【正文】 在此表示誠摯的感謝和由衷的敬意。 該移動機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊 ,驅(qū)動效率高 ,安裝方便 ,工作可靠 ,成本較低的特點。參數(shù)中，選擇基準軸為“基準軸 電機”，旋轉(zhuǎn)角度為 360176。 圖 驅(qū)動輪之間的相互配合 驅(qū)動輪與蝸輪之間的連接 （ 1）啟動 SolidWorks，進入界面后單擊【新建】圖標按鈕。重復(fù)上述步驟，依次打開“鋼輪”、“齒輪連接桿”、“惰輪”、“齒輪連接輪”、“銷”。單擊【特征】→【圓周陣列】圖標，彈出“圓周陣列”屬性管理器。選擇“上視基準面”做誒草圖繪制平面。預(yù)覽無誤后單擊【確認】按鈕。 （ 5）單擊“插入” →“參考幾何體” →“基準面”，在打開的屬性管理器中選擇平面為前視基準面，在“點和平行面”下選擇偏移距離為 10mm，預(yù)覽無誤后單擊【確定】按鈕。 關(guān)鍵零部件的實體建模過程 其連接件的建模 （ 1）啟動 SolidWorks，進入界面后單擊【新建】圖標按鈕。 SolidWorks 軟件是世界上第一個基于 Windows 開發(fā)的三維 CAD 系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合 CAD 技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢， SolidWorks 公司于兩年間成為CAD/CAM 產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。設(shè)機器人處于剛好被擱淺的狀況如圖 所示。該軸承的相關(guān)參數(shù)如下： D（外徑） 13mm d（內(nèi)徑 ） 5 mm B（寬度） 4 mm M（質(zhì)量） 基本額定靜載荷 Cr 基本額定動載荷 C0r 極限轉(zhuǎn)速： 34000（ ）（脂潤滑） 43000（ ）（油潤滑） 螺栓選用 M3 簧的設(shè)計 拉伸彈簧是直進輪式管道機器人的關(guān)鍵部件，如果拉伸彈簧的拉力不夠，不能保證每組齒輪搖臂機構(gòu)都能被拉開使車輪擠壓在石油管道內(nèi)壁，這樣不能保證機器人能夠平穩(wěn)行駛；如果拉伸彈簧的拉力太大，雖能保證機構(gòu)都能被拉開并擠壓在石油管道內(nèi)壁，但擠壓在石油管道內(nèi) 壁的壓力過大，使得直進輪式管道機器人運動阻力過大，這對電機要求也會相應(yīng)提高。為了使整個機器人有較小的重量將連接從動輪的臂做成桿形的連接架。選齒頂高系數(shù)：。 材料選擇：考慮到傳遞的功率不大，轉(zhuǎn)速較低，選用 ZA 蝸桿傳動，精度 7C GB/T100891988。 蝸輪蝸桿的傳動設(shè)計 以下設(shè)計計算均沿用《機械設(shè)計手冊》計算模式。初選車輪直徑 d 105 mm，則此時車輪轉(zhuǎn)速度為： nw 60v/ π d 。 圖 驅(qū)動輪受力圖 因為該移動機構(gòu)作勻速運動，三個圓柱齒輪的參數(shù)都一樣大，根據(jù)假設(shè)條件，可以得出 Pn56 Pn43， Pr56 Pr43。 圖 蝸輪受力圖 蝸輪受力分析 因為蝸輪與一個齒輪固定在同一個軸上，所以把該齒輪和蝸輪當(dāng)成一 個整體分析其受力情況。 V:移動機構(gòu)的運動速度 。下面是一些假設(shè)條件 : 移動機構(gòu)是在直管中運動，忽略管道的內(nèi)徑的不均勻性 。該機器人的供電方式為拖纜供電，隨著機器人在管道內(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，所以要求機器人的移動機構(gòu)有一定的帶載能力。由上一節(jié)的分析可知，在所設(shè)計的雙電機驅(qū)動直進式移動機構(gòu)中，電機殼體與機架固連，電機座的反力在電機內(nèi)部被平衡掉，驅(qū)動輪僅受平面力系的作用，只能作沿軸線方向的運動而不會產(chǎn)生沿管道軸心線的轉(zhuǎn)動，即整個移動機構(gòu)是一個單自由度移動機構(gòu)。該移動機構(gòu)滿足管道內(nèi)行走的 基本條件。 直進輪式移動機構(gòu)分析 輪式 移動機構(gòu)的原理 該微型管道機器人采用了有纜驅(qū)動的驅(qū)動方式，其運動機理由車輪沿徑向呈三等分均布，它們分別在拉簧的作用下被支撐在管道的內(nèi)壁上。當(dāng)機器人放入管內(nèi)后，彈簧力的大小仍可由外面的軸桿來調(diào)節(jié)。 直進輪式管內(nèi)機器人的運動機理 機構(gòu)的原理 如圖所示，輪 l 在機構(gòu)的前后 3 等份均布，分別在彈簧 2 的拉力作用下使之壓在管內(nèi)壁上，電機 3 通過蝸桿 4 與蝸輪 5 等輪系驅(qū)動前后 6 個輪向同一方向轉(zhuǎn)動，彈簧封閉力的大小可以通過齒輪 6 至 7 及對稱 3 等份均布的 3 個齒輪 8 來調(diào)螺紋的伸出及縮小來調(diào)整。驅(qū)動電機通過軸驅(qū)動與之相連接的蝸桿 ,蝸桿驅(qū)動沿圓周方向成 120176。 2 當(dāng)電磁鐵通電時 ,磁鐵與線圈吸合 ,安裝在頭部上的超越單向行走方式使頭部原位不動 ,尾部由于電磁吸力的作用向前移動 。 1988 年 ,Ikuta 等引用蚯蚓運動的原理開發(fā)出了蠕動機器人 ,后來隨著蠕動機器人技術(shù)的不斷完善 ,其開始向大型化發(fā)展 ,目前已可在 200~300 mm 的管道內(nèi)應(yīng)用。 