【文章內(nèi)容簡介】 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。美國一公司研制的智能爬行器系列 Mag Steer 是一個智能爬行系統(tǒng)，它能出色的檢測有保溫層或無保溫層或無保溫層管道內(nèi)部及外部缺陷。通過計算機遠程控制，爬行器可以自動爬行在有保溫層或無保溫層的管道上。 Mag Steer 可以裝配橡膠輪子來檢測有保溫層或非磁性材料的管道，也可以裝配強磁性的輪子檢測無保溫層的管道。 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，并對每個方案進行可行性分析。最終，經(jīng)過方案比較和各方面的綜合考慮，確定最佳方案。 (2) 機械結構的設計：根據(jù)所確定的方案原理和管道檢測機器人在石油管道中的工作情況，如：要克服 5mm高的凸起、凹坑，要通過拐彎半徑為R933mm的彎道，還要保證超聲傳感器的探頭探測范圍覆蓋內(nèi)徑為 Φ297mm的管道環(huán)面等，設計出能夠滿足實際要求的機械結構形式和各個零件的具體尺寸，并繪制出變徑裝置的零件圖、裝配圖。 (3)結構優(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，對設計出來的機械裝置進行受力分析，優(yōu)化部分結構參數(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。 (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。 (5)繪制出變徑裝置的零件圖和裝配圖，并最終用 solidworks 終繪制出該裝置的三維實體模型。 山東科技大學學士學位論文 10 2 直進輪式全主動管內(nèi)機器人的總體方案計 機器人管內(nèi)運動方式對比分析 蠕動式 蠕動式驅(qū)動是基于仿生學原理，參考蚯蚓、毛蟲等生物的運動而實現(xiàn)的。首先，尾部支撐，身體伸長帶動頭部向前運動；然后，頭部支撐，身體收 縮帶動尾部向前運動，如此循環(huán)實現(xiàn)機器人的行走。蠕動式驅(qū)動的優(yōu)點在于可適用管徑及曲率的變化。但是，蠕動式機構運動是間歇式的，速度波動大，不容易實現(xiàn)和傳感器的集成。實現(xiàn)蠕動的方法復雜，附帶的元件多，如氣動蠕動，就需要外接多根導氣管。 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)應用。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。前部和尾部支撐分別裝有超越離合鎖死裝置，實現(xiàn)單向運動自鎖。中間蠕動部分提供機器人運動的動力。對于蠕動動力機構 ,目前有很多實現(xiàn)形式，如上海大學利用氣壓伸縮驅(qū)動；上海交通大學利用形狀記憶合金伸縮驅(qū)動 。昆明理工大學利用電磁吸合驅(qū)動。 下面以電磁驅(qū)動的蠕動式管道機器人為例 ,分析蠕動式管道機器人的運動機理。蠕動式管道機器人的運動原理如圖 所示 ,一個動作循環(huán)分為 3個步驟 : (1)當初始狀態(tài)時 ,電磁鐵失電 ,彈簧處于自由狀態(tài) ,故頭部與尾部分離 。 (2)當電磁鐵通電時 ,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 。 (3)斷開電源 ,電磁力作用消失 ， 彈簧促使磁鐵與線圈分開 ,安裝在尾部上山東科技大學學士學位論文 11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。 至此 ,機器人回到了初始狀態(tài) ,機器人前進了一步。 蠕動機器人優(yōu)點是可在細小的微型管道中行走 ,但由于速度的間斷性和緩慢性阻礙了它的發(fā)展。 圖 蠕動機器人的運動原理 輪式 目前 ,輪式管道機器人是實際工程中應用最多的一種。輪式管內(nèi)移動機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)生機器人前后 行走的驅(qū)動力 ,以實現(xiàn)機器人的移動。