【文章內(nèi)容簡介】 ，行走機(jī)構(gòu)至少需要三個(gè)對稱支撐點(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)動行走：指行走機(jī)構(gòu)具有主動驅(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）在滿足檢測和維修效率的前提下，微機(jī)器人應(yīng)具有一定的運(yùn)動速度； （ 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，以使對管道進(jìn)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(jī)器人應(yīng)具有一定的負(fù)載能力； （ 6）機(jī)器人驅(qū)動方式應(yīng)容易實(shí)現(xiàn)。 直進(jìn)輪式移動機(jī)構(gòu)分析 輪式 移動機(jī)構(gòu)的原理 該微型管道機(jī)器人采用了有纜驅(qū)動的驅(qū)動方式，其運(yùn)動機(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)對稱，此處只對其中一個(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)帶動蝸桿、蝸輪和三個(gè)齒輪運(yùn)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(jī)器人沿管道內(nèi)壁直線向前或向后移動，成為微型機(jī)器人的主驅(qū)動系統(tǒng)。而尾部為對稱分布的三個(gè)柔性從動拖輪，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。該機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊和較大的負(fù)載能力。 圖 輪式移動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn) 驅(qū)動原理 分析圖 31 中的移動機(jī)構(gòu)，電機(jī)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(jī)器人沿管道內(nèi)壁直線向前或向后移動，成為微型機(jī)器人的主驅(qū)動系統(tǒng)。這種機(jī)構(gòu)的最大特點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊而且具有較大的負(fù)載能力。該移動機(jī)構(gòu)滿足管道內(nèi)行走的 基本條件。 形封閉 移動機(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)由于利用了對稱性，抵消了機(jī)器人在運(yùn)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(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)輪式移動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 從上面的分析可知，整個(gè)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(shí)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(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)動自由度分析 移動機(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(yùn)動，即只要求是一個(gè)單自由度移動機(jī)構(gòu)。由上一節(jié)的分析可知，在所設(shè)計(jì)的雙電機(jī)驅(qū)動直進(jìn)式移動機(jī)構(gòu)中，電機(jī)殼體與機(jī)架固連，電機(jī)座的反力在電機(jī)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(yùn)動而不會產(chǎn)生沿管道軸心線的轉(zhuǎn)動，即整個(gè)移動機(jī)構(gòu)是一個(gè)單自由度移動機(jī)構(gòu)。 運(yùn)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(jī)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(jī)所帶的減速箱的減速比是 i1。 圖 移動機(jī)構(gòu)速度分析圖 根據(jù)電機(jī)軸與減速箱的傳動關(guān)系可得減速箱輸出軸即蝸桿軸轉(zhuǎn)速為 : 31 又根據(jù)蝸輪蝸桿傳動關(guān)系可得蝸輪蝸桿傳動比為齒數(shù)比倒數(shù)，且與轉(zhuǎn)速成反比： 32 由于與蝸輪同心固定連在一起的齒輪具有相同的轉(zhuǎn)速，所以 n2 n3。又因?yàn)槿齻€(gè)齒輪的齒數(shù)相等，所以 n3 n4 n5。同樣，末端齒輪與車輪同心固定在同一軸上，從上面的分析可以得出， n5 n6。