螺旋輪式管道機器人的機構設計與仿真分析,螺旋,輪式,管道,機器人,機構,設計,仿真,分析
畢業(yè)設計
題 目 管道機器人的機構設計與仿真分析
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螺旋輪式管道機器人的機構設計與仿真分析
河南工程學院論文版權使用授權書
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年 月 日
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論文作者簽名：
年 月 日
河南工程學院
畢業(yè)設計（論文）任務書
題目 管道機器人的機構設計與仿真分析
專業(yè) 機械設計制造及自動化 學號 200806111105 姓名 張海紅
主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等：
選題背景：
在核工業(yè)、石油天然氣、軍事裝備等領域中，管道作為一種有效的物料輸送手段而得到廣泛應用，為了提高管道壽命，防止泄露等事故的發(fā)生，管道機器人作為高效準確的故障診斷、檢測和維修手段應運而生，廣泛地應用于管到的探傷、補口、維修、焊接等諸多領域。
主要內(nèi)容：
設計一款管道機器人的機構，對設計的機構進行動力學分析。
基本要求：
建立三維模型，進行運動學分析，提交圖紙，設計說明書等相關資料。
主要參考資料：
機電一體化系統(tǒng)設計
傳感器技術
機器人技術
機構設計
單片機技術應用
相關科研論文10篇
完 成 期 限：
指導教師簽名：
專業(yè)負責人簽名：
年 月 日
目 錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
1 前言 1
1.1 課題的背景與意義 1
1.2 機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 1
1.2.1 國內(nèi)外管道微型機器人的發(fā)展近況 2
1.2.2 商業(yè)領域的管道機器人 6
1.3 本課題的設計任務 9
1.4 論文的主要內(nèi)容 9
2 螺旋輪式管道機器人的總體方案設計 11
2.1 機器人管內(nèi)運動方式對比分析 11
2.1.1 輪式 11
2.1.2 蠕動式 12
2.2 螺旋輪式管道機器人的運動機理 14
2.2.1 機構的原理 14
2.2.2 機器人設計要點 15
3 管道機器人行走機構的分析與設計 16
3.1 旋轉(zhuǎn)輪的結構設計 16
3.1.1 機構運動受力分析 16
3.1.2 運動自由度分析 18
3.1.3 電機的選擇 18
3.2 電機連接軸的設計 20
3.3 彈簧的設計與選擇 21
3.4 支撐輪和電機的固定方案 22
3.5 探測頭的定位方案 22
4 管道機器人在管中運動通過性分析 23
4.1 管道環(huán)境對機器人的幾何約束 23
5 監(jiān)視控制系統(tǒng) 25
5.1 探測頭的選擇 25
5.2 檢測系統(tǒng) 25
5.3 單片機控制系統(tǒng) 26
5.4 控制程序 27
5.4.1 H橋式驅(qū)動電路( H- bridged power amplifier) 27
5.4.2 機器人與主控計算機的通訊 ( The com-munication between the robot and master computer) 28
6 行程的計算 29
7 應用前景 29
結束語 31
致謝 32
參考文獻 33
螺旋輪式管道機器人的機構設計與仿真分析
摘 要
管道是人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中常用的一種運輸工具，石油的運輸、城市中廢水和廢氣的排放，城鎮(zhèn)集體供暖中暖氣的輸送和空調(diào)的通風等等，都需要用到管道。但管道并不能永久的保持有效性，如管道會出現(xiàn)老化、堵塞、破裂和附著細菌等現(xiàn)象，這就需要對管道進行檢測、探傷與定位。有時由于管道結構的特殊性，使人們對管道破損進行檢測與定位非常困難，最有效的方式就是利用管道機器人進入管道執(zhí)行任務。所以管道機器人研制的根本意義在于：可以實現(xiàn)管道的無損維護、內(nèi)窺檢測及破損定位等工作，提高管道檢測和清理的效率。
本文綜合分析了國內(nèi)外油氣管道機器人近年來的發(fā)展情況, 特別對油氣輸送管道、油氣井和油田與石化企業(yè)中的各種管道機器人進行了分析, 設計了一種螺旋輪式管道機器人，并詳細說明了機器人的工作原理、結構特點及發(fā)展過程。最后結合我國石油工業(yè)發(fā)展的具體情況, 給出了管道機器人在油氣輸送管道、油氣井及其他管道中的應用前景。
關鍵詞： 管道/檢測/機器人/變徑
36
Spiral Roller Pipeline Robot Mechanism
Design And Simulation Analysis
ABSTRACT
The pipeline is a common means of transport in the people daily life, oil transportation, city waste water and exhaust emission of urban, collective heating heating transmission and air conditioning ventilation etc, require the use of pipeline. But the pipes are not permanently maintain effectiveness, such as pipeline will appear aging, jam, rupture and attachment of bacteria and other phenomena, it is necessary to detect, detection and location of pipeline. Sometimes because of the special structure of the pipeline, so that the piping detection and location is very difficult, the most effective way is to use the pipeline robot into the pipeline to perform a task. So design the pipe robot for fundamental significance lies in : it can realize pipeline non-destructive maintenance, endoscopic detection and localization of damage and so on, improving the pipeline detection and cleaning efficiency.
This paper analyzes the domestic and international oil and gas pipeline robot about the development in recent years, especially for oil and gas pipelines, oil and gas and oil and petrochemical companies in a variety of in pipe robot are analyzed, Design of a spiral roller pipeline robot, and a detailed description of the robot's working principle, structure characteristics and development process. Finally, combined with the development of industry of our country oil situation, gives the robot for pipeline in oil and gas pipelines, oil and gas and other pipeline application prospect.
