全国大学生过程装备创新设计大赛-蚯蚓式管道机器人

#l2l22．1．7中间带孔圆柱体的设计和参数选择中间带孔圆柱体的平面图如下图所示：圆柱体的螺纹是普通螺纹，螺纹的深度是1mm,材料是Q235。2．1．8前/后筒体的辅助圆柱体的设计辅助圆柱体的平面图如下图所示：辅助圆柱体的螺纹是普通螺纹，螺纹的深度是1mm，材料是Q235。2．2辅助件的选择2．3．3滚珠的选择选择滚珠的材料是GCrl5,直径是3mm。滚珠的设计可以减少齿条与中间筒体内壁的摩擦，节省电源的功率。2．3．4螺栓的选择螺栓的型号是GB/T5783M4X28，蚯蚓式管道机器人总计使用螺栓是8个。2．3．5螺母的选择螺母的型号是GB/T6170M4,蚯蚓式管道机器人总计使用螺母8个。2．3．6弹簧垫圈的选择弹簧垫圈的型号是GB/T96M4，蚯蚓式管道机器人总计使用垫圈8个。2．3．7辅助支撑杆的选择辅助支撑杆是长度为16mm，直径为4mm的铁丝。经过加工处理成如下图所示的形状:蚯蚓式管道机器人中使用了2根。2.3.8支撑杆的选择支撑杆是长度为52mm，直径为4mm的铁丝。经过加工处理成如下图所示的形状：此处为加工成的凸起图中所添加的凸起是用来固定弹簧的，灵感来自于圆珠笔的结构。蚯蚓式管道机器人中使用了6根。支撑杆的螺纹长度是10mm。2.3.9半球壳以及滚球的选择半球壳的直径为10mm,壁厚为1mm,材料是Q235，在装配的时候，与辅助支撑杆固定在一起的。滚球的直径是8mm，与半球壳装配在一起。蚯蚓式管道机器人使用半球壳和滚球各2对。2.3.10胶球的选择胶球的直径可以制造成一系列的，以适应不同的管径的需要。材料的选择可以根据管道中的环境而定。

2．4总装配图的实现2．4．1总装配图的效果图22．4．2装配图的二维图吐；门比M4□B..rT£i17i]N4吐；门比M4□B..rT£i17i]N4第三章蚯蚓式管道机器人的工作原理蚯蚓式管道机器人是结合蚯蚓的身体结构和运动特点，综合运用电子技术、控制原理、机械设计及机械原理等知识设计完成的。主要用途是拍摄管道中的情况，可以扩展成具有很多功能的管道机器人。蚯蚓的运动是靠在其体内的横肌和纵肌的交替运动来实现，在蚯蚓的体表有很多细细但是很坚硬的刚毛，配合横肌、纵肌的运动实现蚯蚓向前和向后运动。蚯蚓式管道机器人体内的齿轮和齿条相当于蚯蚓的“横肌”，而前后筒体和中间筒体则相当于蚯蚓的“环节身体”。前后的六个支撑脚与蚯蚓体表的刚毛作用相同。以下介绍蚯蚓式管道机器人的运动过程：图1如图1所示，由于安装在内部的电动机的正转和反转通过减速装置带动齿轮和齿条的运动，实现前后筒体以及中间筒体的收缩和伸长运动。图2I如图2所示,当齿轮和齿条处在图1的位置时，中间的电动机停止运转，前后筒体内的步进电机同时旋转60度，则其前筒体的三个支撑脚要通过凸轮以一定的压力支撑在管壁上，后筒体的三个支撑脚要收缩，然后中间的电动机反转，等收缩到极限位置时，中间的电机停止运转，步进电机继续旋转60度，则前筒体收缩，后筒体通过凸轮以一定的压力支撑在管壁上，然后中间的电机在以向相反的方向运转，机器人伸长，以后无限重复此过程，直至电池电量耗尽，或是人工控制它的停止和返回。蚯蚓式管道机器人能够实现在管道中的前进和后退，其后退过程的实现只是将前进过程的前后两个步进电机的运行步调调整一下即可。前后筒体内的步进电机的步进和中间的电动机的正反转，是由单片机来控制的。由于蚯蚓式管道机器人的空间有限，可以将单片机和控制单元放置在外面，通过电缆传输信息，完成指定的任务。蚯蚓式管道机器人的行走速度为25.13mm/s。

