毕业设计（论文）-管道机器人设计

管道机器人设计全套图纸加V信153893706或扣3346389411=1\*ROMANI摘要为了解决在对管道系统的检测与维护上存在的工作量庞大、耗时长久、效率低下等实际存在且严重的问题。在充分研究国内外管道机器人的发展与应用现状的基础上，本文提出并设计了一种可自主变径的管道机器人。通过对机器人变径机构的合理设计，该管道机器人可在一定范围内实现自主改变撑开截面直径以适应不同大小的管道设施，同时从多个方面对其功能及结构上的可行性进行了计算与分析，最后利用动力学分析软件solidworksmotion对所设计的管道机器人进行了仿真模拟以及动力学分析。通过不断地修正与完善，实验所得到的最终结果满足实际工作需求。关键词：管道机器人；运动仿真;变径机构；管道检测=2\*ROMANIIAbstractInordertosolvetheproblemsthatexistintheinspectionandmaintenanceofthepipelinesystem,suchashugeworkload,longtime-consuming,lowefficiency,etc.,existandseriousproblems.Onthebasisoffullyresearchingthedevelopmentandapplicationstatusofpipelinerobotsathomeandabroad,thispaperproposesanddesignsakindofpipelinerobotwithvariablediameter.Throughtherationaldesignoftherobot'svariablediametermechanism,thepipelinerobotcanindependentlychangethediameteroftheopensectiontoadapttodifferentsizesofpipelinefacilitieswithinacertainrange.Atthesametime,itsfunctionandstructuralfeasibilityarecalculatedfrommultipleaspects.Finally,theSolidWorksmotiondynamicanalysissoftwarewasusedtosimulateandanalyzethedesignedpipelinerobot.Throughcontinuousrevisionandimprovement,thefinalresultsobtainedbytheexperimentmeettheactualworkrequirements.Keywords:Pipelinerobot;SolidWorksmotionsimulation;variablediametermechanism;pipelineinspection 目录第一章绪论 11.1管道机器人的研究背景及意义 11.2国内外管道机器人的研究现状 11.2.1管道机器人在国内的发展 11.2.2管道机器人在国外的发展 31.3管道机器人的发展趋势 31.4本课题研究的内容与要求 4第二章管道机器人总体方案设计 52.1引言 52.2设计中需要解决的关键问题 52.3管道机器人总体结构的设计和比较 72.3.1管道机器人的机械部分总体设计 72.3.2行走机构的总体设计与比较 72.3.3变径撑开机构的总体设计与比较 9第三章移动部件的设计计算 113.1行走机构的设计计算 113.1.1行走机构驱动电机的功率计算 113.1.2行走机构机械结构的设计计算 123.2变径撑开机构的设计计算 13第四章管道机器人控制系统设计 154.1管道机器人控制过程及组成模块 154.2主控芯片的选择 164.3电机控制技术 174.3.1电机控制原理 174.3.2电机控制方法 184.4控制系统中的电路设计 184.4.1时钟电路及复位电路的设计 194.4.2电源模块电路设计 194.4.3串口通讯模块电路 20第五章运动仿真分析 215.1管道机器人变径过程的仿真设计 215.2运动过程的实现及仿真 22总结 24参考文献 25致谢 26III，9-大锥齿轮，10-从动带轮）2.3.3变径撑开机构的总体设计与比较在现有的管道机器人中变径撑开机构主要有以下几种：弹簧变径机构、蜗轮蜗杆变径机构、丝杠滑块变径机构、平行四边形变径机构。