KEYWORDS pipe, testing, robot, variable diameter
1 緒論
1.1 課題的背景與意義
工業(yè)管道系統(tǒng)已廣泛應用于冶金、石油、化工及城市水暖供應等領域。工業(yè)管道的工作環(huán)境非常惡劣，容易發(fā)生腐蝕、疲勞破壞或使管道內(nèi)部潛在的缺陷發(fā)展成破損而引起泄漏事故等，因此管道的監(jiān)測、診斷、清理和維護就成為保障管道系統(tǒng)安全、暢通和高效運營的關鍵，管道的探查也就成了管道無損檢測技術應用、發(fā)展的重要方向之一。然而管道所處的環(huán)境往往受人力或人手不及所限，檢修難度很大，故通常對重要和不允許泄漏的管道采用定期或提前報廢的辦法，從而造成了巨大人力和物力損失。目前關于地下管道的質(zhì)檢，常采用工程量十分巨大的“開挖”抽檢方法，但勞動強度大、效益低，而且由于隨機抽樣法經(jīng)常出現(xiàn)漏檢，因而準確率低、效果并不理想。并且往往會妨礙道路交通。因此開發(fā)適應在管道這一特殊環(huán)境下工作的特種管道機器人，使人脫離危險作業(yè)的生產(chǎn)第一線，減輕人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率，減少不必要的損失是機器人發(fā)展的一個必然方向。我國油氣管道大多是在6 0 ~7 0年代建設的，迄今僅在役時間近 3 0年、處于中老齡期和事故多發(fā)性階段的長輸管線已逾1.7萬k m，正面臨著道進入中老齡期，處于事故多發(fā)階段，油氣管道的檢測和評價的需求已日趨迫切。
在核工業(yè)、石油天然氣、軍事裝備等領域中，管道作為一種有效的物料輸送手段而得到廣泛應用，為了提高管道壽命，防止泄漏等事故的發(fā)生，管道機器人作為高效準確的故障診斷、檢測及維修手段應運而生，廣泛地應用于管道的探傷、補口、維修、焊接等諸多領域。
1.2 機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
工業(yè)機器人是最典型的機電一體化數(shù)字化裝備，技術附加值很高，應用范圍很廣，作為先進制造業(yè)的支撐技術和1/44信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起著越來越重要的作用。國外專家預測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(UNECE)和國際機器人聯(lián)合會(IFR)的統(tǒng)計，世界機器人市場前景看好，從20世紀下半葉起，世界機器人產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭。進入20世紀90年代，機器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快，年增長率平均在10％左右。2004年增長率達到創(chuàng)記錄的20％。其中，亞洲機器人增長幅度最為突出，高達43%。
1.2.1 國內(nèi)外管道微型機器人的發(fā)展近況
自驅(qū)動管內(nèi)機器人包括圖1-1所示的輪式、腳式、爬行式、蠕動式，還包括履帶式等。
輪式（自驅(qū)動） 爬行式（自驅(qū)動）
蠕動式（自驅(qū)動） 腳式（自驅(qū)動）
利用管內(nèi)流體壓力 通過彈性桿加推力
圖1-1管道機器人的基本形式
1.2.1.1 輪式
日本學者福田敏男、 細貝英夫在1986年研制了可以通過“L”無圓弧過渡的管內(nèi)移動機器人。該機器人行走機構分別由頭部和本體兩部分組成，頭部和本體可相對回轉(zhuǎn)。當機器人在直管內(nèi)行走時，本體上的電動機M1通過減速裝置帶動本體上的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，使機器人沿直管行走。當通過90度彎管時，電動機M2驅(qū)動頭部做姿態(tài)調(diào)整， 同時驅(qū)動頭部履帶，引導機器人通過彎管。該機器人的技術指標為：適應管徑：φ50mm；行走速度：8.1mm/s；轉(zhuǎn)彎性能：可以通過90度直角彎管；機器人重量為：240g；機器人長度：76mm。日本東芝公司于1997年研制了一臺輪式管內(nèi)移動機器人，前部帶有一部微型CCD攝像機，能分辨管內(nèi)異物并用微型機械手實現(xiàn)清理。膠管聯(lián)接可過彎管，適應管徑：φ25mm；行走速度：0.36m/min；自重：16g。該機器人采用多輪驅(qū)動式為了增加牽引力，由于輪徑太小，越障能力有限，而且結構復雜。
東京工業(yè)大學開發(fā)出基于螺旋輪式運動原理微型機器人，該機器人的本體由幾個單元通過彈簧聯(lián)接而成。每個單元體上均勻分布有三只支撐臂，用螺旋彈簧將支撐臂上的小輪緊壓在管道內(nèi)壁上，產(chǎn)生預壓力。小輪的軸線相對單元體的軸線傾斜了一角度，通過軟軸將扭矩作用在單元體上使微型機器人移動。
1.2.1.2 腳式
