【導(dǎo)讀】進(jìn)行檢測與修補(bǔ)作業(yè)。要求具有電纜控制和遙控兩種功能。完成傳感檢測原理與檢測作業(yè)功能裝。置設(shè)計與控制系統(tǒng)方案。完成管道檢測作業(yè)機(jī)器人總體布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計計算與行走方式確定；整理相關(guān)資料，撰寫設(shè)計說明書。要求設(shè)計圖紙不少于4張1#圖，設(shè)計說明書不少于50頁。2)劉政華，何將三.機(jī)械電子學(xué).長沙：國防科技大學(xué)出版社，紙圖面清晰、整潔，布局較合理，視圖表達(dá)完整，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。計說明書結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，條理性較強(qiáng)，寫作格式符合規(guī)范，文檔齊全。同時，在畢業(yè)設(shè)計過程中尊。師守紀(jì)，虛心好學(xué)，團(tuán)結(jié)同學(xué)，樂于助人，體現(xiàn)了較好的協(xié)作精神。XXX同學(xué)較好地完成了畢業(yè)設(shè)計任務(wù)，達(dá)到了本科畢業(yè)設(shè)計的要求，計方案的合理性?？紤]問題比較全面。畢業(yè)設(shè)計說明書內(nèi)容齊全，概念清楚，分析問題、解決問題的。對所提問題較能正確回答。

　　

【正文】 人的總體方案設(shè)計 21 管道檢測作業(yè)機(jī)器人檢測控制系統(tǒng) 在役輸油管道檢測機(jī)器人的研制開發(fā)中，很重要的環(huán) 節(jié)就是機(jī)器人要能準(zhǔn)確檢測到管道缺陷，即通過傳感器的作用，在管道機(jī)器人的運(yùn)動過程中測定管道的壁厚厚度，準(zhǔn)確處理測到的數(shù)據(jù)。本文主要介紹了旋轉(zhuǎn)超聲探頭的檢測原理以及處理方法。超聲波檢測是目前應(yīng)用最為廣泛的一種無損檢測方法，它具有靈敏度高、穿透力強(qiáng)、探傷靈活、效率高、成本低，對人體無傷害等優(yōu)點(diǎn)，不僅可探測金屬及非金屬材料的缺陷（內(nèi)部和表面的），還可以測定材料的厚度及強(qiáng)度。 超聲測距 ]15[ 的原理也是通過檢測超聲波從發(fā)射到反射的時間來進(jìn)行測距的，通常其所選擇的基本頻率與所要測量 的距離相關(guān)。在移動機(jī)器人研究中，單個超聲波傳感器的測量開角有限，為獲取平面內(nèi)更大范圍信息，通常將多個傳感器排著環(huán)形或其他形狀陣列。超聲傳感器的環(huán)境適應(yīng)能力相對較強(qiáng)，體積小，價格低廉，在早期的移動機(jī)器人研究中使用較多，但它同激光測距儀相比在性能和精度上存在明顯不足 :(1)由于超聲波在空氣中的傳播時能量會有較大的衰減，因此如果反射的超聲能量太弱以至于低于某一門限值，那就會得不到距離信息，而且通常超聲的返回信號會有比較大的噪聲干擾，導(dǎo)致難以得到準(zhǔn)確的距離信息。 Birsel和 Barshan等人為超聲反射信號的幅度建 立了模型，并采用了證據(jù)推理方法來得到相對可靠的距離 。(2)超聲的波長一般在幾個毫米級別，比一般室內(nèi)環(huán)境表面的粗糙度要大很多，因此容易發(fā)生鏡面反射現(xiàn)象。這樣換能器發(fā)射出去的聲波往往要經(jīng)過多次鏡面反射才能到達(dá)接收器，導(dǎo)致測得距離出錯 。(3)超聲波波束角較大，且存在不同傳感器間交叉干擾的問題，使得反射目標(biāo)點(diǎn)的準(zhǔn)確方位難以確定。相對激光雷達(dá)，超聲測距的數(shù)據(jù)采集延遲也比較大。因此，超聲波傳感器一般僅應(yīng)用于對感知精度要求不高的場合。 超聲波是指頻率在 2021Hz 以上，不能引起正 常人聽覺反應(yīng)的機(jī)械振動波，是物體的機(jī)械振動在彈性介質(zhì)中的傳播所形成的機(jī)械振動波。由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同，聲波的波形也不同，聲波的波形可分為：縱波、橫波、表面波、蘭姆波。 縱波、橫波及表面波的速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度。在役石油管道的受蝕缺中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 2 章 管道檢測作業(yè)機(jī)器人的總體方案設(shè)計 22 陷主要是管壁的受蝕減薄，用超聲檢測技術(shù)來探測輸油管道壁厚的厚度最為簡便和直接，其檢測原理如圖 27。 圖 27 管道機(jī)器人測量壁厚的原理圖 當(dāng)超聲探頭對管壁發(fā)出一個超聲脈沖后，探頭首先接收到由管壁的內(nèi)表面反射回來的脈沖，這個脈沖與基準(zhǔn) 脈沖之間的間距是很容易測量的，該間距值表示為。