浙江省机械设计大赛经典专项方案之二

含有机器视觉、嗅觉功效管道探测机器人理论设计方案一、背景伴随微机械发展和生产实际需要,小口径管道机器人研制和开发越来越受到大家关注。在核动力工厂、石油化工厂、热力交换站等处存在着大量直径约在20～30mm管道,这些管道长久使用后可能存在腐蚀或机械损伤，会引发裂缝,酿成严重事故。所以这些管道探伤、维护和维修十分需要细小口径管道机器人。现在,在大管道内行走机器人在中国外全部有开发,有已进入了实用化阶段,但对于微小管道机器人开发和研究则刚刚起步。国外在微小管道机器人研究方面虽有进展,但在很多方面还存在不一样程度局限，且资金投入较大。就中国而言，还有待于微制造技术发展,使微小零件产品化,市场化;同时在现有传统加工基础上,尽可能简化传动机构,缩小结构尺寸。二、原理方案构思和确定基于上述现实情况，结合现有技术、时间、和费用考虑，我们采取了一个新奇微小管道探测机器人设计方案——基于螺旋轮驱动移动机构含有机器视觉和嗅觉功效管道探测机器人。根据我们了解，机器人设计、制作难点在于管内移动机构，只有先处理这一问题，才能在此基础上实现多种仿生或实际应用上功效。我们分析认为：管内移动机构要有（1）较大承载能力（对于直立管道内移动机构尤为如此）；(2)较高和均匀移动速度；(3)适应一定曲率弯曲管道；(4)适应因为管道弯曲或管内障碍物而引发管径改变。因为空间窄小，传统机器人移动技术（车轮、履带、步行机构）极难直接应用到微细管道内，所以需要研究新机构形式。我们在制订初步方案讨论过程中曾提出图（1）所表示电磁铁和弹簧搭配驱动机构，它即使在确保磁路设计标准下,能够做到体积小巧,重量轻,在管内运动灵活等,但移动速度和承载能力很有限，在进行水平方向后退移动和竖直方向移动时，可能会有困难。图（1）类似，我们也曾考虑过多单元蠕动式移动机构，即使转弯能力很强，但进行竖直方向移动难度太大，且驱动能力受接触介面摩擦力、粘附力大小及分布影响很大。最终，我们采取螺旋轮驱动移动机构，它能够很好满足机器人在水平、竖直、弯曲管道移动时驱动要求。三、机械部分原理方案说明（一）、机械设计方案说明螺旋轮移动机构关键部分为：驱动机构、万向节、减速电机和保持机构。图（2）所表示。驱动机构万向节保持机构直流减速电机图（2）驱动机构：图（3）给出了驱动机构示意图，其中阴影部分为内部结构剖示图。具体结构见附录零件结构图。驱动轮均匀分布于轮架上，轮杆以螺纹旋入轮架中，而且轮杆距边缘1mm处开一腰槽，轮轴置于此槽中，轮轴两端各连接一个轮子，轮杆内攻螺纹至腰槽边缘，弹簧置于其中，并以禁锢螺钉禁锢，这么能够使驱动轮沿轮架径向有一定伸缩量，以确保驱动轮跨越管壁上障碍物，和在转弯时平衡三驱动轮不均等受力，同时驱动轮和管壁呈一定倾斜角θ。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。所以，伴随电机转动，驱动机构作螺旋运动，保持机构沿管道中心轴线移动。改变施加于电机电流极性，可改变机器人移动方向，从而使机器人在管内进退自如。图（3）万向节：图（4）所表示为万向节原理示意图，具体结构见附录原器件结构图。我们选择十字万向节，十字轴式万向节为汽车上广泛使用不等速万向节，许可相邻两轴最大交角为15゜～20゜。该万向节含有结构简单，传动效率高优点，但在两轴夹角α不为零情况下，不能传输等角速转动。我们分别在驱动机构和减速电机之间，和减速电机和支持机构之间用十字万向节连接，辅助机器人在弯管内移动。图（4）3、减速电机：我们选择微型直流减速电机，若以直径为50mm微管为例，其中直流电机外形尺寸见附录原器件结构图，尤其注意电机和减速器总长不宜太长，不然机器人弯管能力将大大降低。我们依据试验具体情况，兼顾电机结构和性能，选购了一款适宜微型直流减速电机。我们选定微型直流电机型号为CF1S-2075。其技术参数以下表：

