【正文】 夾角的傾斜截面是橢圓，由于機器人整體結構的對稱性，單節(jié)機身縱向視圖可簡化為橢圓的內接正三角形，于是可以通過計算橢圓內接正三角形的有關參數來設計合理的機器人結構尺寸。曲率半徑是這些管道機器人能通過能力主要的限制 ，在一定的曲率半徑下，太細長或者太粗短的機器人都容易在管道內卡死，使之不能 通過管道。機器人由相同結構的兩節(jié)連接組成，每一節(jié)前后各有 3 組驅動輪，沿圓周方向兩兩間隔 120? 均勻分布。 現選取旋繞比 6c? ，由《機械設計》 得： 4 1 0 .6 1 5 1 .2 541cK cc?? ? ?? （ 51） 根 據 《機械設計》 式 ()得 管道機器人的設計與運動仿真 第 48頁 共 45頁 ? ?2 3 9 2 1 . 2 5 639。然后求出各支承處的水平反力 AHR 和垂直反力 BHR （軸向反力可表示在適當的面上，管道機器人的設計與運動仿真 第 44頁 共 45頁 圖 44d 是表示在垂直面上，圖 44d 是表示在垂直面上，故標以 AVR 和BVR ） (2)做出彎矩圖 根據上述簡圖，分別按水平面和垂直面計算各力產生的彎矩，并按計算結果分別做出水平面上的彎矩HM 圖（圖 44c）和垂直面上的彎矩VM ，圖（圖 44e）；然后按下式計算總彎矩并做出 M 圖 (圖 44f)。應當注意，這樣求出的直徑，只能作為承受扭矩作用的軸段的最小直徑mind 。下面介紹幾種常用的計算方法。多數情況下，軸的 工 作能力主要取決于軸的強度。軸的結構設計是根據軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結構形式和尺寸。 A (mm) d2 (mm) ? 176。 運動速度校核 根據以上所選電機和減速器的性能指針，可知電機的額定轉速 30 00 /d r minn ? ，減速器的傳動比是 12，以及機器人所要求的主動輪半徑 ? ，可以計算出機器人在確定電機和減速器后的最高車速 V 。 時候，系統(tǒng)的阻力最大。從上邊的式子可以看出，彈簧壓緊力 f 只是位移函數，因此該機構具有負反饋作用，在一定的管徑變化范圍內，封閉力之和 N 變化不大。 0T 是電機軸的輸出扭矩。該裝置主要是針對相同管徑或管徑變化范圍不是很大的情況下，當管徑變化范圍較大時，則應使用支腿的整體調整方式。 同步鏈傳動設計 由于設計的機器人具備在一定的管徑變化范圍內行走的能力，在管徑發(fā)生變化的時候，主動輪與管道中心的距離也相應發(fā)生改變，在現有的相關管道機器人傳動方案中，更多的是采 用全齒輪傳動方式，即動力經變換后，通過增加惰輪的方式，將動力傳遞到主動輪，雖然該方案的傳動效率較高，但是結構復雜，對環(huán)境的適應能力較差，可適應管徑變化范圍較小，在本設計中，動力經蝸輪蝸桿裝置變換后，通過傳動比為1： 1 的齒輪傳動，將動力傳遞到各支腿，因為空間尺寸關系，在兩者之間增加一惰輪機構，再應用同步鏈將動力傳送到主動輪 1 和輪 3。 華北科技學院畢業(yè)設計 （論文） 第 15頁 共 45頁 動力變換裝置的設計 圖 21 車輪端面圖 在如 圖 21 所示的 輪式移動結構中，當預緊彈簧施加 基本的預緊力后，剛好使得位于最上側的輪處于與管壁相接觸的臨界狀態(tài)，也就是說上輪與管壁間的接觸壓力剛好為零，所以機器人整體的驅動力絕大部分來自輪 1 和輪 3，而且機器人本體的重心位置位于管道的軸線下方 40mm左右（如 圖 21 所示），增強了機器人的穩(wěn)定性。 合理的傳動方案首先應滿足工作機的性能要求，其次是滿足工作可靠、結構簡單、尺寸緊湊、傳動效率高、使用維護方便、工藝性和經濟性好等要求。如壁面爬行、水下推動等機構。90mm～ 248。根據機器人的作業(yè)環(huán)境特點確定管道機器人的總體結構，并對機器人的行走機構進行合理設計，要求其可靠、高效率完成水平和豎直油煙管道的清洗任務。采用高壓射流清洗，電源 220v，功率 60w。該機器人在清淤時有打滑現象。它將履帶與機體之間的固定擺臂變?yōu)榭蓹M向擺動的擺臂，改變左右擺臂的夾角以適應不同的圓管管徑。行走速度在每分鐘～ 1m 之間，清潔系統(tǒng)主要是安裝在機器人上、可在管道外部控制的清潔動力刷，電纜長 度超過 30m，不易損壞，能夠滿足基 本需要。 