【正文】 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）管道履帶式機器人畢業(yè)論文1緒論 管道機器人在人類社會中已經(jīng)迅速的漫延開來，這一切都應(yīng)歸公于它自身的特點。因此，國內(nèi)外都在不斷的開發(fā)和研制更適合管內(nèi)行走的管道機器人，并開始走向微型化、智能化，使之性能更宜人化，可控性更好，準(zhǔn)確性更高。但是管道機器人由于受到它工作環(huán)境的限制和沉重的任務(wù)負(fù)擔(dān)，致使它也不斷面臨著更多，更嚴(yán)重的困難和問題。如何解決？已經(jīng)成為現(xiàn)代人的責(zé)任和發(fā)展方向。國外關(guān)于燃?xì)夤艿罊C器人的研究始于20世紀(jì)40年代，由于70年代的微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動化技術(shù)的發(fā)展，管道檢測機器人技術(shù)于90年代初得到了迅猛發(fā)展并接近于應(yīng)用水平。一般認(rèn)為，法國的J．VERTUT較早從事管道機器人理論和樣機的研究，1978年他提出了輪腿式管內(nèi)行走機構(gòu)模型IPRIV，該機構(gòu)雖然簡單，但起了拋磚引玉的作用 。日本機器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期，70年代的實用期，到80年代進(jìn)入普及提高期，開始在各個領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機器人。日本管道機器人眾多，東京工業(yè)大學(xué)航空機械系Shigeo Hirose和Hidetaka Ohno等于1993年開始研究管道機器人，先后研制成功適用于直徑50mm管道的ThesⅠ、ThesⅡ型管道機器人和適用于直徑150mm管道的ThesⅢ型管道機器人。ThesⅠ型管道機器人的主要特點是輪子的傾斜角可以隨著阻力大小的改變而改變，當(dāng)機器人的負(fù)載較大時，輪子的傾斜角將產(chǎn)生變化，從而減小行走速度，增加推進(jìn)力。ThesⅡ型管道機器人的總長為300mm，質(zhì)量只有3l0g。ThesⅡ型管道機器人的每一節(jié)機器人單元的左右兩側(cè)分別布置著由彈簧板支撐的一對輪子，輪子由帶減速齒輪箱的電動機驅(qū)動，從而實現(xiàn)機器人在管道中的前進(jìn)和后退運動，ThesⅡ型管道機器人可以很容易地在帶有幾個彎管接頭的管道中運動。ThesⅢ型管道機器人如圖11所示，其采用“電機一蝸輪蝸桿一驅(qū)動輪” 的驅(qū)動方案，同時每個驅(qū)動輪都有一個傾斜角度測量輪，通過測量輪探測機器人的傾斜角度，并反饋給電機從而保證管道機器人的驅(qū)動輪以垂直的姿態(tài)運動。該管道機器人系統(tǒng)通過CCD攝像頭實現(xiàn)信息的采集，整個系統(tǒng)采用拖纜控制方式，檢測距離超過100m。圖11 ThesⅢ型管道機器人 ThesⅢ Pipeline robot美國是機器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機器人，是世界上的機器人強國之一， 其基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)，并有很多管道機器人產(chǎn)品。美國Inuktun公司系列管道檢測機器人Versatrax是國外現(xiàn)有的已成型管道機器人。Versatrax 150 檢測管道最小直徑為150mm，防水深度30m，電纜范圍160m，速度0～10m／min，有效載荷92kg，CCD彩色直視攝像頭。Versatrax 300”VLR檢測管道最小直徑為3omm，防水深度30m，電纜范圍1830m，速度0～10m／min，有效載荷184kg，CCD彩色直視攝像頭。美國紐約煤氣集團(tuán)公司(NYGAS)的DaphneD’Zurko和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機器人技術(shù)學(xué)院的HagenSchempf博士在美國國家航空和宇宙航行局(NASA)的資助下于2001年開發(fā)了長距離、無纜方式的管道機器人系統(tǒng)——EXLORER，專門用于檢測地下煤氣管道的情況， 如圖12所示。該管道機器人系列EXPLORER就有如下特征：(1)一次作業(yè)檢測距離長，采用無纜方式， 自帶電池并且電池可以多次反復(fù)充電，使管道機器人具有良好的自推進(jìn)能力。(2)可以在鑄鐵和鋼質(zhì)煤氣管道中，低壓和高壓條件下工作。(3)管道機器人的彩色攝像頭采用嵌入式“魚眼” 鏡頭，結(jié)構(gòu)非常緊湊。(4)可以順利通過90。的彎管接頭和垂直管道。(5)與外部操作人員采用無線通訊方式。(6)該管道機器人可以探測煤氣管道內(nèi)部是否水滲透、碎片堆積；可以確定管道內(nèi)部缺陷的確切位置并且定位相應(yīng)的作業(yè)裝置；采用視頻圖像的形式準(zhǔn)確地反映管道內(nèi)部的狀況條件。圖12 EXLORER管道機器人 EXLORER Pipeline robot德國工業(yè)機器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。德國學(xué)者Bemhard Klaassen、Hermann St—reich和Frank Kirchner等人在德國教育部的資助下于2000年研制成功了多關(guān)節(jié)蠕蟲式管道機器人系統(tǒng)—— MAKRO。該機器人由六節(jié)單元組成，其頭部和尾部兩個單元體完全相同，每個單元之間的節(jié)點由3個電動機驅(qū)動，使得MAKRO可以抬起或者彎曲機器人個體，從而可以輕松越過障礙物或?qū)崿F(xiàn)拐彎運動，該管道機器人系統(tǒng)MAKRO具有21個自由度，長度為2m，質(zhì)量為50kg，采用無纜控制方式，MAKRO系統(tǒng)使用于直徑為直徑300～直徑600mm的管道。加拿大INUKTUN公司的雙履帶式管內(nèi)機器人行走機構(gòu)，履帶采用剛性支承結(jié)構(gòu)，兩履帶的夾角可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的作業(yè)管徑。兩履帶調(diào)節(jié)到平行位置時，可以在平地或矩形管道內(nèi)行走。但這種剛性支承的雙履帶式管內(nèi)機器人行走機構(gòu)的兩履帶夾角在行走過程中是無法改變的，因此不適應(yīng)管徑變化的作業(yè)場合。