为满足高效准确的故障诊断、检测及维修的手段应运而生，其广泛地应用于管道的探伤、补口、维修、焊接等诸多领域。目前，国内外管道机器人的研究成果已经很多，可是对生物体内狭小空间内的检查诊断，工业上热交换器及核电站微小管道空间内的检测、维修尚属空白，并极具吸引力，因此相继成为国内外研究的热点。微管道机器人是基于狭小空间内的应用背景提出的，其环境特点是在狭小的管状通道或缝隙内行走进行检测、维修等作业，由于与常规条件下管内作业环境有明显的不同，即相对微观与宏观的区别，并且其行走方式及结构原理与常规管道机器人不同，因此微管道机器人属于微机器人的范畴。归属于微电子机械系统(MEMS)的微机器人主要针对生物及医学领域提出的，例如可用来操作人体血球、细胞、诊断、注药和修补等；同时微机器人还在军事上具有应用价值1。由于微管道机器人属于MEMS的范畴，其微型化过程的行走方式及结构构成与常规管道机器人必然不同，常规管道机器人的行走方式主要有轮式、履带式和蠕动式，其中轮式和蠕动式行走方式易于小型化，国内外学者在按宏观技术进行管道机器人微型化的过程中，已经受到了常规技术手段的限制.由于空间的限制和相对控制精度的要求，常规管道机器人按比例缩小是不可行的，即由于常规管道机器人结构复杂，很难微型化，理论上可以按比例缩小，但机械传动的间隙是受传统加工精度影响的，采用传统加工精度制造的微型传动链的累积误差相对微管道机器人的控制精度要求和狭小的作业空间来说是不能接受的，况且目前还不能完全实现复杂的微细加工.有鉴于此，微管道机器人的行走方式应另辟蹊径.目前随着微电子机械技术的发展和晶体压电效应和超磁致伸缩材料磁-机耦合技术应用的发展，使新型微电-机械转换器，即微驱动器的出现和应用成为现实.从目前国外微管道机器人的研制情况来看，微管道机器人的发展与微机械电子技术、超精密加工技术的发展，与以功能材料、智能材料为基础的微驱动器的研制开发成果是密切相关的，因此微驱动器的研究成果已成为微管道机器人重要发展基础2。1.1管内微型机器人发展的现状微型机械(Micromachine，日本惯用语)从广义上包括了微小型和纳米机械，-1-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计但并非普通机械的单纯微小化，而是指可以批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯和电源于一体的微型机电系统(MicroElectroMechanicalSystems，缩写为MEMS美国惯用语)，或称之为微系统(Microsystem，欧洲惯用语)。微型机电系统是一个新兴的技术领域，在工业、信息处理和通讯、航空航天、航海、医学和生物工程、农业和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。许多国家都很重视微型机电系统技术的研究和开发，在90年代纷纷将其列入高技术发展规划。美国国家自然科学基金会从1988年起，每年投入200-300万美元资助MEMS的基础研究，近年又增至每年800-1500万美元;美国国防部从1992年起，拨款支持MEMS的研究，1995年的资助额为300万美元;而在1995年，美国工业界对MEMS的研究开发费估计为1.2亿美元。日本通产省从1991年起实施“微机械技术十年计划”，分为基础研究、中间评价和系统化技术三个阶段，并于1992年组建了“微机械研究中心”来负责组织管理和规划研究，该计划总投资250亿日元。西欧的一些国家，如德国、法国、瑞士等，也对MEMS的研究给予鼓励和支持。在1995年，西欧各国对MEMS的研究总投入超过4000万美元。在亚洲，除日本外，韩国、新加坡、马来西亚和台湾地区都相继制定了MEMS的研究开发计划。各国的发展侧重点有所区别，美国对MEMS技术前沿的研究比较积极，而日本则把小型和微型系统结合起来的混合系统作为主要发展目标，因为它比纯微型系统更接近使用，也易于实现3。微型机器人(Microrobot)是可编程通用的微型机械，是MEMS研究开发的重要分支。微型机器人系统本身很小，便于进入微小空间进行操作。