【文章內(nèi)容簡介】 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。美國一公司研制的智能爬行器系列 Mag Steer 是一個(gè)智能爬行系統(tǒng)，它能出色的檢測(cè)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(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制，爬行器可以自動(dòng)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(cè)有保溫層或非磁性材料的管道，也可以裝配強(qiáng)磁性的輪子檢測(cè)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(gè)可行的變徑方案，并對(duì)每個(gè)方案進(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：根據(jù)所確定的方案原理和管道檢測(cè)機(jī)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(cè)范圍覆蓋內(nèi)徑為 Φ297mm的管道環(huán)面等，設(shè)計(jì)出能夠滿足實(shí)際要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式和各個(gè)零件的具體尺寸，并繪制出變徑裝置的零件圖、裝配圖。 (3)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析：根據(jù)管道檢測(cè)機(jī)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(duì)設(shè)計(jì)出來的機(jī)械裝置進(jìn)行受力分析，優(yōu)化部分結(jié)構(gòu)參數(shù) ，從而使超聲檢測(cè)裝置既能正常工作，又能不大幅度增加對(duì)爬行器的負(fù)載。 (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。 (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(shí)體模型。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 2 直進(jìn)輪式全主動(dòng)管內(nèi)機(jī)器人的總體方案計(jì) 機(jī)器人管內(nèi)運(yùn)動(dòng)方式對(duì)比分析 蠕動(dòng)式 蠕動(dòng)式驅(qū)動(dòng)是基于仿生學(xué)原理，參考蚯蚓、毛蟲等生物的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。首先，尾部支撐，身體伸長帶動(dòng)頭部向前運(yùn)動(dòng)；然后，頭部支撐，身體收 縮帶動(dòng)尾部向前運(yùn)動(dòng)，如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。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。但是，蠕動(dòng)式機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是間歇式的，速度波動(dòng)大，不容易實(shí)現(xiàn)和傳感器的集成。實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)的方法復(fù)雜，附帶的元件多，如氣動(dòng)蠕動(dòng)，就需要外接多根導(dǎo)氣管。 1988 年 ,Ikuta 等引用蚯蚓運(yùn)動(dòng)的原理開發(fā)出了蠕動(dòng)機(jī)器人 ,后來隨著蠕動(dòng)機(jī)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。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。前部和尾部支撐分別裝有超越離合鎖死裝置，實(shí)現(xiàn)單向運(yùn)動(dòng)自鎖。中間蠕動(dòng)部分提供機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。對(duì)于蠕動(dòng)動(dòng)力機(jī)構(gòu) ,目前有很多實(shí)現(xiàn)形式，如上海大學(xué)利用氣壓伸縮驅(qū)動(dòng)；上海交通大學(xué)利用形狀記憶合金伸縮驅(qū)動(dòng) 。昆明理工大學(xué)利用電磁吸合驅(qū)動(dòng)。 下面以電磁驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)式管道機(jī)器人為例 ,分析蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理如圖 所示 ,一個(gè)動(dòng)作循環(huán)分為 3個(gè)步驟 : (1)當(dāng)初始狀態(tài)時(shí) ,電磁鐵失電 ,彈簧處于自由狀態(tài) ,故頭部與尾部分離 。 (2)當(dāng)電磁鐵通電時(shí) ,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(dòng) ,尾部由于電磁吸力的作用向前移動(dòng) 。 (3)斷開電源 ,電磁力作用消失 ， 彈簧促使磁鐵與線圈分開 ,安裝在尾部上山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11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)。 至此 ,機(jī)器人回到了初始狀態(tài) ,機(jī)器人前進(jìn)了一步。 蠕動(dòng)機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)是可在細(xì)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(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理 輪式 目前 ,輪式管道機(jī)器人是實(shí)際工程中應(yīng)用最多的一種。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)。輪式管道機(jī)器人的行走方式有 2種： (1)如果驅(qū)動(dòng)輪軸線與管道軸線垂直 ,驅(qū)動(dòng)輪沿管道母線滾動(dòng) ,機(jī)器人在管內(nèi)做平移運(yùn)動(dòng) ,此為輪式直進(jìn)式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人 ,它的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器人行走時(shí) ,不產(chǎn)生姿態(tài)旋轉(zhuǎn)。下面以上海交通大學(xué)研制的輪式管道機(jī)器人 (圖 )為例說明其工作原理。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過軸驅(qū)動(dòng)與之相連接的蝸桿 ,蝸桿驅(qū)動(dòng)沿圓周方向成 120176。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。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(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng) ,絲杠螺母將在絲杠上來回軸向移動(dòng) ,并帶動(dòng)推桿通過鉸鏈?zhǔn)箵u桿轉(zhuǎn)動(dòng) ,從而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的調(diào)節(jié)。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 1蝸桿 2驅(qū)動(dòng)電機(jī) 3驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝座 4調(diào)整電機(jī) 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(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖 (2)如果驅(qū)動(dòng)輪軸線不與管道軸線垂直 ,驅(qū)動(dòng)輪實(shí)際上沿著管道中某一螺旋線行走 ,機(jī)器人在管中一邊向前移動(dòng) ,一邊繞管道軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。螺旋運(yùn)動(dòng)沿管軸上的速度分量即為機(jī)器人本體的移動(dòng)速度 ,降低速度來提高驅(qū)動(dòng)力 ,其行走機(jī)理如圖 所示 ,它由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)體和支撐體組成。 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 ,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)。改變施加于電機(jī)的電流極性 ,可改變機(jī)器人的移動(dòng)方向 ,從而使機(jī)器人在管內(nèi)進(jìn)退自如。 圖 螺旋行走方式的管內(nèi)機(jī)器人 上述 2 種輪式管道機(jī)器人的主要難點(diǎn)是機(jī)器人的能源供應(yīng)問題。