【正文】 展現(xiàn)狀 [J]機器人技術與應用 2021 6 :5210 [10]馬榮朝秦 嵐潘英俊微小管道機器人移動機構運動學與動力學特性 [J]重慶大學學報 2021,25 7 :26229 [11]馬榮朝潘英俊秦嵐小口徑管道用機器人行星齒輪式行走機構設計 [J]農業(yè)機械學報 2021,24 3 :109111。并且在整個畢業(yè)設計過程中，不斷對我得到的結論進行總結，并提出新的問題，使得我的畢業(yè)設計課題能夠深入地進行下去， 也使我接觸到了許多理論和實際上的新問題，使我做了許多有益的思考。 最后感謝在畢業(yè)設計過程中給過我?guī)椭耐M的和其他的同學，在他們身上也學到了不少東西，并得到了他們的支持和鼓勵，希望他們在今后的工作、學習過程中不斷進步。 另外，如果沒有專業(yè)課老師的認真授課，我的畢業(yè)設計也不可能順利完成，因此對四年來教授我知識的各位老師也再次表示衷心感謝。從畢業(yè)設計選題到設計完成，老師給予了我耐心指導與細心關懷，有了老師耐心指導與細心關懷我才不會在設計的過程中迷失方向，失去前進動力。 展望 由于時間有限，結合課題完成過程中的體會，為了對管道機器人有更加全面的了解，今后需繼續(xù)開展研究的工作有： （ 1）由于機器人采用有纜方式，為了保證電纜收發(fā)與機器人的運動同步，需對機器人電纜的收發(fā)裝置展開研究； （ 2）對 機器人進行剛柔聯(lián)合仿真有助于仿真結果更準確，更接近實際； （ 3）加工、裝配、測試樣機，進一步驗證設計的可行性； （ 4）螺旋機構在岔管的通過性問題研究； （ 5）更加靈活、可靠的行走機構； （ 6）機器人的可靠性研究。 分析了直進輪式微型管道機器人的運動機理和運動特征 ,對其機構設計進行了分析和介紹。陣列數(shù)為 3，在“要陣列的零部件”中選擇驅動輪連接機構，預覽無誤后單擊“確定”按鈕。 （ 3）單擊【配合】圖標，出現(xiàn)配合屬性管理器，選擇齒輪連接輪上的齒輪外表面與蝸輪 外表面作“相切”配合，預覽無誤后單擊“確認”圖標按鈕。選擇“裝配圖”，單擊【確定】按鈕。 （ 5）單擊【配合】圖標，出現(xiàn)配合屬性管理器，選擇銷子的外表面圓柱體與齒輪連接輪中心孔的內表面作“同軸心”配合，預覽無誤后單擊“確認”圖標按鈕。單擊【配合】圖標，出現(xiàn)配合屬性管理器，選擇橡膠輪的內表曲面與鋼輪的外表曲面作“同軸心”配合，預覽無誤后單擊“確定”圖標按鈕。 圖 彈簧的 實體模型 主要部位的連接 之間的相互配合 （ 1）啟動 SolidWorks，進入界面后單擊【新建】圖標按鈕。在“旋轉軸”文本框中單擊，文本框變紅色，在繪圖區(qū)選擇角度尺寸為 90176。執(zhí)行執(zhí)行菜單命令【插入】→【凸臺 /基體】→【掃描】，彈出【掃描】對話框。單擊【草圖】→【圓】，繪制一個 1mm 的圓。用【添加幾何關系】工具分別添加螺旋線和樣條曲線，以及圓弧和樣條曲線的相切約束。 （ 3）單擊【中心線】按鈕，以原點為端點繪制兩條垂直的中心線，單 擊豎直中心線，在屬性中將豎直去掉。選擇“零件”，單擊【確定】按鈕。在新建立的基準面上畫一個φ 5mm 的圓，利用【智能尺寸】按鈕確定圓心與小圓柱體端面的距離為 10mm。 圖 蝸輪的草圖繪制 （ 3）單擊“特征” →“旋轉凸臺 /基體”，在打開的旋轉屬性管理器中選擇繪制的中心線為旋轉基線，旋轉角度為 360176。選擇“零件”，單擊【確定】按鈕。終于在 1997 年由法國達索公司以三億一千萬美元的高 額市值將 SolidWorks 全資并購。良好的財務狀況和用戶支持使得 SolidWorks每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項的技術創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽。機器人不會產生擱淺現(xiàn)象。 圖 管道機器人擱淺示意圖 當管道機器人經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。 ~90176。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。（ 5）軸向限位能力強，將軸（外殼）的兩面軸向移動限制在軸承的軸向游隙限度內。 選擇 考慮到機器人使用壽命等問題，我們在所有軸心部位都安 裝有軸承，而深溝球軸承有以下特點：（ 1）主要承受徑向載荷，也可以承受少量的軸向載荷。電機與蝸桿通過一聯(lián)軸件相連。 確定中心距 a： a d1+d2 /2 50+50 /2 50mm。 