虽然大管道中行走的机器人国内外已开发了许多，但适于管径20mm左右管道中的微机器人的研究才刚起步，由于受结构尺寸和作业空间的限制，微型机器人很难采用常规的驱动方式和驱动机构，必须研究出新型的驱动方式和相应的驱动器。管内微型机器人主要有以下几种类型:管道式、履带式、步伐式、蠕动式、振动式及轮式。其中轮式又包括轮式小车、螺旋轮式及支撑轮式。轮式小车和履带式在小直径的管道检测中，由于依靠自重形成的附着力较小，制约了牵引力的提高，因此不能携带较重的检测设备，只适合作水平管道或坡度较小的倾斜管道内表面的视频检测，采用差速或滑移转向。步伐式虽自由度数多，便于粗糙不平管内的转向，但因其结构复杂，控制难度大，故在管道检测中很少采用，一般用作地面移动机器-2-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计人。蠕动式机器人的驱动行走方式较多，是目前微型管内螺旋轮式机器人研究的热点。一般携带较轻的检测设备，拖缆作业，实际应用尚有许多问题需要解决。振动式利用惯性质量块的惯性运动，产生行走的驱动力。改变驱动频率，即可获得不同的移动速度，承载能力较小。螺旋轮式与支撑轮式机器人，依靠驱动轮与管壁间的摩擦产生牵引力，具有较强的承载能力，适合小直径、中等直径的管道作业4。1.1.1国内外管内微型机器人研究情况日本在微型机械方面的研究注重实用，在管道微型机器人方面的研究非常活跃，取得很多成果。日本通产省的“微机械技术”十年计划的三大应用目标中的前两个就与管道有关，即制造出能进入工业管道检修的微型机械和能进入人体进行诊断和实行手术的微型机器人。日本MEITEC公司研制出用压电晶片作驱动器的管道微小机器人。机器人由本体和8个针形驱动器组成，每个针形驱动器由1块薄的弹性金属板和贴在板两面均布的4对压电晶，以及固定在金属板的驱动腿构成。将不同波形、频率或相位的电压作用于各块压电晶片上，使压电晶片产生交变位移，则金属板发生弯曲扭转振动，从而使针形腿的末端与管道内壁发生相互作用产生驱动力推动机器人运动。通过控制弹性金属板的振动模式可使机器人作前后直线运动、旋转运动和螺旋运动。该机器人直线运动最快速度为73mm/s。日本DENSO公司研制出压电陶瓷驱动的、用于细小工业管道的自动化检测微小型机器人州。该机器人主要由压电元件、配重和弹性支撑腿组成，携带涡流传感器进行检测。它是以压电陶瓷的逆压电效应为基础，根据惯性冲击运动的原理设计的5。日本TOKYO-Toshiba公司于1997年研制了一台轮式微型管内移动机器人，其前部带一部微CCD摄像机，能分辨管内异物并用微机械手实现清理。胶管连接可过弯管，适应管径25mm；行走速度：0.36m/min；自重：16g；该机器人尽管采用常规的轮式行走方式，它的研制成功是模块化、集成化的微机械电子技术发展的结晶。因此其属于微型管内移动机器人。该机器人采用多轮驱动是为了增加牵引力，由于轮径太小，越障能力非常有限，而且结构复杂。东京工大根据蚯蚓蠕动原理开发出了一种蠕动式管道微机器人。它采用气压驱动柔性微执行器(FMA)，整个机器人由三节单元组成，按照一定的控制规律使三节单元协调动作能够实现微机器人在直径为10mm管内的前后移动，移动速度为2.2mm/s。-3-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计德国西门子公司研制出仿蜘蛛的爬管微机器人，这类机器人有4、6、8只脚三种类型，可在各种类型的管内移动，其运动原理是利用腿推压管壁来获得驱动力，多腿可以很方便地在各种形状的管道内移动作业，但其控制较复杂。用于人体管道检测的微型机器人要求管径更细，柔软性、安全性更高，主要采用SMA(形状记忆合金)作柔软弯曲运动，目前可达到的最小直径为1mm，长度为几十毫米。6意大利开发了用于结肠检查的携带主动内窥镜的微型机器人。机器人由母体、微型手臂和人机接口组成。母体装有诊断和手术工具，并提供驱动力，运动方式为蠕动式。母体由三个模块组成，两个模块起定位和支撑作用，第三个模块起伸缩作用。每个工作循环有7个状态，受微型气体分配器控制。