然后，超聲探頭又會接收到由管壁的外表面反射回來的脈沖，這個脈沖與內(nèi)表面產(chǎn)生的脈沖之間的間距為值就反映了管壁的厚度。對于反射波，要經(jīng)處理、整形后形成厚度方波，為了達(dá)到預(yù)求的精度，該方波還要被放大數(shù)十倍，另外還需對放大的方波進(jìn)行脈沖填充，脈沖填充的個數(shù)的多少就構(gòu)成了所測厚度的具體數(shù)據(jù)，在檢測時，這些數(shù)據(jù)需實時存入機(jī)器人體內(nèi)的存儲器中，最終的數(shù)據(jù)分析由地面的計算機(jī)完成。 本章小結(jié) 本章在分析各種管道檢測機(jī)器人各種方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合本課題設(shè)計目標(biāo)，提出了基于內(nèi)螺 旋推進(jìn)管道檢測機(jī)器人總體方案，其中行走機(jī)構(gòu)采用 行星齒輪系傳遞動力和膠輪式可轉(zhuǎn)橡膠輪 ，裂紋位置確定采用里程輪定位系統(tǒng)，裂紋檢測采用超聲波檢測方案，為后續(xù)具體設(shè)計與仿真實驗提供了 理論 基礎(chǔ)。 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 3 章 管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計 23 第 3章 管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計 管道作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體是機(jī)器人檢測控制系統(tǒng)的安裝、穩(wěn)定工作的載體。本章主要就機(jī)器人的里程輪定位系統(tǒng)和超聲波檢測系 統(tǒng)的工作原理和零部件組成以及各個部件的具體設(shè)計和校核。在 此基礎(chǔ)上，通過 SolidWorks 對 設(shè)計的 主要 零部件進(jìn)行了 三維 建模，為后續(xù)的虛擬樣機(jī)仿真提供了 準(zhǔn)備工作。 機(jī)械本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計 彎道是管道機(jī)器人工作時常遇到的障礙，管道機(jī)器人若想順利完成任務(wù)， 就必須能夠順利通過彎管，所以機(jī)器人的設(shè)計必須滿足彎道的幾何約束 ]16[ 。 彎管的主要參數(shù)有曲率半徑 R、彎曲角度 ? 和管道內(nèi)徑 D，設(shè)計時必須考慮周全，且當(dāng)參數(shù)確定時，相對細(xì)長或短粗的機(jī)器人都會發(fā)生卡死現(xiàn)象。下面將討論這三個參數(shù)對機(jī)器人幾何尺寸的影響．機(jī)器人在管道中最惡劣的情況如圖 2所示，處于彎管正中央的位置，其中 L 為機(jī)器人主體長度， d 為機(jī)器人主體徑向最大尺寸．在彎管幾何參數(shù)滿足 (R+D／ 2)COS( 2? )(RD／ 2)0的情況下，機(jī)器人通過彎管時需考慮兩種情況：①機(jī)器人的兩個端面在彎管的直邊部分 (見圖 31(a))；②機(jī)器人的兩個端面在彎管的彎曲部分 (見圖 31(b))． 圖 31 機(jī)器人本體在管道內(nèi)收到的幾何約束 當(dāng)機(jī)器人的兩個端面在彎管的直邊部分時，機(jī)器人的直徑和長度應(yīng)滿足下式： 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 3 章 管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計 24 ? ????????????????)2/c o t ()2/()2/c s c ()2/()2/()2/c o s (20m a x ???dDRDRLDRDRd （ 31） 由計算可得 maxL =。 當(dāng)機(jī)器人的兩個端面在彎管的彎曲部分時，機(jī)器人的直徑和長度應(yīng)滿足下式： ????????????22m a x )2/()2/(20dDRDRLDd （ 32） 由計算可得 maxL =。 當(dāng)彎管幾何尺寸滿足 (R+D／ 2)COS(λ／ 2)一 (R— D／ 2)0時，機(jī)器人通過彎管時，兩端面不能同時在兩端的直管部分，這時只需考慮機(jī)器人兩端面在彎管彎曲部分的情況 (見圖31(b))，此時機(jī)器人的直徑和長度應(yīng)滿足式 (32)． 綜上所述，可確定 L 取值為 250mm。 經(jīng)過設(shè)計形成了管道檢測作業(yè)機(jī)器人 總體方案 的三維模型 如圖 32。 圖 32 管道檢測作業(yè)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖 里程輪工作原理 由于管道內(nèi)檢測器拾取的管道腐蝕或者形變信號是同管道位置一一對應(yīng)的。