各有优劣，对比分析如下：（1）弹簧支撑变径机构：在最开始展开对管道机器人的研究的时候，就最先提出了这种变径方式。它结构简单，只需要凭借弹簧机构的压缩程度来实现管道机器人的变径功能。无需附加电机为变径运动提供动力，不需要占据多余空间，也减小了管道机器人的体积和质量。但这种无动力的变径机构所提供的张紧力并不稳定，弹簧受压缩程度不同对整体工作性能的影响很大。（2）蜗轮蜗杆变径机构：这类变径机构同样具有结构简单的突出优点，但在运动过程中所需的电机功率较大，很难实现轻量化。较大的电机功率也使得这类管道机器人一次充能的工作时间并不长。（3）丝杠滑块变径机构：整体来说，丝杠滑块变径机构性能良好，机械结构简单，所需的电机功率也比较适中，机械结构占据的空间位置也不大。但是和蜗轮蜗杆变径机构类似，他们的变径动作都为旋转摆动。（4）平行四边形变径机构：这类变径机构通常机械结构较为复杂，需要额外的电机来为变径动作提供动力，但所需的电机功率并不大较为适中。复杂的机械结构不可避免的让这类变径机构占据着较大的空间，这也是平行司机边形变径机构的一大缺点，与蜗轮蜗杆变径机构及丝杠滑块变径机构不同的是这类变径机构的变径动作为平行摆动，更加的稳定可靠。由于本文所设计的管道机器人才有了履带式的行走机构，像蜗轮蜗杆和丝杠滑块这类旋转摆动式的变径机构就不是很适用。这类单纯的摆动变径方式会使履带式的行走机构和管道内壁的接触变得很不稳定。在现有的结构及技术基础上本文提出了一种基于丝杠滑块的平行四边形变径机构，这种变径方式结构稳定且所需的电机功率也不大。结构设计图如下图2.4：图2.4管道机器人的变径撑开机构（1-基座，2-放大杆组，3-撑开杆，4-丝杠，5-丝杠螺母，6-履带式行走机构）在该机械结构中，通过与丝杠连接的电机带动丝杠的旋转运动，进而带动丝杠螺母在丝杠上的前后进给运动。从而拉动撑开杆，撑开杆铰接在放大杆组上，最终达到改变其倾角来适应管道直径变化的目的。移动部件的设计计算3.1行走机构的设计计算3.1.1行走机构驱动电机的功率计算如图1所示为行走机构在管道内的受力分析图，通过对行走机构受力的分析，来初步确定其驱动电机所需要的功率大小。图3.1管道机器人受力分析图通过受力分析，设计计算入下：由于实际工作环境不同及其他不确定因素的影响，的实际大小并不完全一样，在设计过程中将预设为: （3.1）根据力的平衡原理可得： （3.2）由上式可以得到： （3.3）初步预估在管道机器人的总质量为： （3.4）其中，为管道机器人的预估质量；为重力加速度假设管道机器人的总负载为:得到: （3.5）取管道机器人在管道内壁的运动速度为：由于在本次的机械结构设计中，将行走机构设计为了呈均匀分布的三足履带式，所以可以得到驱动力: （3.6） 其中为履带与管道内壁之间的摩擦力系数则可以得到驱动电机总的有效功率为: （3.7）将行走机构所需的总的电机驱动功率均分到三个行走机构中独立的驱动电击上，则得到每个驱动电机的功率要求： （3.8）根据本次设计的总体任务要求，考虑到管内越障时可能碰到比较恶劣的情况，而且为越障预留一些功率，取足够的安全系数，最后选择额定功率为[[12]张保真,王战中,杨晨霞.基于Solidworks的履带式管道机器人结构设计与实现[J].承德石油高等专科学校学报,2019,21(04):29-35.]。同时驱动电机要能[12]张保真,王战中,杨晨霞.基于Solidworks的履带式管道机器人结构设计与实现[J].承德石油高等专科学校学报,2019,21(04):29-35.表3.1电机参数表额定电压额定功率额定转速减速比输出转速转矩12V36W2000r/min25:180r/min20kg.cm3.1.2行走机构机械结构的设计计算根据本次的设计要求，在设计行走机构的时候采用了三组均匀分布的履带结构。