【文章內(nèi)容簡介】 而使支撐臂收縮，同時在驅(qū)動力的作用下通過變形部位，當再次達到管道正常段時，支撐臂能夠在彈簧的作用下像傘一樣張開，使機器人重新恢復原來的平穩(wěn)狀態(tài)。這個過程就是機器人的自適應(yīng)過程。有了自適應(yīng)性，機器人就能穿過一個個變形部位，以達到對管道進行有效清洗的目的，在本設(shè)計中，對于自適應(yīng)性的設(shè)計主要包括兩 種 方式：各支腿單獨調(diào)整和支腿整體調(diào)整。 支腿單獨調(diào)整方式 各支腿的單獨調(diào)整方式。當機器人在行進過程中，其中的一個或多個管道機器人的設(shè)計與運動仿真 第 18頁 共 45頁 支腿遇到障礙物（包括突起和凹陷）時，利用支腿內(nèi)部的調(diào)整彈簧來 改變支腿的長度使得支腿與管壁處于理想的接觸狀態(tài)，以滿足穩(wěn)定作業(yè)要求。同時調(diào)整彈簧也能起到一定的緩沖減震作用。該裝置主要是針對相同管徑或管徑變化范圍不是很大的情況下，當管徑變化范圍較大時，則應(yīng)使用支腿的整體調(diào)整方式。 支腿整體調(diào)整方式 目前管道機器人在適應(yīng)不同管徑的調(diào)節(jié)機構(gòu)常用的有：蝸輪蝸桿調(diào)節(jié)方式，升降機調(diào)節(jié) 方式、滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式和彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式。比較研究 了各種調(diào)節(jié)機構(gòu)的優(yōu)缺點，針對本課題的工程實際需要，并根據(jù)前后支腿的特性要求，在前支腿（即從動輪支腿）選用彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式，后支腿（即主動輪支腿 ）選用滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式。這兩種調(diào)節(jié)機構(gòu)能保證機器人具有充裕并且穩(wěn)定的牽引力，并且管徑變化范圍比較大，下面綜合分析該兩種調(diào)節(jié)方式。 (1)滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式自適應(yīng)方案。其具體設(shè)計如圖 22所示是滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式示意圖，其工作原理是：安裝在軸套和絲杠螺母之間的壓力傳感器間接檢測驅(qū)動車輪和管道內(nèi)壁之間的壓力 yF ，并實時將壓力值回饋回監(jiān)控裝置，當壓力 yF 的值小于所允許的最小壓力值 yF’ 時，連桿 AB 的一端和車輪軸鉸接在一起，另一端鉸接在固定支點 A，推桿 CD與連桿 AB 鉸接在 B 點，另一端鉸接在軸套上 C 點，軸套在圓周方向相對固定，因此滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動將帶動絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來回滑動，從而帶動推桿運動，進而推動連桿 AB繞支點 A轉(zhuǎn)動，使車輪撐開或者緊縮以達到適應(yīng)不同的管徑的目的。保證管道機器人以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管華北科技學院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 第 19頁 共 45頁 道內(nèi)壁上，使機器人具有充足且穩(wěn)定的牽引力 。 圖 22 滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式 下 面分析滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學特性，如圖所示，以固定支點 A為坐標系的原點，建立如圖所示的坐標系 XOY,1L 為 連桿 AB 的長度， 2L是推桿 CD的長度， 3L 是支點 D到固定支點 A之間的距離， ? 是推桿 CD與水平方向之間的夾角， ? 是連桿 AB與水平方向之間的夾角，凡為管道內(nèi)壁作用在車輪上的壓力即封閉力， F 是滾珠絲杠螺母作用在推桿上的軸向推力，T 是作用在滾珠絲桿軸上的有效扭矩。 0T 是電機軸的輸出扭矩。 在坐標系 XOY 中，由幾何關(guān)系可得： {23sin L sinL ??? 1 sinByL?? 23c o s c o scX L L???? （ 21） 對上式兩邊分別取微分可得： 管道機器人的設(shè)計與運動仿真 第 20頁 共 45頁 {1 cosBy L ?? ??? 