兩級齒輪傳動的設計 由于 3 個齒輪參數(shù)一樣，而且可以看成是兩級齒輪裝置，且傳動比 i 1，因此設計如下： 材料用材料用 35CrMo，調質處理，硬度 237263HBS。蝸桿材料 45，表面淬火到 45~55HRC?？紤]到預期實現(xiàn)的傳動比 i 82，Z1 與 Z2 最好避免有公因數(shù)，所以選擇蝸桿頭數(shù) Z1 1，蝸輪齒數(shù) Z2 82，變位系數(shù) X2 0。 蝸輪蝸桿的主要參數(shù) 模數(shù) m 1，壓力角α 20176。用于分度機構中，傳動 比可達幾百，甚至到 1000。因為電機的額定轉速為 1750 r/min，由傳動比公式： i 1750/ω，得： i 1750/ 。 2．兩下驅動輪受管壁壓力： G：為機器人所受重力。驅動輪在純滾動勻速運動時對中心 O6 的力矩滿足 : 311 由式 311 得 : 312 又 且 即： 313 314 移動機構設計 該微型管道機器人的移動機構包括直流電機、蝸輪蝸桿嚙合機構、兩級齒輪嚙合機構、機架和拉簧支撐機構等幾部分組成。所以驅動輪與一個齒輪作為整體的受力分析如圖 37 所示。又因為蝸輪為斜齒輪，其軸向力不在所研究的摩擦力 f 及正壓力 N 所在的平面內，故可以忽略。 :電機輸出轉矩 未知量 。 f:管壁對驅動輪的摩擦力 。 負載無波動 。 管道機器人的移動機構的車輪在管道內作純滾動，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 。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 驅動行走。當檢測不同的管道時，管道內徑可能是在一定范圍內變化的，這種變化也會影響到移動機構負載能力的變化。最后綜合 3l 、 32 式，可得到機器人移動機構沿管道內壁直線運動時的線速度： 33 上面各式中 z 表示桿蝸輪傳動減速比 z z2 分別表示蝸桿、蝸輪的齒數(shù) ii2分別代表減速箱和蝸桿蝸輪的傳動比 r6代表車輪半徑 v代表移動機構的移動速度由式可知，當機構的參數(shù)確定后，可以通過改變電機的輸出轉速來調整整個移動機構的移動速度，一般情況下，電機的輸出轉速與加在電機上的電壓成正比，故最終應通過調整 電壓來改變移動機構的速度，移動機構的最大移動速度亦可得到，當電機輸入電壓達到最大時，電機的輸出轉速最大，同時移動機構的移動速度也將達到最大。 運動速度的分析 如圖所示，假設驅動輪和管壁之間是純滾動， n n n n n n6 代表電機軸 轉速、蝸桿軸、蝸輪、與蝸輪固定連接在同一軸的齒輪、中間齒輪、末端齒輪、車輪的轉速，電機所帶的減速箱的減速比是 i1。 直進輪式移動機構的運動分析 從上面的分析可知，整個移動機構是依靠電機驅動，驅動輪緊緊壓著管壁，驅動輪轉動時與管壁之間產生純滾動，依靠管壁對驅動輪的摩擦力作用而實現(xiàn)行走的，因此，機器人在管道內部的前進、后退、啟停、加減速等動作只需控制電機的正反轉、啟停和調整電機電壓大小來實現(xiàn)。 形封閉 移動機構的前后兩部分車輪的每一部分中，三個車輪機構都是沿徑向均勻分布的 沿電機軸向看如圖 32 所示 。該機器人的移動機構具有結構緊湊和較大的負載能力。由于結構對稱，此處只對其中一個車輪機構做詳述分析。從形封閉和力封閉的角度來分析，行走機構至少需要三個對稱支撐點，一般為了提高姿態(tài)的穩(wěn)定性，可以采用更多的支 撐點。 通過理論分析與比較，直進輪式管內行走機構結構緊湊，拖動能力大，特別適用于直管內拖動，是一種理想的管內行走機器人載體。 （ 3）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 。這樣便產生驅動力驅動管內行走機構沿軸向前進或后退。 3 組驅動輪均勻分布于旋轉體上 ,且與管壁呈一定的傾斜角θ .隨著電機的轉動 ,驅動電機帶動旋轉體轉動 ,使驅動輪沿管壁作螺旋運動 ,保持機構沿管道中心軸線移動。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動 ,實現(xiàn)機器人本體在管道內的前進或后退。輪式管內移動機器人行走的基本原理是驅動輪靠彈簧力、液壓、氣動力 ,磁性力等壓緊在管道內壁上以支承機器人本體并產生一定的正壓力 ,由驅動輪與管壁之間的附著力產生機器人前后 行走的驅動力 ,以實現(xiàn)機器人的移動。 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。昆明理工大學利用電磁吸合驅動。蠕動式管道機器人主要由蠕動部分、頭部、尾部組成，如圖 所示。蠕動式驅動的優(yōu)點在于可適 用管徑及曲率的變化。 