【正文】 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(yù)壓力。該機(jī)器人由撐腳機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)構(gòu)成。當(dāng)電機(jī)（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(jī)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(jī)器人前進(jìn)。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(jìn)；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(jìn)。由簧片組3與左右支架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(cè)面貼和，另一端與螺釘5 的端面貼和。上海大學(xué)利用石油管道的石油高壓研制成在役石油管道檢測機(jī)器人如圖16，該型機(jī)器人分成多節(jié)，利用與管道密封的橡膠環(huán)（皮碗），相當(dāng)于活塞，在輸油管內(nèi)壓力油作用下，推動檢測機(jī)器人向前行走。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。通過計算計遠(yuǎn)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。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)。另外，增加了支撐輪設(shè)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(yīng)復(fù)雜的管道環(huán)境。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。具體設(shè)計內(nèi)容為：（1）了解螺旋輪式管道機(jī)器人的基本構(gòu)成及工作原理，熟悉其設(shè)計、生產(chǎn)的基本知識。 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(jìn)行可行性分析。鋁合金比純鋁具有更好的物理力學(xué)性能：易加工、耐久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富。利用鋁合金陽極氧化處理后可以進(jìn)行著色的特點，制成各種裝飾品。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(qiáng)，但是在在別的方向上的受力就會很差。 此外，鋁合金的加工工藝多種多樣。(5)基本尺寸的確定，使機(jī)構(gòu)滿足一定的幾何限制條件。當(dāng)機(jī)器人在直管內(nèi)行走時，本體上的電動機(jī)M1通過減速裝置帶動本體上的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，使機(jī)器人沿直管行走。輪式管內(nèi)移動機(jī)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(jī)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(jī)器人前后行走的驅(qū)動力,以實現(xiàn)機(jī)器人的移動。均勻分布的3個蝸輪,蝸輪又通過鏈輪和鏈條帶動機(jī)器人本體的車輪轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)機(jī)器人本體在管道內(nèi)的前進(jìn)或后退。走效率高，能以一定的速度平穩(wěn)地運動。蠕動式驅(qū)動的優(yōu)點在于可適用管徑及曲率的變化。蠕動式管道機(jī)器人主要由蠕動部分、頭部、尾部組成，如圖22所示。下面以電磁驅(qū)動的蠕動式管道機(jī)器人為例，分析蠕動式管道機(jī)器人的運動機(jī)理。圖22蠕動機(jī)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。常見的輪式驅(qū)動機(jī)構(gòu)有直進(jìn)輪式驅(qū)動和螺旋輪式推進(jìn)兩種方式。 螺旋輪式管道機(jī)器人的運動機(jī)理 機(jī)構(gòu)的原理如圖23，螺旋機(jī)構(gòu)由驅(qū)動電機(jī)Μ1(Μ2) ,旋轉(zhuǎn)體 1（2）和支撐體1（2）組成。電機(jī)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(jié)接頭與無損檢測傳感器相聯(lián)結(jié)。對稱機(jī)構(gòu)，雙電機(jī)安裝方式可以使機(jī)器人前進(jìn)速度快，驅(qū)動力大； 控制方便； 機(jī)構(gòu)的管內(nèi)穩(wěn)定性好。由于彈簧機(jī)械性能及參數(shù)變化該機(jī)構(gòu)設(shè)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。3 管道機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計 旋轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖31旋轉(zhuǎn)輪零件圖旋轉(zhuǎn)輪盤選擇兩盤相扣結(jié)構(gòu)，使機(jī)構(gòu)更加靈活。該機(jī)器人的供電方式為拖纜供電，隨著機(jī)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(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)有一定的帶載能力。因此有必要將機(jī)構(gòu)的負(fù)載能力，或說軸向輸出牽引力，作為一個重要的指標(biāo)來分析。機(jī)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(fù)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(fù)載能力來平衡機(jī)械本體的負(fù)載。 圖32力學(xué)分析原理分析可知，整個移動機(jī)構(gòu)是依靠電機(jī)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(jī)器人在管道內(nèi)部的前進(jìn)、后退、啟停、加減速等動作只需控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟停和調(diào)整電機(jī)電壓大小來實現(xiàn)。