由于履带机构自身所占空间大，在具体的尺寸设计过程中就必须要在满足工作要求的前提下尽量缩小行走机构的尺寸。在设计过程中首先对履带机构的宽度进行预估。为了保证履带机构与管道内壁之间具有足够的接触面积，从而确保在行进过程中提供充足的驱动力，履带机构的宽度不可以太窄。但是，如果履带的宽度太大无疑会增加管带机器人自身的负载，增大前进过程中的阻力。兼顾考虑这两点影响因素，最终通过对比选择取履带结构的宽度为：。在初步完成了对履带宽度确定的基础上就要对履带机构的长度进行初步的确定。履带长度的不同对管道机器人的影响主要体现在以下三个方面：一是对管道机器人与管道内壁接触面积的影响，长度过短则会使接触面积太小；而是对管道机器人自重重量的影响，履带结构太长会增加管道机器人自身重量，增大前进阻力；三是对管道机器人过弯能力的影响，这也是履带长度对管道机器人性能影响最大的一个方面。良好的过弯能力是管道机器人必须具备的一项重要性能，这一性能最主要的影响因素就是管道机器人自身的长度，在设计过程中因尽量缩短管道机器人的整体长度。由于本次设计的管道机器人所能适应的管道直径变化范围为，综合计算考量上面三点因素将管道机器人的履带结构长度确定为。完成了对履带式行走机构宽度及长度的确定之后，最后需要完成的是对管道机器人履带式行走机构的高度确定。履带机构的高度主要受到管道直径大小及变径撑开机构机械机构及具体尺寸的影响。由于在本次的设计任务中管道直径的变化范围是，通过下文对撑开机构的参数设计，最终将履带式行走机构的高度确定为：。履带机构结构参数如下表3.2所示：表3.2履带式行走机构结构尺寸数量/组宽度/mm长度/mm高度/mm3150580175在对履带进行设计的时候，采用了同步带式的履带传动方式。由于在本次的设计过程中履带长度较长，导致两齿轮轴中心距较大，采用同步带传动可以保证较好的承载能力，同时与其他带轮结构相比同步带还具有着良好的弹性，可以在传动过程中起到缓冲、吸振、降噪的作用。除此之外同步带自身结构简单，管道机器人的行走机构发生故障的时候更加方便于检修和维护。具体参数如下表3.3所示：表3.3同步带的结构参数齿形齿距制式型号节距梯形模数制M721.991mm3.2变径撑开机构的设计计算在前面的内容之中通过对比分析将成撑开机构确定为基于丝杠螺母的平行四边形结构。为了满足管道机器人对规定管径变化范围内对管道直径的适应性，对变径撑开机构的具体机械尺寸就需要进行精确的设计。在这一部分中主要是完成对撑杆杆件和放大杆件的尺寸设计。当工作条件处于最小管道直径700mm时，结构简图如3.2所示：在绘图软件CAD中通过作图法来模拟最小管道直径时的情况，进行模拟分析，粗略确定变径撑开机构中各杆件的尺寸。再根据管道最大直径1000mm，绘制出管道机器人在管道内工作时的另一工作简图，如图3.3所示。通过两种极限工作状态的CAD现实1:1模拟分析可以的到管道机器人在满足管道直径变化时的撑开机构各杆件的尺寸范围，并最终确定出最终尺寸结果。在运用作图法进行分析的时候，作图比例选择了1:1作图方式。所以在仿真分析满足图3.2管道机器人在最小管径下的工作简图图3.3管道机器人在最大管径下的工作简图要求的时候，直接在CAD软件内通过测量工具测量出各个杆件的尺寸即可。达到的数据如下表3.4所示：表3.4变径撑开杆组尺寸参数撑开杆杆长200mm放大杆杆长300mm（由于在其之上安装了压力弹簧，其实际杆长为330—380mm）铰接位置放大杆组90mm处管道机器人控制系统设计4.1管道机器人控制过程及组成模块本文所设计的管道机器人，通过控制系统控制与中轴丝杠相连接的驱动电机转动带动与丝杠配和的螺母前后移动。通过螺母结构的前后运动带动基于丝杠螺母的平行四边形撑开机构撑开和收缩。当撑开机构张开到一定程度，履带式行走机构与管带内壁相接触，二者之间的压应力逐渐增大。紧接着当压应力增大到预定数值时，安装在行走机构上的压力传感器就会把信号传输出去，当主控芯片接受到了信号之后就会立即对信号进行除了，并下达指令控制电机停转。同时控制系统还会发出指令信号使三个独立行走行走机构中的驱动电机开始工作，驱动管道机器人向前运动。