【正文】 展現(xiàn)狀 [J]機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用 2021 6 :5210 [10]馬榮朝秦 嵐潘英俊微小管道機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性 [J]重慶大學(xué)學(xué)報(bào) 2021,25 7 :26229 [11]馬榮朝潘英俊秦嵐小口徑管道用機(jī)器人行星齒輪式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) [J]農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2021,24 3 :109111。并且在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，不斷對(duì)我得到的結(jié)論進(jìn)行總結(jié)，并提出新的問題，使得我的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題能夠深入地進(jìn)行下去， 也使我接觸到了許多理論和實(shí)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(shè)計(jì)過程中給過我?guī)椭耐M的和其他的同學(xué)，在他們身上也學(xué)到了不少東西，并得到了他們的支持和鼓勵(lì)，希望他們?cè)诮窈蟮墓ぷ鳌W(xué)習(xí)過程中不斷進(jìn)步。 另外，如果沒有專業(yè)課老師的認(rèn)真授課，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)也不可能順利完成，因此對(duì)四年來教授我知識(shí)的各位老師也再次表示衷心感謝。從畢業(yè)設(shè)計(jì)選題到設(shè)計(jì)完成，老師給予了我耐心指導(dǎo)與細(xì)心關(guān)懷，有了老師耐心指導(dǎo)與細(xì)心關(guān)懷我才不會(huì)在設(shè)計(jì)的過程中迷失方向，失去前進(jìn)動(dòng)力。 展望 由于時(shí)間有限，結(jié)合課題完成過程中的體會(huì)，為了對(duì)管道機(jī)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(jī)器人采用有纜方式，為了保證電纜收發(fā)與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)同步，需對(duì)機(jī)器人電纜的收發(fā)裝置展開研究； （ 2）對(duì) 機(jī)器人進(jìn)行剛?cè)崧?lián)合仿真有助于仿真結(jié)果更準(zhǔn)確，更接近實(shí)際； （ 3）加工、裝配、測(cè)試樣機(jī)，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性； （ 4）螺旋機(jī)構(gòu)在岔管的通過性問題研究； （ 5）更加靈活、可靠的行走機(jī)構(gòu)； （ 6）機(jī)器人的可靠性研究。 分析了直進(jìn)輪式微型管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和運(yùn)動(dòng)特征 ,對(duì)其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)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(qū)動(dòng)輪連接機(jī)構(gòu)，預(yù)覽無(wú)誤后單擊“確定”按鈕。 （ 3）單擊【配合】圖標(biāo)，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(yù)覽無(wú)誤后單擊“確認(rèn)”圖標(biāo)按鈕。選擇“裝配圖”，單擊【確定】按鈕。 （ 5）單擊【配合】圖標(biāo)，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(nèi)表面作“同軸心”配合，預(yù)覽無(wú)誤后單擊“確認(rèn)”圖標(biāo)按鈕。單擊【配合】圖標(biāo)，出現(xiàn)配合屬性管理器，選擇橡膠輪的內(nèi)表曲面與鋼輪的外表曲面作“同軸心”配合，預(yù)覽無(wú)誤后單擊“確定”圖標(biāo)按鈕。 圖 彈簧的 實(shí)體模型 主要部位的連接 之間的相互配合 （ 1）啟動(dòng) SolidWorks，進(jìn)入界面后單擊【新建】圖標(biāo)按鈕。在“旋轉(zhuǎn)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(tái) /基體】→【掃描】，彈出【掃描】對(duì)話框。單擊【草圖】→【圓】，繪制一個(gè) 1mm 的圓。用【添加幾何關(guān)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(diǎn)為端點(diǎn)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(zhǔn)面上畫一個(gè)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(zhuǎn)凸臺(tái) /基體”，在打開的旋轉(zhuǎn)屬性管理器中選擇繪制的中心線為旋轉(zhuǎn)基線，旋轉(zhuǎn)角度為 360176。選擇“零件”，單擊【確定】按鈕。終于在 1997 年由法國(guó)達(dá)索公司以三億一千萬(wàn)美元的高 額市值將 SolidWorks 全資并購(gòu)。良好的財(cái)務(wù)狀況和用戶支持使得 SolidWorks每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項(xiàng)的技術(shù)創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽(yù)。機(jī)器人不會(huì)產(chǎn)生擱淺現(xiàn)象。 圖 管道機(jī)器人擱淺示意圖 當(dāng)管道機(jī)器人經(jīng)過的管道曲率半徑大于此時(shí)管道的曲率半徑，機(jī)器人則能順利通過。 ~90176。