【正文】 ................................ 21 管道機(jī)器人地面力分析 ............................................ 22 IV 管道機(jī)器人牽引力分析 ............................................ 23 6 總結(jié) ........................................................... 1 參 考 文 獻(xiàn) ....................................................... 1 謝 辭 ............................................................ 3 1 1 緒論 管道機(jī)器人的研究意義 機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，具備一些與人或生物相似的能力，如感知、規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)作的協(xié)作等，機(jī)器人技術(shù)被視為二十世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，自二十世紀(jì)六十年代工業(yè)機(jī)器人問世以來，隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是在 信息技術(shù)、控制理論等學(xué)科迅速發(fā)展的支持下，機(jī)器人的種類日益繁多，性能不斷的改進(jìn)，工作領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。本科畢業(yè)論文 管道機(jī)器人機(jī)械行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 姓 名 陳春霖 學(xué) 號(hào) 年 級(jí) 2020級(jí) 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 系 （院） 指導(dǎo)教師 2020 年 8 月 15 日 2 Lootionmechanism Design of Pipe robots chunlinchen Supervisor: August 2020 I 摘 要 管道檢測(cè)機(jī)器人是針對(duì)輸油、氣等工業(yè)管道的檢測(cè)、噴涂、接口焊接、異物清理等維護(hù)檢修作業(yè)所研制的一種特種機(jī)器人，它綜合了智能移動(dòng)載體技術(shù)和管道缺陷無損檢測(cè)技術(shù)。從深海到宇宙空間，在各種人類所不能承受的極限環(huán)境中都能找到機(jī)器人的應(yīng)用。在研究和開發(fā)的過程中，人們逐步認(rèn)識(shí)到特種機(jī)器人技術(shù)是感知、決策、行動(dòng)和交互四大技術(shù)的結(jié)合。管道檢測(cè)機(jī)器人實(shí)施的是管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，它還能夠方便地獲取、傳輸、存儲(chǔ)管道內(nèi)的視頻影像數(shù)據(jù)，作為分析判斷管道內(nèi)壁腐蝕狀況、兒何形狀異常、堵塞、斷裂、泄漏的重要依據(jù) ，并可利用機(jī)器人自身精確的定位系統(tǒng)對(duì)缺陷進(jìn)行定位，通過攜帶的檢測(cè)裝置對(duì)關(guān)鍵部位實(shí)施進(jìn)一步的定量檢測(cè)。這種檢測(cè)技術(shù)提高了管道檢側(cè)的準(zhǔn)確性，便于管道工程管理維護(hù)人員分析了解管道缺陷 產(chǎn)生的原因，開展對(duì)缺陷的評(píng)估，制訂管道維護(hù)方案，消除管道安全隱患，在事故發(fā)生前就有計(jì)劃地維修或更換管段，從而節(jié)約大量的維修費(fèi)用，降低管道維護(hù)成本，保障人民生活及財(cái)產(chǎn)安全，減少有毒氣體或液體泄漏造成的環(huán)境污染。日本學(xué)者 [1011]等人于 1987 年研制成功了振動(dòng)式管道檢測(cè)機(jī)器人，圖 1所示為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其工作原理是在機(jī)器人的外表面裝有若干與機(jī)器人本體成一定角度的彈性針，靠彈性針的變形使管道檢測(cè)機(jī)器人壓緊在管道內(nèi)壁上。 ThesI 型管道檢側(cè)機(jī)器人的總長為 300mm,重量只有 310g，其外形如圖 2 所示，在機(jī)器人本體的滾輪上沿圓周方向成 圖 2 Thes系列機(jī)器人樣機(jī) 放射狀均布四根彈簧鋼絲，每根彈簧鋼絲的末端都安裝了一個(gè)有一定傾斜角的輪子 .所有的輪子在彈簧壓力的作用下?lián)尉o在管道的內(nèi)壁上。該管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)通過 CCD 攝像頭實(shí)現(xiàn)信息的 采集，整個(gè)系統(tǒng)采用拖纜控制方式，檢測(cè)距離超過 100m，圖 2(d)為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖片。機(jī)器人的機(jī)身是用一整塊不銹鋼加工出來的，只有這樣才能達(dá)到輪子所必須的孔的同軸度和可靠的密封性。操作師的指令傳給機(jī)器人內(nèi)安裝的微處理系統(tǒng)。通過頭部的4個(gè)紅外傳感器可感知和識(shí)別 L型彎頭的位置和力、方向。軟軸大多為分段結(jié)構(gòu)，兩端有接頭，可以多根軟軸接在一起使用從而疏通較長距離的管道。堅(jiān)固而有韌性，可以順利通過 180度彎道或連續(xù) 180度返水彎管。智能機(jī)器人主題作為自動(dòng)化領(lǐng)域兩個(gè)主題之一，在 20世紀(jì)的目標(biāo)是要完成高精度裝配機(jī)器人 、水下無纜作業(yè)機(jī)器人、惡劣環(huán)境下作業(yè)機(jī)器人的研制，把研制以遙控為主、具有局部自主功能的智能機(jī)器人作為第一階段的戰(zhàn)略目標(biāo)。