在明确了管道机器人的控制过程之后就需要明确出此次的控制系统应该有哪些控制模块，本文所设计的控制模块如图4.1所示：图4.1控制系统示意图主要组成部分及其作用分别介绍如下：（1）主控制器：主控制器时整个控制系统的核心，完成信息的集中分析与处理，发出控制指令信号，控制管带机器人的每一个工作，保证管道机器人正常的工作性能；（2）PC机接口模块：这个模块主要包括调试接口和串口通讯接口。其中调试接口主要完成硬件控制程序的载入和软件的调试，串口通讯接口完成PC机和控制器之间的数据交互任务；（3）电机控制模块：这一部分主要是各个驱动电机，通过启动电机的启动、停止、正转、反转来实现管道机器人的一些具体动作，完成实际的工作任务；（4）传感器模块：这其中时各个能对管带机器人运动状态进行监控的传感器，包括监测电机转速的传感器和检测管道机器人与管道内壁之间压应力的传感器等，当监测数值达到设定值的时候，就会将信号传输到主控制器中去，方便对管带机器人动作状态的控制。（5）人机接口模块：完成管道机器人与人的信息交互，我们可以通过这个模块直接对管道机器人下打动作指令，也可以通过这个模块接收到管道机器人发出的各种状态信号。4.2主控芯片的选择主控芯片是管道机器人控制系统的核心部件，在对管道机器人的控制过程中起着类似于人脑对身体控制的作用。结合本次具体的设计任务所选择的主控芯片应该要能够完成下列五点任务才能满足此次设计的管道机器人的功能需求。要能够产生足够的PWM波用来驱动管道机器人中所安装的四个电机，具体包括一个驱动丝杠旋转的电机和三个驱动行走机构运动的电机；可以完成对电机光电码盘的输入信号的实时且快速的检测，方便快速运行测速程序来获得电机的实时转速，方便对管道机器人的运动状态进行实时的调整；拥有可以用来载入程序并完成程序调试的调试接口；拥有可以和计算机之间进行通讯连接的串口；能够及时且合理的处理外界突发事件，即处理外部中断的能力。通过上面列举的五点任务要求，我们可以的出管道机器人的控制系统的主控芯片必须要有的硬件装备是：（1）拥有多组相互独立的能够产生PWM波的发生器；（2）拥有定时器、计数器，充足的外部接口、串口及一定数量的外部中断。在主控芯片满足了上面讲述的几点要求之后，为了简化对电路的设计，主控芯片最好能够自带较大的程序存储空间，这样一来就可以不再需要另外再为控制系统添加存储电路，在简化对电路设计的难度的同时也省去了存储电路那部分的成本。当下的科学技术水平相较于早些年来说有了不小的提升，市面的单片机也是从最初品种单一、功能简单的51单片机但现在的拥有令人眼花缭乱、功能强大繁复的不同厂商的不同品种。但其中比较常见的几种主要还是是51单片机、8位的AVR单片机、16位的TIDSP单片机和32位的ARM单片机。其中51单片机可以说是单片机的开山鼻祖了，出现的时间最早，后来的很多单片机都是在51单片机的基础之上研制出来的。但由于51单片机的功能过于简单，IO口相较于其他几种来说也比较少，在大多数的情况下都只运用在一些十分简单的控制系统之中，如音乐盒。对于管道机器人来说，要实现较为复杂的运动控制，51单片机的功能就显得不是很适用。16位的TIDSP以及32位的ARM凭借着其优良的性能虽然都能够满足本次管道机器人控制系统对主控芯片结构及性能方面的要求，但相较于8位的AVR单片机而言价格也比较高。综合考虑选择8位的AVR单片机作为此次设计的管道机器人控制系统的主控芯片，在满足功能需求的同时也极大的降低的成本，更加具有现实意义。在适当降低成本的基础之上，选择了8位AVR单片机中性能最为优良的ATmega128单片机作为本次对于管道机器人控制系统主控芯片的具体选择型号。ATmega128拥有着先进的RISC结构使得其在AVR单片机中具有着高性能的特点，同时ATmega128还拥有这充足的可编程IO口及丰富的其他功能性接口，对于管道机器人功能的实现及扩展都十分有利。4.3电机控制技术管道机器人控制系统对于电机的控制主要就是通过主控芯片发出的PWM波来对电机进行驱动。当下随着计算机科学的高速发展，计算机系统也开始走进控制领域，同时伴随着市面上各类新型的、性能优良的电子元器件的涌现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制的控制方式已成为电机控制技术中的主流。