因此，拉伸彈簧的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵問題，需要選擇合適的參數(shù)，不僅要機(jī)構(gòu)平穩(wěn)行駛，而且要盡量減小整個(gè)行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)阻力，降低對(duì)電機(jī)功率要求。（ 5）軸向限位能力強(qiáng)，將軸（外殼）的兩面軸向移動(dòng)限制在軸承的軸向游隙限度內(nèi)。 選擇 考慮到機(jī)器人使用壽命等問題，我們?cè)谒休S心部位都安 裝有軸承，而深溝球軸承有以下特點(diǎn)：（ 1）主要承受徑向載荷，也可以承受少量的軸向載荷。電機(jī)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(jí)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 由于 3 個(gè)齒輪參數(shù)一樣，而且可以看成是兩級(jí)齒輪裝置，且傳動(dòng)比 i 1，因此設(shè)計(jì)如下： 材料用材料用 35CrMo，調(diào)質(zhì)處理，硬度 237263HBS。蝸桿材料 45，表面淬火到 45~55HRC?？紤]到預(yù)期實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)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(jī)構(gòu)中，傳動(dòng) 比可達(dá)幾百，甚至到 1000。因?yàn)殡姍C(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 1750 r/min，由傳動(dòng)比公式： i 1750/ω，得： i 1750/ 。 2．兩下驅(qū)動(dòng)輪受管壁壓力： G：為機(jī)器人所受重力。驅(qū)動(dòng)輪在純滾動(dòng)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)中心 O6 的力矩滿足 : 311 由式 311 得 : 312 又 且 即： 313 314 移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 該微型管道機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)、蝸輪蝸桿嚙合機(jī)構(gòu)、兩級(jí)齒輪嚙合機(jī)構(gòu)、機(jī)架和拉簧支撐機(jī)構(gòu)等幾部分組成。所以驅(qū)動(dòng)輪與一個(gè)齒輪作為整體的受力分析如圖 37 所示。又因?yàn)槲佪啚樾饼X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(nèi)，故可以忽略。 :電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 未知量 。 f:管壁對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的摩擦力 。 負(fù)載無(wú)波動(dòng) 。 管道機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)的車輪在管道內(nèi)作純滾動(dòng)，而忽略掉零件加工中的誤差而導(dǎo)致的機(jī)構(gòu)其他形式的運(yùn)動(dòng) 。由前面的分析可知，移動(dòng)機(jī)構(gòu)在管道中行走時(shí)，要實(shí)現(xiàn)力封閉及 驅(qū)動(dòng)行走。當(dāng)檢測(cè)不同的管道時(shí)，管道內(nèi)徑可能是在一定范圍內(nèi)變化的，這種變化也會(huì)影響到移動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)載能力的變化。最后綜合 3l 、 32 式，可得到機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)沿管道內(nèi)壁直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的線速度： 33 上面各式中 z 表示桿蝸輪傳動(dòng)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(dòng)比 r6代表車輪半徑 v代表移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度由式可知，當(dāng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)確定后，可以通過改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速來調(diào)整整個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度，一般情況下，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與加在電機(jī)上的電壓成正比，故最終應(yīng)通過調(diào)整 電壓來改變移動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度，移動(dòng)機(jī)構(gòu)的最大移動(dòng)速度亦可得到，當(dāng)電機(jī)輸入電壓達(dá)到最大時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速最大，同時(shí)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度也將達(dá)到最大。 運(yùn)動(dòng)速度的分析 如圖所示，假設(shè)驅(qū)動(dòng)輪和管壁之間是純滾動(dòng)， n n n n n n6 代表電機(jī)軸 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，電機(jī)所帶的減速箱的減速比是 i1。 