較有代表性的有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、上海大學(xué)、東華大學(xué)、大慶油建公司和中國石油天然氣管道局等， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鄧宗全 [15]等人于 1987年就針對(duì)管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)的封閉力問題進(jìn)行了探討，并就行走機(jī)構(gòu)作了較深入的研究。剪形壓緊機(jī)構(gòu)具有可調(diào)接合點(diǎn)，調(diào)節(jié)接合點(diǎn)的位置，可使機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪徑向縮進(jìn)或擴(kuò)張，從而調(diào)節(jié)彈簧的壓緊力，使機(jī)器人能夠運(yùn)行于垂直管道；三個(gè)電機(jī)以不同速度旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人可以通過彎管 :三個(gè)電機(jī)所提供的牽引力較大，因此，機(jī)器人可以長距離運(yùn)行。包括機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)動(dòng)方式選擇、能源供應(yīng)選擇、管道運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性選擇等。提出論文的主要研究內(nèi)容。解決機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、輪與管道的接觸不良，無法提供足夠牽引力的問題。結(jié)合機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，解決機(jī)器人接觸力問題，包括理論計(jì)算了機(jī)器人的拖纜力、地面力和牽引力 。 本排水管道機(jī)器人整體性能指標(biāo)如下： 適應(yīng)管徑：≥ 500M 移動(dòng)速度： 5～ 10m/min 電源：配有電纜絞車，通過電纜提供動(dòng)力源 機(jī)器人總重約： 20kg 負(fù)重能力：〉 10kg 作業(yè)能力：完成 200m 以內(nèi)的排水管道穿纜、檢測(cè)任務(wù)?？紤]到通信、能源供給的可靠性。 機(jī)器人管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)方式的選用 根據(jù)運(yùn)動(dòng)機(jī)理和驅(qū)動(dòng)方式的不同可分為：輪式、履帶式、足腿式結(jié)構(gòu)以及蛇行、蠕動(dòng)、變形運(yùn)動(dòng)等幾種形式。 （ 2）履帶式著地面積大，易產(chǎn)生較大的附著力，對(duì)不平路面的適應(yīng)性強(qiáng)，牽引性能非常好。蠕動(dòng)式有蛇行、仿蚯蚓等運(yùn)動(dòng)模型。鋁合金材料有良好的力學(xué)性能，而且鋁合金材料在防腐方面也有突出的表現(xiàn)，解決了普通金屬材料在防腐方面的缺陷?？紤]到機(jī)器人的工作移動(dòng)速度不快，選用直流減速電機(jī)。當(dāng)要求速度快時(shí)，就將傳動(dòng)比系數(shù)減小，相反速度要求慢時(shí)，就將傳動(dòng)比系數(shù)增大。另外作用于軸上的徑向力小、結(jié)構(gòu)也較為緊湊；鏈傳動(dòng)的制造和安裝精度要求較低，成本低廉，裝拆比較方便。本文選用后驅(qū)動(dòng) 11 方式，原因是后驅(qū)動(dòng)提高了機(jī)器人對(duì)不同管道內(nèi)的適應(yīng)性。 由此可知，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，其阻力就是機(jī)器人的滾動(dòng)摩擦力。 小鏈輪齒數(shù) 1 min 9zz??。故取 z=25 。[21] 根據(jù)功率及轉(zhuǎn)速，選取 04B 系列的單排鏈。并且，由于中心距小，鏈條在小鏈輪上的包角變小，在包角范圍內(nèi)，每個(gè)輪齒所受的載荷增大，且易出現(xiàn)跳齒和脫鏈的現(xiàn)象；但中心距太大，會(huì)引起從動(dòng)邊垂度過大，傳動(dòng)時(shí)造成松邊頗動(dòng)，使傳動(dòng)不平穩(wěn)。 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)通常分為兩種，即柔性擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和剛性擺動(dòng)機(jī)構(gòu)。在兩個(gè)履帶之間加上彈簧，當(dāng)管道不平整時(shí)，履帶的每一端都可自動(dòng)調(diào)節(jié)。該設(shè)計(jì)通過兩個(gè)端部帶有螺紋的連接軸連接 中間擺動(dòng)機(jī)構(gòu)與履帶體，可實(shí)現(xiàn) 30176。斜角的槽。如下圖 圖 12 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)旋緊螺母在上端時(shí) 當(dāng)旋緊螺母向上移動(dòng)時(shí)，履足之間的夾角變大 。該機(jī)構(gòu)單元由旋緊螺母、彈簧、滑塊組成。 圖 14 自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)局部圖 18 圖 15 自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)整體視圖 19 4 管道機(jī)器人機(jī)械裝置整體性設(shè)計(jì) 由于設(shè)計(jì)時(shí)間有限，所以裝置的具體構(gòu)造尺寸暫時(shí)沒有設(shè)計(jì)，只將關(guān)鍵的部件標(biāo)出。此外，若機(jī) 器人提供的拖纜力不夠拖動(dòng)電纜，在行進(jìn)過程中就會(huì)發(fā)生爬行現(xiàn)象。 作上述假設(shè)后，本設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究機(jī)器人在水平直管道中的拖纜力計(jì)算。如圖 20所示 圖 20 履帶主動(dòng)輪上的受力圖 主動(dòng)輪功率： T e T Z T TP P g F gv??? （ 56） 主動(dòng)輪上牽引力： ZT wa wiF F F?? （ 57） 推進(jìn)力： Z wa R GF F gF??? （ 58） 只在具有足夠大