國內(nèi)的太原理工大學研制成功管內(nèi)腳式行走機器人如圖1-2。 該機器人可在管內(nèi)雙向行走， 自動隨管道彎度轉(zhuǎn)向。該機器人由撐腳機構、牽引機構和轉(zhuǎn)向機構構成。撐腳機構由電機（16）、小齒輪（15）、齒圈及平面螺紋（14）、滑桿（13）、腳靴（12）組成。牽引機構由電機（1）、螺桿(2)、螺母（5）、拔銷（4）、拔桿（7）和支撐桿（9）組成。轉(zhuǎn)向機構萬向節(jié)（21）組成。當電機（1）帶動螺桿轉(zhuǎn)動時，螺母受撥桿的約束不能轉(zhuǎn)動而沿螺桿軸向移動，固連其上的撥銷（4）撥動撥桿（7）順時針方向轉(zhuǎn)動，由于腳靴（12）鎖死在管壁上，支撐桿（9）不能向后運動，撥桿（7）通過銷（6）帶動支架（3）及其固連在（3）上的套筒（11）在筒體（10）內(nèi)向前滑動，同時通過萬向節(jié)（21）拖動機器人的后單元（此時后單元的腳靴在抬起狀態(tài)）向前運動，整個機器人前進。當腳靴（12）處在抬起的位置時，撥（7）通過支承桿（9）推動筒體在套筒（11）上萬向節(jié)方向滑動、改變了腿的姿勢。
圖1-2 腳式機器人結構示意圖
1.2.1.3 蠕動式
上海交通大學研發(fā)了小口徑管道內(nèi)蠕動式移動機構如圖1-3，它是模仿昆蟲在地面上爬行時蠕動前進與后退的動作設計的。其主要機構由（1）撐腳機構、 （2）氣缸、（3）軟軸、（4）彈簧片、（5）法蘭盤組成。蠕動運動為：氣缸2a 動作，氣缸活塞左移，松開前撐腳；氣缸2c動作，氣缸活塞左移，撐緊后撐腳；氣缸2b 動作，氣缸活塞左移，使氣缸2a 前進；氣缸2a 動作，氣缸活塞左移，撐緊前撐腳；氣缸2c 動作，氣缸活塞左移，松開后撐腳；氣缸2b動作，氣缸活塞右移，使氣缸2c 前進。
圖1-3利用空氣壓力的蠕動式機器人
清華大學研制了一套小型蠕動機器人系統(tǒng)，其機構如圖1-4，由1蠕動體和2、3、4電致伸縮微位移器組成。蠕動體的蠕動變形形態(tài)由粘貼于柔性鉸鏈部位的電阻應變實時感，機器人的外形尺寸為150x61x46mm，重2kg，最大步距10μm，行程40mm，運動精度0.2 μm。
圖1-4蠕動體結構示意圖
西安交通大學以電致伸縮陶瓷微位移器做驅(qū)動器，電磁鐵機構做可吸附于行走表面的保持器，設計制作了蠕動式微動直線自行走機構如圖1-5。由簧片組3與左右支架1、6聯(lián)接成一體，作為電致伸縮陶瓷微位移器4 的載體，驅(qū)動器4的一端與支架1的側面貼和，另一端與螺釘5 的端面貼和。螺釘5為細牙螺紋，轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺釘5，可對簧片組3施加必要的預緊力，并保證驅(qū)動器4的兩側面與承載體間無間隙接觸。
圖1-5自動行走機構簡圖
1.2.1.4利用管道流體壓力
利用管道流體壓力對管道進行直接檢測和清理技術的研究始于上世紀50年代， 受當時的技術水平的限制，其主要的成果是無動力的管道清理設備—PIG，此類設備依靠管內(nèi)流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動力，隨著管內(nèi)流體的流動向前移動，并可攜帶多種傳感器。但是PIG自身沒有行走能力，其移動速度、檢測區(qū)域不易控制。上海大學利用石油管道的石油高壓研制成在役石油管道檢測機器人如圖1-6，該型機器人分成多節(jié)，利用與管道密封的橡膠環(huán)（皮碗），相當于活塞，在輸油管內(nèi)壓力油作用下，推動檢測機器人向前行走。主要由探頭1、高壓密封件2、電機倉3、電池倉4、儀器倉5、儀器倉6、萬向節(jié)7、里程倉8、清管器9 和皮碗10 組成。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
圖1-6利用管內(nèi)流體壓力管內(nèi)機器人
1.2.2 商業(yè)領域的管道機器人
1.2.2.1 北京某公司自行研制的管道內(nèi)爬行機構
圖1-7管外加力的管道機器人
該管道內(nèi)窺儀針對工業(yè)設備中管道的檢測而設計。通過調(diào)節(jié)螺母帶動連桿運動，從而調(diào)節(jié)整個支架的直徑。具有中心定位、手動或自動爬行、直徑可調(diào)節(jié)、自動對焦、電動變倍、置白光照明、周向360 度掃查、軸向90度可手動調(diào)節(jié)等功能的自動化內(nèi)窺儀。儀器采用高清晰度的彩色 CCD 鏡頭，支架全部采用不銹鋼制作而成，并且能與計算機相連進行圖象數(shù)字化處理。適用于工業(yè)設備中各種管道的內(nèi)部缺陷和異物的檢查。
1.2.2.2美國公司研制的智能爬行系列
MagSteer 是一個智能爬行系統(tǒng)，它能出色的檢測有保溫層或無保溫層或無保溫層管道內(nèi)部及外部缺陷。通過計算計遠程控制，爬行器可以自動爬行在有保溫層或無保溫層的管道上。MagSteer可以裝配橡膠輪子來檢測有保溫層或非磁性材料的管道，也可以裝配強磁性的輪子檢測無保溫層的管道。
1.2.2.2 新型微笑管道機器人的運動原理
圖1-8所示為文獻所提出的機器人原始方案，經(jīng)過虛擬仿真和樣機試驗發(fā)現(xiàn)該方案存在三個不足：(1)支撐機構完全是剛性結構，當管徑有一定變化時，可能達不到撐緊管壁的要求；(2)保持機構在管徑變化時不能起到有效的保持作用，當管徑小于保持機構尺寸時，它就會被“卡住”，使整個機器人“癱瘓”；(3)驅(qū)動部分尺寸過長，在過彎時明顯與管道發(fā)生“干涉”，致使機器人被“卡死”。
1-8原始方案
圖1-9改進方案
（1）自調(diào)節(jié)支撐機構