我国对MEMS的研究也相当重视，国家自然科学基金会、高技术研究发展计划和国防科工委都投入不少资金，我国在管道作业的微小型机器人方面的研究取得了许多成果。中国科技大学研制出了基于SMA(形状记忆合金)导向的用于人体肠道检查和腹腔手术的医用蠕动式管道微型机器人。携带内窥镜检测的微型机器人在可控的SMA元件的作用下可以实现自主导向。上海交通大学研究成果有基于永磁铁的电磁力式微型机器人。上海大学微机械中心研制出了基于电磁力式的管内微型机器人、层叠型压电式管内微型机器人、不需软轴驱动的螺旋轮式管内微型机器人，还研制了微管道机器人用的微夹持机械手。目前该中心正在进行管间移动微型车、高聚物仿生筋肌驱动的管内蠕动式微型机器人、管内无缆供能、管内无缆信号传送和面向管道检测的多微型机器人移动、控制、协调及集成技术的研究工作。哈工大机器人所于殿勇等人研制了蠕动式管内移动机器人，该机器人结构新颖，牵引力大，其结构采用四个步进电机，二个电机用于实现适宜管径变化，另二个电机用于实现蠕动行走，可实现三通管内转弯功能，它首次将超越行原理应用于管道机器人行走机构上，该结构紧凑，使小型化成为可能.其技术参数：适应管径:80-100mm；行走速度：1.5m/min；爬坡:可垂直上、下走；拖动力9N；自重：3.5kg。1.1.2国内外微型管内螺旋轮式机器人研究现状日本东京工大开发出了基于螺旋运动原理的轮式微型机器人，该微型机器人的本体由几个单元体通过弹簧连接而成，每个单元体上均布有三只支撑臂，用螺旋弹簧将支撑臂上的小轮紧压在管道内壁上。每个小轮的轴线相对单元体的轴线倾斜了-4-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计一个角度，通过软轴将扭矩作用于单元体上使微型机器人运动。该机器人带上微型CCD摄像机可用于细小工业管道的检测工作。该微型机器人可在内径25.4mm，曲率半径不小于200mm的管道内移动，速度约34mm/s7。1994年，日本东京工业大学的IowaHayashi等研制了一种基于螺旋驱动原理，能在长20m直径20mm或更细的管内移动的微小型机器人。橡胶轮的轴线与基座的轴线空间相交成一定侧偏角，等效为螺旋角，电机直接驱动，机器人将在管内以螺旋轨迹前进或后退，其机理等效于螺纹传动。驱动轮的侧偏角的大小对机器人的移动速度和拖动力有直接的影响，侧偏角为25度时，最大的速度可达100mm/s，最大拖动力达9.5N，侧偏角为60度时，速度可达260mm/s。1997年，IowaHayashi等对该机器人进行了改进，可在直径20mm、长20m的管内移动，并增加了微型CCD摄像机用来对细小管道的内壁进行检测。1999年，该研究小组与NEC公司及KantoolGieken公司合作，对螺旋驱动单元进行了改进，使机器人具有越障能力，机器人能顺利通过直径100mm和直径75mm管道的连接处8。1999年，上海大学的钱晋武等人研制了一种微型螺旋轮式机器人，它由动力内置式螺旋运动机构和CCD摄像头/监视装置组成，能在直径38mm的细小管道内运行，其部分实验结果和分析如下：(l)机器人自重为142g，最大载荷为210g，其自重载重比达到1：1.48；(2)机器人水平方向空载移动速度分别为240mm/min(前进)和205mm/min(后退)；(3)机器人垂直方向空载移动速度分别为160mm/min(前进)和278mm/min(后退)；(4)少量的管道圆度变化(5%管径)及管径的变化(3%管径)对移动速度影响不大。1.1.3微型管道机器人所面临的问题从微管道机器人的发展过程来看，每前进一步，都和微机械电子技术、超精密加工技术的发展以及和以功能材料、智能材料为基础的微驱动器的研制开发成果是密切相关的。它所面临的主要问题有以下几个：1、能源供给问题常规机器人能源供给一般采用有缆方式，拖缆的摩擦力并未对机器人的行走带来太大的影响，至少在几百米以内是可以作业的。可是对微管道机器人来说，尽管其功重比己经很大，但微机器人的牵引力与拖缆力相比是不可忽略的，尤其在弯管环境中，微机器人很容易因牵引力不足以拖缆而不能行走，因此目前开发的微管机器人离实用化还有相当的差距。