管道爬行器的研究与设计

本科毕业论文（设计）

论文题目：管道爬行器的研究与设计

学生姓名：

所在院系：机电学院

所学专业：机械设计制造及其自动化

导师姓名：

完成时间：

摘要

本课题是在对管道爬行器的结构和运动研究分析的基础上。本次设计在

Solidworks的基础上构建管道爬行器的若干套三维造型，然后依据要求进行选

择。最终方案采用列车连接结构，伸缩结构和“伞”型结构，以适应管道内部的弯

道和大范围内径变化管道。通过电气控制，使各电机顺序动作以完成通过十字

型和丁字型等较复杂的管道，通过新型吊环的调节始终保持摄像装置与水平面的

平行。对管道爬行器的控制要求，采用常规的电气控制分析方法设计电气部分

的控制电路，最终方案采用人工控制电机的顺序动作进行管道内的转弯，里程计

反馈信息与管道工程图相结合的方法来进行爬行器的定位。为研究管道爬行器打

下了一定的基础。

关键词：自适应性，伸缩结构，内径变化，新型吊环，Solidworks

Theresearchanddesignofpipingcrawlrobot

Abstract

Thequestionfordiscussionbaseonthestructureofpipingcrawlrobotan­

tithemovinginvestigation^nalyze.ThisprojectbasesonSolidworkstoconcei­

vesome3Dsculptofcrawlr-obot,thenbyrequestioncarrythroughchoose.