因此對于判驅(qū)動電機(jī) 固定裝置 萬向節(jié) 超聲波系統(tǒng) 里程輪系統(tǒng) 4．行走機(jī)構(gòu) 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 3 章 管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計 25 斷管道腐蝕位置 ,選擇開挖地點(diǎn) ,要 依據(jù)管道內(nèi)檢測器在管道中運(yùn)行時對自身位置的測量。管道內(nèi)檢測器的定位方法由 兩 部分組成 ： 一是里程輪定位 ??17 ,二是地面標(biāo)記系統(tǒng)。 管道內(nèi)情況復(fù)雜 ,里程輪可能出現(xiàn)打滑、故障等情況 ,因此一般在管道徑向圓周內(nèi)安裝 3個或者 4個里程輪 ,每個里程輪在轉(zhuǎn)動過程中都會發(fā)出 1路脈沖信號 ,此信號攜帶管道內(nèi)檢測器運(yùn)行速度信息，必須選擇其中 1路誤差最小的信號作為里程計量信號進(jìn)行跟蹤。在實際運(yùn)行過程中所跟蹤信號可能出現(xiàn)故障 ,比如打滑、停轉(zhuǎn) ,因此 ,要通過實時比較幾路信號的方法來確定當(dāng)前跟蹤的信號是否 正常。正常 ,則繼續(xù)跟蹤此路信號 ； 不正常 ,則要選擇其他的里程輪信號進(jìn)行跟蹤。里程輪工作狀態(tài)的判斷要快速準(zhǔn)確 ,這樣才能減少里程計量誤差。 本設(shè)計方案中采用霍爾元件感應(yīng)效應(yīng)來得出里程輪的行走路程?；魻栐脑硎钱?dāng)磁鐵接近霍爾元件時，產(chǎn)生一個霍爾電壓，經(jīng)過電路處理放大，再由單片機(jī)接受，再將數(shù)據(jù)送至計算機(jī)進(jìn)行處理。 這里采用的霍爾磁流傳感器 ??18 ，當(dāng)里程輪在管道內(nèi)壁行走過程中，每行進(jìn)一周，霍爾元件即產(chǎn)生四個脈沖電流（電壓），這樣通過單片機(jī)接受信號并處理放大，可以記下里程輪走過 的路程。 霍爾傳感器 是根據(jù) 霍爾效應(yīng) 制作的一種 磁場傳感器 。霍爾效應(yīng)（如圖 33）是指 在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流 I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B的勻強(qiáng)磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為 HU 的霍爾電壓 。 圖 33 霍爾效應(yīng) 開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器是磁敏接近式傳感器，具有應(yīng)用靈活、寬工作電壓范圍和采樣頻率高等特點(diǎn)，是一 種可靠性高無接觸清潔型傳感器，在位置傳感、旋轉(zhuǎn)測量等方面得到了廣泛應(yīng)用。開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器主要 采用 雙極鎖存型 。 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 3 章 管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計 26 霍爾芯片某一個感應(yīng)面為磁體的 S極敏感，假設(shè)該面為 S面，那么另一面一定是 N極敏感，假設(shè)該面叫 N面 。 將兩個開關(guān)型霍爾芯片 A、 B貼近疊放在一起， A芯片在前且 S面朝外， B芯片在后且 N面朝外，兩芯片的開路輸出 0a、 0b連接作為一個輸出端，共用同一電源，并封裝在一個銅質(zhì)羅栓裝置中，芯片的作用面朝向磁體的磁極 N或 S，結(jié)構(gòu)原理參見圖 33。由于 A、B芯片前后疊放，磁場要穿過 A芯片作用 B芯片的敏感面，顯然 B芯片的 靈敏度會有所下降。實驗證明磁體對底層 B芯片的觸發(fā)距離與 A芯片相比減少 ，為補(bǔ)償 B芯片靈敏度的降低，可通過在其背后襯加一小鐵磁質(zhì)材料的方法來補(bǔ)償。稀土磁鋼的磁場無須補(bǔ)償就能夠穿過 A芯片并能作用觸發(fā) B芯片，當(dāng) S極接近傳感器時， A芯片輸出， N極接近傳感器時， B芯片輸出。這樣，無論磁體的那個磁極接近傳感器，總有一個芯片輸出，而對磁體的極性無需關(guān)心。雙極性開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器優(yōu)點(diǎn)是無須關(guān)心磁體極性，傳感器的互換性強(qiáng)，更換維護(hù)方便。不足的是采用兩個芯片，成本稍有增加， B芯片的作用距離稍微減少。 