并在这些理论的基础上来实现电机的启动、停止、正转、反转、加速、减速。4.3.1电机控制原理在本次的设计中采用的电机类型为电流36W电动机，直流电机的转速n与多种物理量都有着关联，转速n的表达式为：在表达式中各物理量的含义是：U-电枢端电压值，I-电枢电流，R-电枢电路中全部电阻值的总和，K-只与电机自身结构有关的电机结构参数，磁通量。通过对上面所列出来的电机转速n的表达式可以看出，一个控制系统中的总电阻值I及电机结构参数是确定不变的，要实现对电机转速的控制，可以从分子中的电枢端电压U入手，也可以从坟墓中的磁通量入手。并由此产生了电枢控制法和励磁控制法两种电机控制方法。虽然那这两种控制方法都可以实现对电机大驱动和控制，但在实际应用中所适用的场合却不太相同。具体选择及分析如下。在实际运用中我们发现励磁控制法在电机运转速度较低的情况下会受到来自磁极饱和带来的制约，而在电机运转速度较高的时候又会受到换向器品质的制约，并且励磁控制法的动态响应差，不能够及时响应变化，这些负面因素在当下的科学技术水平里并不能得到很好的解决，基于上面所述的种种弊端励磁控制法在实际生产生活中的运用并不多，依旧是以电枢控制法作为电机驱动控制的主流。在此次对管道机器人控制系统中对电机的控制方式上具体选择了开关驱动方式的电枢控制法，通过脉宽调制PWM波来控制电动机电枢电压，从而实现对电机的控制。经研究得到的PWM对电机控制的波形图如图4.2所示为了弄清楚PWM对电机的控制方式，我们需要对其中的电机控制原理进行更深一步的学习。通过学习先前学者的研究结果，我们可以的到直流电机的电枢绕组两端的平均电压为：图4.2PWM调速原理电压波形图式中，定义为占空比，表示在一个完整的周期内，开关管接通的时间在整个周期时间中所占的比例。当电源电压保持为一个定值的时候，只需要改变占空比就可以改变电枢电压，从而通过电枢电压的变化实现对电机的驱动与控制，这就是PWM在电枢驱动法中的具体应用原理。4.3.2电机控制方法通过主控芯片发出的PWM波来实现对电机的控制是本次设计选择的控制方法，但如何通过改变PWM波将在本小节中做具体的论述。在上一小节中通过对公式的分析我们可以知道，占空比的变化是实现对电机控制的一个最主要参数，通过控制占空比的变化就可以实现对电机的控制。主要有下面两种实现方法：保持总周期T不变，通过改变和在整个周期内占据的比例实现对占空比数值的改变；在和中任选一个为定值，保持其数值固定不变，通过改变剩下的一个数值，实现对总周期T的改变，最终实现对占空比数值的改变。伴随着科学技术的高速发展，这两种控制方法都已近在实际生产生活中有了一定的运用，但实际的运用过程中发现，第二种改变总周期T的控制方法在控制过程中改变了控制脉冲的频率，当改变后的频率与系统的固有频率很接近的时候就会产生震荡，这就会给管道机器人的整个系统带来极大的不利。综合比较分析在本次的实际中采用了保持总周期T不变而改变和在整个周期内占据的比例来实现对电机的控制。4.4控制系统中的电路设计在确定了控制系统的主控芯片，理清了系统控调速控制的原理之后就需要对控制系统的具体电路连接开始设计调试，本节内容主要是从几个电路模块的设计上对管道机器人的控制系统进行论述。4.4.1时钟电路及复位电路的设计ATmega128单片机的工作机制时间里在是时钟的基础之上的，时钟的准确与否将直接影响整个ATmega128单片机的工作性能。现有的时钟电路实现方式有源晶振方式和无源晶振方式两种。本次的控制系统时钟电路采用的是有源晶振时钟，与无源晶振时钟相比它不需要内部的振荡器，而内部的震荡器对于无源晶振时钟来说是必不可少的。同时，有源晶振时钟的准确性也比较高，整体性能优于无源晶振时钟。时钟通过XTAL1输出给单片机，另一个时钟角XTAL2悬空。时钟电路如图4.3所示。图4.3时钟电路示意图ATmega128单片机的复位电路如图4.4所示，在设计的过程中为了便于通过肉眼观察到控制系统的工作状态，在电路设计的时候有意加入了LED指示灯，通过指示灯的亮、灭来分析复位状态，这一细节设计将更有利于控制系统的改进与调试。