圖 17 中央空調風管清掃機器人 目前，日本、美國等發(fā)達國家在管道機器人技術方面做了大量工作，管道機器人的設計與運動仿真 第 8頁 共 45頁 尤其是日本在管道機器人的研究及開發(fā) 領域 中取得了領先的地位。日木吸取法、美等國的研究成果和應用現代技術，開發(fā)了多種形式的管道機器人。在發(fā)現故障點后機器人用一整套工具 (銑刀、鉆頭、切割和清理工具 )完成各道工序。彎道或連續(xù) 180176。OPCR 共有三個驅動輪，每個輪均有兩個微型電機控制，其中一 個電機作為驅動，另一個電機改變輪的角度，這樣在轉彎的情況下機器人可以實現快速轉彎。盡管常規(guī)管道機器人有的己經實用化了，但還存在著很多問題。本人 設計管道清洗機器人是把行星磨頭清洗技術與機器人技術結合起來，進行綜合設計開發(fā)，因此它的深入研究也將推動管道清洗技術的發(fā)展。 現代工農業(yè)及日常生活中使用著大量管道 ，石油、天然氣、化工等領域也應用了大量管道，這些管道大多埋于地下或海底，輸送距離近千里，它們的泄漏會造成嚴重的環(huán)境污染，甚至引起火災，多數管道安裝環(huán)境人們不能直接到達或人們無法直接介入，另外，在一些工廠里有大量的通風管道，在某些餐廳或飯店里裝有大量的油煙管道，這些管道或者架設在空中，或者管道內徑很小，在做質量檢測、故障診斷、清洗時比較困難。本課題的研究主要有以下意義 : 管道機器人的設計與運動仿真 第 2頁 共 45頁 可提高機器人的清洗效率。盡管通過添加化學劑，采用合理的 工藝流程 ，進行水質處理措施可以在一定程度上改善這些情況，但要完全避免污垢的產生是不可能的。作為一種清潔、高效、對環(huán)境無污染的清洗技術，具有可觀的經濟和社會效益。 可改善當前清洗油煙管道工人的工作環(huán)境、降低工人的勞動強度、節(jié)約清洗成本、消除油煙管道清洗的衛(wèi)生死角、提高管道使用壽命、提高油煙管道的清洗效率、減少火災以及可避免化學清洗導致的污染和純機械清洗對管道造成的損傷等。 國內外發(fā)展狀況 目前在管道清洗過程中，清洗設備絕大部分是采用無動力纜繩拖拉行走方式來進行清洗，無法根據管道的內部情況進行清洗參數的動態(tài)調整，管徑的適應能力較差。 美國是機器人的誕生地，早在 1962 年就研制出了世界上第一臺工管道機器人的設計與運動仿真 第 4頁 共 45頁 業(yè)機器人。S 管道機器人 OPCR 由三個部分組成 :頭部、驅動部分、穩(wěn)定性控制部分。用于排水管道疏通的疏通機一般作業(yè)直徑范圍 100mm～ 250mm之間，最大疏通距離一般為 50m。除此以外，為了使機器人能從豎孔中鉆進橫向管道，機器人自身可折彎，因而可在直徑 190mm～ 600mm 的管道中工作。適用于大直徑、淤積不嚴重、管路復雜的排水管道 。 日本推出的“三藏法師”用于清洗、檢測空調通風管道的超小型機器人，如圖 17 所示，是被世界認可的風管清掃系統(tǒng) (具有美國、日本、歐洲多國專利 )，其特長為 : 使用新開發(fā)的多功能超小型機器人，可有效的對各式各樣的風管進行污染診斷和清掃。近幾年來，用于空調管道清洗和檢測的管道機器人如雨后春筍般的出現的市場在上，己初見規(guī)模。同樣，由于其功能中 自動控制能力較強具有自動糾偏自主導航的功能，其尺寸相應較大是其應用范圍的限制因素。 下水道自動清淤機器人 管道機器人的設計與運動仿真 第 10頁 共 45頁 清華大學研制的下水自動清淤機器人適合 248。其主要技術指標如下 :采用長距離行走的自走車，一般能行走 500m；采用小口徑用自走車，能應用于管徑為 248。盡管自驅動管內機器人行走可以采用的輪式、腳式爬行式、蠕動式，履帶式等多種形式，但 本文則是對 輪式 管道機器人的研究 ，可以 設計機構在一定的管徑變化范圍內，具有常封閉特性，增加了載體的穩(wěn)定性和可靠性，機構具有自適應調節(jié)的功能 。 對管道機器人靜力學和運動特性進行研究。對于大口徑的管道機器人，由于其自重較大，如果支撐臂不具備自動定心性能，必定產生偏轉角，其結果使機器人運動阻力增大，出現“ 卡 死 ”現象。傳動系統(tǒng)的質量與成本在整臺機器中占有很大比重。故在本設計中選用步進電機作為機器人本體的驅動動力； 減速器選用行星齒輪減速器。 ，兩蝸輪軸線之間的夾角為 120176。 支腿單獨調整方式 各支腿的單獨調整方式。其具體設計如圖 22 所示是滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式示意圖，其工作原理是：安裝在軸套和絲杠螺母之間的壓力傳感器間接檢測驅動車輪和管道內壁之間的壓力 yF ，并實時將壓力值回饋回監(jiān)控裝置，當壓力 yF 的值小于所允許的最小壓力值 yF’ 時，連桿 AB 的一端和車輪軸鉸接在一起，另一端鉸接在固定支點 A，推桿 CD 與連桿 AB 鉸接在 B 點，另一端鉸接在軸套上 C 點，軸套管道機器人的設計與運動仿真 第 18頁 共 45頁 在圓周方向相對固定，因此滾珠絲杠的轉動將帶動絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來回滑動，從而帶動推桿運動，進而推動連桿 AB 繞支點A 轉動，使車輪撐開或者緊縮以達到適應不同的管徑的目的。與滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式 的主要區(qū)別就在于在壓緊力的調節(jié)方面由調整電機的 主動調整變?yōu)閴壕o彈簧的被動調整。也就是： fF =f {? ?cos 60RG ? ?? ? ?cos 60RG ? ?? （ 213） 式中 ? — 機器人管內作業(yè)姿態(tài)角， RG — 機器人本體重量， kg 。在確定了減速器的類型后，減速器的選擇關鍵在減速比的選擇。i 3 側 材料及熱處理 1．蝸桿材料牌號 45（表面淬火） 3．蝸桿材料硬度 HRC45～ 55 2．蝸桿熱處理 表面淬火 4．蝸桿材料齒面粗糙度 ～ ? ?m? 對渦輪蝸桿精度等級我們都選為 8 級得出： 5 ． 蝸 輪 材 料 牌 號 及 鑄 造 方 法 ZCuSn10P1(砂模 ) 6 ． 蝸 輪 材 料 許 用 接 觸 應 力 ? ? 39。dl (mm) hfl (mm) 239。設計時，必須針對不同情況進行具體的分析。 軸的強度較核計算 進行軸的強度校核計算時，應根據軸的具體受載及應力情況，采取相應的計算方法，并給當地選取其許用應力。對于直徑 d100mm 的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大 3%；有兩個鍵槽時，應增大 7%。通常把軸當作置于鉸鏈支座上的梁，反支力的作用點與軸承的類型和布置方式有關，可按圖 43 確定。其受力圖如圖 51 所示 圖 51 圓柱螺旋壓縮 彈簧受力圖 1．根據條件選擇材料，并確定其許用應力。 (1)彈簧初拉力 0 1 1FF F k ??? （ 52） 初應力 0? ：按 《機械設計》 式 ()得 00 3839。 過彎道能力的幾何量設計 管道對機器人的幾何條件限制 目前大部分管道機器人可以輕松地通過水平直管及在傾斜度為 30176。 單節(jié)機身在管道中的兩種極限姿態(tài)位置 對于圓形截面管道的直角彎頭，機器人最有可能被卡死的位置是在機身中心軸線 GH 與管道中心軸線成 45176。由 2 141AB a mm?? ，得 70a mm? ；由 2 100CD b mm?? ，得 50b mm? 。因為機器人整體所具有的兩節(jié)機身幾何量相同，所以只需要考慮單節(jié)機身的幾個尺寸。機器人所需要的動力及控制電路外置并通過電纜連接到管內機器人。據我們設計要求，可選彈簧圈數為 10 圈。 66bh? ? ? 取 L 為 20 32 1 0 410Hb bK ldT? ?? ??? ? ??? 式中： T — 傳遞的轉矩 K — 鍵與輪轂、鍵槽的接觸高度 3Kh?? l — 鍵的工作長度： 17l L b mm? ? ? ； d — 軸的直徑； p????? — 鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應力， MPa ，見表 43； 表 43 許用應力參數 許用擠壓應力、許用壓力 連接方式 鍵或轂、軸的材料 載荷性質 靜載荷 輕微載荷 沖擊 管道機器人的設計與運動仿真 第 46頁 共 45頁 p????? 靜連接 剛 120～ 150 100～ 120 60～ 90 鑄鐵 70 ～ 80