Thefinalschemeadoptthestructureabouttrainandflexstructureandumbrell

astructure,forthesakeofadaptingtothepipelinethatcanchangeradiusingr­

eatrange.Andsucceedoverpassingcrossmodelandt-shapedmodelcomplicated

pipingbythesequentially-operationoftheelectricmotor,andalwayscankeep

parallelstatebetweenvidiconsettingandhorizontalgebyadjustingbythenew

fiyingringssystem.Gavetherequestforthecontralofpipingcrawlrobot.Ad­

optnomotheticapproachaboutelectricalcontrolanalysisforcontrolcircuitdes­

ignofelectricparts.Thefinalprojectadoptthemanualcontroltheelectr-icmot­

or^sequentially-operatingmakethemachinepassthecurvedconduit.Toadopt

thewaywhichusemilemeterfeedbackinformationcouplewithpiping'ssched­

uledrawingforallocation.Thepaperlaysthetheoreticfoundationforresearch

pipingcrawlrobot

Keywords:Fromtheadaptability,Flexiblestructure,Insidethepathvariety,New

fiyingringssystem,Solidworks

目录

1绪论..............................................................1

2设计方案初步分析..................................................2

2.1无线控制与有线控制的选择......................................2

2.1.1有线控制及拖拽............................................2

2.1.2非拖曳....................................................2

2.2驱动方式选择..................................................2

2.2.1轮式爬行..................................................2

2.2.2履带爬行..................................................3

2.3姿态调整的选择................................................3

2.3.1加传感器的关节进行调整....................................3

2.3.2利用吊篮方式进行调整.....................................4

2.3.3采用新式吊篮进行调整......................................4

2.4自适应分析................................................4

2.4.1伸缩臂长和加弹簧方式......................................5

2.4.2伸缩臂长和“伞”型摇杆......................................5

2.5方案的基本确定................................................5

3方案一的设计与分析................................................5

3.1机身的设计....................................................6

3.2机腿的设计....................................................6

3.2.1伸缩单元..................................................7

3.2.2变长单元..................................................8

3.2.3关节单元..................................................8

3.3驱动轮的设计..................................................8

3.4方案一的分析..................................................9

4方案二的设计与分析................................................9

4.1机身的设计....................................................9

4.2机身内部传动结构设计..........................................9

4.3进给螺杆与螺母的设计.........................................10

4.4吊篮的设计...................................................10

4.5机腿的设计...................................................11

4.6方案二的分析.................................................11

5方案三的设计与分析...............................................12

5.1机身的设计...................................................12

5.2机身内部传动机构的设计.......................................13

5.2.1进给丝杠和螺母的设计.....................................13

5.2.2选择联轴器...............................................17

5.2.3选择键...................................................17

5.3吊环的设计...................................................18

5.4轴承的设计...................................................18

5.5机腿的设计...................................................19

5.6驱动轮的设计.................................................19

5.7管道爬行的实现...............................................20

5.8管道内路口转弯的实现.........................................20

5.9总体装配体设计...............................................21

6管道爬行机器人的功能分析.........................................21

7管道爬行机器人的动作分析.........................................22

8电气控制基本元器件的选取.........................................22

8.1电机的参数计算与选取.........................................22

8.1.2驱动轮电机的参数计算.....................................22

8.1.3主电机参数计算...........................................23

8.1.4机器人动力源的选取.......................................24

8.2电源的选取...................................................24

8.3电机调速元件的选取...........................................25