最后綜合 3l 、 32 式，可得到機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)沿管道內(nèi)壁直線運(yùn)動時(shí)的線速度： 33 上面各式中 z 表示桿蝸輪傳動減速比 z z2 分別表示蝸桿、蝸輪的齒數(shù) ii2分別代表減速箱和蝸桿蝸輪的傳動比 r6代表車輪半徑 v代表移動機(jī)構(gòu)的移動速度由式可知，當(dāng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)確定后，可以通過改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速來調(diào)整整個(gè)移動機(jī)構(gòu)的移動速度，一般情況下，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與加在電機(jī)上的電壓成正比，故最終應(yīng)通過調(diào)整 電壓來改變移動機(jī)構(gòu)的速度，移動機(jī)構(gòu)的最大移動速度亦可得到，當(dāng)電機(jī)輸入電壓達(dá)到最大時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速最大，同時(shí)移動機(jī)構(gòu)的移動速度也將達(dá)到最大。移動機(jī)構(gòu)的最大速度不僅與電機(jī)的容量有關(guān)，同時(shí)在不同負(fù)載下，其所能達(dá)到的最大速度也不同。 移動機(jī)構(gòu)的受力分析 微型管道內(nèi)機(jī)器人其移動機(jī)構(gòu)的主要任務(wù)是攜帶探測、修補(bǔ)或維護(hù)所需的設(shè)備，如 CCD 傳感器，渦流傳感器或復(fù)雜的微操作手等，這就要求移動機(jī)構(gòu)有一定的負(fù)載能力。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。當(dāng)檢測不同的管道時(shí)，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(jī)構(gòu)負(fù)載能力的變化。一般情況下，在不使機(jī)器人打滑的同時(shí)，管徑增大時(shí)，撐緊機(jī)構(gòu)施加到車輪上的正壓力減小，從而摩擦力減小，負(fù)載減小，電機(jī)所需的驅(qū)動力降低。反之在管徑變小時(shí)，撐緊機(jī)構(gòu)施加到車輪上的正壓力增大，從而摩擦力增大，負(fù)載增大，電機(jī)所需的驅(qū)動力降低。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(gè)重要的指標(biāo)來分析。由前面的分析可知，移動機(jī)構(gòu)在管道中行走時(shí)，要實(shí)現(xiàn)力封閉及 驅(qū)動行走。下面分析移動機(jī)構(gòu)在管道中行走時(shí)的受力情況。 受力分析的一些假設(shè)條件 因?yàn)楣艿罊C(jī)器人的實(shí)際受力情況比較復(fù)雜，為了簡化分析和計(jì)算，所以對管道機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)的受力情況，先做一些假設(shè)，以滿足分析的需要。下面是一些假設(shè)條件 : 移動機(jī)構(gòu)是在直管中運(yùn)動，忽略管道的內(nèi)徑的不均勻性 。 管道機(jī)器人的移動機(jī)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(jī)構(gòu)其他形式的運(yùn)動 。 整個(gè)移動機(jī)構(gòu)作勻速運(yùn)動，不考慮其慣性力的影響 。 移動機(jī)構(gòu)移動時(shí)共有六個(gè)輪子與管道內(nèi)壁接觸，假設(shè)每個(gè)輪子的封閉力都相同 。 忽略一切損 失 。 負(fù)載無波動 。 分析時(shí)采用標(biāo)量，當(dāng)所求值為負(fù)時(shí)表示實(shí)際方向與圖示方向相反。 移動機(jī)構(gòu)前進(jìn)時(shí)的受力分析 受力分析圖如下圖所示 : 圖 移動機(jī)構(gòu)受力分析圖如圖 34 所示，該圖中假定移動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方向?yàn)榍斑M(jìn)方向，圖中參數(shù)的意義如下 : F:總負(fù)載包括移動機(jī)構(gòu)本體的重量及攜帶設(shè)備的重量 。 V:移動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度 。 f:管壁對驅(qū)動輪的摩擦力 。 f:管壁對從動輪的摩擦力 。 N:管壁對驅(qū)動輪的正壓力 。 N:管壁對從動輪的正壓力 。 :電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 未知量 。 下面分別以蝸桿、蝸輪及車輪為研究對象，進(jìn)行受力分析，從 而為下面的機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算打下基礎(chǔ)。 蝸桿受力分析 如圖 35 所示，以蝸桿為研究對象， P 為切向力， Pn21 為軸向力， Pr21 為法向力，有 34 35 36 上式中，α是壓力角，β是螺旋角。 圖 蝸輪受力圖 蝸輪受力分析 因?yàn)槲佪喤c一個(gè)齒輪固定在同一個(gè)軸上，所以把該齒輪和蝸輪當(dāng)成一 個(gè)整體分析其受力情況。又因?yàn)槲佪啚樾饼X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。所以蝸輪與一個(gè)齒輪作為整體的受力分機(jī)如圖36 所示。圖中 G23 為蝸輪與齒輪整體的重量。 