2、可靠性问题微管道机器人最终目标要实现在生物医学及核电站等重要领-5-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计域应用，因此其可靠性显得尤为重要，因此要求机器人能适应复杂管内环境，并具备故障排除能力。3、速度及位置识别常规管道机器人一般采用与驱动轮联结的光电码盘形成闭环控制，并借助于CCD实现速度和位置的控制，目前微管道机器人的速度及位移只能借助于管外激光干涉实验仪器和管外跟随装置间接实现，还远远没有实现速度及位置的自主识别9。1.1.4微型管道机器人发展方向的探讨有鉴于目前微管道机器人存在的问题，并要最终实现在线检测这一宗旨，首先在以下几个方面要有所突破。1、微驱动器从微管道机器人的发展来看，微驱动器技术起着关键作用，并且是微机器人水平的标志，因此开发耗能低、结构简单、易于小型化、位移输出和力输出大，线性控制性能好。动态响应快的新型微驱动器是未来的研究方向。2、微移动机构微移动机构决定微机器人的行走方式，其发展在一定程度上和微驱动器的发展是相关的，从目前的行走方式来看，振动式和冲击式适合于刚性管壁环境下应用；具有柔弹性的蠕动机构适合于在柔性管壁环境下应用，因此柔弹性的蠕动机构在生物医学领域有其发展空间。3、高度自治的控制系统微管道机器人要完成检测、维修作业，其自身定位及环境的识别能力是关键，开发微视觉系统，提高微图象处理速度，采用神经网络及人工智能等先进的技术来解决控制系统的高度自治难题是极具吸引力的，也是最终自主化的关键。1.2课题的提出和研究内容1.2.1课题的提出管内移动机构作为自动探测机器人的重要组成部分，是检测装置的载体。对细小管道内机器人移动机构的基本要求为:(l)较大的承载能力(对于直立管道内的移动机构尤为如此)；(2)较高和均匀的移动速度；(3)适应一定曲率的弯曲管道；(4)适应由于管道弯曲或管内积垢腐蚀而引起的管径变化。由于空间窄小，传统的机器人移动技术(车轮、履带、步行机构)很难直接应用到细小管道内，因此需要研究新的机构形式。-6-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计与已有的管内蠕动机构、压电驱动机构、电磁驱动机构相比，螺旋轮驱动移动机构结构简单，并且比较容易达到上述的四项基本要求，是一种较有前途的实用机构形式。本课题是研究一种直径20mm管内螺旋轮式机器人的移动机构。1.2.2研究的基本内容对于微型螺旋轮驱动的机器人移动机构进行力学性能和运动性能研究，掌握微型螺旋轮式机器人的基本结构和工作原理。1、螺旋轮移动机构的基本结构为:电动机和减速器、驱动机构和保持机构。2、微型螺旋轮机器人的工作原理为：当电机通电时，电机轴带动驱动机构转动，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。3、微型螺旋轮机器人设计主要内容：对移动系统进行设计计算，完成驱动力矩，承载能力以及移动速度的理论计算，选择合适的电动机，设计出螺旋轮和保持机构，以及三部分之间的连接方式，完成直径20mm管内螺旋轮式机器人机构设计。1.2.3研究步骤、方法1、根据课题准备、查阅相关资料，对所查得的资料进行系统的研究学习，掌握微型螺旋轮式机器人的基本结构和工作原理。2、翻译英文资料、调研，对文献进行综述，完成开题报告。3、确定微型螺旋轮式机器人机构布置方案，其主要部分有螺旋轮，电动机和保持导轮；以及这三部分之间连接方式。4、绘制微型螺旋轮式机器人结构和系统草图，大致确定机构各部件以及其安装位置。5、进行微型螺旋轮式机器人移动机构进行力学性能和运动性能研究，完成驱动力矩，承载能力以及移动速度的理论计算，在此基础上精确设计机构各部分尺寸大小，材料，以及安装位置等，选择电动机型号。6、绘制微型螺旋轮式机器人总体装配图，利用Autocad2004软件，完成0号总体装配图纸一张。7、绘制微型螺旋轮式机器人零件图若干张。8、撰写设计说明书，论文，完成最后的修改，定稿并准备答辩。-7-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计13本章小结这一章主要对国内外微型管道机器人尤其是微型管内螺旋轮式机器人的的使用和发展现状以及发展方向做了一个介绍，微型管道机器人在国内外研究非常广泛，有许多种形式，而微型管内螺旋轮式机器人在国内的研究刚刚起步。