直進(jìn)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 從上面的分析可知，整個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)是依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪緊緊壓著管壁，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與管壁之間產(chǎn)生純滾動(dòng)，依靠管壁對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的摩擦力作用而實(shí)現(xiàn)行走的，因此，機(jī)器人在管道內(nèi)部的前進(jìn)、后退、啟停、加減速等動(dòng)作只需控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟停和調(diào)整電機(jī)電壓大小來實(shí)現(xiàn)。 形封閉 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的前后兩部分車輪的每一部分中，三個(gè)車輪機(jī)構(gòu)都是沿徑向均勻分布的 沿電機(jī)軸向看如圖 32 所示 。該機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊和較大的負(fù)載能力。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，此處只對(duì)其中一個(gè)車輪機(jī)構(gòu)做詳述分析。從形封閉和力封閉的角度來分析，行走機(jī)構(gòu)至少需要三個(gè)對(duì)稱支撐點(diǎn)，一般為了提高姿態(tài)的穩(wěn)定性，可以采用更多的支 撐點(diǎn)。 通過理論分析與比較，直進(jìn)輪式管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，拖動(dòng)能力大，特別適用于直管內(nèi)拖動(dòng)，是一種理想的管內(nèi)行走機(jī)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(jī)能夠有較大的功率輸出，使行走機(jī)構(gòu)拖動(dòng)力最大 。這樣便產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)沿軸向前進(jìn)或后退。 3 組驅(qū)動(dòng)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng) ,驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng) ,使驅(qū)動(dòng)輪沿管壁作螺旋運(yùn)動(dòng) ,保持機(jī)構(gòu)沿管道中心軸線移動(dòng)。均勻分布的 3 個(gè)蝸輪 ,蝸輪又通過鏈輪和鏈條帶動(dòng)機(jī)器人本體的車輪轉(zhuǎn)動(dòng) ,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體在管道內(nèi)的前進(jìn)或后退。輪式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人行走的基本原理是驅(qū)動(dòng)輪靠彈簧力、液壓、氣動(dòng)力 ,磁性力等壓緊在管道內(nèi)壁上以支承機(jī)器人本體并產(chǎn)生一定的正壓力 ,由驅(qū)動(dòng)輪與管壁之間的附著力產(chǎn)生機(jī)器人前后 行走的驅(qū)動(dòng)力 ,以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)。 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(dòng) ,頭部由于彈簧力的作用向前移動(dòng)。昆明理工大學(xué)利用電磁吸合驅(qū)動(dòng)。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人主要由蠕動(dòng)部分、頭部、尾部組成，如圖 所示。蠕動(dòng)式驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于可適 用管徑及曲率的變化。 4 、基本尺寸的確定，使機(jī)構(gòu)滿足一定的幾何限制條件，如：使機(jī)構(gòu)能越過凸起和凹坑，能夠順利通過彎道而不會(huì)卡住。 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(gè)可行的變徑方案，并對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行可行性分析。加拿大制造的管道爬行機(jī)器人攜帶 CCD 攝像機(jī)，應(yīng)用于熱電廠、核電廠、水電廠、石油化工等管道的檢測(cè)，三足豎管爬行器可以在垂直的管道爬行檢測(cè)，增加二級(jí)三足爬行器，可以由垂直管轉(zhuǎn)彎爬行到水平管道中。 目前，國(guó)內(nèi)研究管道機(jī)器人有代表性的單位有清華大學(xué)特種機(jī)器人研究小組、哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所、上海大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院和精密機(jī)械研究所、上海交通大學(xué)信息檢測(cè)技術(shù)及儀器系、天津大學(xué)機(jī)械工程系、太原理工大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)等?？梢赃M(jìn)行工業(yè)的應(yīng)用和推廣。同時(shí)，還要考慮保證機(jī)器人能夠在彈簧力的作用下不會(huì)因其重力作用而明顯地偏離管道中心。 圖 機(jī)構(gòu)的原理圖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)蝸輪――蝸桿行星驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于前后各 3 個(gè)均布的驅(qū)動(dòng)輪，那么與電機(jī)相聯(lián)的前后每個(gè)蝸桿必須同時(shí)驅(qū)動(dòng) 3 個(gè)蝸輪，由于通過蝸輪及若干個(gè)齒輪傳至驅(qū)動(dòng)輪而且這些齒輪及驅(qū)動(dòng)輪必須能夠繞蝸輪中心回轉(zhuǎn)，這里應(yīng)注意這個(gè)輪系的相互干涉問題由于 3 個(gè)蝸輪同時(shí)與一個(gè)蝸桿嚙合并聯(lián)傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)新穎，傳動(dòng)效率也高。