8.3.1串联电阻调速方法的实现...................................25

8.3.2新型调节脉宽PWM型调速的实现...........................26

8.3.3电机调速方法的确定及元件的确定...........................27

9电路设计.........................................................28

9.1轮足电机动作的正转与反转的电路设计...........................28

9.2前后伞足的张开闭合电路设计...................................28

9.3电机部分总电路设计...........................................29

9.4电机顺序动作的电路设计.......................................30

9.4.1人为控制.................................................30

9.4.2逻辑控制.................................................30

9.4.3单片机/PLC进行自动控制..................................31

9.5照明系统的电路设计...........................................32

9.6管道内机器人定位系统（PDPS）的设计..........................33

9.6.1爬行器管道内定位方案的提出与分析.........................33

9.6.2机器人定位系统部件的选择与设计...........................35

10结论............................................................36

11结束语..........................................................37

致谢...............................................................38

参考文献...........................................................38

1绪论

随着社会的发展和人民生活水平的提高，天然气管道以及各种输送管道的应

用越来越多。在我国及世界各个国家内，由于地形的限制和土地资源的有限，在

地下都埋设了很多的输送管道，例如，一方面天然气管道、石油管道等，在埋有

管道的地面上都已经建成了很多的建筑物、公路等，给管道的维修和维护造成了

很大的困难。当这些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等问题时，人们普通的

做法是挖开道路进行维修，有些时候如果不能准确判断泄露和堵塞的具体位置

时，会浪费很多的时间和精力，同时降低了工作效率⑺。另一方面石油、天然气、

化工、电力、冶金等工业的管道工程大多采用焊接管路。为了保证焊接管路的焊

接质量和运行安全，管道工程都要对焊缝进行检测，检测焊接部位是否存在虚焊、

漏焊、伤痕等焊接缺陷。常用的焊健检测方法是采用无损检测，如超声、射线、

涡流等。对于管路检测，则大多采用管道内爬行探伤检验设备（简称爬行器）对焊

缝进行射线检测。这类爬行器由于受管道尺寸的限制，大多结构十分紧凑。在检

测过程中，爬行器在其控制系统的控制下，可连续对同一管道不同位置上的焊缝质

量进行检验。考虑管道焊缝检测的效率,常常当管道焊接具有一定长度之后，才集

中对管道进行检测。如果一次要检测的管道比较长,爬行器的控制系统应采用车

载式布置。使用时，通过外部的控制器对爬行器上的控制系统发出指令，决定爬行

器的工作状态。

随着机电一体化技术的发展，以及机器人技术的发展和管道测试等技术的进

一步发展，相互之间的渗透程度越来越深，管道爬行机器人是在狭窄空间中进行

精密操作、检测或作业的机器人系统。其中机器人的作业环境一般是危险的。火

力发电厂、核电厂、化工厂、民用建筑等用到各种各小管道，其安全使用需要定

期检修。但由于窄小空间的限制，自动维修存在一定难度。仅以核电站为例，检

查时工人劳动条件恶劣。因此管道内机器人化自动检查技术的研究与应用十分必

要。人们不再为了维修、维护管道时挖开道路，节省了大量的人力，物力和财力。

目前的管道机器人都是以履带、轮子等实现在管道中的移动，其技术有着或

多或少的缺陷，市场尚不成熟。例如：不能适应大范围的管道内径变化，运行中

姿态的调整不够理想，在十字型、丁字型等较复杂的管道内径中不能较平稳的通

过等等；结合目前管道机器人所存在的缺点，应用机械设计、机械原理等专业知

识，设计出了新型管道爬行机器人。此机器人可实现大范围内的管道内径变化，

顺利通过十字型、丁字型等较复杂管道；在运行中的姿态调整也得到了较好的解

决。

2设计方案初步分析

2.1无线控制与有线控制的选择

2.1.1有线控制及拖拽

该方式采用机器人尾部装夹电缆、信号线、安全绳、其他电路等等，这

样会造成机器人的牵引力增大，对爬行器的负载力和足轮的摩擦力提出了更高的

要求，尤其是随着机器人的深入，牵引绳会成为机器人的累赘和枷锁。牵引绳的

长短禁锢着机器人的爬行深度。其优缺点如下：

缺点：附着力会不断增大，爬行器负载变化大，不利于长距离爬行。

优点：爬行器本身初始载重小（本身不需携带能源等），信息反馈及时清晰,

利于后期观察，也利于实现在线监控。观察结束时，可人工使用安全绳退出。

2.1.2非拖曳

该方式不需跟随电缆线，本身有拍摄存储功能，并且本身携带电源等，其优

缺点如下：

缺点：爬行器本身载重加大，需设计爬行器退出管道方式等。

优点：爬行器载重恒定，便于爬行器爬行。其在管道内行进方便，尤其在弯

道时，拖曳式的过大的牵引力会使爬行器驱动轮打滑，不易通过。

根据要求，非拖曳虽有自己强大优点，但爬行器在管道内出现问题而不能移

动时，需要花费很大力气将爬行器取出。

可以选择有线拖拽式。

2.2驱动方式选择

根据设计要求现拟订2种爬行器驱动设计方案（如图1,2）:

图1轮式爬行图2履带式爬行

2.2.1轮式爬行

设计制造简便，成本低廉。但其穿越障碍能力差，只能穿越高度小于其本身

半径的障碍物。如图3。

图3轮式爬行越障

2.2.2履带爬行

越障碍能力高于轮式爬行，但本身设计制造较复杂，成本相应提高（一

个支点最少需4轮才可以爬行）⑶。

根据设计要求本机器人是在管道内行走的机器人，无需考虑台阶等障碍物的

问题，尽量降低成本，在不影响设计本身功能时，尽可能采用制造工艺简单，成

本低的设计方案。

可以采用轮式爬行。

2.3姿态调整的选择

根据要求结合可行性，可以拟定3种方案如下：

2.3.1加传感器的关节进行调整

在管道爬行时会出现爬行器偏移原来轨道，可用倾斜传感器进行控制。现拟

订采用改变轮子（履带）前进方向一定角度来进行矫正（加关节）。

其原理为：通过电磁铁的吸合，从而控制爬行器的爬行轨迹。关节单元装配

图如图4:

图4关节调节

通过关节调整可实现如图5:

图5关节调节的实现

2.3.2利用吊篮方式进行调整

在爬行器内安装吊篮（内置摄像观察装置）。当爬行器偏斜时，吊兰因为和

机座为铁链连接，保留一个自由度，由于重力的原因不会随着爬行器偏斜而偏斜,

而是在任何时候都垂直与地面。其在爬行器内遇到倾斜时的自动调节如图6。

通过吊篮式调节，摄像装置始终保持与水平面平行

图6吊篮式的实现

2.3.3采用新式吊篮进行调整

根据吊篮的原理，结合鲁班的样

卯结构，可以采用2个偏心圆环相扣，

进行重力自由调节，其原理如图7

如图7小环直径为150mm,大环

直径为250mm,大环与小环相切，小

环的转动并不能带动大环的转动，并且

大环会由于重力的作用始终与地面保

持平行。可以在大环上安装照

明器件和信号采集器件，是它们能够与

地面保持平行。根据这种思路，可以

3D造型，进行新式吊篮调节如图8,图

9。

2.4自适应分析图7吊环原理图

图9吊篮装配图

2.4.1伸缩臂长和加弹簧方式

大范围内径变化（400-1100）在支撑臂上添加变长杆，小范围内在支撑臂上

添加弹簧。

2.4.2伸缩臂长和“伞”型摇杆

在400—1100大范围内的管道中爬行，可通过使支架伸缩来改变。在管道直

径改变不大处爬行，十字型、丁字型等较复杂管道内径时可通过“伞''型摇杆闭合

控制支撑臂移动以适应，通过“伞”型摇杆与伸缩杆的结合就可以变换出很多适应

不同管道内径的条件。

以上2方案各有其优点，相比较下，第2种方案更符合要求，但其需要独立

的驱动单元，因此制造成本远高于第1种方案。在普通情况下，第1种方案足可

以适应。故再做出三维造型后进一步进行运动分析。

2.5方案的基本确定

通过以上分析，初步确定采用有线拖拽式，但姿态调整和自适应均存在3

种不同的方案可供选择，故设计3种总体方案再进一步分析。

方案一：姿态调整采用关节调节，自适应采用变长杆和弹簧。

方案二：姿态调整采用吊篮方式，自适应采用伸缩臂和“伞”型张合结构。

方案三：姿态调整采用新式樨卯吊篮方式，自适应采用伸缩臂和“伞”型合构。

3方案一的设计与分析

综合设计方案一如图9.