对于微型管内螺旋轮式机器人这个课题的研究基本内容和研究的步骤方法做了简要的计划，包括螺旋轮移动机构的主要结构和微型螺旋轮机器人的运动方式以及微型螺旋轮机器人设计主要内容-8-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计第二章总体结构设计方案2.1管内螺旋轮式机器人机构设计的思想管内微行螺旋轮式机器人是一种适合小口径管内移动作业的微小机器人，它的基本功能要求为：(l)较大的承载能力；(2)较高和均匀的移动速度；(3)适应一定曲率的弯曲管道；(4)适应由于管道弯曲或管内积垢腐蚀而引起的管径变化。对其设计的主要要求为：（1）小型化，轻量化:为了在细小口径的内运动，必须要求其传动机构尽量小型化、轻量化，以提高运动灵敏度，减小冲击，降低能耗。（2）精密性:对微型机器人而言，对精度的要求是很高的，设计过程中应该注意各传动机构和零件的精度，使机构的精密性很高；（3）高速化:产品工作效率的高低，直接与机械传动部件的运动速度相关，因而机械传动机构的精密度应。为了使微型机器人在细小口径管内快速运动，应该在设计过程中注意产品能适应高速运动的要求2.2整体机构总体设计微型管内螺旋轮式机器人是一种适合小口径管内移动作业的微小机器人，对它运动的要求是能在一定范围管径和弯曲度的小口径管内运动。在上述设计思想的指导下，螺旋轮移动机构的主要部分为:电动机和减速器、驱动机构和保持机构。三个驱动轮均匀分布于轮架上与轮架铰接，并与管壁呈一定的倾斜角。当电机通电时，电机轴带动轮架转动，使驱动轮沿管壁作螺旋运动。保持机构的轮子压紧在管壁上，防止电机外壳反向转动。因此，随着电机的转动，驱动机构作螺旋运动，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。如图2-1所示，为微行管内螺旋轮式机器人的结构形式：-9-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计图2-1微型管内螺旋轮式机器人示意图2.3驱动机构、保持机构和电机的设计2.3.1电动机的选择随着科学技术的发展，微型电机事业出现了这样两点变化；（1）应用领域不断扩大（2）对微特电机的要求越来越高。应该特别指出的要求是这样几方面：(1)低噪声，低电磁干扰；(2)长寿命，高可靠性；(3)高性能，运行平稳；(4)智能化机电一体化，易于控制；(5)体积小，功耗低；(6)价格便宜。在以上各方面，微型直流电动机具有明显的不可代替的技术优势。瑞士maxonmotorag.是一家专业制造空芯杯转子电机的跨国公司，maxon直流电机是一种高质量的驱动元件，它装有高性能的稀土磁钢，专利的空芯杯转子是电机的核心，这意味着小体积、高性能、低惯量的驱动最新技术。借助于精密的齿轮箱，可获得更宽的速度和转矩范围。maxon空芯杯直流伺服电机的特点是：体积小、重量轻、线性度好（无齿槽效应）、转动惯量小、反应迅速、过载能力强、效率高、以及良好的抗电磁干扰能力等。目前应用范围包括：精密医疗仪器及医疗设备，精密光学仪器、测量仪器、自动化仪表、安防系列、工业控制系统以及机器人、航空、航天等高科技领域。它包括以下几个系列：RE系列：采用高磁能积的稀土钕铁硼磁钢的最高性能电机。S系列：采用高性能的铝镍钴磁钢的伺服电机，此系列品种丰富，使用比较灵活。A系列：经过优化生产效率的电机系列，它装有强力的铝镍钴永磁体。F系列：采用铁氧体磁钢，即使单位体积功率不高，但能提供更好的性价比。2.3.2驱动机构驱动机构是微型管内螺旋轮式机器人的主要结构组成部分，其主要组成为在一个单元实体上面安装三个扭臂，扭臂与单元实体铰接，每个扭臂末端用一根轴安装-10-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计固定一个橡胶轮，橡胶轮的轴线与单元实体的轴线空间相交成为一顶的侧偏角，用一个圆柱螺旋扭簧来控制扭臂的摆动，达到一个合适的位置，使橡胶轮紧压在管道内壁上，利用摩擦力，在电动机的带动下前单元实体螺旋运动，使机器人在管内前进。