該機(jī)器人具有較大的承載能力，可以在較高的速度下實(shí)現(xiàn)連續(xù)移動(dòng)，由于該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)體部分采用彈性裝置來支撐，所以該機(jī)構(gòu)的管徑適應(yīng)性增大，是一種具有實(shí)用價(jià)值的移動(dòng)機(jī)構(gòu)形式。當(dāng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)行走時(shí)，三個(gè)輪子呈徑向均勻分布，三點(diǎn)確定一個(gè)平面，三點(diǎn)始終在一個(gè)圓柱面上，因此可以實(shí)現(xiàn)自定心，在支撐裝置的作用下，驅(qū)動(dòng)輪被緊緊壓在管道內(nèi)壁上，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。電機(jī)帶動(dòng)蝸桿、蝸輪和三個(gè)齒輪運(yùn)動(dòng)，最后車輪通過作用于管道內(nèi)壁的正壓力而產(chǎn)生的摩擦力使得機(jī)器人沿管道內(nèi)壁直線向前或向后移動(dòng)，成為微型機(jī)器人的主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)體、微電機(jī)系統(tǒng)和支撐體 3 部分，驅(qū)動(dòng)體部分通過連接體將直流伺服電機(jī)與蝸輪蝸桿副連接，驅(qū)動(dòng)輪通過支撐體部分保證在驅(qū)動(dòng)過程中有足夠的摩擦力。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中利用對(duì)稱性，抵消了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中不平衡力偶的干擾，使所有的力集中到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)軸線所在的豎直平面上。 適應(yīng)管道機(jī)器人的特點(diǎn) 機(jī)械自適應(yīng)管道機(jī)器人最大的特點(diǎn)就是具有機(jī)械自適應(yīng)能力，利用機(jī)械方法，解決了直進(jìn)輪式管道機(jī)器人遇到彎管或不規(guī)則管時(shí)發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉的問題；同時(shí)，系統(tǒng)中采用圓周三點(diǎn)、前后兩排輪的支撐和驅(qū)動(dòng)方式，大大提高了管道機(jī)器人的負(fù)載能力與越障能力。該機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由控制單元、行走單元、中央差速單元及預(yù)緊變徑單元組成。針對(duì)這個(gè)問題，人們提出多電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，利用傳感器采集管道參數(shù)，由控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和計(jì)算，再 分別驅(qū)動(dòng)多個(gè)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人對(duì)管道環(huán)境的適應(yīng)。這種管道機(jī)器人能在管道中自主行走 ,可以準(zhǔn)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(dá)操作位置。 從 20 世紀(jì) 5 0 年代起 ,為滿足長(zhǎng)距離管道運(yùn)輸、檢測(cè)的需要 ,美、英、法等國(guó)相繼展開了管道機(jī)器人的研究 ,其最初成果就是一種無(wú)動(dòng)力的管內(nèi)檢測(cè)設(shè)備 ,一般譯名稱“管道豬” Pipe Pig [4]。輪式驅(qū)動(dòng)因在直管中具有效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)而成為管道機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)方式。該檢測(cè)機(jī)器人基于直進(jìn)輪式驅(qū)動(dòng)原理，采用可調(diào)整三輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)一定管徑的變化。 最近 20 年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行了較為深入和廣泛的研究，設(shè)計(jì)出多種移動(dòng)裝置。 管道機(jī)器人是一種可在管道內(nèi)、外行走的機(jī)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(jī)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(yuǎn)距離控制下進(jìn)行一系列的管道檢測(cè)維修作業(yè)。 我國(guó)海底管道鋪設(shè)時(shí)間普遍較長(zhǎng)，有 40 年之久 ,石油管道長(zhǎng)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(qiáng)度變低，出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致石油泄漏等故障 ,存在重大安全生產(chǎn)隱患。本次設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)一個(gè)直徑輪式驅(qū)動(dòng)裝置，要求此驅(qū)動(dòng)裝置簡(jiǎn)便，拖動(dòng)效率高且適應(yīng)性 好。該機(jī)器人具有