本方案基本有3部分组成，1机身、2机腿、3驱动轮。

图9方案一的三维效果图

3.1机身的设计

可装载各种探测设备等，如图10。

图10机身

3.2机腿的设计

由9部分组成，其三维图与爆炸图如图1L机腿可分为3个单元:伸缩单元（1-5）、

变长单元（6）、关节单元（7-10）。通过螺纹连接。其爆炸图如图11。三维转配

图如图12。

图11机腿的爆炸图

3.2.1伸缩单元

1-5部分组成的伸缩单元依靠弹簧的弹性变形以适应小范围内的管道直径变

心如林喑甘二年囱痴囱1-2

图12机腿装配图

图14变长杆

3.2.2变长单元

6为变长杆，可以人为的更换(增长或缩短)以适应管道直径的大范围变化。

其三维图如图14。

3.2.3关节单元

7-10部分组成关节单元，7、9上均装有电磁铁，7、8,8、9之间用螺母和

绕簧固定。各部位三维图如图15。

关节单元用于爬行器的姿态调整。其原理为：通过倾斜传感器对爬行器进行

监控。当爬行器偏移其原轨道，倾斜传感器发出电信号，此时7或9上的电磁铁

得电，吸合8,促使轮子向左或右倾斜，以校正爬行器。在爬行器被校正后，倾

斜传感器发出信号，使电磁铁断电，在绕簧的作用力下，使关节各部位复位。

图15关节单元零件图

爬行器正常前进。7、9分别用于爬行器的左、右校正。

3.3驱动轮的设计

驱动轮由5部分组成，如图16

图16驱动轮三维图与爆炸图

(1)联接块用于与驱动轮与关节单元的联接。

⑵电动机箱安装步进电动机或励磁电动机。用以驱动轮子。

3.4方案一的分析

优点：结构简单，制造成本低廉，对管道内径变化不大和弯道较少时基本能

满足设计要求。

缺点：该爬行器在爬行器由于机身是长方体，在管道内转弯时，会出现卡壳

现象，在爬行十字型、丁字型管道内径时会出现在机腿卡在管道中，驱动轮悬空

等情况；但该种情况，一般当轮子半径大于管道壁厚，也能顺利通过。

4方案二的设计与分析

根据方案一的优缺点进行改进，增加必要改良元素，现设计出方案二，如图

17。本方案由3部分组成：1机身，2机腿，3驱动轮。

4.1机身的设计

机身设计成筒状机身和其他部件组

成。如图18.