為解決原始方案中的剛性支撐問題，設計了如圖1-9所示的自調(diào)節(jié)支撐機構。這種調(diào)節(jié)是一種硬調(diào)節(jié)和軟調(diào)節(jié)共同作用的混合調(diào)節(jié)。硬調(diào)節(jié)是主動調(diào)節(jié)，由計算機通過程序控制電機正反轉(zhuǎn)時間，實現(xiàn)大范圍的調(diào)整；軟調(diào)節(jié)是被動調(diào)節(jié)，由圖1-9中的壓簧1和壓簧2完成，實現(xiàn)小范圍的調(diào)整。硬調(diào)節(jié)和軟調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)作用，使該支撐機構具有更好的徑向調(diào)節(jié)能力，從而使機器人具有更強的管徑適應能力。由于增加了軟調(diào)節(jié)單元，當管道徑向發(fā)生微小變化時，在主動徑向調(diào)節(jié)來不及響應時，連桿系統(tǒng)可以帶動滑塊壓縮彈簧，以抵消管徑的變化。另外，增加了支撐輪設計，這樣就避免了原始方案的支撐腿與管壁的直接接觸，不僅增大了與管壁間的摩擦力，提高了牽引能力，同時由于支撐輪的塑性變形增大了接觸面積，解決了原始方案點接觸的問題，可以更好地適應復雜的管道環(huán)境。支撐輪與銷軸間采用膠粘方式固定，因此工作時，支撐輪并不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，它與管壁間產(chǎn)生滑動摩擦而非滾動摩擦。另外，在滑塊上裝有微型壓力傳感器，可以直接測量在撐緊過程中滑塊所受的合力，通過換算就可以間接得到支撐輪與管壁問的正壓力，這不僅保證了支撐機構以恒定壓力撐緊在管壁上，同時也對電機起過載保護的作用。
（2）柔性保持機構
為滿足管道機器人“形封閉、力封閉”的設計要求，設計了柔性保持機構。其中保持輪軸線始終與管壁母線保持垂直，工作時，保持輪沿管壁滾動。當機器人在不同直徑的管道內(nèi)運動時，壓簧的伸長和縮短帶動滑塊上下滑動，并通過連桿機構的作用，保持輪將始終貼緊管壁，達到“適應不同管徑”的目的。這樣機器人在管內(nèi)運動時，其中心線基本與管道的中心線保持一致，保證各單元與管壁的夾角在穩(wěn)定運動的范圍內(nèi)。
1.3 本課題的設計任務
本次設計的任務是設計一個螺旋輪式管道機器人，要求機器人可以在管道內(nèi)實現(xiàn)前進、后退、按一定曲率半徑回轉(zhuǎn)動作，能高效地完成管道內(nèi)的探傷和定位工作。具體設計內(nèi)容為：
（1）了解螺旋輪式管道機器人的基本構成及工作原理，熟悉其設計、生產(chǎn)的基本知識。
（2）進行螺旋輪式管道機器人的總體方案設計及其零部件設計。
（3）設計原始參數(shù)：
1）機器人可以在管道內(nèi)實現(xiàn)前進、后退、按一定的曲率半徑回轉(zhuǎn)向動作。
2）機器人的適應管徑146-164mm
3）機器人的運動速度為16r/min
4）可以實現(xiàn)豎直管的前進后退。
1.4 論文的主要內(nèi)容
(1)方案的確定：考慮課題所要求的變徑需要，擬訂幾個可行的變徑方案，并對每個方案進行可行性分析。最終，經(jīng)過方案比較和各方面的綜合考慮，確定最佳方案。
(2)材料的選擇：為了使管道機器人在管道內(nèi)更加靈活，所以采用鋁合金型鋼6063-T4合金，。
表1-1 鋁合金型鋼6063-T4合金的特性
屬性
數(shù)值
單位
彈性模量
6.9e+010
牛頓/m2
泊松比
0.33
不適用
剪切模量
2.58e+010
牛頓/m2
密度
2700
Kg/m3
張力強度
170000000
牛頓/m2
X壓縮強度
牛頓/m2
屈服強度
90000000
牛頓/m2
熱膨脹系數(shù)
2.4e-005
/k
熱導率
200
w/(m.k)
比熱
900
J/(kg.k)
材料阻尼比率
不適用
鋁合金有如下優(yōu)點：
鋁合金是純鋁加入一些合金元素制成的，如鋁—錳合金、鋁—銅合金、鋁—銅—鎂系硬鋁合金、鋁—鋅—鎂—銅系超硬鋁合金。鋁合金比純鋁具有更好的物理力學性能：易加工、耐久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富。鋁合金分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁等種類，各種類均有各自的使用范圍，并有各自的代號，以供使用者選用。
鋁合金仍然保持了質(zhì)輕的特點，但機械性能明顯提高。鋁合金材料的應用有以下三個方面：一是作為受力構件；二是作為門、窗、管、蓋、殼等材料；三是作為裝飾和絕熱材料。利用鋁合金陽極氧化處理后可以進行著色的特點，制成各種裝飾品。鋁合金板材、型材表面可以進行防腐、軋花、涂裝、印刷等二次加工，制成各種裝飾板材、型材，作為裝飾材料。
成本低，而且使用一種加工工藝可以大量生產(chǎn)同樣的零部件，這也是他的特點之一。
它的材料特性是輕、容易加工、以及在可耐強度方面不像碳素纖維有一個最大受力范圍。也就是說，碳素纖維因為有纖維的特性所以在一定的纖維方向上受力能力很強，但是在在別的方向上的受力就會很差。變得一層一層的。而鋁會慢慢變形再損壞。
還有就是鋁合金容易加工和具有高度的散熱性。 此外，鋁合金的加工工藝多種多樣。通用性較強。
(3) 機械結構的設計：根據(jù)所確定的方案原理和管道檢測機器人在石油管道中的工作情況，如：要克服5mm高的凸起、凹坑，要通過拐彎半徑為R933mm的彎道，還要保證超聲傳感器的探頭探測范圍覆蓋內(nèi)徑為Φ150mm的管道環(huán)面等，設計出能夠滿足實際要求的機械結構形式和各個零件的具體尺寸，并繪制出變徑裝置的零件圖、裝配圖。
(4)結構優(yōu)化分析：根據(jù)管道檢測機器人在石油管道中的工作情況，如在5mm高的凸起、凹坑處以及在拐彎半徑為R933mm的彎道處，對設計出來的機械裝置進行受力分析，優(yōu)化部分結構參數(shù)，從而使超聲檢測裝置既能正常工作。