Kawaguch等研制的管道檢測機器人系統(tǒng)只適用于200mm的管道，而且一次作業(yè)的檢測距離不大于500m；Kuntze等采用四輪獨立伺服驅(qū)動方案研制成管道檢測機器人系統(tǒng)KARO，該機器人系統(tǒng)只能實現(xiàn)對200mm管徑的地下輸水管道的檢測，一次檢測距離為400m，系統(tǒng)采用拖纜控制方式。國內(nèi)管道機器人研究進(jìn)展國內(nèi)在管道機器人方面的研究起步較晚，而且多數(shù)停留在實驗室階段。哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授在國家“863”計劃課題“X”射線檢測實時成像管道機器人的研制” 的支持下，開展了輪式行走方式的管道機器人研制。該機器人具有以下特點：(1)適應(yīng)大管徑(大于或等于直徑900mm)的管道焊縫X射線檢測。(2)一次作業(yè)距離長，可達(dá)2km。(3)焊縫尋址定位精度高為177。5mm。(4)檢測工效高，每道焊縫(直徑900mm為例)檢測時間不大于3min；實現(xiàn)了管內(nèi)外機構(gòu)同步運動作業(yè)無纜操作技術(shù)，并研制了鏈?zhǔn)胶弯搸絻煞N新型管外旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，課題研究成果主要用于大口徑管道的自動化無損檢測。上海大學(xué)研制了“細(xì)小工業(yè)管道機器人移動探測器集成系統(tǒng)”。其主要包含20mm內(nèi)徑的垂直排列工業(yè)管道中的機器人機構(gòu)和控制技術(shù)(包括螺旋輪移動機構(gòu)、行星輪移動機構(gòu)和壓電片驅(qū)動移動機構(gòu)等)、機器人管內(nèi)位置檢測技術(shù)、渦流檢測和視頻檢測應(yīng)用技術(shù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成管內(nèi)自動探測機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)20mm管道內(nèi)裂紋和缺陷的移動探測。上海交通大學(xué)研制出一種呈正方形體，由12個蠕動元件組成的管內(nèi)蠕動機器人，外形尺寸為35mm35mm35mm，體重19．5g(包括控制電路)，步行速度為15mm／min，共有12個自由度，由SMA(形狀記憶合金)與偏置彈簧組成一個驅(qū)動源，共12個驅(qū)動源。能實現(xiàn)管內(nèi)上、下，左、右，前、后的全方位運動，能通過直管、曲率半徑較大的彎管，以及L型、T型管。在北京市優(yōu)秀人才項目的資助下，進(jìn)行了仿蝎型管道機器人的研究工作。選擇蝎子作為管道機器人模仿的對象，一方面是因為蝎子能在較復(fù)雜的地形上輕易而順利地行走，另一方面是因為蝎子的反射作用要比那些哺乳動物要簡單得多，控制算法較易實現(xiàn)。仿蝎管道機器人可以相對較易地跨過比較大的障礙，并且機器人的足所具有的自由度可以使機器人的運動更加靈活，可以在可達(dá)到的管面上選擇最優(yōu)支撐點，即使在管面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點，也能夠行走自如，對凹凸不平表面的適應(yīng)能力更強，機構(gòu)模型如圖13所示。 圖13仿蝎管道機器人機構(gòu)模型 Model for imitation robot scorpion pipe1） 蠕動式管道機器人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(shù)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(yīng)用。蠕動式管道機器人主要由蠕動部分、頭部、尾部組成，如圖14所示，1—頭部，2—蠕動部分，3—尾部。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。中問蠕動部分提供機器人運動的動力。對于蠕動動力機構(gòu)，目前有很多實現(xiàn)形式：如上海大學(xué)利用氣壓伸縮驅(qū)動；上海交通大學(xué)利用形狀記憶合金伸縮驅(qū)動；昆明理工大學(xué)利用電磁吸合驅(qū)動如圖15，1—磁鐵，2—彈簧，3—線圈等。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16所示，1—頭部，2—蠕動部分，3—尾部，一個動作循環(huán)分為3個步驟：(1)當(dāng)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(dāng)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(jìn)了一步。蠕動機器人優(yōu)點是可在細(xì)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14 蠕動式機器人總體結(jié)構(gòu)圖 The overall structure of Figure creeping robot 圖15 蠕動驅(qū)動電磁鐵圖 圖16 蠕動機器人運動原理圖 Peristaltic drive solenoid map Creeping robot schematics2） 輪式管道機器人目前，輪式管道機器人是實際工程中應(yīng)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：直進(jìn)式和螺旋運動方式。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(jìn)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(xué)研制的輪式管道機器人(圖17，1—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)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度均勻分布的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(jìn)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，并帶動推桿通過鉸鏈?zhǔn)箵u桿轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)預(yù)緊力的調(diào)節(jié)。 圖17輪式直進(jìn)式管道機器人的動作原理 Wheel Straight pipe robot action principle如果