3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析：根據(jù)管道檢測機器人在石油管道中的工作情況，如在 5mm高的凸起、凹坑處以及在拐彎半徑為 R933mm 的彎道處，對設(shè)計出來的機械裝置進行受力分析，優(yōu)化部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而使超聲檢測裝置既能正常工作，又能不大幅度增加對爬行 器的負載。法國 HYTEC 公司設(shè)計生產(chǎn)的核工業(yè)用管道檢測機器人具有抗高溫、抗腐蝕、抗輻射的優(yōu)良性能，最小可在Φ 20mm 的管道內(nèi)進行檢測與維修。 實驗分析通過實驗和理論分析，該種形式管內(nèi)行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，拖動能力大，特別適用于直管內(nèi)拖動，是一種理想的管內(nèi)行走機器人載體。這樣便產(chǎn)生驅(qū)動力驅(qū)動管內(nèi)行走機構(gòu)沿軸向前進或后退。移動機構(gòu)的前后兩組支撐中，三個車輪都是沿徑向均勻分布的，而前后兩部分都是沿軸向?qū)ΨQ的，支撐點共六個，因此滿足形封閉條件。該機器人系統(tǒng)由直進輪式移動機構(gòu)、 CCD 攝像頭和監(jiān)視器組成。 3 預(yù)緊變徑單元中裝有壓力傳感器，控制單元通過該傳感器測量預(yù)緊力，當(dāng)預(yù)緊力超過系統(tǒng)設(shè)定值時，控制離合器改變動力傳遞方向至預(yù)緊變徑單元，調(diào)節(jié)預(yù)緊力大小直至滿足系統(tǒng)設(shè)定要求。 [3]由于這種驅(qū)動方法是剛性傳動，使機器人在通過不規(guī)則管道時發(fā)生運動干涉，導(dǎo)致機器人工作效率下降，加速磨損，降低使用壽命。 [3]下面介紹一下幾種國內(nèi)外的發(fā)明與探索。 本人在分析現(xiàn)有管道檢測機器人的基礎(chǔ)上，進行了管道檢測機器人驅(qū)動機構(gòu)的研究。由此產(chǎn)生了管道機器人并且受到了國際各方面的廣泛關(guān)注。 Flexible device 目 錄 摘要 I Abstract II 1 緒論 1 本課題的研究目的和意義 1 國內(nèi)外管道機器人的發(fā)展狀況 2 國內(nèi)外管道機器人的發(fā)展趨勢 8 論文的研究內(nèi)容 10 2 管道機器人總體方案設(shè)計 11 實現(xiàn)管內(nèi)行走的幾種典型機構(gòu) 11 式 11 12 式 13 直進輪式全主動管 內(nèi)機器人的運動機理 17 3 管道機器人的移動機構(gòu)分析與設(shè)計 18 管道機器人管內(nèi)行走的基本條件 18 直進輪式移動機構(gòu)分析 19 動機構(gòu)的原理 19 動機構(gòu)的特點 19 直進輪式移動機構(gòu)的運動分析 21 由度分析 21 度分析 21 移動機構(gòu)的受力分析 23 析時的一些假設(shè)條件 23 構(gòu)前進時的受力分析 24 直進輪式移動機構(gòu)設(shè)計計算 27 機的選擇 27 位的設(shè)計計算 29 設(shè)計 31 選擇 31 簧的設(shè)計 32 管道機器人在管道中運動通過性分析 32 徑大小的影響 32 道機器人適用的管道口徑 33 4 直進輪式管道機器人實體建模 34 軟件簡介 34 關(guān)鍵零部件的實體建模過程 35 主要部位的連接 36 裝配圖的實現(xiàn) 37 5 總結(jié) 38 參考文獻 40 致謝 41 附錄 42 1 緒 論 管道作為一種有效的物料輸送手段，在一般工業(yè)、核設(shè)施、石油天然氣、軍事裝備等領(lǐng)域中都得到廣泛的應(yīng)用，本題目要求設(shè)計一個結(jié)構(gòu)緊湊的管道內(nèi)行走裝置，提高驅(qū)動效率。 根據(jù)這些問題，我們設(shè)計一種新的行走機構(gòu)并分析了其總體機械結(jié)構(gòu)。本文進一步介紹了當(dāng)前國內(nèi)外的管道機器人的發(fā)展現(xiàn)狀并提出了一種新的管內(nèi)行走機構(gòu)。本次設(shè)計重點在于設(shè)計一個直徑輪式驅(qū)動裝置，要求此驅(qū)動裝置簡便，拖動效率高且適應(yīng)性 好。 管道機器人是一種可在管道內(nèi)、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)。該檢測機器人基于直進輪式驅(qū)動原理，采用可調(diào)整三輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)一定管徑的變化。 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(nèi)檢測設(shè)備 ,一般譯名稱“管道豬” Pipe Pig [4]。針對這個問題，人們提出多電機獨立驅(qū)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(qū)動多個電機來實現(xiàn)管道機器人對管道環(huán)境的適應(yīng)。 