图18机壁三维图

4.2机身内部传动结构设计

机身内部主要完成“伞”足的张合传动，以及吊篮的安装。如图19。

图19机身内部三维图

4.3进给螺杆与螺母的设计

为使机腿伸缩，采用螺旋传动，该类型传动是利用螺杆（丝杠）和螺母组

成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传

递运动和动力。在爬行器中其工作原理为：进给螺杆在电动机的驱动下，进行回

转运动。从而使螺母进行水平移动。螺母用来推动机腿的伸缩，使爬行器进行自

适应伸缩如图20。

a।f

图20丝杠螺母运动简图

4.4吊篮的设计

吊篮的活动关节采用圆柱销，采用间隙配合，以保证吊篮的左右移动。其

机构图如图21,22。

其工作原理为，在重力的作用下。吊篮通过活动关节始终保持与地面的水平。

活动关节由一活动销联结。吊篮通过螺母固定在机身上。

图21吊篮三维图图22吊篮示意图

4.5机腿的设计

机腿的三维造型如图23

图23机腿三维图

机腿通过关节1、2、3的伸缩进行自适应调节。连接杆与推动盘连结。连接

杆与关节3采用较接。为适应管道最大内径1100mm的调节，关节1尺寸为

200mm,关节2尺寸为150mm,关节3尺寸为100mm。

4.6方案二的分析

优点：能够采用伸缩杆适应大范围管道内壁直径变化，“伞”型结构能够适应

管道内一定范围的转弯，牵引力大，结构紧凑，控制简单。

缺点：由于机身为一个圆筒（整体，过长），不能完全适应弯道的转弯。吊

篮安装在机身内部，安装复杂，并且吊篮在内部，不能采用摄像头观察管道内壁

的情况。机身的制造复杂，孔系较多。

5方案三的设计与分析

根据方案一，二的优缺点，综合整理资料，经过反复修改，提出新的设计思

路，先设计出方案三，如图24。本方案有3部分组成，1机身、2机腿、3驱动

轮。

图24方案三的三维图

5.1机身的设计

机身主要有两部分构成，即前机身和后机身，对于管道内转弯的为题，我们

可以借鉴火车的节装结构，设计出有两节机身组成的机车型爬行器，减小机身长

度，有利于机器人顺利通过弯道，为减轻重量，机身材料选用硬铝。

5.1.1机身组成结构

爬行器爬行最小内径为450mm,爬行最大内径UOOmm。设计机身内径为

150mm,外径为200mm机壁厚度最小处为10mm。机壁与机腿之间只是做简单

的伸缩动作，前后机身可以采用旋转较链连接故采用GB119-83A5X40,采用间

隙配合。其前后机身三维图如图25，图26。

图25前主体三维图图26后主体三维图

5.2机身内部传动机构的设计

机身内部结构为机腿运动的传

动机构的设计，在这里运用丝杠和

螺母结构完成曲柄滑块机构的实

现。并推动机腿的张合。其结构示

意图如图27

5.2.1进给丝杠和螺母的设计

为使机腿伸缩，采用螺旋传

动，该类型传动是利用螺杆(丝杠)

和螺母组成的螺旋副来实现传动要

求的。它主要用于将回转运动转变

为直线运动，同时传递运动和动力。

在爬行器中其工作原理为：进给螺图27丝杠螺母装配图

杆在电动机的驱动下，进行回转运动。

从而使螺母进行水平移动。螺母用来推动机腿的张合，使爬行器进行自适应张合。

A初步确定螺杆杆轴的最小轴径

按《机械设计》式15-2初步估算丝杆轴的最小轴径，选取材料为45钢，调

质处理。根据《机械设计》表15-3取Ao=U2初步设定螺杆转速为30r/min

dN4oC=112x得=15.28mm(1)

式中，P可根据主体电机取P=89Wn=30r/min

B求取轴向力

按照自锁条件先求出当量摩擦角，查《机械设》表5-12知螺旋副材料中钢

对钢的摩擦系数4=0.11〜0.17,取中间值0.15,则当量摩擦角

p'=arctan-■=arctan—:——=-8.8（2）

30

"cos—。cos——

22

则“<4000xtan8.8°N=620N

在此按最大值计算，取%=620N

C耐磨性计算

滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润

滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大，螺旋副间

越容易形成磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压

力P，使其小于材料的许用压力［p］。

假设作用于螺杆的轴向力为F（单位为N）,螺纹的承压面积（指螺纹工作表面

投影到垂直于轴向力的平面上的面积）为A（单位为加/）,螺纹中径为为

（单位为mm）,螺纹工作高度为h（单位为mm）,螺纹螺距为P（单位为mm）,

螺母高度为H（单位为mm）,螺纹工作圈数为“="/尸，则螺纹工作面上的耐

磨性条件为

FFFP.

P=—=--------=---------41{Pl（3）

A兀d/u7vd2hHL」

上式可作为校核计算用。将。="/d代入上式整理后得

>］FP

a计算螺杆中径2在必尸】（4）

查《机械设计》第97页，由于工作圈数不多，故9=1.5

查《机械设计》第97页表5-12取［P］=1Q则

d2>0.8xmm=4.5mm

因为按剪切强度计算的最小直径为15.28mm,由d2=26mm根据国家标准选

取螺纹公称直径d=30mm,P=3.5mm的螺纹。

b螺母高度

H=(pd2⑸

H=1.5x26=39mm

c旋合圈数

H

z=—<12（6）

P

39

Z=—=5.57mm

7

故旋合圈数合理

d螺纹工作高度

力=0.5p=0.5x7=3.5〃〃〃（7）

e验算工作压强

L1

7rd2hz

P=----------二-------=0.3661MP。<lOMPa

万x26x3.5x6.42

D验算自锁

自锁条件夕=arctan（L/万乙）<夕’，对于单线螺纹L=P=7〃仍z,夕'为当量

摩擦角等于8.8二

7

则：（p-arctan-----=5.306°<8.8°

万x26

自锁条件满足。

E螺杆强度计算

螺杆工作时承受轴向压力（或拉力）F和扭转T的作用。螺杆危险截面上

既有压缩（或拉伸）应力，又有切应力。因此，校核螺杆强度时应根据第四强度

理论求出危险截面的计算应力巴“，其强度条件为

1IAT

JF2+3（--）<[<7]⑼

A=-d,2

41

4=23mm

式中：F——螺杆所受的轴向压力（或拉力），单位为N;