(5)基本尺寸的確定，使機構滿足一定的幾何限制條件。
(6)繪制出變徑裝置的零件圖和裝配圖，并最終用Solidworks終繪制出該裝置的三維實體模型。
2 螺旋輪式管道機器人的總體方案設計
2.1 機器人管內(nèi)運動方式對比分析
2.1.1 輪式
日本學者福田敏男、 細貝英夫在1986年研制了可以通過“L”無圓弧過渡的管內(nèi)移動機器人。該機器人行走機構分別由頭部和本體兩部分組成，頭部和本體可相對回轉(zhuǎn)。當機器人在直管內(nèi)行走時，本體上的電動機M1通過減速裝置帶動本體上的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，使機器人沿直管行走。當通過90度彎管時，電動機M2驅(qū)動頭部做姿態(tài)調(diào)整， 同時驅(qū)動頭部履帶，引導機器人通過彎管。該機器人的技術指標為：適應管徑：φ50mm；行走速度：8.1mm/s；轉(zhuǎn)彎性能：可以通過90度直角彎管；機器人重量為：240g；機器人長度：76mm。
目前,輪式管道機器人是實際工程中應用最多的一種。輪式管內(nèi)移動機器人行走的基本原理是驅(qū)動輪靠彈簧力、液壓、氣動力,磁性力等壓緊在管道內(nèi)壁上以支承機器人本體并產(chǎn)生一定的正壓力,由驅(qū)動輪與管壁之間的附著力產(chǎn)生機器人前后行走的驅(qū)動力,以實現(xiàn)機器人的移動。輪式管道機器人的行走方式有2種：
(1)如果驅(qū)動輪軸線與管道軸線垂直,驅(qū)動輪沿管道母線滾動,機器人在管內(nèi)做平移運動,此為輪式直進式管內(nèi)移動機器人,它的優(yōu)點是機器人行走時,不產(chǎn)生姿態(tài)旋轉(zhuǎn)。下面以上海交通大學研制的輪式管道機器人(圖1-10)為例說明其工作原理。驅(qū)動電機通過軸驅(qū)動與之相連接的蝸桿,蝸桿驅(qū)動沿圓周方向成120°均勻分布的3個蝸輪,蝸輪又通過鏈輪和鏈條帶動機器人本體的車輪轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)機器人本體在管道內(nèi)的前進或后退。車輪與管道壁面之間的正壓力由調(diào)節(jié)部分提供,調(diào)節(jié)電機驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動,絲杠螺母將在絲杠上來回軸向移動,并帶動推桿通過鏈
使搖桿轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)預緊力的調(diào)節(jié)。
1-蝸桿 2-驅(qū)動電機 3-驅(qū)動電機安裝座 4-調(diào)整電機 5-鉸鏈
6-推桿 7-絲杠螺母 8-絲杠 9-蝸桿 10-蝸輪 11-鏈條 12-車輪
圖1-10驅(qū)動機構原理圖
2.1.2 蠕動式
清華大學研制了一套小型蠕動機器人系統(tǒng)，其機構如圖2-1，由1蠕動體和2、3、4電致伸縮微位移器組成。蠕動體的蠕動變形形態(tài)由粘貼于柔性鉸鏈部位的電阻應變實時感，機器人的外形尺寸為150x61x46mm，重2kg，最大步距10μm，行程40mm，運動精度0.2 μm。走效率高，能以一定的速度平穩(wěn)地運動。通過一些結構設計，可以適應一定的管徑變化。
圖2-1蠕動體結構示意圖
蠕動式驅(qū)動是基于仿生學原理，參考蚯蚓、毛蟲等生物的運動而實現(xiàn)的。首先，尾部支撐，身體伸長帶動頭部向前運動；然后，頭部支撐，身體收縮帶動尾部向前運動，如此循環(huán)實現(xiàn)機器人的行走。蠕動式驅(qū)動的優(yōu)點在于可適用管徑及曲率的變化。但是，蠕動式機構運動是間歇式的，速度波動大，不容易實現(xiàn)和傳感器的集成。實現(xiàn)蠕動的方法復雜，附帶的元件多，如氣動蠕動，就需要外接多根導氣管。
1988年，Ikuta等引用蚯蚓運動的原理開發(fā)出了蠕動機器人，后來隨著蠕動機器人技術的不斷完善，其開始向大型化發(fā)展，目前已可在200~300 mm的管道內(nèi)應用。蠕動式管道機器人主要由蠕動部分、頭部、尾部組成，如圖2-2所示。前部和尾部支撐分別裝有超越離合鎖死裝置，實現(xiàn)單向運動自鎖。中間蠕動部分提供機器人運動的動力。對于蠕動動力機構，目前有很多實現(xiàn)形式，如上海大學利用氣壓伸縮驅(qū)動；上海交通大學利用形狀記憶合金伸縮驅(qū)動；昆明理工大學利用電磁吸合驅(qū)動。
下面以電磁驅(qū)動的蠕動式管道機器人為例，分析蠕動式管道機器人的運動機理。蠕動式管道機器人的運動原理如圖2-2所示，一個動作循環(huán)分為3個步驟：
(1)當初始狀態(tài)時，電磁鐵失電，彈簧處于自由狀態(tài)，故頭部與尾部分離；
(2)當電磁鐵通電時，磁鐵與線圈吸合，安裝在頭部上的超越單向行走方式使頭部原位不動，尾部由于電磁吸力的作用向前移動；
(3)斷開電源，電磁力作用消失，彈簧促使磁鐵與線圈分開，安裝在尾部上的超越單向行走方式使尾部原位不動，頭部由于彈簧力的作用向前移動。
至此，機器人回到了初始狀態(tài)，機器人前進了一步。
蠕動機器人優(yōu)點是可在細小的微型管道中行走，但由于速度的間斷性和緩慢性阻礙了它的發(fā)展。
圖2-2蠕動機器人的運動原理