其示意图如图2-2所示：图2-2驱动机构2.3.3保持机构保持机构是为了防止电动机外壳反向转动，保持机器人在管内前进的机构，起主要组成为在一个成十字形的单元实体上面安装四个扭臂，扭臂与单元实体铰接，每个扭臂末端用一根轴安装固定一个橡胶轮，用一个圆柱螺旋扭簧来控制扭臂的摆动，达到一个合适的位置，使橡胶轮紧压在管道内壁上，保持机构沿着管道中心轴线移动。其示意图如图2-3所示：-11-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计图2-3驱动机构2.4三部分之间连接设计2.4.1钢丝软轴为了提高管内运动的灵活性，降低了对单元长度的要求，更易通过曲率大的弯管，保证螺旋轮式机器人能够在一定曲率的管道内运动，驱动机构、保持机构和减速电机三部分之间的连接采用钢丝软轴10。软轴是一种可以自由弯曲的轴，有钢丝绕线式，联轴器式和钢丝弹簧式三种。软轴主要用于两个传动机件的轴线不在同一直线上，或工作时彼此要求有相对运动的空间传动。也适合于受连续振动的场合以缓和冲击。它的应用范围是：主轴调位的机床、混凝土振动器、砂轮机、医疗器械、以及里程表、遥控仪等传动。软轴安装简便结构紧凑、工作适应性较强。运用于高转速、小转矩场合。但转速低、转矩大时，从动端的转速往往不均匀且扭转刚度也不易保证。1、软轴的规格软轴通常由钢丝软铀、软轴管、软接头和软管接头等几部分组成。按照用途不同软轴又分功率型(G型)和控制型(K型)两种。功率型软轴般有防逆转装置，以保证单向传动。表2-是常用钢丝软轴的直径规格11。2、软轴的结构型式-12-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计钢丝软轴的结构如图2-4所示。它是由几层弹簧钢丝紧绕在一起而成。而每一层又有若干根钢丝组成。相邻钢丝层的缠绕方向相反。软轴传递转矩时，相邻两层钢丝中的一层趋于扰紧，而另一层趋于旋松，使各层钢丝相互压紧。轴的旋转方向，应使表层钢丝趋于绕紧为合理。按照外层钢丝的绕向不同，钢丝软轴有左旋和右旋两种。功率型钢丝软轴外层钢丝直径较大，有的还不带芯棒，因而耐磨性和挠性都较好。控制型钢丝软轴都有芯棒钢丝层数和每层钢丝的根数较多扭转刚度较大。3、接头及联接软轴接头是用于联接动力输出轴及工作部件。其联接方式分固定式和滑动式两种。固定式多用于软轴较短或工作中弯曲半径变化不大的场合。当软轴工作时弯曲半径变化较大时，容易磨损。滑动式允许钢丝软轴在软管内有较大的窜动、因而能补偿软管弯曲时的长度变化。但弯曲半径不能过小以防止接头滑出。常用软轴接头结构型式见表2-2。常用软轴接头与轴端联接方式见表2-3。图2-4钢丝软轴的结构表2-常用钢丝软轴的直径规格型号功率型（G型）控制型（K型）公称尺寸1013161922334568许用差别0.10.150.150.080.10.10.10.10.20.30.1-13-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计表2-2常用的软轴接头结构形式表2-3常用的软轴接头与钢丝软轴的连接方式-14-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计2.4.2胶接为了提高管内运动的灵活性，尽量使机构设计简单化，不再引入其它多余零件，微型机器人第二部分，即电机和减速器单元与第三部分保持机构的软轴接头之间连接采用胶接。电动机接线端不能再进行其它形式的加工，为了不再增加多余零件和质量，直接将电动机接线端与钢丝软轴接头之间采用胶接方式进行连接。胶接是利用胶粘剂在下述条件之一而获得具有足够强度的胶接接头的连接方法:在一定温度下经一定时间固化；加热后冷却凝固；溶剂挥发形成胶膜。胶接技术的应用可引起很多产品设计和工艺的革新，随着胶粘剂新品种的不断涌现及新工程材料的扩大使用，胶接技术应用范围将日益扩1、几种连接方法的比较（1）焊接焊接局限性在于只有相同材质的零件方能焊接，并且焊接时由于高温会引起被焊件显微组织的变化，从而影响强度，在冷却过程中还会产生内应力而引起翘曲和变形。