圖 蝸輪受力圖 根據(jù)假設(shè)，移動機(jī)構(gòu)作勻速運(yùn)動，所以對中心 O2 的力矩滿足： 37 由上式得： 38 又：且 即：即： 39 310 （ 3）驅(qū)動輪受力分析 因?yàn)轵?qū)動輪與一個(gè)齒輪固定在同一個(gè)軸上，所以把該齒輪和驅(qū)動輪當(dāng)成一個(gè)整體分析其受力情況。所以驅(qū)動輪與一個(gè)齒輪作為整體的受力分析如圖 37 所示。圖中 G56。為蝸輪與齒輪整體的重量， N2 為擺臂對該驅(qū)動輪和齒輪軸的壓力，r5 為齒輪的分度圓半徑， r6 為驅(qū)動輪的半徑。 圖 驅(qū)動輪受力圖 因?yàn)樵撘苿訖C(jī)構(gòu)作勻速運(yùn)動，三個(gè)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。驅(qū)動輪在純滾動勻速運(yùn)動時(shí)對中心 O6 的力矩滿足 : 311 由式 311 得 : 312 又 且 即： 313 314 移動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 該微型管道機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)、蝸輪蝸桿嚙合機(jī)構(gòu)、兩級齒輪嚙合機(jī)構(gòu)、機(jī)架和拉簧支撐機(jī)構(gòu)等幾部分組成。由于機(jī)械設(shè)計(jì)過程中涉及的力學(xué)計(jì)算公式及其機(jī)械設(shè)計(jì)手冊的校核公式、圖表較多，由于篇幅所限本論文并不全部按照通常設(shè)計(jì)流程進(jìn)行，而只是 給出部分零件的主要的設(shè)計(jì)步驟。 機(jī)的選擇 管道機(jī)器人是在管道限定的環(huán)境里運(yùn)行，尤其是在有彎曲管道里運(yùn)行，一方面，機(jī)器人在彎管（包括垂直管道）行走中要有足夠的摩擦力來克服重力的影響，另一方面需要提供足夠大的驅(qū)動力來克服各種阻力，現(xiàn)在使用的驅(qū)動方式一般是直流電機(jī)驅(qū)動。 圖 移動機(jī)構(gòu)受力分析圖 由于該機(jī)器人由兩個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動的對稱結(jié)構(gòu)，現(xiàn)對由一電機(jī)驅(qū)動三驅(qū)動輪進(jìn)行分析： 1．頂部驅(qū)動輪受管壁壓力： F：為彈簧預(yù)緊力； ：為搖臂與豎直方向的傾斜角。 2．兩下驅(qū)動輪受管壁壓力： G：為機(jī)器人所受重力。 3．機(jī)器人 所受總摩擦力： ：為驅(qū)動輪與管壁的動摩擦因素。 4．機(jī)器人運(yùn)動消耗功率： 5．代入數(shù)據(jù)： 已知： F’ 1200N， G 600N，機(jī)器人設(shè)計(jì)行進(jìn)速度 120mm/s，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》得橡膠與鋼鐵的動摩擦因數(shù)，代入數(shù)據(jù)得： 進(jìn)行計(jì)算、校驗(yàn)之后，根據(jù)尺寸的限制選擇電機(jī)型號為 QZD08 串勵直流微特電機(jī)技術(shù)參數(shù)如下表： 表 電機(jī)技術(shù)參數(shù) 電機(jī)指標(biāo) 參數(shù) 電機(jī)型號 QZD08 功率 800W 額定電壓 24V 額定電流 勵磁方式 串勵 絕緣等級 B 位的設(shè)計(jì)計(jì)算 傳動比 此設(shè)計(jì)在機(jī)器人有較大速度的前提下進(jìn)行，因此先預(yù)計(jì)機(jī)器人最終行進(jìn)速度在 120mm/s。初選車輪直徑 d 105 mm，則此時(shí)車輪轉(zhuǎn)速度為： nw 60v/ π d 。因?yàn)殡姍C(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 1750 r/min，由傳動比公式： i 1750/ω，得： i 1750/ 。選： i 82。 選擇傳動方式 因?yàn)槲仐U蝸輪能獲得較大的單級傳動比，故結(jié)構(gòu)緊湊。在傳遞動力時(shí)，傳動比一般為 8~100。用于分度機(jī)構(gòu)中，傳動 比可達(dá)幾百，甚至到 1000。因此傳動比完全由蝸桿蝸輪來實(shí)現(xiàn)，即取蝸桿蝸輪的傳動比 i 82，由于空間尺寸受很大的限制，本設(shè)計(jì)采用 3 個(gè)參數(shù)完全一樣的齒輪來傳遞運(yùn)動。故最終實(shí)現(xiàn)了傳動比的傳遞，而且解決了受空間限制的問題。 蝸輪蝸桿的傳動設(shè)計(jì) 以下設(shè)計(jì)計(jì)算均沿用《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》計(jì)算模式。 蝸輪蝸桿的主要參數(shù) 模數(shù) m 1，壓力角α 20176。，蝸桿直徑系數(shù) q 18，所以蝸桿分度圓直徑 d1 18 mm。蝸桿分度圓上的導(dǎo)程角γ 3176。 10′ 47〃。考慮到預(yù)期實(shí)現(xiàn)的傳動比 i 82，Z1 與 Z2 最好避免有公因數(shù)，所以選擇蝸桿頭數(shù) Z1 1，蝸輪齒數(shù) Z2 82，變位系數(shù) X2 0。 蝸桿傳動的失效形式和材料的選擇 失效形式：在一般情況下，蝸桿的強(qiáng)度總要高于蝸輪的輪齒強(qiáng)度，因此失效總是在蝸輪上發(fā)生。由于在傳動中，蝸桿和蝸輪之間的相對滑動速度較大，更容易產(chǎn)生膠合和磨損。 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。蝸桿材料 45，表面淬火到 45~55HRC。蝸輪材料 ZCuSn10Pb1金屬模鑄造，查得。