螺杆螺纹小径，单位为mm;

T螺杆所受的扭矩；

螺杆材料的许用应力，单位为MPa。

则:

crca=—5—，6202+3.（匕28328.79=2Q.6035MFa

ea415.265V23

螺杆材料的许用应力[可查《机械设计手册》表34210知匕]=80,故螺杆

强度满足。

F螺纹牙强度

（1）螺纹牙宽度d=0.65/?=0.65x7=4.55mm

（2）螺杆的强度校核

螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母的材料强度低于螺杆，故只需校核

螺母螺纹牙的强度。

如果将一圈螺纹沿螺母的螺纹大径D（单位为mm）丝展开，则可看作宽度

为万。的悬臂梁。假设螺母每圈螺纹所承受的平均压力为了，并作用在以螺纹

中径2（单位为mm）为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面a-a的剪切强度条

件为

”丑团（1。）

螺纹牙危险截面a-a的弯曲强度条件为

，=6"«值]（11）

b7lDb2ULbi

式中：b——螺纹牙根部的厚度，单位为mm,对于矩形螺纹，b=0.5P,

对于梯形螺纹，b=0.65P,P为螺纹螺距；

1----弯曲力臂，单位为mm

[T]——螺母材料的许用切应力，单位为MPa,见《机械设计》表5-13;

[ab]——螺母材料的许用弯曲应力，单位为MPa,见《机械设计》表5-13;

a.抗剪强度

T->/O八

r=-----=---------------MPa=0.34305MP。<[T]=ASMPa

7rd}hz乃x23x4.55x5.5

其中查⑺《机械设计》表5-13并计算得m=48MPa

b.抗弯强度

6Fh6x620x3.5

=L5S3MPa<[a]

Ttd^z万x23x4.55?x5.5h

其中[4]查《机械设计》表5-13经计算知[oJ=80MPa。

⑶丝母的强度校核

a.抗剪强度

二O八

T=---------=---------------------------MPa=0.263MP。<[r]

乃4反%x30x4.55x5.5

其中团查《机械设计》表15-3知上］=48MPa。

b.抗弯强度

6Fh6x620x3.5

=25A302MPa<[(y]

7id、bz^-x30x4.552x5.5h

其中［%］查《机械设计》表15-3知［%］=80MPa。故丝母强度满足。

综上计算所的螺杆工程图如图28。螺母工程图如图29。

J18A-A

图28螺杆工程图图29螺母工程图

5.2.2选择联轴器

联轴器是机械传动中重要的轴系部件。主要用来联接两轴（有时也实现轴与

其它转动零件的联接），使之一起转动并传递运动和动力。两轴用联轴器联接，只

有停机并经拆卸才能分离；采用联轴器可把整机分成若干部件，便于机器的设

计、制造、装拆及运输；联轴器大都已标难化、系列化，因此主要问题是如何合

理选择。因输出输入端均为16mm。故选择T18型弹性套柱销联轴器。

5.2.3选择键

键是机械传动部分的动力传递原件，在选择时要求其符合传递扭矩的要求。

且键已被国家定位标准件，在此主要进行间的选择和校核。

根据轴的直径，由《机械设计》表6-1选择普通平键5x5x17.5的圆头平键，材料

选45钢。

依据键的校核如下：

2TxlO3

(12)