焊接无法实现材质不同或结构要求不同的零件连接。（2）钎焊钎焊可连接不同材质的零件，但容易发生电化学腐蚀，而且只限于金属材料之间的连接，对于金属和非金属的连接较为困难。（3）铆接和螺纹连接铆接和螺纹连接需要对连接件冲孔或钻孔，致使承受负载时连接体受力不均，应力集中在孔的周围，降低其抗疲劳强度，在周期性负荷作用下容易松动，也容易产生漏气和接触腐蚀，且表面不平整。（4）压力连接无论冷压还是热压，压力连接的应用范围有限，对接头的加工精度和粗糙度要求很高，而且过盈配合易引起工件变形，产生难以消除的内应力，有时压配后还得重新加工。即使连接件精度很高，实际接触面也在50%以下，仍会产生应力集中，在运行中也易产生松大。动、锈蚀、泄漏等缺陷。2、胶接的特点（1）胶接的优点：质量较小（一般可以小20%左右），材料利用率高；胶接接头的应力分布比焊接、铆接或螺纹连接均匀，理论应力集中系数比较低，减少了薄板(特别是非铁金属)结构由于焊、铆、螺栓连接引起的应力集中和局部翘曲，-15-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计因此胶接接头抗疲劳性能好；可连接各种金属和非金属，包括某些脆性材料，也可用于修复破损零件；胶接可取消机械紧固件(如螺钉、螺母等)，不需要联接孔，不会减少材料的有效横截面积，可充分利用材料的全部强度，因此采用胶接可大大减轻整体结构重量。胶接表面平整光滑，能保证良好的流线型；胶接接头密封性好。采用胶-焊、胶-铆、胶-螺等复合连接可以提高接头承载能力和密封性。此外接头还有绝缘、耐腐蚀等特点值胶接工艺简便，可避免焊接或铆接所产生的变形，易于实现大面积的连接，工艺过程可实现机械化和自动化。（2）胶接的缺点：目前的胶粘剂多数属于有机高分子物质，其耐高、低温性能是有限的；在有光、热、空气和接触有机溶剂等工作条件下，胶层易老化，性能变差(如变脆、强度下降等)，接头的物理-机械综合性能较低；与高强度被胶接件相比较，胶接强度还不够高。3、工序要求胶接的基本工序包括:（l）胶粘表面制备，通常是多步工艺；（2）清洁表面检验；(3)把胶粘体用于配合表面；(4)接头装配；(5)按要求控制热量和压力；(6)从固定夹具上拆卸。（1）表面制备：表面制备包括:单纯脱脂；脱脂和磨光表面；脱脂和预处理。在完成预处理程序之后，制备过程中一定不能弄脏表面。而弄脏表面有许多方面，甚至手指印也妨碍连接效果，还可能由灰尘、空气中的特殊粒子、湿气、油蒸气以及其它液体造成，在完成预处理工序后应立即用胶粘剂涂覆清洁表面，这样表面的性能才能达到最佳。（2）清洁表面检验：对清洁表面要进行周期性检验，特别是对于金属表面。滴到表面的蒸馏水应能润湿表面，并从一边扩散到另一边，或使表面在蒸馏水中浸一浸，而水薄膜不破裂成小滴。这种检验方法只适合于金属，而不适用于塑料，因为有些塑料不能用蒸馏水润湿，尽管它们能获得良好的胶粘剂薄膜。（3）装配：零件进行过彻底的清浩后，涂上适量的胶接剂，一定要确保胶接剂均匀涂覆，之后必须将这些零件用沾有胶接剂的铆钉、螺钉或点焊固定，或在夹具内安装固定完成固化。（4）固化：固化需要时间，并与胶接剂的温度有关。对最简单的情况而言，这可能意味着少量溶剂蒸发或熔化及再凝固热熔化物的时间。-16-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计四个基本的温度范围是:冷环境温度:20以下；周围温度:20一30；中温:30一100；热环境温度:100以上(对于一部分环氧胶接剂达到180)。在正常温度下完全固化的时间可以由几分钟延续至1天，或更长时间;略微提高温度，可使固化时间缩短以获得强的连接效果。根据装配件的大小和数量，可用红外板、或加衬垫加热。显然，这个工作必须持续进行，直到固化完成为止(零件不能移动)。所有可挥发性的副产物都应用适当的通风装置排除。胶接剂的力学性能随着胶接材料，环境温度，固化条件，工作时间，工艺水平等不同而不同。例如可用语胶接各种碳钢，合金钢，铝，镁，钛等合金以及各种玻璃钢的酚醛缩醛有机硅耐高温胶粘剂（牌号204胶）胶接30CrMnSiA钢时，在常温下，剪切强度B22.8MPa；200C时，15.8MPa，300oBC时，B8.6MPa。