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 直進(jìn)輪式管內(nèi)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理 機(jī)構(gòu)的原理 如圖所示，輪 l 在機(jī)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(jī) 3 通過蝸桿 4 與 蝸輪 5 等輪系驅(qū)動(dòng)前后 6 個(gè)輪向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，彈簧封閉力的大小可以通過齒輪 6 至 7 及對(duì)稱 3 等份均布的 3 個(gè)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(dòng)力驅(qū)動(dòng)管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)沿軸向前進(jìn)或后退。 圖 機(jī)構(gòu)的原理圖 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn) （ 1）蝸桿蝸輪行星驅(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。 （ 2）機(jī)構(gòu)直進(jìn)性好 電機(jī)力矩由蝸桿傳至 蝸輪 ， 蝸輪 回轉(zhuǎn)軸與機(jī)殼相聯(lián)結(jié)。而電機(jī)也與機(jī)殼相聯(lián)，電機(jī)傳出的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩完全由機(jī)殼內(nèi)平衡，這樣驅(qū)動(dòng)輪與管內(nèi)壁之間只有前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力，不會(huì)產(chǎn)生機(jī)器人邊走邊旋轉(zhuǎn)的力矩，確保機(jī)器人的軸向移動(dòng)特性。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)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(jī)能夠有較大的功率輸出，使行走機(jī)構(gòu)拖動(dòng)力最大 。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。由于彈簧機(jī)械性能及參數(shù)變化該 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上有調(diào)正環(huán)節(jié)，以使 3 個(gè)彈簧拉力基本平衡自定心。當(dāng)機(jī)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(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。可以進(jìn)行工業(yè)的應(yīng)用和推廣。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 153 管道機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì) 管道機(jī)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(jī)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(gè)基本條件： （ 1）形封閉：機(jī)器人在管道中工作時(shí)，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(duì)機(jī)器人施加的一個(gè)封閉的形狀約束。 （ 2）力封閉：移動(dòng)機(jī)構(gòu)在行走過程中，應(yīng)具備支撐在管道內(nèi)壁上而不失穩(wěn)的能力，即機(jī)器人的支撐機(jī)構(gòu)受到管道的徑向支反力而組成的一個(gè)封閉力多邊形。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)。 （ 3）驅(qū)動(dòng)行走：指行走機(jī)構(gòu)具有主動(dòng)驅(qū)使機(jī)構(gòu)。 結(jié)合本課題實(shí)際情況，同時(shí)還要滿足以下幾個(gè)條件： （ 1）結(jié)構(gòu)簡單； （ 2）在滿足檢測(cè)和維修效率的前提下，微機(jī)器人應(yīng)具有一定的運(yùn)動(dòng)速度； （ 3）機(jī)器人在行走過程中應(yīng) 保持姿態(tài)穩(wěn)定，有利于檢測(cè)裝置作業(yè)； （ 4）機(jī)器人在管道內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)水平方向前進(jìn)后退，豎直方向上升和下降運(yùn)動(dòng)，以使對(duì)管道進(jìn)行全方位作業(yè)，具有快速檢測(cè)和局部精檢測(cè)功能； （ 5）考慮搭載檢測(cè)裝置的需要，微機(jī)器人應(yīng)具有一定的負(fù)載能力； （ 6）機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)容易實(shí)現(xiàn)。 直進(jìn)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)分析 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理 該微型管道機(jī)器人采用了有纜驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，其運(yùn)動(dòng)機(jī)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(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。 其機(jī)構(gòu)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(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)。而尾部為對(duì)稱分布的三個(gè)柔性從動(dòng)拖輪，用以支撐平衡電機(jī)，維持機(jī)器人系統(tǒng)在管道中平衡運(yùn)動(dòng)。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。 圖 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn) 蝸桿 —— 蝸輪 驅(qū)動(dòng)原理 分析圖 31 中的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，電機(jī)輸出帶動(dòng)蝸桿 (8)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)齒輪 (5)轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪 (5)又帶動(dòng)齒輪 (3)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(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)。這種機(jī)構(gòu)的最大特點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單、山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17結(jié)構(gòu)緊湊而且具有較大的負(fù)載能力。該移動(dòng)機(jī)構(gòu)滿足管道內(nèi)行走的基本條件。 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 )。而前后兩部分都是沿軸 向?qū)ΨQ的，支撐點(diǎn)共有六個(gè)，因此滿足形封閉條件。 圖 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸向視圖 力封閉和自定心的實(shí)現(xiàn) 同樣如圖 32 所示，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)始終在同一個(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。整個(gè)系統(tǒng)由于利用了對(duì)稱性，抵消了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)軸線所在的豎直平面上，同時(shí)，又在通過電機(jī)軸線的豎直平面上保證機(jī)器人的重心與電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)軸心之間適當(dāng)?shù)木嚯x ，從而保證了整個(gè)機(jī)器人運(yùn)行過程中的平穩(wěn)性。 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)輪緊緊壓著山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18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)。 運(yùn)動(dòng)自由度分析 移動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度的設(shè)計(jì)與其要完成的任務(wù)是相關(guān)的，往往采用完成任務(wù)時(shí)所需的最小自由度數(shù)。本設(shè)計(jì)任務(wù)中對(duì)移動(dòng)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(dòng)，且不能作沿管道