攀爬爬管机器人设计

目录

1绪论............................................................2

1.1研究背景..................................................2

1.2国内外研究现状............................................2

1.3课题需要完成的主要任务...................................4

2管爬机器人总体设计方案..........................................6

2.1管爬机器人进行垂直管上升过程..................................6

2.2管爬机器人进行垂直管下降过程.................................7

2.3管爬机器人进行从水平管翻到垂直管.............................7

2.4管爬机器人进行从垂直管翻到水平管.............................7

3.1管爬机器人的建模软件简介......................................X

3.2管爬机器人手爪实体建模...................................9

3.3本章小结..................................................9

4控制系统分析与设计.............................................10

4.1控制系统的实现...........................................10

4.2舵机选择.................................................10

4.3气缸选择.................................................10

4.4驱动电机选型.............................................11

5总结...........................................................11

6参考文献.......................................................12

1绪论

1.1研究背景

机器人学是近20年来发展起来的一门交叉性，涉及机械学、电子学、计算

机科学、控制技术、传感器技术、仿生学、人工智能等领域。机器人是在一个三

维空间具有较多自由度，并能够实现诸多仿人动作和功能的机器。

机器人基本结构包括机械系统、控制系统、驱动系统以及智能系统等四大模

块。机械系统是机器人的执行机构，控制系统由计算机和伺服控制器组成，实现

对机器人的控制。驱动系统一般和机械系统的执行结构相连接，为机器人的动力

源。智能系统由硬件（传感器）和软件等结合起来进行实现。

管道爬行机器人是机器人研究领域的一个主要的研究方向，可分为内管道机

器人和外管道机器人，内管道机器人研究较为成熟，外管道机器人研究较少，外

管道机器人主要针时电缆、电杆、自来水管道、输油管道、输气管道、输暖管道

等圆形管道进行作业。其中，大多数管道中都含有高温、高压、有毒、有辐射的

流体物质，如果管道发生裂纹或者断裂，管内有害物质泄露将会给人们的生命和

财产安全带来巨大的损失。因此，对管道进行定期的检测和保养必不可少。若仅

仅依靠人工的力量对其进行作业，不仅仅会耗费大量的人力和物力，而且效率也

比较低，况且许多场合根本无法容纳人工作业，此类情况下，管外爬行机器人就

能充分发挥他的优越性和实用性。如下图1-1所示为一个管内爬行机器人。

图1-1管内爬行机器人

L2国内外研究现状

目前，根据其驱动方式，管道机器人的研究主要包括以下儿种类型:

（1）脚式管道机器人

脚式管道机器人一般为管内机器人，通过机器人的腿部来推压管道内壁支撑

机器人在各种类型的管道内进行移动。该种机器人有4、6、8脚等三种类型，脚

越多可以在形状越复杂的管内进行移动。如下图1-2所示为一个脚式管道机器人。

图1-2脚式管道机器人

（2）轮式管道机器人

轮式管道机器人由头部和身体支撑等两部分组成，头部和身体可进行一定角

度的转动。当机器人在直管中进行行走时，身体部位的电机通过减速装置驱动轮

部进行转动，使得机器人能够沿着管道进行直行。当其通过90度弯管时，电动

机通过驱动头部进行姿态调整，引导机器人通过弯管。如下图1-3所示为一个轮

式管道机器人。

图1-3一个轮式管道机器人。

（3）蠕动式管道矶器人

哈尔滨工业大学研制出一种蠕动式管外移动机器人。该机构由手爪1、

2,转动关节3、4和移动关节5等组成。机器人共用5台电机通过减速装置进行

驱动，为增加与管道之间的摩擦力，手爪内粘接有橡胶块。直线移动时，手爪2

握住管道，手爪1松开后驱动移动关节5,机器人就进行前进一步。遇到凸台时，

手爪1握住管道，松开手爪2,驱动关节3旋转180度，并驱动关节4,使得手

图1-6管架结构详细尺寸图

（3）提出实现机构方案；

（4）依据设计方案，设计爬管机港人的机械本体结构及控制系统；

（5）依据设计内容，开发一套爬管机器人，制作实物并调试系统；

（6）所开发的爬管机器人，能够自主完成在给定管架上由一端运动至另外

一端；

（7）提交设计资料（设计说明书、图纸及控制程序），以及爬管机器人实物。

2管爬机器人总体设计方案

该管爬机器人要求能够在外径为40mm的管道内进行直行、上升以及越过弯

管等动作。碰到管道的连接处能够跨越过障碍。爬管机器人示意图如下图2-1所

示。该机器人主要组成由机械系统、驱动系统和控制系统等组成。其工作原理为：

由手爪1、2和两个连接机构组成，手爪1、2与连接机构之间通过舵机相连接。

连接机构之间通过直流电机相连接。电机旋转的角度来通过控制舵机进而来控制

管爬机器人的行走步长。通过手爪1、2的张开与闭合、舵机以及电机的控制角

度来进行机器人的爬升、越过障碍、水平翻转、上升以及下降。

手爪2

电机

手爪1

图2-1爬管机器人示意图

管爬机器人的机构设计是机器人的支撑基础和执行机构，该机器人模仿虫蠕

动的形式在管道上进行运动。其运动方式为2个气缸与手爪相连接，驱动夹持器

进行运动，实现对管道的夹紧与松开；分别通过气缸来带动•对手爪。手爪上装

有压力传感潜，通过气缸的伸缩变化和手爪上传感潜的控制实现对管道的夹紧与

放松。

2.1管爬机器人进行垂直管上升过程

起初手爪1、2都夹紧垂直管道。当爬管机器人沿着垂直管进行爬行的过程

时，手爪1夹紧垂直管道，手爪2松开，转动舵机1、电机（带有角度传感器），

改变一次位置。举起手爪2,使其夹住管道。

松开手爪I,转动舵机1、舵机2、电机，提起手爪1,然后使得手爪1夹紧

垂直管，回到初始状态，如此，完成了一个上升爬行过程。

2.2管爬机器人进行垂直管下降过程

起初手爪1、2都夹紧垂直管道。当爬管机器人沿着垂直管进行回退的过程

时，手爪2夹紧垂直管道，手爪1松开，转动舵机2、电机(带有角度传感器)，

改变一次位置。同时转动舵机2、电机，将手爪1放下，夹住管道。

松开手爪2,转动舵机1、舵机2、电机，提起手爪1,然后使得手爪2夹紧

垂直管，回到初始状态，如此，完成了一个下降爬行过程。

2.3管爬机器人进行从水平管翻到垂直管

当前方处要实现水平管到垂直管的翻转过程，距离传感器进行检测，管爬机

器人，执行机构进行一系列动作：手爪1夹紧水平管，手爪2松开，舵机2旋转

使得手爪1与电机与手爪2之间的连接机构成90度角，再转动，使得电机与手

爪2之间的连接机构垂直。再转动舵机1、舵机2,电机与手爪1之间的连接机

构以及电机与手爪2之间的连接机构都与垂直管平行，手爪2夹住垂直管。

2.4管爬机器人进行从垂直管翻到水平管

当前方处要实现垂直管到水平管的翻转过程，距离传感器进行检测，管爬机

器人，执行机构进行一系列动作：电机转动，使得与手爪I之间的连接机构进行

转动，使得其与手爪2之间的连接机构成6()度角，转动舵机1,使得手爪1与

水平管相垂直，然后转动舵机1、舵机2,将手爪送上水平管。手爪1抓住水平

管。

松开手爪2,旋转舵机1,使得电机与手爪1之间的连接机构垂直，再旋转

电机，使得电机与手爪1之间的连接机构与电机与手爪2之间的连接机构反过来

成60度角.旋转舵机1、舵机2,使得手爪2垂直送上水平管，手爪2夹住水平

管。

从而实现从垂直管翻到水平管的功能。

3管爬机器人的三维建模

3.1管爬机器人的建模软件简介

在机械工业生产领域中采用最多的三维建模软件为Solidworks应用软件。

Solidworks应用软件可以说是在“3D建模过程中进行机械设计方案的领先者:

Solidworko应用软件的优点为界面功能较为强大，容易上手。因此，对其进行熟

练掌握和应用是机械工业技术人员最基本的技能之一。

与传统的二维的机械制图建模不同的是，采用二维建模得到CAD软件进行

设计一般是具有比例关系，然后根据图上尺寸和实际尺寸的比例关系进行逐步绘

出所需要的各个机构尺寸。然后采用二维CAD建模软件中的“尺寸标注”命令

进行其尺寸的标注。采用二维CAD软件进行工作的不足之处在于：

（1）在进行这项工作的过程中，会需要相关人员具有一定的三维空间想

象能力。

（2）若CAD图上所标注尺寸发生改变，几何图形的尺寸不会同步变更;

因此，需要重新进行整个图形的绘制以及标注，会使得设计工作增加繁重。

Solidworks应用软件中包括有零件、装配体以及工程图等。我们将没有生成

零件之前的图纸称为草图。由二维以及三维的草图可以直接进行三维模形和工程

图的生成。若进行草图的标注尺寸的修改，其3D模形和工程图会同步更新；相

反，如果修改了工程图的标注尺寸，其三维模形和草图会产生一个同步地更新。

Solidworks应用软件对机械人员来说应用非常的方便，能够在很大程度上减小了

工作人员的工作量。

一般情况下，从打开一个零件文件或建立一个新零件文件开始，绘制草图、

生成基体特征、然后在模型上添加更多的特征，生成零件。也可以从其他软件导

入曲面或几何实体开始，编辑特征，生成零件和装配体的工程图。这是进行三维

建模的常用设计方法。

草图绘制从零件文件开始，对于一个新的产品设计，要首先建立零件文件。

对于采用Solidworks进行三维建模来说，由于零件、装配体及工程图的相关

性，所以当其中一个视图改变时，其他两个视图也会自动改变。

SolidWorks2013允许自定义功能，选择菜单栏中的“工具”-“选择”命令，可

以显示.定义”系统选项”和“文件属性”选项卡.

SolidWorks2013可以自动保存.匚作.自动恢复功能可以自动保存零件，装配体

或工程图文件的信息，在系统死机时不会丢失数据.如果设定此选项，则选择“工具”

选项”菜单命令.在"系统选项”选项卡上,单击”备份”选项,选择"每（n）次更

改后，自动恢复信息”复选框，然后设定信息自动保存前应发生的变更次数.

3.2管爬机器人手爪实体建模

图3-1手爪的建模与装配

其绘制步骤如下：

（1）在开始菜单程序中找到SOLIDEDGE命令，选择零件命令，创建一个

零件设计模板，选定好尺寸进行三维建模。

（2）选定工程图命令，点击工程图视图进行向导。

绘制完零件后，对其进行装配。

3.3本章小结

本章讲述了生产线转位装置的三维建模，主要包括两部分内容。首先讲述了

Solidworks软件的功用。其次通过以手部夹持状态的手爪为例描述了完整的建模

过程。

4控制系统分析与设计

4.1控制系统的实现

爬管机器人在整个控制过程中是由单片机系统通过距离传感器来检测管道

的情况从而控制电机执行相应的动作，电机和控制系统都安装在机器人上，能够

实现自主智能爬行。其中，单片机是实行控制命令的主要装置，能够根据传感器

所检测到的外部情况发送相应的命令。

4.2舵机选择

舵机是一种位置（角度）伺服的驱动潜，适用于那些需要角度不断变化并可

以保持的控制系统。舵机主要是由外壳、电路板、驱动马达、减速器与位置检测

元件所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC驱动

无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯

号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻

值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。

舵机在控制系统中是影响性能效果的重要元件，是一种最为基本的输出执行

机构。本次所设计的管爬机器人中舵机选型MG996R金属数字舵机，具有角度

精确，大扭矩，不抖舵以及堵转保护功能。

4.3气缸选择

气缸作为手爪的动力源，实现其的张开与闭合，气缸选用CG1型标准气缸,

缸径为40mm♦行程1为lOOmnic

4.4驱动电机选型

步进电机具有输出角度精度高，误差累积小，容易实现位置、速度控制，起、

停以及正反转的控制，故本次管爬机器人所选用的电机为步进电机，基于步进电

机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。其型号为Y小型（IP44）

三相异步电动机，其额定功率为0.75kw。

5总结

本次管爬机器人的设计主要完成了以下方面：