23c o s c o sLL???? ??? 23si n si ncx LL??? ? ? ? ??? （ 22） 化簡上式得： ? ?31 ta n ta ncBxyLL? ? ? ?? ? ? （ 23） 由虛功原理得： 31 0cbx G i yiFN??????? （ 24） 將式代入上式并化簡得： ? ?3 11 3 ta n ta n Gii LFNL ???? ??? （ 25） 所采用的滾珠絲杠螺母副的導程記為 P， ? 為滾珠絲杠和絲杠螺母之間的相對轉(zhuǎn)角，則 絲杠 螺母的位移為： 2hPS ??? 對上式等號兩邊分別取微分得： 2hs P ????? （ 26） 考慮滾珠絲杠螺母副，由虛位移原理可得： 0sFT?? ? ???? （ 27） 式中， ? 為滾珠絲杠螺母副的傳動效率。 合并整合上兩式得： 華北科技學院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 第 21頁 共 45頁 ? ?3 11 332 2 ta n ta nhh GiiP L PT F NL? ? ? ? ? ???? ??? （ 28） 此式即為滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學特性。 (2)彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式 如圖所示的是從動輪的彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式示意圖，其工作原理與滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式原理類似，只是在張緊力調(diào)整方面采用被動調(diào)整方式。當管徑發(fā)生變化時，作用在從動輪上的壓力變化，使得壓緊彈簧產(chǎn)生伸縮，而帶動推桿運動，進而推動連桿 AB 繞支點 A轉(zhuǎn)動，使車輪撐開或者緊縮以達到適應(yīng)不同的管徑的目的。與滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式 的主要區(qū)別就在于在壓緊力的調(diào)節(jié)方面由調(diào)整電機的 主動調(diào)整變?yōu)閴壕o彈簧的被動調(diào)整。故在彈簧壓緊調(diào)節(jié)方武的力學特性如下： 圖 23 彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式 選取其中的一個支承臂作為研究對象，其受力分析如圖所示，由前述滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的分析可知，彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式的力學平衡方程為： 管道機器人的設(shè)計與運動仿真 第 22頁 共 45頁 0sFf?????? （ 29） 式中， f — 彈 簧的壓緊力， N。 整理得： ? ?3 11 3 ta n ta n GiiLfNL ???? ?? （ 210） 彈簧壓緊力可表示為： ? ?0 1 2f k x L S S? ? ? ????? （ 211） f為彈簧的初始長度 (mm)， k為彈簧的彈性系數(shù) (N/mm)。從上邊的式子可以看出，彈簧壓緊力 f 只是位移函數(shù)，因此該機構(gòu)具有負反饋作用，在一定的管徑變化范圍內(nèi)，封閉力之和 N 變化不大。由此可見該機構(gòu)具有常封閉特性，這樣便增加了載體的穩(wěn)定性和可靠性，同時由于彈簧壓緊力 f的回饋作用可使機構(gòu)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。 動力系統(tǒng)的設(shè)計計算 管道機器人行駛阻力分析 在計算前，我們先設(shè)定我們所設(shè)計的機器人的行進速度是 。機器人在管道內(nèi)進行清洗作業(yè)時，必須克服來自管道內(nèi)表面的滾動摩擦阻力 fF fGF f N? ? （ 212） 式中， f 是滾動摩擦因數(shù)，即輪子在一定條件下滾動所需要的推力。 ∑ NG為機器人輪子負荷之和。也就是： fF =f {? ?cos 60RG ? ?? ? ?cos 60RG ? ?? （ 213） 式中 ? — 機器人管內(nèi)作業(yè)姿態(tài)角， 華北科技學院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 第 23頁 共 45頁 RG — 機器人本體重量， kg 。 當姿態(tài)角分別為 60176。 或者 60176。 時候，系統(tǒng)的阻力最大。 