綜合輪式驅(qū)動、履帶式驅(qū)動、腿式驅(qū)動、電磁式驅(qū)動等不同結構的優(yōu)缺點， 以及簡單性和實用性特點，最后確定采用輪式驅(qū)動結構。輪式驅(qū)動機構結構簡單，容易實現(xiàn)，行走效率高，能以一定的速度平穩(wěn)地運動。通過一些結構的設計，可以適應一定的管徑變化，通過控制軸向尺寸，采取適當?shù)慕Y構，可以實現(xiàn)在彎管中行走。而且輪式驅(qū)動控制方便，可以方便地和各種傳感器（速度傳感器、壓力傳感器等）集成。常見的輪式驅(qū)動機構有直進輪式驅(qū)動和螺旋輪式推進兩種方式。由于螺旋式推進機構具有諸多優(yōu)點：前進速度快，驅(qū)動力大；對管徑大小和管道形狀變化的適應性較強；控制方便；機構的管內(nèi)穩(wěn)定性好。因此我們最終確定采用螺旋輪式驅(qū)動的方案，該方案采用了分節(jié)式螺旋驅(qū)動輪式結構。管道檢測機器人基本結構由前后兩部分螺旋驅(qū)動部分和中間的超聲波探測部分構成。
2.2 螺旋輪式管道機器人的運動機理
2.2.1 機構的原理
如圖2-3，螺旋機構由驅(qū)動電機Μ1(Μ2) ,旋轉(zhuǎn)體 1（2）和支撐體1（2）組成。三組驅(qū)動輪均勻分布于旋轉(zhuǎn)體上，且與管壁呈一定的傾斜角θ 。隨著電機的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動電機Μ1(Μ2) 帶動旋轉(zhuǎn)體1（2）轉(zhuǎn)動，使驅(qū)動輪沿管壁作螺旋運動，保持機構沿管道中心軸線移動。改變施加于電機的電流極性，可改變機器人的移動方向，從而使機器人在管內(nèi)進退自如。電機采用內(nèi)嵌式安裝在支撐體1（2) 上，支撐體1（2）通過彈簧、萬向聯(lián)結接頭與無損檢測傳感器相聯(lián)結。旋轉(zhuǎn)體1和支撐體 1（2）的輪腿上裝有彈性機構，使得機械本體有較好的越障能力。腿輪與本體之間有滑塊連接，靠螺釘固定，調(diào)節(jié)滑塊位置，腿輪可以伸縮，使得管道檢測機器人有一定的管徑適應能力。
1旋轉(zhuǎn)輪 2彈簧 3輪軸 4支撐輪 5電機托蓋 6萬向節(jié)聯(lián)軸器 7探測倉 8 旋轉(zhuǎn)電機 9探測頭 10 萬向節(jié)聯(lián)軸器 11電機托蓋 12 支撐輪 13 旋轉(zhuǎn)輪 14 小輪支撐體 15 小輪 16 螺釘
圖2-3油管檢測機器人的檢測本體結構
2.2.2 機器人設計要點
第一：輪式驅(qū)動控制方便，可以方便地和各種傳感器（速度傳感器、壓力傳感器等）集成。對稱機構，雙電機安裝方式可以使機器人前進速度快，驅(qū)動力大； 控制方便； 機構的管內(nèi)穩(wěn)定性好。
第二：管道檢測機器人采用三節(jié)對稱結構具有以下優(yōu)點：
（1）兩驅(qū)動電機分擔機器人所需的驅(qū)動力， 可以降低電機的外形尺寸， 節(jié)省軸向安裝空間；
（2）轉(zhuǎn)彎時分別控制兩電機的轉(zhuǎn)動， 可以減小轉(zhuǎn)彎時驅(qū)動內(nèi)耗， 增加靈活性；
（3）增加爬垂直管道的驅(qū)動力；
（4）前后兩部分驅(qū)動，可以盡量縮短軸向尺寸，減小轉(zhuǎn)彎半徑。
第三：彈簧自定心作用
彈簧力的大小要考慮行走輪與管壁之間要有足夠的正壓力，使電機能夠有較大的功率輸出，使行走機構拖動力最大;同時，還要考慮保證機器人能夠在彈簧力的作用下不會因其重力作用而明顯地偏離管道中心。由于彈簧機械性能及參數(shù)變化該機構設計上有調(diào)正環(huán)節(jié)，以使3個彈簧拉力基本平衡自定心。當機器人放入管內(nèi)后，彈簧力的大小仍可由外面的軸桿來調(diào)節(jié)。
通過理論分析與比較，螺旋輪式管內(nèi)行走機構結構緊湊，雙電機對稱機構提供的拖動力大，并且結構穩(wěn)定，靈活，電機的是一種理想的管內(nèi)行走機器人載體?？梢赃M行工業(yè)的應用和推廣。
3 管道機器人行走機構的分析與設計
3.1 旋轉(zhuǎn)輪的結構設計
圖3-1旋轉(zhuǎn)輪零件圖
旋轉(zhuǎn)輪盤選擇兩盤相扣結構，使機構更加靈活。支撐滾動輪的支撐軸，設計一個凸起卡在一個盤內(nèi)，既可以防止其在盤內(nèi)軸向旋轉(zhuǎn)，又不影響適應不同管徑。變徑范圍146mm-164mm。
3.1.1 機構運動受力分析
管道內(nèi)機器人其移動機構的主要任務是攜帶探測、修補或維護所需的設備，如CCD傳感器，渦流傳感器或復雜的微操作手等，這就要求移動機構有一定的負載能力。該機器人的供電方式為拖纜供電，隨著機器人在管道內(nèi)部行走的距離的加大，拖動電纜也就越長，這樣電纜與管壁的摩擦力也就加大，所以要求機器人的移動機構有一定的帶載能力。當檢測不同的管道時，管道內(nèi)徑可能是在一定范圍內(nèi)變化的，這種變化也會影響到移動機構負載能力的變化。一般情況下，在不使機器人打滑的同時，管徑增大時，撐緊機構施加到車輪上的正壓力減小，從而摩擦力減小，負載減小，電機所需的驅(qū)動力降低。反之在管徑變小時，撐緊機構施加到車輪上的正壓力增大，從而摩擦力增大，負載增大，電機所需的驅(qū)動力降低。因此有必要將機構的負載能力，或說軸向輸出牽引力，作為一個重要的指標來分析。由前面的分析可知，移動機構在管道中行走時，要實現(xiàn)力封閉及驅(qū)動行走。下面分析移動機構在管道中行走時的受力情況。