各种胶粘剂的性能数据可查阅有关手册。2.4.3扭簧为了提高管内运动的灵活性，使橡胶轮紧压在管道内壁上，保证螺旋轮式机器人能够在一定管径变化的管道内运动，驱动机构、保持机构上面用圆柱螺旋扭转弹簧来控制扭臂的摆动角度、橡胶轮的位置和管道内壁对橡胶轮的支反力。圆柱螺旋扭转弹簧常用于压紧、贮能或传递规矩，它的两端带有杆臂或挂钩，以便固定或加载。图2-5中，N为外臂扭转弹簧，N型为外臀扭转弹簧，N型为中心扭转弹簧，N型为双扭簧。扭转弹簧在相邻两圈间一般留有微小间隙，以防扭转变形时相邻圈相互摩12。扭转弹簧的工作应力也是要在其材料的弹性范围内才能正常工作，扭转弹簧的工作扭矩T与扭转角之间是线性关系，图2-6是其弹簧特性曲线图，图中各符号的意义是：Tmax-最大工作扭矩；Tmin-最小工作极矩；Tlim-极限工作极矩；max，min，lim-分别对于与上述几个载荷的扭转角。-17-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计图2-5圆柱螺旋扭簧图2-6扭转弹簧的特性曲线（a）载荷图（b）特性曲线-18-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计25本章小结这一章主要是对微型螺旋轮式机器人的整体设计方案做了分析，指出了微型螺旋轮式机器人设计的指导思想。在这个思想的指导下，微型螺旋轮式机器人包括三部分：驱动机构，保持机构，和减速电机。分别对这三部分以及这三部分如何连接成一个整体做了一个简要的设计说明，三部分之间用钢丝软轴和胶接的方式连接，用扭簧来控制螺旋轮使之压紧在管道内臂上。-19-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计第三章机械机构主要零件的设计3.1驱动力矩、承载能力及移动速度的理论计算如图3-1所示为螺旋轮式移动原理图，根据此原理图对机器人进行受力分析，并且进行驱动力矩、承载能力及移动速度的理论计算图3-1螺旋轮式移动原理3.1.1驱动力矩和承载能力取垂直管道内机器人移动机构的驱动部分为隔离体,其受力状况如图3-2()所示。图3-2()为管壁展开后轮的受力状况图。图中:为轮子沿管壁螺旋方向的摩擦力;为移动机器人的总重(含载重)；F为由于引起机构沿管子轴向滑a动趋势的摩擦力,在最大承载能力时,FaF=,其中为轮子与管壁的滑amax动摩擦系数；为管壁对轮子的支反力；M为车轮滚动摩擦阻力矩；fM为电M机输出力矩；为轮子的倾斜角；为电机的角速度；为轮子的角速度。在移M动机构的三个轮子的受力状况一致时,由图3-2得：W=3maxF-3sinamax=3-3sin公式(3-1)考虑到轮轴与轮子之间存在着摩擦,因此取轮为隔离体,其受力状况如图8所示。其中、为来自轮轴的支反力,M是来自轮轴的摩擦力矩13。d-20-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计图3-2（a）机器人受力状况图（b）A轮受力图图3-3作用在A轮上的受力状况图由静力平衡方程M=0,y=0,可以解得:AZN=(21+22)公式(3-2)d-21-20mm管内螺旋轮式机器人的机构设计式中,1车轮与管壁的滚动摩擦系数；2车轮与轮轴的滑动摩擦系数；2轮轴直径；轮子直径。把(3-2)代入(3-1)得移动机构的最大载荷为2f1+f2d2W=3fsin公式(3-3)maxd同样可以从图3-3得:MNDM=(2f1+d)1d23cosf22fN公式(3-4)3.1.2移动速度理想情况下,机器人在管内的运动可看成是一个理想的螺旋运动,在管径一定的情况下,其移动速度取决于电机的转速、驱动轮的直径和驱动轮的螺旋角,即:v=n(Dd)tg公式(3-5)3.2各主要零件的设计3.2.1轮子轮子是紧压在管道内壁上，利用轮子与管道之间的摩擦力，使是驱动部分螺旋运动。为了使微型管内螺旋轮式机器人结构简单，体积小，尽量使用已有的标准件，轮子采用液压气动用O型橡胶密封圈，GB3452