式中：T——传递的转矩

k——k=0.5h,h为键的高度

1——键的接触长度，mm

d----轴的直径，mm

可计算得：

2x28.3287xlO3,

a,=-------------=94-A29MPa<r[cr1

02.5x15x16「

查《机械设计》表6-2静载荷时匕p]=140MPa

可知所选的圆头平键符合条件

5.3吊环的设计

如前所诉，吊环采用样卯结构，吊环与环槽的表面粗糙度要求达到

RaL6〃m。其工作原理是根据吊环的自重，调节吊环始终与地面保持垂直。因其

受力不大，减轻重量，故材料采用硬铝。

图30吊环装配图图31吊环爆炸图

5.4轴承的设计

用于固定螺杆。螺杆后部只是普通光

轴，转速低。故采用滑动轴承（表面粗糙

度要求较高），又因轴承在主体内的紧固要

求采用自行设计的轴承。的为减轻重量材

料采用硬铝。其工程图如图32。

图32轴承工程图

5.5机腿的设计

其三维装配图，爆炸图如图33,34。

图34机腿爆炸图

机腿通过关节1、2、3的伸缩进行自适应调节。连接杆与推动盘连结。连接

杆与机腿1采用较链。为适应管道最大内径1100mm的调节，关节1尺寸为

250mm,关节2尺寸为150mm,关节3尺寸为100mm。

5.6驱动轮的设计

驱动轮的设计与方案二大至上一致（部分结构不同），故不在赘述原理。驱

动轮装配和爆炸如图35,图36。原动力电动机的选择与计算在机器人的电气控

制研究设计部分完成。

图35驱动轮装配体图36驱动轮爆炸视图

5.7管道爬行的实现

图37管道内爬行实现

5.8管道内路口转弯的实现

在十字型管道内爬行时，会遇到驱动轮悬空，并可能被卡住的情况。此时，

在通过摄像观测装置观测到该种情况时，工作人员通过控制机身电机，进给螺杆

开始转动，使螺母水平移动，从而使机腿伸缩，以通过该类型管道，如图36。

其控制过程框图如图37。程序中控制由现场工作人员控制，通过对机身电机的

控制，以实现机腿的伸缩。这里只是叙述了爬行器前半身过复杂管道的控制过

程图，再后半身过复杂管道时，基本类似，故不在赘述。

图38管道内路口转弯实现

图39转弯控制电机流程图

机器人的电气电路控制设计将在本文的第六部分进行阐述。

5.9总体装配体设计

根据SolidWorks三维造型和各零件的设计，现设计出方案三总体装配图如

图40。

图40爬行器装配体工程图

6管道爬行机器人的功能分析

根据管道机器人的机械部分的设计，要求：这种伞型6足的爬行器在管道中

要完成前进，后退，转弯以及前伞，后伞的张开和闭合等动作，管道机器人在工

作条件下需要有较强劲的动力，较好的可控性，能够在管道内确定自己的位置,

来精确的定位的PDPS(PipingDisrepairPositionSystem)

管道破损处定位系统，由机器人的位置来确定管道破损的确切位置。要求较

小的体积以及较简单的电路。

根据机器人的动作要求可以把管道机器人的动力源设计为：

(1)由6个电机来控制机器人的爬行(前进，后退)采用6x6的动力驱动。

(2)由2个电机来控制前后伞足的张开和闭合。根据前后伞足的张开和闭合,

爬行机器人的转弯等，必须要求前后伞足的张开及闭合为独立事件，相互不干扰

才能完成转弯时伞足的独立动作。

7管道爬行机器人的动作分析

管道爬行机器人主要完成的动作有：

(1)六轮的驱动(前进，后退，调速)。

(2)伞足的张开和闭合(前后相对独立)。

(3)管道中的转弯动作顺序：前伞足闭合——后伞足前进——前伞足打开

——后伞足闭合——前伞足前进——后伞足打开。

(4)由吊环进行机器人的姿态调整自适应。

(5)照明(管道中十分黑暗，摄像头摄像，必须有照明设施).

8电气控制基本元器件的选取

基于以上电气运转控制及顺序制动的问题分析，根据管道机器人的使用特

点和工作条件，要求：方便，安全，可靠，性能优越，价廉，适用于复杂的环境

条件，体积小，重量轻，可控性能好等，可对元器件进行如下选取：

8.1电机的参数计算与选取

8.1.2驱动轮电机的参数计算

通过对机器人的三维实体建模，以及材料的选取，通过已知密度进行零件分

析，查阅资料综合算的爬行器的总质量为：

M=26Kg

通过查阅相关资料查得橡胶与45#(钢)之间摩擦系数为0.15,则取实际计

算摩擦系数为：

〃=0.15

最大功率：

P=Fxv

F=Mxg=26x10=260N

轮子承受的压力为机器人的重力与机腿张开时产生的管壁压力

FN=N\+N?(乂为机器人的重力，愀为机腿对管壁的压力)