適應(yīng)管道機器人的特點 機械自適應(yīng)管道機器人最大的特點就是具有機械自適應(yīng)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(qū)動方式，大大提高了管道機器人的負載能力與越障能力。機器人移動機構(gòu)包括驅(qū)動體、微電機系統(tǒng)和支撐體 3 部分，驅(qū)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(qū)動輪通過支撐體部分保證在驅(qū)動過程中有足夠的摩擦力。當(dāng)移動機構(gòu)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(qū)動輪被緊緊壓在管道內(nèi)壁上，具有較強的適應(yīng)性。 圖 機構(gòu)的原理圖機構(gòu)設(shè)計的要點蝸輪――蝸桿行星驅(qū)動系統(tǒng)由于前后各 3 個均布的驅(qū)動輪，那么與電機相聯(lián)的前后每個蝸桿必須同時驅(qū)動 3 個蝸輪，由于通過蝸輪及若干個齒輪傳至驅(qū)動輪而且這些齒輪及驅(qū)動輪必須能夠繞蝸輪中心回轉(zhuǎn)，這里應(yīng)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(jié)構(gòu)新穎，傳動效率也高?？梢赃M行工業(yè)的應(yīng)用和推廣。加拿大制造的管道爬行機器人攜帶 CCD 攝像機，應(yīng)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(zhuǎn)彎爬行到水平管道中。 4 、基本尺寸的確定，使機構(gòu)滿足一定的幾何限制條件，如：使機構(gòu)能越過凸起和凹坑，能夠順利通過彎道而不會卡住。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。 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。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(zhuǎn)動 ,實現(xiàn)機器人本體在管道內(nèi)的前進或后退。這樣便產(chǎn)生驅(qū)動力驅(qū)動管內(nèi)行走機構(gòu)沿軸向前進或后退。 通過理論分析與比較，直進輪式管內(nèi)行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，拖動能力大，特別適用于直管內(nèi)拖動，是一種理想的管內(nèi)行走機器人載體。由于結(jié)構(gòu)對稱，此處只對其中一個車輪機構(gòu)做詳述分析。 形封閉 移動機構(gòu)的前后兩部分車輪的每一部分中，三個車輪機構(gòu)都是沿徑向均勻分布的 沿電機軸向看如圖 32 所示 。 運動速度的分析 如圖所示，假設(shè)驅(qū)動輪和管壁之間是純滾動， n n n n n n6 代表電機軸 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，電機所帶的減速箱的減速比是 i1。當(dāng)檢測不同的管道時，管道內(nèi)徑可能是在一定范圍內(nèi)變化的，這種變化也會影響到移動機構(gòu)負載能力的變化。 管道機器人的移動機構(gòu)的車輪在管道內(nèi)作純滾動，而忽略掉零件加工中的誤差而導(dǎo)致的機構(gòu)其他形式的運動 。 f:管壁對驅(qū)動輪的摩擦力 。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(nèi)，故可以忽略。驅(qū)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(gòu)設(shè)計 該微型管道機器人的移動機構(gòu)包括直流電機、蝸輪蝸桿嚙合機構(gòu)、兩級齒輪嚙合機構(gòu)、機架和拉簧支撐機構(gòu)等幾部分組成。因為電機的額定轉(zhuǎn)速為 1750 r/min，由傳動比公式： i 1750/ω，得： i 1750/ 。 蝸輪蝸桿的主要參數(shù) 模數(shù) m 1，壓力角α 20176。蝸桿材料 45，表面淬火到 45~55HRC。 確定中心距 a： a d1+d2 /2 50+50 /2 50mm。 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。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)，不僅要機構(gòu)平穩(wěn)行駛，而且要盡量減小整個行走機構(gòu)的運動阻力，降低對電機功率要求。 圖 管道機器人擱淺示意圖 當(dāng)管道機器人經(jīng)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。良好的財務(wù)狀況和用戶支持使得 SolidWorks每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項的技術(shù)創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽。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。 （ 3）單擊【中心線】按