4 、基本尺寸的確定，使機構滿足一定的幾何限制條件，如：使機構能越過凸起和凹坑，能夠順利通過彎道而不會卡住。 論文的主要內容 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。加拿大制造的管道爬行機器人攜帶 CCD 攝像機，應用于熱電廠、核電廠、水電廠、石油化工等管道的檢測，三足豎管爬行器可以在垂直的管道爬行檢測，增加二級三足爬行器，可以由垂直管轉彎爬行到水平管道中。 目前，國內研究管道機器人有代表性的單位有清華大學特種機器人研究小組、哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所、上海大學機械電子工程學院和精密機械研究所、上海交通大學信息檢測技術及儀器系、天津大學機械工程系、太原理工大學和國防科技大學等。可以進行工業(yè)的應用和推廣。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。 圖 機構的原理圖機構設計的要點蝸輪――蝸桿行星驅動系統(tǒng)由于前后各 3 個均布的驅動輪，那么與電機相聯(lián)的前后每個蝸桿必須同時驅動 3 個蝸輪，由于通過蝸輪及若干個齒輪傳至驅動輪而且這些齒輪及驅動輪必須能夠繞蝸輪中心回轉，這里應注意這個輪系的相互干涉問題由于 3 個蝸輪同時與一個蝸桿嚙合并聯(lián)傳動，結構新穎，傳動效率也高。該機器人具有較大的承載能力，可以在較高的速度下實現(xiàn)連續(xù)移動，由于該機構的驅動體部分采用彈性裝置來支撐，所以該機構的管徑適應性增大，是一種具有實用價值的移動機構形式。當移動機構行走時，三個輪子呈徑向均勻分布，三點確定一個平面，三點始終在一個圓柱面上，因此可以實現(xiàn)自定心，在支撐裝置的作用下，驅動輪被緊緊壓在管道內壁上，具有較強的適應性。電機帶動蝸桿、蝸輪和三個齒輪運動，最后車輪通過作用于管道內壁的正壓力而產生的摩擦力使得機器人沿管道內壁直線向前或向后移動，成為微型機器人的主驅動系統(tǒng)。機器人移動機構包括驅動體、微電機系統(tǒng)和支撐體 3 部分，驅動體部分通過連接體將直流伺服電機與蝸輪蝸桿副連接，驅動輪通過支撐體部分保證在驅動過程中有足夠的摩擦力。機構設計中利用對稱性，抵消了機器人在運動過程中不平衡力偶的干擾，使所有的力集中到電機運轉軸線所在的豎直平面上。 適應管道機器人的特點 機械自適應管道機器人最大的特點就是具有機械自適應能力，利用機械方法，解決了直進輪式管道機器人遇到彎管或不規(guī)則管時發(fā)生運動干涉的問題；同時，系統(tǒng)中采用圓周三點、前后兩排輪的支撐和驅動方式，大大提高了管道機器人的負載能力與越障能力。該機器人驅動系統(tǒng)由控制單元、行走單元、中央差速單元及預緊變徑單元組成。針對這個問題，人們提出多電機獨立驅動，利用傳感器采集管道參數(shù)，由控制系統(tǒng)進行分析和計算，再 分別驅動多個電機來實現(xiàn)管道機器人對管道環(huán)境的適應。這種管道機器人能在管道中自主行走 ,可以準確接近管道的故障截面 ,獲得故障狀況的可靠信息 ,精確到達操作位置。 從 20 世紀 5 0 年代起 ,為滿足長距離管道運輸、檢測的需要 ,美、英、法等國相繼展開了管道機器人的研究 ,其最初成果就是一種無動力的管內檢測設備 ,一般譯名稱“管道豬” Pipe Pig [4]。輪式驅動因在直管中具有效率高、運動平穩(wěn)等特點而成為管道機器人的主要驅動方式。該檢測機器人基于直進輪式驅動原理，采用可調整三輪驅動結構，以適應一定管徑的變化。 最近 20 年來，國內外對管道機器人驅動裝置進行了較為深入和廣泛的研究，設計出多種移動裝置。 管道機器人是一種可在管道內、外行走的機電一體化裝置 ,它可以攜帶 1 種或多種傳感器及操作裝置 如 CCD 攝像機位置和姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器、管道清理裝置、管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置等操作裝置 ,在操作人員的遠距離控制下進行一系列的管道檢測維修作業(yè)。 我國海底管道鋪設時間普遍較長，有 40 年之久 ,石油管道長期處于壓力大、溫度高的惡劣環(huán)境中，不僅受到水、油混合物的浸蝕，而且還受到硫化氫等有害氣體的腐蝕 ,部分管段管壁變薄，強度變低，出現(xiàn)裂縫導致石油泄漏等故障 ,存在重大安全生產隱患。本次設計重點在于設計一個直徑輪式驅動裝置，要求此驅動裝置簡便，拖動效率高且適應性 好。該機器人具有