預設(shè) ? 為 ，機器人重量為 ， 打撈最大質(zhì)量 300g ， 由于輪子手的是彈簧調(diào)節(jié)，則彈簧對輪子又很大的壓力，由于我們采用的是型芯磨頭切削，對車身的穩(wěn)定性要求較其他更為嚴格，假設(shè)彈簧對輪子的壓力是 ， F? =5 49N?? 。 總阻力 F 49 0. 5 24 .5 .N? ? ? 根據(jù)實際情況，我們設(shè)計主動輪半徑 50r mm? ，總阻力矩為： M Fr? ?? = 2 4 5 0 .0 5 1 2 .2 5 Nm?? 已經(jīng)設(shè)過機器人行進速度為 /mms ， 也就是 /m min ， 則主動輪轉(zhuǎn)速應(yīng)該是 ： nw=2vr? = ?? = /r min 電機的額定轉(zhuǎn)速為 1500 /r min 系統(tǒng)傳動比為 ： 1500 4493 .3 4swni n? ? ? 電機提供的驅(qū)動力矩為： q sMM i?? = 1 2 .2 5 0 .5 64 4 9 0 .3 2 0 .1 5 Nm??? 9550nq TP ?? 0 . 5 6 1 5 0 0 0 . 0 1 8 1 89550 K W W? ?? 考慮機器人在管 道內(nèi)行進出現(xiàn)的在和突變情況，取安全系數(shù)為 2 ，則電 機的功率為 36W ,電機選用 5614YS 型。如下表。 得：轉(zhuǎn)速為 1500 /r min 管道機器人的設(shè)計與運動仿真 第 24頁 共 45頁 額定功率為 60W 額定電流為 效率為 56% 功率因數(shù)為 額定轉(zhuǎn)矩為 華北科技學院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 第 25頁 共 45頁 表 21 YS 系列電機技術(shù)參數(shù) 表 21 YS 系列電機技術(shù)參數(shù)續(xù) 管道機器人的設(shè)計與運動仿真 第 26頁 共 45頁 減速器的選擇 在選擇了電機型號之后，需要選擇與之相應(yīng)的減速器。在確定了減速器的類型后，減速器的選擇關(guān)鍵在減速比的選擇。 考慮驅(qū)動能力時減速比的計算 根據(jù)電機的相關(guān)資料，可知電機的額定轉(zhuǎn)矩為 ，為滿足機器人能正常行駛，則整個軀動系統(tǒng)電機的驅(qū)動力矩經(jīng)傳動系統(tǒng)減速增扭后，驅(qū)動力矩應(yīng)大于等于機器人所受到的總的阻力矩，即應(yīng)保證傳動系統(tǒng)的傳動比mini 應(yīng)滿足： mini ? DMM? ?? 2．考慮機器人最高運行速度傳動比的計算 根據(jù)電機相關(guān)資料，可知電機的額定轉(zhuǎn)速為 15 00 /d r minn ? 則傳動系統(tǒng)華北科技學院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 第 27頁 共 45頁 的最大傳動比maxi 應(yīng)該滿足：maxi dwnn? 1500 ?? 基于上述傳動比，我們可以確定傳動系統(tǒng)的傳動比si 應(yīng)該滿足： mini maxsii?? （ 214） 傳動比里面蝸桿傳動的傳動比為：wi=580，選用 20 則減速器的出動比ri 為： maxmin rw d w dii ii i i i?? （ 215） 我們選用 12ri? 根據(jù)《小功率計算機》書上說明，選用 GBX40 行星減速器。其參數(shù)如表 22所示： 表 22 減速器參數(shù)表 效率 最 大 允 許 徑 向 受 力 N 200 最 大 允 許 軸 向 受 力 N 200 連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩 Nm? 20 減速 比 12： 1 管道機器人的設(shè)計與運動仿真 第 28頁 共 45頁 機器人的速度和驅(qū)動能力校核 確定電機和減速器后，我們必須進行機器人的運動速度和驅(qū)動能力的校核，以確保機器人有足夠驅(qū)動力的同時，能滿足機器人的最高行走速度要求。 運動速度校核 根據(jù)以上所選電機和減速器的性能指針，可知電機的額定轉(zhuǎn)速 30 00 /d r minn ? ，減速器的傳動比是 12，以及機器人所要求的主動輪半徑 ? ，可以計算出機器人在確定電機和減速器后的最高車速 V 。 2 2 3 . 1 4 0 . 0 5 1 5 0 0 1 . 81 2 2 0 1dr w drV ni i i? ???? ? ??? 雖然 V 大于預期 設(shè)定速度，但是我們可以通過控制電機的轉(zhuǎn)速 使機器人低于此速度行駛，而且還有一定得速度儲備，在機器人需要快速行進至工作位置的情況下，盡可能有較快的速度。 驅(qū)動能力校核