图4.4复位电路示意图4.4.2电源模块电路设计在管道机器人的控制系统中出了时钟电路与复位电路之外，电源电路也是控制系统电路组成中的一个重要组成部分。在整个控制系统中，电源电路模块主要起到以下两点作用：（1）给管道机器人硬件装置中的四个电机供电，具体包括一个驱动丝杠旋转的电机和三个驱动行走机构运动的电机；（2）给ATmega128单片机及其外围电路供电。本次设计中将稳压电路作为控制系统的电源电路，以此来确保当存在外部不可抗力干扰因素存在的时候，电源模块依旧可以输出稳定的电压来供整个控制系统使用。电源电路如图4.5所示。4.4.3串口通讯模块电路图4.5电源电路示意图串口通讯的目的是实现主控芯片与外部计算机系统的信息交互，这也是管道机器人控制系统必不可少的一大模块。在本次串口通讯选择的是目前市面上使用较为广泛的RS232串口通讯，其综合性能相较于其他的串口通讯方式较为突出，价格方面也很合理。但在选用RS232串口通讯的时候还有一个需要特别注意的问题就是目标机与RS232不可以直接相连接，他们的电平不一致。因此在实际使用的过程中需要对两者之间的电平进行转换处理才可以实现互通。具体电路如图4.6所示。图4.6串口通讯电路示意图运动仿真分析在前面四章在内容之中完成了对管道机器人的机械结构及控制系统的总体设计及具体的选型计算。为了验证设计结果的可行性，在文章的最后将通过对管道机器人的运动仿真来验证设计的最终结果[[13]GuoShuxiang,YangQiuxia,BaiLuchang,ZhaoYan.DevelopmentofMu1ltipleCapsuleRobotsinPipe.[J].Micromachines,2018,9(6).]。由于本次的三维建模主要在Solidworks软件中进行，为了设计的方便在进行仿真的过程中直接使用了其自带的仿真插件[13]GuoShuxiang,YangQiuxia,BaiLuchang,ZhaoYan.DevelopmentofMu1ltipleCapsuleRobotsinPipe.[J].Micromachines,2018,9(6).整个仿真过程大致可以分为两个部分，一是对管道机器人的变径动作进行仿真，通过对仿真结果所得的各个机械变在运动过程中撑开杆、放大杆的线速度、角速度、角加速度等随时间的变化曲线进行分析，检验此次所设计的管道机器人的机械结构是否可以实现这一前提动作；二是对管道机器人在管道内的运动进行仿真，这也是对管道机器人的最终性能检验，通过仿真过程中的数据及实验现象得出管道机器人在管道系统内的运动状态，验证管道机器人的整体性能。5.1管道机器人变径过程的仿真设计在进行仿真时，直接在Solidworks软件内启动motion插件，进行选择运动算例进入仿真，选择motion分析进行运动结果的分析。根据在设计过程中的机械结构之间的运动关系，设置好驱动马达即可开始仿真运动。具体的实验结果满足预期的目标，仿真所得撑开机构中两连杆的运动仿真曲线如下图所示：图5.1放大杆组的角速度图5.2放大杆组的角加速度通过对放大杆组的角速度及角加速度进行分析，我们可以看出在管道机器人变径的过程中与放大杆组相连接的行走机构的位置变化是否平稳、是否存在在运动过程中因位置变化不均匀而引起的抖动等其他比例影响。结合仿真曲线可以看出，在整个变径过程中管道机器人的放大杆组的角速度及叫加速的的变化曲线是平滑的，这就说明在整个变径运动的过程中行走机构的撑开过程是可靠的。同时曲线随时间的增加数值是在减小的，就说明履带式行走机构从接近管道内壁到接触管道内壁的过程是先快后慢的，这个降速的过程实际上有着很大的现实意义，它极大的减轻了履带式行走机构与管道内壁之间的碰撞，证明了管道机器人机械结构的合理性。图5.3撑开杆的角速度图5.4撑开杆的角加速度紧接着我们可以从仿真软件中调出撑开杆的角速度及角加速度随时间变化的曲线，进一步对管道机器人的变径运动进行分析，通过上面的仿真结果图片我们可以发现，撑开杆的角速度及角加速度变化同放大杆件一样，曲线变化光滑平缓，无突然地跳动出现，这也进一步说明了在整个变径运