M=260N

由于工作时，机腿张开的幅度不同，所产生的压力也不同。为了安全和电机满

足设计要求的目标，机腿张开对管壁的压力可取1倍的重力。即：

N\=N[=260NFN=260+260=520A^

根据牛顿第一定律，牛顿第二定律可算得

F==0.15x520=787V(14)

根据要求爬行器在管道内的速度为U=O.1〃7/S

凡=FXV=78XO.1=7.8W(15)

为了保证安全系数为1.5,则实际电机计算功率为：

p=1.5x[=11.7卬(16)

8.1.3主电机参数计算

主电机通过联轴器一丝杠一螺母一滑块一曲柄(机腿)

通过对曲柄滑块的分析如图41

M=1.5Kg

G=1.5xlO=15N

根据图41分析，采取安全计算方法，极限位b时，对机腿进行受力分析如图

42,滑块的推力最大。

F

F1

图42机腿机构受力分析

根据理论力学的知识，计算如下：

根据平行四边形法则，重力G可分解为G1,G?两个分力。螺母的推力可分

为F[,F2两个分力。

Fxsinax65>Gxcosax500(17)

a=15°

Fxsinax652Gxeosax500=15x0.9659x500=7244.25

4724Q5

=430.64N

0.2588x65

可规定螺母速度为0.03机/s则按照安全计算方法，可得螺母功率为:

.N3x-xv=3x435x0.03=39.15W(18)

从电机一联轴器一丝杠螺母传动过程中，查《机械传动手册》传递效率依次

为：

P>—5—=3915=53.26W

(19)

0.98x0.75

7]=0.98,%=。・75

为了符合安全系数，和考虑到野外工作电源电压受时间的变化，电机功率的选应

以1.2倍的计算功率选取。

《=L2XP=1.2X53.26=63.91W(20)

8.1.4机器人动力源的选取

最终确定驱动轮电机的功率为尸=12W,主电机功率为P=89W.

根据以上分析，需选用调速性能好，可控性高，体积小，容量小并且价廉的

直流他励电动机作为执行元件。对于此种直流小功率电机可以查《电机工程手

册》，对于直径在30毫米以下，功率在100W以下的直流电机一般都中小功率用

电机的技术数据，采用铁氧体永磁ZYT以及Y15Z的圆筒式钢板外壳电机。

经查表对于主电机可以选用额定电压为24V的ZYT-80/08的直流电机，主要

技术参数为空载时：转速8200转/分，内阻1.0欧姆，电流6.32A;负载下转速:

5000转/分，电流0.68A,效率43%,转矩200机。

对于驱动轮电机的选取，根据电器元件配合的简单，方便的原则，结合主电

机的额度电压24V,可以初步选择小电机额定电压为24V,查《电机工程手册》

初定为驱动轮电机选用ZYT20/10型。

8.2电源的选取

机器人的工作场所一般在野外，户外对于电源的便携性，耐久性，可靠性要

求较高。所以选用可充电的蓄电池直流电源。它重量轻，体积小，电量大，是较

为理想的恒压源。根据机器人电机的要求和控制电路的要求，可以选择主要技术

参数为电压24V的直流蓄电池和5V电池组作为机器人的电源。

8.3电机调速元件的选取

对于直流电机的调速比较简单，由公式

LU(…)°

2

C°xkCexC,xkQI)

可知调速有三种方法：

(1)调压调速U

(2)节气隙磁通K

(3)调节电枢电路串接电阻调速

(4)新型调节脉宽PWM

对于这种永磁式小容量直流电机磁通量K为定值，调节气隙磁通不现实。

采用调压调速对于我们所用的24V直流蓄电池来讲也不现实，直流变压没有交

流变压简单，因为这样设备较为复杂，成本上升。所以我们考虑最为简单的调速

方法和新型PWM型脉宽调速。

8.3.1串联电阻调速方法的实现

在电枢电路中串接电阻(滑动变阻器)。可以进行无极调速，虽然这样会大

大减弱电机的机械特性曲线的硬度，但不失为一种快捷，简单的变速方法。

串联电阻的计算如下：

对于电机的转速可近似认为

E

W=ctkC,xk(22)

对于已经出厂的电机来讲是定值.

E

w=CE'K=0.076900834(23)

JX化

由所选的电机参数可知，有负载时

E=24V5000J4x2(24)

"60

对于加上串联电阻后我们希望得到的调速电机的转速为“=2x3.14rad/s

则有纥尸叫xQxZ,则有名|=/“xR“，&=10Q,/„=0.048293723