第四章控制单元的描述前后筒体内的步进电机的步进和中间筒体的正反转，是通过单片机控制实现的。为了减小蚯蚓式管道机器人的体积，将控制模块放置在机器人的体外，通过电缆来实现信息的传输。要实现蚯蚓式管道机器人的运动过程，单片机所做的事情有：1．控制步进电机的步进。2．控制中间电机的正反转。3．通过程序控制实现中间电机和两边的步进电机的交替运动。4．通过摄像头拍摄管道中的情况，反馈到显示器。5．当遇到特殊情况时，使管道机器人自动返回。控制单元的软件设计要包括步进电机的输入脉冲电流的控制、中间电机正反转控制、摄像头的转角的控制、成像装置的控制。蚯蚓式管道机器人步进电机及中间正反转控制程序框图：门间电机正转中间电机停止歩进电机运行步进电机停止歩进电机运行步进电机停止歩进电机停止口间电机反转中间电机停止步进电机运行程序中摄像头的转角和成像装置的控制是蚯蚓式管道机器人运行过程中一直工作的，所以可以让这些装置处于一直运行的状态，直至停止。由于本人的知识不够，这里未列出控制单元的硬件设计图和相关的软件程序的编制，会尽快学习相关的知识，完成控制单元的设计。第五章设计的优点和创新点本设计依据仿生学原理中的结构仿生原理，通过研究蚯蚓的肌体的构造，建造类似生物体或其中一部分的机械装置，通过结构相似实现功能相近。本设计的优点是机械结构简单，制造简单、制造成本低，容易实现，克服了目前管道机器人存在的一些缺点和问题，比如为倾斜和有液体的管道中行走的问题，提供了解决的方案。此机器人在管道中可以轻松的实现前进和后退，能够在倾斜的甚至是垂直的管道中运动。控制单元的设计简单，完全可以通过一个简单的单片机系统，实现在管道中的运动和完成规定的任务，如检测管道中的环境。对于程序的设计，也是非常的简单，不需要很强的编程能力，只需控制三个电机的运转就能实现蚯蚓式管道机器人在管道中的前进后退。本设计的创新点在于，能够结合仿生学的仿生原理，通过对生活中存在的生物仔细的观察和认真的思考，结合自己所学的专业知识，设计出符合运动要求的作品。同时本设计综合了机械、电子、控制等多学科的技术，是多学科综合的结果。本设计制造简单，整个设计过程中用到的零件都是我们日常生活中能见到和容易制造的。结构简单，设计容易，充分认识和理解齿轮齿条的运动特点和曲柄滑块机构的区别，利用齿轮齿条实现匀速过程，单片机和电动机的使用简化了整个蚯蚓式管道机器人的机械结构。控制简单，硬件和软件的实现都是很容易的，利用一块单片机就能实现整个运动过程。本设计的最大的创新点是：利用了最简单的机构达到了规定的任务，而且应用范围广。这是一个优秀的设计者应该牢记在心里的！第六章设计的缺点和不足本设计目前还存在着一些问题，例如由于此机器人设计的缺点，使得它不能在弯管内实现拐弯的运动，这是困饶着设计者的一个问题。如何实现在一定弯度的管道甚至是直角交叉管道中的转弯，需要进一步的设计和完善。曾经和老师讨论电动机的正反转时电动机的效率和节能问题，老师提出了在电动机正反转时，电动机会因此损失大量的能量。并且由于惯性的存在使得在中间电动机停止和两边的步进