輪式管道機器人的行走方式有 2種： (1)如果驅(qū)動輪軸線與管道軸線垂直 ,驅(qū)動輪沿管道母線滾動 ,機器人在管內(nèi)做平移運動 ,此為輪式直進式管內(nèi)移動機器人 ,它的優(yōu)點是機器人行走時 ,不產(chǎn)生姿態(tài)旋轉(zhuǎn)。下面以上海交通大學研制的輪式管道機器人 (圖 )為例說明其工作原理。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。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。車輪與管道壁面之間的正壓力由調(diào)節(jié)部分提供 ,調(diào)節(jié)電機驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動 ,絲杠螺母將在絲杠上來回軸向移動 ,并帶動推桿通過鉸鏈使搖桿轉(zhuǎn)動 ,從而實現(xiàn)預緊力的調(diào)節(jié)。 山東科技大學學士學位論文 12 1蝸桿 2驅(qū)動電機 3驅(qū)動電機安裝座 4調(diào)整電機 5鉸鏈 6推桿 7絲杠螺母 8絲杠 9蝸桿 10蝸輪 11鏈條 12車輪 圖 驅(qū)動機構原理圖 (2)如果驅(qū)動輪軸線不與管道軸線垂直 ,驅(qū)動輪實際上沿著管道中某一螺旋線行走 ,機器人在管中一邊向前移動 ,一邊繞管道軸線轉(zhuǎn)動。螺旋運動沿管軸上的速度分量即為機器人本體的移動速度 ,降低速度來提高驅(qū)動力 ,其行走機理如圖 所示 ,它由驅(qū)動電機、旋轉(zhuǎn)體和支撐體組成。 3 組驅(qū)動輪均勻分布于旋轉(zhuǎn)體上 ,且與管壁呈一定的傾斜角 ,驅(qū)動電機帶動旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動 ,使驅(qū)動輪沿管壁作螺旋運動 ,保持機構沿管道中心軸線移動。改變施加于電機的電流極性 ,可改變機器人的移動方向 ,從而使機器人在管內(nèi)進退自如。 圖 螺旋行走方式的管內(nèi)機器人 上述 2 種輪式管道機器人的主要難點是機器人的能源供應問題。 山東科技大學學士學位論文 13 直進輪式管內(nèi)機器人的運動機理 機構的原理 如圖所示，輪 l 在機構的前后 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。這樣便產(chǎn)生驅(qū)動力驅(qū)動管內(nèi)行走機構沿軸向前進或后退。 圖 機構的原理圖 機構設計要點 （ 1）蝸桿蝸輪行星驅(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。 （ 2）機構直進性好 電機力矩由蝸桿傳至 蝸輪 ， 蝸輪 回轉(zhuǎn)軸與機殼相聯(lián)結。而電機也與機殼相聯(lián)，電機傳出的轉(zhuǎn)動力矩完全由機殼內(nèi)平衡，這樣驅(qū)動輪與管內(nèi)壁之間只有前進的驅(qū)動力，不會產(chǎn)生機器人邊走邊旋轉(zhuǎn)的力矩，確保機器人的軸向移動特性。 山東科技大學學士學位論文 14（ 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 。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。由于彈簧機械性能及參數(shù)變化該 機構設計上有調(diào)正環(huán)節(jié)，以使 3 個彈簧拉力基本平衡自定心。當機器人放入管內(nèi)后，彈簧力的大小仍可由外面的軸桿來調(diào)節(jié)。 通過理論分析與比較，直進輪式管內(nèi)行走機構結構緊湊，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。可以進行工業(yè)的應用和推廣。 山東科技大學學士學位論文 153 管道機器人移動機構的分析與設計 管道機器人管內(nèi)行走的基本條件 受管道形狀、管內(nèi)空間的影響，一般管道機器人欲在管內(nèi)平穩(wěn)、可靠的啟停、行走，必須滿足以下幾個基本條件： （ 1）形封閉：機器人在管道中工作時，為了能夠保持一定的姿態(tài)，不出現(xiàn)傾覆、扭轉(zhuǎn) 等現(xiàn)象，這就要求管道對機器人施加的一個封閉的形狀約束。 （ 2）力封閉：移動機構在行走過程中，應具備支撐在管道內(nèi)壁上而不失穩(wěn)的能力，即機器人的支撐機構受到管道的徑向支反力而組成的一個封閉力多邊形。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。 （ 3）驅(qū)動行走：指行走機構具有主動驅(qū)使機構。 結合本課題實際情況，同時還要滿足以下幾個條件： （ 1）結構簡單； （ 2）在滿足檢測和維修效率的前提下，微機器人應具有一定的運動速度； （ 3）機器人在行走過程中應 保持姿態(tài)穩(wěn)定，有利于檢測裝置作業(yè)； （ 4）機器人在管道內(nèi)部可以實現(xiàn)水平方向前進后退，豎直方向上升和下降運動，以使對管道進行全方位作業(yè)，具有快速檢測和局部精檢測功能； （ 5）考慮搭載檢測裝置的需要，微機器人應具有一定的負載能力； （ 6）機器人驅(qū)動方式應容易實現(xiàn)。 直進輪式移動機構分析 山東科技大學學士學位論文 16 輪式移動機構的原理 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。由于結構對稱，此處只對其中一個車輪機構做詳述分析。 其機構簡圖 如圖 31 所示 :1 為拉簧 ； 2 為車輪 ； 3 為末端齒輪 ； 4 為擺臂 ； 5 為中間齒輪 ； 6 為 蝸輪 ； 7 為齒輪軸齒輪 ； 8 為蝸桿。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(nèi)壁的正壓力而產(chǎn)生的摩擦力使得機器人沿管道內(nèi)壁直線向前或向后移動，成為微型機器人的主驅(qū)動系統(tǒng)。而尾部為對稱分布的三個柔性從動拖輪，用以支撐平衡電機，維持機器人系統(tǒng)在管道中平衡運動。該機器人的移動機構具有結構緊湊和較大的負載能力。 圖 輪式移動機構的特點 蝸桿 —— 蝸輪 驅(qū)動原理 分析圖 31 中的移動機構，電機輸出帶動蝸桿 (8)轉(zhuǎn)動，爾后傳遞到 蝸輪 (6)， 蝸輪 通過與其固定在同一軸上的齒輪 (7)帶動齒輪 (5)轉(zhuǎn)動，齒輪 (5)又帶動齒輪 (3)轉(zhuǎn)動，齒輪 (3)與車輪固定在同一軸上，最后車輪通過作用于管道內(nèi)壁的正壓力而產(chǎn)生的摩擦力使得機器人沿管道內(nèi)壁直線向前或向后移動，成為微型機器人的主驅(qū)動系統(tǒng)。這種機構的最大特點是設計簡單、山東科技大學學士學位論文 17結構緊湊而且具有較大的負載能力。該移動機構滿足管道內(nèi)行走的基本條件。 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 )。而前后兩部分都是沿軸 向?qū)ΨQ的，支撐點共有六個，因此滿足形封閉條件。 圖 移動機構的軸向視圖 力封閉和自定心的實現(xiàn) 同樣如圖 32 所示，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，三點始終在同一個圓柱面上，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，具有較強的適應性。整個系統(tǒng)由于利用了對稱性，抵消了機器人在運動過程中各方面不平衡力偶的干擾，從而使所有的力集中到電機運轉(zhuǎn)軸線所在的豎直平面上，同時，又在通過電機軸線的豎直平面上保證機器人的重心與電機運轉(zhuǎn)軸心之間適當?shù)木嚯x ，從而保證了整個機器人運行過程中的平穩(wěn)性。 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(qū)動，驅(qū)動輪緊緊壓著山東科技大學學士學位論文 18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，機器人在管道內(nèi)部的前進、后退、啟停、加減速等動作只需控制電機的正反轉(zhuǎn)、啟停和調(diào)整電機電壓大小來實現(xiàn)。 運動自由度分析 移動機構自由度的設計與其要完成的任務是相關的，往往采用完成任務時所需的最小自由度數(shù)。本設計任務中對移動機構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