型号电压空载最大效率下制动

Range

工作

范围额定

电压

转速

电流

转速

电流

力矩

功率

效率

力矩电流rpmArpmAg.cmW%g.cmACF1S-207512-15V12V700.22700.7911.61.2251.25603.3保持机构结构上和驱动机构相同，但其运动方向是沿管道中心轴线移动。图（5）所表示。图（5）总体看来，整个机器人被两个十字万向节分成为了三个部分，即，电机转子和驱动轮部分，减速电机部分，电机定子和保持轮部分。三部分设计较之两部分设计更有利于机器人在弯管处顺利经过。为了确保机器人动力和尽可能降低机器人体积，我们决定采取有线方法对机器人供电及对机械装置运动过程进行操作控制。（二）、关键技术分析和设计计算1、驱动力矩和承载能力

假设机器人在垂直管道内移动，则其驱动部分受力情况图（6）所表示。图（6）图中：F——为轮子沿管壁螺旋方向摩擦力；W——为移动机器人总重；Fa——为因为W引发机构沿管子轴向滑动趋势摩擦力，在最大承载能力时，Famax=μN，其中μ为轮子和管壁滑动摩擦系数；N为管壁对轮子支持力；Mf——为车轮滚动摩擦阻力矩；MM——为电机输出力矩；θ——为轮子倾斜角；ωM——为电机角速度；ω——为轮子角速度。在移动机构三个轮子受力情况一致时Wmax=3Famax-3Fsinθ

=3μ.N-3Fsinθ（1）考虑到轮轴和轮子之间存在着摩擦，所以取其中一个轮子为例，其受力情况图（7）所表示。其中Fx、Fy、Fz为来自轮轴支反力，Md是来自轮轴摩擦力矩。图（7）由静力平衡方程ΣMz=0,Σy=0,能够解得:（2）式中，μ1——车轮和管壁滚动摩擦系数；μ2——车轮和轮轴滑动摩擦系数；d2——轮轴直径；d——轮子直径。把(2)代入(1)得移动机构最大载荷为:（3）同理，（4）2、移动速度理想情况下，机器人在管内运动可看成是一个理想螺旋运动，在管径D一定情况下，其移动速度取决于电机转速n、驱动轮直径d和驱动轮螺旋角θ，即：v=ωRtgθ此时，ω=2πn；R=(D-d)/2所以得到v=πn(D-d)tgθ（5）