對管道檢測機器人受力分析時，只考慮機器人在垂直管道上升時的情況，因為對管道檢測機器人在垂直管道中上升過程中受到的負載最大，如果爬垂直管道時機器人的承受負載能力能夠滿足要求，那么，管道機器人本體在水平或者坡度管道時，負載能力必定能夠達到要求。機械平臺共有6 組12個驅(qū)動輪和6組12 個支撐輪，為了使計算出的負載能力有一定的安全系數(shù)，所以只考慮12 個驅(qū)動輪的負載能力來平衡機械本體的負載。以螺旋驅(qū)動部分的受力為例，如圖3-2。假設處在理想狀態(tài)下，每個橡膠驅(qū)動輪的受力狀態(tài)相同，因此取一個車輪作為隔離體,對其進行受力分析。受力圖如圖3-2 。
圖3-2力學分析原理
分析可知，整個移動機構是依靠電機驅(qū)動，驅(qū)動輪緊緊壓著管壁，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動時與管壁之間產(chǎn)生純滾動，依靠管壁對驅(qū)動輪的摩擦力作用而實現(xiàn)行走的，因此，機器人在管道內(nèi)部的前進、后退、啟停、加減速等動作只需控制電機的正反轉(zhuǎn)、啟停和調(diào)整電機電壓大小來實現(xiàn)。
得出及機器人的最大載荷：
W max = 12(N×f－F×sinθ)
由ΣMAZ=0 ΣF y=0
可得F=N/R (f1 R + f2 r)
帶入可得：W max = 12[N×f－N/R (f1R + f2r)×sinθ]
3.1.1.1 受力分析時的一些假設條件
因為管道機器人的實際受力情況比較復雜，為了簡化分析和計算，所以對管道機器人的移動機構的受力情況，先做一些假設，以滿足分析的需要。下面是一些假設條件：
（1）移動機構是在直管中運動，忽略管道的內(nèi)徑的不均勻性；
（2）管道機器人的移動機構的車輪在管道內(nèi)作純滾動，而忽略掉零件加工中的誤差而導致的機構其他形式的運動；
（3）整個移動機構作勻速運動，不考慮其慣性力的影響；
（4）移動機構移動時共有六個輪子與管道內(nèi)壁接觸，假設每個輪子的封閉力都相同；
（5）忽略一切損失；
（6）負載無波動；
（7）分析時采用標量，當所求值為負時表示實際方向與圖示方向相反。
3.1.2 運動自由度分析
移動機構自由度的設計與其要完成的任務是相關的，往往采用完成任務時所需的最小自由度數(shù)。本設計任務中對移動機構的自由度要求是能夠在管道的約束下沿管道的軸線方向移動，且不能作沿管道軸心線的旋轉(zhuǎn)運動，即只要求是一個單自由度移動機構。由上一節(jié)的分析可知，在所設計的雙電機驅(qū)動直進式移動機構中，電機殼體與機架固連，電機座的反力在電機內(nèi)部被平衡掉，驅(qū)動輪僅受平面力系的作用，只能作沿軸線方向的運動而不會產(chǎn)生沿管道軸心線的轉(zhuǎn)動，即整個移動機構是一個單自由度移動機構。
3.1.3 電機的選擇
12Fsinθ＞G
G=mg=2×9.8=19.6
12F.>75.4 N
提供的牽引力至少75.4N。
T=75.4×0.082=6.18Nm
每個電機提供轉(zhuǎn)矩3.09Nm
（1）根據(jù)外形尺寸，估計機器人的總質(zhì)量M
M=各個零件的質(zhì)量總和。大體估計總質(zhì)量為2kg。
（2）計算驅(qū)動機器人所需要的牽引力F
F=履帶輪摩擦力+旋轉(zhuǎn)刷摩擦力，據(jù)估計牽引力大小在75.4N左右
（3）電機的選取
由于所需的負載轉(zhuǎn)矩小，并且轉(zhuǎn)速不宜太大，故選擇帶減速裝置的電機。
P=T×w=3.09×2π×16/60=5.2kw
即每個電機需要提供2.6kw的功率。
JBY37-540 減速電機
實體圖3-4
基本尺寸3-5
考慮到在油管里，由于油管內(nèi)的壓力和摩擦力，選擇如下參數(shù)的電機。
3.2 電機連接軸的設計
圖3-6電機連接軸
表3-3電機選擇參數(shù)
電壓
空載
負載
堵轉(zhuǎn)
減速比
減速箱長
重量
V
轉(zhuǎn)速
電流
轉(zhuǎn)速
電流
扭矩
功率
扭矩
電流
1:00
mm
約
rpm/min
A
rpm/min
A
Kg.cm
W
Kg.cm
A
g
12
464
0.15
371
0.3
3
8
10
1
6.25
19
250
290
0.15
232
0.3
4
8
13
1
10
19
250
154
0.15
123
0.3
5
8
16
1
18.8
22
258
97
0.15
77.6
0.3
7
8
18
1
30
22
258
66
0.15
53
0.3
9
8
22
1
43.75
24
263
51
0.15
61
0.3
10
8
25
1
56.25
24
263
32
0.15
26
0.3
12
8
30
1
90
24
263
22
0.15
18
0.3
14
8
35
1
131.2
26.5
268
17
0.15
14
0.3
15
8
38
1
168.7
26.5
268
24
轉(zhuǎn)速
電流
轉(zhuǎn)速
電流
扭矩
功率
扭矩
電流
928
0.3
724
0.6
4
12
10
2
6.25
19
250
580
0.3
464
0.6
6
12
15
2
10
19
250
308
0.3
246
0.6
9
12
20
2
18.8
22
258
20
0.3
16
0.6
21
12
55
2
270
26．5
275
表3-1 選擇電機參數(shù)
電壓
24V
轉(zhuǎn)速
16r/min
功率
12w
電流
0.6A
減速比
27
體長
26.5mm
額定力矩
21Nm
重量
275g
采用鍵連接，使結構緊湊穩(wěn)定。