圖 34 雙霍爾芯片采樣 原理圖 本里程輪技術(shù)系統(tǒng)采用最為簡單可靠的爽霍爾芯片取樣，因此使用的是如圖 34的設(shè)計原理。只須將霍爾元件放 在里程輪連桿的事先 制造好的槽內(nèi)，并用固體膠將其固定。這樣霍爾元件也將跟隨彈簧的伸縮 而運(yùn)動 ，但是測定里程輪的周長所在不變，計量準(zhǔn)確。 里程輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 基于對管道檢測作業(yè)機(jī)器人的里程輪定位需求和精度要求，在里程輪 ??19 的設(shè)計中，不能使里程輪在行進(jìn)過程中產(chǎn)生徑向的位移，需要在徑向?qū)锍梯喗Y(jié)構(gòu)進(jìn)行完全的固定，同 時，在軸向必須 讓里程輪行動自如，不受箱體的約束和管道的限制，在 此 基礎(chǔ)上，管道機(jī)器人必中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 3 章 管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計 27 須要有一定的管道自適應(yīng)性，這樣就是用了壓縮彈簧在一定范圍內(nèi)進(jìn)行壓縮和 拉伸 。 在本管道檢測作業(yè)機(jī)器人的里程輪系統(tǒng)設(shè)計中，由于機(jī)械本體設(shè)計已將里程輪箱體設(shè)計為 ? 250mm，同時最大的機(jī)器人本體（彈簧在最初始的壓縮狀態(tài)）在開始時為 ? 300mm，因此設(shè)計測彈簧可以自由伸縮的范圍為 mmmmdDx 252 2503002 ?????? （ 33） 考慮到彈簧的伸縮量不能使里程輪的最外邊緣超出箱體的最外邊緣，因此取彈簧的自由伸縮量為 mmx 15?? 。 里程輪系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 根據(jù)上述結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計要求， 采用里程輪進(jìn)行距離測量是智能清管器常用的缺陷定位方法，里程輪由非導(dǎo)磁金屬制成，踏面壓花紋防止打滑。里程輪安裝于清管器殼體上，通過彈性支撐裝置與管道內(nèi)壁緊密接觸，在里程輪邊緣沿圓周均勻嵌入多塊小型稀土釹鐵硼磁鐵，用霍耳磁敏傳感器檢測里程輪的轉(zhuǎn)數(shù)，里程輪每轉(zhuǎn)動一周，產(chǎn)生多個脈沖 信號，通過里程輪直徑及其轉(zhuǎn)數(shù)得到清管器的行駛里程。為防止里程輪在清管器行進(jìn)過程中打滑造成轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)據(jù)的丟失，通常在清管器殼體上安裝多個里程輪，將各里程輪產(chǎn)生的脈沖通過相關(guān)算法運(yùn)算可實現(xiàn)精確定位。 里程輪系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 35所示。 圖 35 里程輪系統(tǒng) 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 3 章 管道檢測作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計 28 超聲波檢測系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)的選擇 根據(jù)小組成員朱凱 同學(xué) 對超聲波系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速要求為 330r/min，選擇的微電機(jī) ??20 必須是額定轉(zhuǎn)速超出 330r/min，而滿載轉(zhuǎn)速與 330r/min 相差為 min/20r? 。經(jīng)過在 淘寶網(wǎng)一店家處咨詢查的有如下直流驅(qū)動微電機(jī)合適本系統(tǒng)的設(shè)計要求， 其參數(shù)如表 31。 表 31 超聲波系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)參數(shù) 型號 電壓 空載 轉(zhuǎn)速 滿載轉(zhuǎn)速 輸出扭矩 重量 ZGB37RH DC24V 400r/min 310r/min 2156N m 0..32kg 根據(jù)設(shè)計要求，在根據(jù)所選電機(jī)型號?？傻秒姍C(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 36 圖 36 超聲波系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī) 根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)參數(shù)可知