本設(shè)計任務(wù)中對移動機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)。大體估計總質(zhì)量為2kg。 電機(jī)連接軸的設(shè)計 圖36電機(jī)連接軸表33電機(jī)選擇參數(shù)電壓空載負(fù)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1:00mm約rpm/minArpm/minAWAg12464371381011925029023248131101925015412358161222589778181302225866539822124263516110825124263322612830190242632218148351268171415838126824轉(zhuǎn)速電流轉(zhuǎn)速電流扭矩功率扭矩電流928724412102192505804646121521019250308246912202222582016211255227026．5275表31 選擇電機(jī)參數(shù)電壓24V轉(zhuǎn)速16r/min功率12w電流減速比27體長額定力矩21Nm重量275g采用鍵連接，使結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定。 　　（2）普通平鍵的兩側(cè)面與軸鍵槽的配合一般有間隙。 （4）半圓鍵的半徑應(yīng)稍小于軸槽半徑，其他要求與一般平鍵相同。鍵的長度還須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長度系列。因此，拉伸彈簧的設(shè)計是一個關(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行走機(jī)構(gòu)的運動阻力，降低對電機(jī)功率要求。由于所需轉(zhuǎn)矩很小，一般直流電機(jī)即可滿足。反之，當(dāng)機(jī)器人通過的管道曲率半徑小于此時管道的曲率半徑時，機(jī)器人肯定被卡住。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(shè)計時必須考慮周全，且當(dāng)參數(shù)確定時，相對細(xì)長 或短粗的機(jī)器人都會發(fā)生卡死現(xiàn)象。5 監(jiān)視控制系統(tǒng) 探測頭的選擇（1）目前，市場上的主流攝像頭使用的感光元件主要有CCD和CMOS兩種。通過對工作環(huán)境、圖像要求以及經(jīng)濟(jì)性的綜合考慮，決定采用GS388彩色數(shù)碼攝像機(jī)，由于管道內(nèi)光線較暗，所以另外安裝燈光照明系統(tǒng)。動態(tài)超聲波檢測法就是旋轉(zhuǎn)體帶著若干超聲波測厚探頭在管道內(nèi)隨檢測機(jī)器人前進(jìn)作旋轉(zhuǎn)探測。圖51超聲傳感器發(fā)射電器圖52超聲傳感器接受回路其中，STX為超聲發(fā)送傳感器，SRX為超聲接收傳感器超聲發(fā)送傳感器的振蕩頻率由R1C1確定，C2為濾波裝置。 控制程序上位機(jī)采用Visual c++，主要完成通信端口的初始化、控制字的輸出、機(jī)器人運行速度以及運行狀態(tài)等的反饋和顯示。采MOS門驅(qū)動器IR2110 和TMOS 管IRF540 構(gòu)成H橋式電路， 可實現(xiàn)系統(tǒng)PWM 信號的放大，完成機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)的控制要求。系統(tǒng)中，計數(shù)器 8253 輸出的脈寬信號，經(jīng)過光電隔離后分為兩路，將其中一路反相，與原信號分別作為IR2110 的高端輸入和低端輸入。圖54 H橋式驅(qū)動電路圖55系統(tǒng)信號波形圖 機(jī)器人與主控計算機(jī)的通訊 ( The munication between the robot and master puter)管道機(jī)器人的設(shè)計行走距離為150m，需要進(jìn)行長距離通信。采用Mo to rola公司的傳輸線驅(qū)動器MC3487和接收器MC3486，實現(xiàn)RS422與89C51之間的電平轉(zhuǎn)換( 圖543) 。長輸管道的“管道豬”檢測技術(shù)相對其他油氣管道機(jī)器人發(fā)展得比較成熟，但其智能化、模塊化和管道適應(yīng)性不夠。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，在未來幾年內(nèi)油氣管道機(jī)器人將在如下幾個方面取得進(jìn)展并獲得應(yīng)用：( 1) 大口徑長輸管道用的“管道豬”將提高智能化水平，可適應(yīng)性將會進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。( 4) 油田內(nèi)部的各種管道檢測與維修，石化企業(yè)中不同類型的管道檢測與維修，要求管道機(jī)器人不斷提高其適應(yīng)性，各種適應(yīng)不同功能要求的管道檢測機(jī)器人與維修操作機(jī)器人將受到企業(yè)和研究單位的重視，并將獲得發(fā)展。在做論文的過程中，很多很久以前學(xué)過的知識重新拾起，用于實踐，并且多方的查資料去了解去熟悉，經(jīng)過幾種方案的比對，更新或者改進(jìn)，拿出最優(yōu)方案，這個過程重復(fù)鍛煉了自己分析問題和解決問題的能力，知道設(shè)計的總體過程，培養(yǎng)了自學(xué)和獨立思考的能力。致 謝本論文的完成是在河南工程學(xué)院機(jī)械工程系的王新莉老師和孟凱老師的精心指導(dǎo)下完成的。3 ,Bardoli no Italy ， March 13~15 ，2003.[24] . 北京:高等教育出版社，2008.[25] 于殿勇，鄭鋼鐵，1994 ，16(5): 303 ~306.[26] SegonRoh ，Hyouk Ryeol Cho. Differential Drive In Pipe Robot for Moving Insi de Urban Gas Pipe lines .IEEE Transactions On Robotics ，2005.[27] 徐小云，顏國正，2003 ，37. [28] 錢晉武，章亞男， 1999，7 (4): 54 ~58.[29] 李元宗，史貴柱，1998，20 (5): 356 ~361.[30] 宋章軍，陳懇， 2006，28(6) : 636 ~643.[31] 許馮平，,2004 , 26 (2): 155 ~ 160.