第一：鍵連接的作用：鍵連接是通過鍵實現(xiàn)軸與軸向零件間的周向固定以傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，其中有些類型還可以實現(xiàn)軸向固定和傳遞軸向力，有些類型并能實現(xiàn)軸向動連接。普通平鍵用途最廣，因為其結構簡單，拆裝方便，對中性好，適合高速、承受變載、沖擊的場合。
第二：鍵連接的裝配工藝要點
?。?）裝配前應檢查鍵的直線度、鍵槽對軸心線的對稱度和平行度。
（2）普通平鍵的兩側面與軸鍵槽的配合一般有間隙。重載荷、沖擊、雙向使用時，須有過盈。鍵兩端圓弧應無干涉。鍵端與軸槽應留0.10mm的間隙。
?。?）普通平鍵的底面與鍵槽底面應貼實。
（4）半圓鍵的半徑應稍小于軸槽半徑，其他要求與一般平鍵相同。
第三：鍵的選擇和鍵聯(lián)接的強度計算
?。?） 鍵的選擇
鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個方面。選擇鍵連接類型時，一般需考慮傳遞轉(zhuǎn)矩大小，軸上零件沿軸向是否有移動及移動距離大小，對中性要求和鍵在軸上的位置等因素，并結合各種鍵連接的特點加以分析選擇。鍵的截面尺寸（鍵寬b和鍵高h）按軸的直徑 d 由標準中選定；鍵的長度 L 可根據(jù)輪轂的長度確定，可取鍵長等于或略短于輪轂的寬度；導向平鍵應按輪轂的長度及滑動距離而定。鍵的長度還須符合標準規(guī)定的長度系列。
（2）平鍵連接的強度計算
平鍵連接的可能失效形式有：較弱零件工作面被壓潰（靜連接）、磨損（動連接）、鍵的剪斷（一般極少出現(xiàn)）。因此，對于普通平鍵連接只需進行擠壓強度計算；而對于導向平鍵或滑鍵連接需進行耐磨性的條件性計算。
3.3 彈簧的設計與選擇
拉伸彈簧是直進輪式管道機器人的關鍵部件，如果拉伸彈簧的拉力不夠，不能保證每組輪軸機構都能被拉開使車輪擠壓在石油管道內(nèi)壁，這樣不能保證機器人能夠平穩(wěn)行駛；如果拉伸彈簧的拉力太大，雖能保證機構都能被拉開并擠壓在石油管道內(nèi)壁，但擠壓在石油管道內(nèi)壁的壓力過大，使得直進輪式管道機器人運動阻力過大，這對電機要求也會相應提高。因此，拉伸彈簧的設計是一個關鍵問題，需要選擇合適的參數(shù)，不僅要機構平穩(wěn)行駛，而且要盡量減小整個行走機構的運動阻力，降低對電機功率要求。
F=75.4N
F/12=6.3N
故此彈簧所受力為6.3N
經(jīng)查表得：
(1)彈簧中徑為8mm
(2)壓縮彈簧有效圈數(shù)為10mm
(3)壓縮彈簧的自由高度H0=16mm
(4)圓柱螺旋彈簧極限應力與極限載荷，工作極限應力τj=1.67τp
(5)端部并緊磨平 d<8mm
總圈數(shù) n1=n+2 =12
自由高度 H0=nt +1.5d t=1.45mm
壓并高度 H b = (n +1.5)d=7.5mm
3.4 支撐輪和電機的固定方案
由于電機固定在支撐輪上，電機帶動旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，使得旋轉(zhuǎn)盤上的輪沿管道做螺旋運動，而支撐輪沿管道平行運動。
圖3-7電機的固定方案
右圖是一個電機套蓋，電機放在里面，可以支撐電機的重量，而且和支撐輪用螺釘連接起來，如上圖所示方案。
3.5 探測頭的定位方案
探測頭和一個旋轉(zhuǎn)電機連接在一起，實現(xiàn)圓周運動，可以進行周向全方位掃描。由于所需轉(zhuǎn)矩很小，一般直流電機即可滿足。電壓：3-6V， 轉(zhuǎn)速：1700轉(zhuǎn)
圖3-8電機尺寸圖
4 管道機器人在管中運動通過性分析
由于管道微型機器人可能在彎管中運動，為了防止機器人在管道中運動時，由于管道的曲率半徑太小而使得機器人擱淺而卡在管道中，不能前進和后退，現(xiàn)對管道曲率半徑對機器人的影響分析如下。設機器人處于剛好被擱淺的狀況如圖4所示。
圖4-1管道機器人擱淺示意圖
當管道機器人經(jīng)過的管道曲率半徑大于此時管道的曲率半徑，機器人則能順利通過。反之，當機器人通過的管道曲率半徑小于此時管道的曲率半徑時，機器人肯定被卡住。此時管道的曲率半徑為管道機器人順利通過管道的臨界值。
已知：管道直徑D=150mm，經(jīng)設計得a=97mm，機器人近似直徑D1=164mm，由幾何關系(x-75)2+(97/2)2 = x2，解得：x=53.2,故，當轉(zhuǎn)彎半徑大于53.2mm時，機器人不會產(chǎn)生擱淺現(xiàn)象。
4.1 管道環(huán)境對機器人的幾何約束
彎道是管道機器人工作時常遇到的障礙，管道 機器人若想順利完成任務，就必須能夠順利通過彎管，所以機器人的設計必須滿足彎道的幾何約束。彎管的主要參數(shù)有曲率半徑尺、彎曲角度A和管道內(nèi)徑 D，設計時必須考慮周全，且當參數(shù)確定時，相對細長 或短粗的機器人都會發(fā)生卡死現(xiàn)象。下面將討論這三個參數(shù)對機器人幾何尺寸的影響．機器人在管 道中最惡劣的情況如圖2所示，處于彎管正中央的 位置，其中，J 為機器人主體長度，d為機器人主體徑向最大尺寸。彎管幾何參數(shù)滿足( R+D/2 ) COS (λ/2 )－(R－D/2 )> 0的情況下，機器人通過彎管時需考慮兩種情況： ①機器人的兩個端面在彎管的直邊部分(見圖4-2) ； ②機器人的兩個端面在彎管的彎曲部分。（見圖4-2）
（a） (b)
圖4-2 機器人處于彎管時的幾何約束
當機器人的兩個端面在彎管的直邊部分時，機器人的直徑和長度應滿足下式 ：
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