3、理论估算假设：D=50mm,d2=2mm,n=10r/min,θ=8°,μ1=2,μ2=0.2,μ=0.5,d=8mm,N=4N带入计算得：=5.93N,=0.139Nm,v=185mm/min可见，若能合理调整各参数数值范围，机器人动力性能是能够得到很好确保。四、电控部分设计说明因为微细管道内空间狭小，并考虑机器人本身不宜过重，不宜将电源如电池等内置，况且实际管道内情况复杂，如用无线红外接口对机器人进行遥控，很有可能碰到信号接收不到，控制失灵情况。所以，我们采取经过两个常开触点开关来控制电机正、反转和停机，其控制形式图（8）所表示。电源电源常开触点开关2常开触点开关1常开触点开关2常开触点开关1直流电机直流电机图（8）其中常开触点1正接电源后和直流电机连接，常开触点2反接电源后和直流电机连接，其工作状态为：（1）、两常开触点保持初始状态，则电机处于停机状态；（2）、长按常开触点开关1，且常开触点开关2处于初始状态，则电机处于正转状态，机器人前进；（3）、长按常开触点开关2，且常开触点开关1处于初始状态，则电机处于反转状态，机器人后退；经过以上方法达成了对机器人前进、后退和停止控制，这种方法简单、易行、可靠。五、机构运行步骤1、水平管道内机构运行步骤图长长按常开触点开关1（2），使电机处于正（反）转状态，保持机构使电机定子不转长长按常开触点开关1（2），使电机处于正（反）转状态，保持机构使电机定子不转电机经过万向节带动驱动轮，使驱动轮正（反）转。电机经过万向节带动驱动轮，使驱动轮正（反）转。驱动轮和管壁作用产生轴向向前（后）摩擦力，摩擦力使驱动轮向前（后）运动并带动机身，保持轮随之滚动前进（后退）。驱动轮和管壁作用产生轴向向前（后）摩擦力，摩擦力使驱动轮向前（后）运动并带动机身，保持轮随之滚动前进（后退）。实现水平向前（后）运动实现水平向前（后）运动2、垂直管道内机构运行步骤图长长按常开触点开关1（2），使电机处于正（反）转状态，保持机构使电机定子不转。长长按常开触点开关1（2），使电机处于正（反）转状态，保持机构使电机定子不转。电机经过万向节带动驱动轮，驱动轮正转。电机经过万向节带动驱动轮，驱动轮正转。电机经过万向节带动驱动轮，驱动轮反转。驱动轮和管壁作用产生沿轴向向下摩擦力分力，它和重力协力克服滑动摩擦力使驱动轮向下运动并带动机身，保持轮随之滚动下降。驱动轮和管壁作用产生沿轴向向上摩擦力分力，克服重力和滑动摩擦力作用使驱动轮向上运动并带动机身，保持轮随之滚动上升。驱动轮和管壁作用产生沿轴向向下摩擦力分力，它和重力协力克服滑动摩擦力使驱动轮向下运动并带动机身，保持轮随之滚动下降。驱动轮和管壁作用产生沿轴向向上摩擦力分力，克服重力和滑动摩擦力作用使驱动轮向上运动并带动机身，保持轮随之滚动上升。实现垂直向上（下）运动。实现垂直向上（下）运动。3、弯管内机构运行步骤图长长按常开触点开关1（2），使电机处于正（反）转状态，保持机构使电机定子不转。长长按常开触点开关1（2），使电机处于正（反）转状态，保持机构使电机定子不转。电机经过万向节带动驱动轮，使驱动轮正（反）转。电机经过万向节带动驱动轮，使驱动轮正（反）转。驱动轮和管壁作用产生向前（后）摩擦力，摩擦力使驱动轮向前（后）运动并带动机身，保持轮随之滚动前进（后退）。驱动轮和管壁作用产生向前（后）摩擦力，摩擦力使驱动轮向前（后）运动并带动机身，保持轮随之滚动前进（后退）。当进入弯管时，前后两万向节各依据弯管弯曲程度自行调整相邻两轴夹角，辅助机器人在弯管内移动。当进入弯管时，前后两万向节各依据弯管弯曲程度自行调整相邻两轴夹角，辅助机器人在弯管内移动。实现在弯管内向前（后）运动。实现在弯管内向前（后）运动。六、仿生功效用机器人嗅觉进行管道气体浓度探测，用机器人视觉功效进行管道探伤。1、机器人嗅觉管道气体浓度探测：我们把烟雾假象为某种气体，机器人检测控制步骤图9所表示。机器人行进声音报警器静音风扇停转安全浓度机器人行进声音报警器静音风扇停转安全浓度开启烟雾传感器，开浓度检测子程序开启烟雾传感器，开浓度检测子程序危险浓度声音报警器报警机器人停止风扇转动

危险浓度声音报警器报警机器人停止风扇转动图9我们选择TGS-202气体传感器设计报警电路，图10所表示。图102、机器人视觉管道探伤：我们计划采取基于机器视觉方法进行管道探伤微型CCD摄像机图11所表示。我们选择含有较大视场范围微型CCD摄像机,以确保对管道内壁无遗漏检测,在其外端面上增装LED发光二极管作为光源,改制后摄像机直径约为φ19mm,长度约为18mm,重量约为5g。图11我们假想在管道中有裂缝或缺点，机器人检测控制步骤图12所表示。机器人行进绿色LED亮机器人行进绿色LED亮不是裂缝或缺点不是裂缝或缺点图像二值化处理CCD摄取图图像二值化处理CCD摄取图像判定是否为裂缝或缺点是裂缝或缺点是裂缝或缺点红色LED亮电极停转拍照开启键开启键图12七、设计小结经过理论计算，我们认为经过合适设计基于螺旋运动细小管道机器人机构含有较大承载能力，能够在较高速度下实现连续移动，因为这种机构驱动部分和保持部分全部加入弹簧装置，使机构管径适应性增加，同时，因为不需依靠电磁力使机构吸附管壁，使材料选择范围愈加广泛，能够用钢管等金属材料，也可用PVC管、玻璃管非金属材料，所以它是一个通用性较强机构形式。

在原理说明中，我们仅以一组驱动机构为例，实际制作时能够经过设置多组驱动轮增加驱动力。还能够经过调整保持机构中弹簧压紧螺母来调整保持力矩。不过，我们也考虑到螺旋轮驱动移动机构靠摩擦驱动，在受载情况下可能会有打滑现象，这么实际移动速度会随重量增加有显著下降。同时，假如驱动力矩和保持力矩不相匹配，可能会出现机构移动迟滞或保持机构反转情况。这些，全部是我们在以后设计改善和机构调试中必需关注，尤其是在管径减小情况下。总而言之，我们将