【文章內(nèi)容簡介】 螺旋運動沿管軸上的速度分量即為機(jī)器人本體的移動速度 ,降低速度來提高驅(qū)動力 ,其行走機(jī)理如圖 所示 ,它由驅(qū)動電機(jī)、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(jī)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(jī)構(gòu)沿管道中心軸線移動。改變施加于電機(jī)的電流極性 ,可改變機(jī)器人的移動方向 ,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)器人的主要難點是機(jī)器人的能源供應(yīng)問題。 直進(jìn)輪式管內(nèi)機(jī)器人的運動機(jī)理 高品質(zhì)的文檔來自專業(yè) 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(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(jī)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。 （ 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)動力矩完全由機(jī)殼內(nèi)平衡，這樣驅(qū)動輪與管內(nèi)壁之間只有前進(jìn)的驅(qū)動力，不會產(chǎn)生機(jī)器人邊走邊旋轉(zhuǎn)的力矩，確保機(jī)器人的軸向移動特性。 （ 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)拖動力最大 。同時，還要考慮保證機(jī)器人高品質(zhì)的文檔來自專業(yè) 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(jī)械性能及參數(shù)變化該機(jī)構(gòu)設(shè)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(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(jī)器人載體?？梢赃M(jìn)行工業(yè)的應(yīng)用和推廣。 高品質(zhì)的文檔來自專業(yè) 3 管道機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計 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，必須滿足以下幾個基本條件： （ 1）形封閉：機(jī)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(jī)器人施加的一個封閉的形狀約束。 （ 2）力封閉：移動機(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(jī)構(gòu)具有主動驅(qū)使機(jī)構(gòu)。 結(jié)合本課題實際情況，同時還要滿足以下 幾個條件： （ 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)部可以實現(xiàn)水平方向前進(jìn)后退，豎直方向上升和下降運動，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)容易實現(xiàn)。 直進(jìn)輪式移動機(jī)構(gòu)分析 高品質(zhì)的文檔來自專業(yè) 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(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 蝸桿 —— 蝸輪 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)的最大特點是設(shè)計簡單、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)行走的基本條高品質(zhì)的文檔來自專業(yè) 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，支撐點共有六個，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現(xiàn) 同樣如圖 32 所示，當(dāng)移動機(jī)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(yīng)性。整個系統(tǒng)由于利用了對稱性，抵消了機(jī)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(jī)運轉(zhuǎn)軸線所在的豎直平面上，同時，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)運轉(zhuǎn)軸心之間適當(dāng)?shù)木嚯x，從而保證了整個機(jī)器人運行過程中的平穩(wěn)性。 直進(jìn)輪式移動機(jī)構(gòu)的運動分析 從上面的分析可知，整個移動機(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(jī)器人在管道內(nèi)部的前進(jìn)、后退、啟停、加減高品質(zhì)的文檔來自專業(yè) 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)電壓大小來實現(xiàn)。 運動自由度分析 移動機(jī)構(gòu)自由度的設(shè)計與其要完 成的任務(wù)是相關(guān)的，往往采用完成任務(wù)時所需的最小自由度數(shù)。本設(shè)計任務(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)運動，即只要求是一個單自由度移動機(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動而不會產(chǎn)生沿管道軸心線的轉(zhuǎn)動，即整個移動機(jī)構(gòu)是一個單自由度移動機(jī)構(gòu)。 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(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 : 112 inn? (31) 高品質(zhì)的文檔來自專業(yè) 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： 32122 nnzzi ?? (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。又因為三個齒輪的齒數(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)壁直線運動時的線速度： ? ?scmriz nzrnv /103030 2612 1166 ??? ?? (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) ； i i2 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，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速最大，同時移動機(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)器人高品質(zhì)的文檔來自專業(yè) 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，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，管徑增大時，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，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，要實現(xiàn)力封閉及驅(qū)動行走。下面分析移動機(jī)構(gòu)在管道中行走時的受力情況。 受力分析 時 的一些假設(shè)條件 因為管道機(jī)器人的實際受力情況比較復(fù)雜，為了簡化分析和計算，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 : （ 1） 移動機(jī)構(gòu)是在直管中運動，忽略管道的內(nèi)徑的 不均勻性 。 （ 2） 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)其他形式的運動 。 （ 3） 整個移動機(jī)構(gòu)作勻速運動，不考慮其慣性力的影響 。 （ 4） 移動機(jī)構(gòu)移動時共有六個輪子與管道內(nèi)壁接觸，假設(shè)每個輪子的封閉力都相同 。 （ 5） 忽略一切損失 。 （ 6） 負(fù)載無波動 。 （ 7） 分析時采用標(biāo)量，當(dāng)所求值為負(fù)時表示實際方向與圖示方向相反。 移動機(jī)構(gòu)前進(jìn)時的受力分析 受力分析圖如下圖所示 : 高品質(zhì)的文檔來自專業(yè) 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)的運動方向為前進(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 。 T1: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)計計算打下基礎(chǔ)。 （ 1） 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 113 rTp ?? (34) 高品質(zhì)的文檔來自專業(yè) ?cot21 ?? ppn (35) ?? s i n/t a n21 ?? pp r (36) 上式中， α是壓力角， β是螺旋角。 P r 21P n 21Pr 1T 1 圖 蝸輪 受力圖 （ 2） 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。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。所以 蝸輪 與一個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)作勻速運動，所以對中心 O2的力矩滿足： 02 ??OT (37) 由上式得： 高品質(zhì)的文檔來自專業(yè) 0343212 ???? rPrP nn (38) 又： 0??xF 且 0?? yF 即： 即： 0c o ss i n 124343 ????? nnr PPP ?? (39) 0c o ss i n2 231243431 ??????? GPPPN rrn ?? (310)