【正文】 在此，衷心感謝河南工程學院，感謝孟老師提供一個深入學習的平臺！ 再次還要一并感謝這些天各位同學給予的關心和幫助，文中還引用了許多文獻資料的內(nèi)容，在論文的參考文獻中列出了部分文獻的作者和出處，在此深表謝意！ 35 參考文獻 [1] 張秀麗 ， 鄭浩峻，趙里遙 .一種小型管道檢測機器人［ J］ .機器人 .(7): 626~629. [2] 錢晉武，章亞男，孫麟治等 .FC 螺旋輪驅(qū)動的細小管內(nèi)移 動機器人的研究［ J］ .光學精密工程，(4): 54~58. [3] 宋一然，顏國正 ， 林良明 .FC 基于電磁驅(qū)動的蠕動型微機器人運動機理［ G］ .上海交通大學學報 ， (11) : 1504 ~1530. [4] 孫萍，孫麟治，秦新捷等 .壓電式細小管道微機器人結(jié)構特點與運動分析［ J].儀器儀表學報 ，2022，增刊 335 ~ 336. [5] 龔進峰，彭商賢 .履帶式可變結(jié)構管道機器人及其雙控制系統(tǒng)的研究［ J].高技術通訊，2022.(12):70 ~72. [7] 朱敬德，周明 ， 應金貴等 .在役 石油管道檢測機器人機械設計［ J］ .上海大學學報（自然科學版） (7):57 ~ 59. [8] 陳晶晶．基于 MSP430 單片機的智能小車設計與實現(xiàn) [J].孝感學院學報 2022 年 11 月第 30 卷第 6 期 . [9] 蔣賢海，羅彤．路徑識別智能小車 [J]廣東水利電力職業(yè)技術學院學報 2022 年第 9 卷第 1 期 . [10] 余永權，江明慧，黃英．單片機在控制系統(tǒng)中的應用 [M].北京電子出版社 2022 年 10. [11] 藍和慧，寧武．單片機原理與技術應用 [M].北京大學出版社 2022 年 05 月 . [12] 鄧志輝，朱江 ．基于 Atmega8515 的輪式智能小車控制系統(tǒng)的設計 [J].農(nóng)業(yè)科技與裝備 2022年 2 月第 2 期 . [13] 何立民．單片機技術的現(xiàn)狀與未來 [J].中國計算機報 1995 年 No:30. 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[23] Explorer : Untet hered Real_ ti m e Gas Main Assessment Robot System， 1st International Workshop on Advances in Service Robotics ， ASER 0 39。 這次畢業(yè)設計，給我一次很好的實戰(zhàn)機會，為以后的工作打開了一扇門，讓我了解到工作所需的很多寶貴的素質(zhì)，對機械專業(yè)有一個更深的認識。 畢業(yè)設計歷時幾個月，其中有開始時的不明白，到廣泛查資料了解，到做出來之后的清晰和明確，短短的幾個月，融合了很 多知識，雖然很多付出在這片論文里沒有表現(xiàn)出來，但卻教會我一種實踐的方法。要完成這一任務井下探測裝置 (井下機器人 ) 將進一步得到重視與發(fā)展。 管道機器人系統(tǒng)是一種融合了多種先進技術的機電一體化裝置，隨著現(xiàn)代制造技術、通信技術、控制技術、傳感 技術、智能技術等技術領域的發(fā)展，必將推動機器人技術在油氣管道技術領域中的廣泛應用與發(fā)展。 32 7 應用前景 綜上分析，油氣管道機器人技術是油氣管道技術的研究熱點。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量不大，因此，采用 RS422 的 9 位異步串行口通訊，波特率選為 1202bps，由 89C51 定時器 1 產(chǎn)生。由于光耦開啟、關斷時間的差異，輸出波形有一定失真，經(jīng)過 IR2110 整形、變換，輸出為欠對稱方波，其中低電平時間約為高電平時間的 倍，由此形成的電樞電流換向死區(qū)，有助于減輕對續(xù)流二極管的沖擊，使電機工作更加平穩(wěn)。 IRF540 是 TMOS 場效應管，擊穿電壓 BVDS： 100V， 柵源極門檻電壓 VGS ( th) ： 4V ，正向最大導通電流 ID( ON )： 27A，開關時間分別為 TON= 30ns， TOFF= 80ns。 H 橋式驅(qū)動電路 ( H bridged power amplifier) 管道機器人的運動控制包括升降速、正反轉(zhuǎn)和制動控制。 MAS708 為看門狗芯片，用于維持 AT89C51 單片機的穩(wěn)定運行。其中，超聲傳感器的驅(qū)動是硬件問題，關鍵在于振蕩電路和驅(qū)動電路的設計，本文使用集成運放設計的超聲傳感器，其發(fā)射電路和接受電路分別如圖 51 和圖 52 所示。超聲檢測是目前廣泛應用的一種無損檢測方法 ,具有靈敏度高、穿透力強、探傷靈活、效率高、成本低的特點。 （ 2） 現(xiàn)在市場上數(shù)碼攝像頭的連接方式有接口卡、并口和 USB 接口三種。（見圖 42） 25 （ a） (b) 圖 42 機器人處于彎管時的幾何約束 當機器人的兩個端面在彎管的直邊部分時，機器人的直徑和長度應滿足下式 ： 0d( R+D/2) C O S ( a/2 ) － ( R－ D/2) L max =( R+D/2) C S C ( a /2) － ( R－ D/2 +d) c o t ( a /2) 當機器人的兩個端面在彎管的彎曲部分時， 機器人的直徑和長度應滿足下式： 0dD L max=2[(R+D/2)2－ (R－ D/2+d)2]1/2 當彎管幾何尺寸滿足 ( R+D/2) C O S ( a/2 ) － ( R－ D/2) 0 時， 機器人通過彎管時， 兩端面不能同時在兩彎端的直管部分， 這時只需考慮機器人兩端面在彎管彎曲部分的情況 ( 見圖 42) ， 此時機器人的直徑和長度應滿足上式。 管道環(huán)境對機器人的幾何約束 彎道是管道機器人工作時常遇到的障礙，管道 機器人若想順利完成任務，就必須能夠順利通過彎管，所以機器人的設計必須滿足彎道的幾何約束。 圖 41 管道機器人擱淺示意圖 當管道機器人經(jīng)過的管道曲率半徑大于此時管道的曲率半徑，機器人則能順利通過。 探測頭的定位方案 探測頭和一個旋轉(zhuǎn)電機連接在一起，實現(xiàn)圓周運動，可以進行周向全方位掃描。 彈簧的設計與選擇 拉伸彈簧是直進輪式管道機器人的關鍵部件，如果拉伸彈簧的拉力不夠，不能保證每組 輪軸 機構都能被拉開使車輪擠壓在石油管道內(nèi)壁，這樣不能保證機器人能夠平穩(wěn)行駛；如果拉伸彈簧的拉力太大，雖能保證機構都能被拉開并擠壓在石油管道內(nèi)壁，22 但擠壓在石油管道內(nèi)壁的壓力過大，使得直進輪式管道機器人運動阻力過大，這對電機要求也會相應提高。鍵的截面尺寸（鍵寬 b 和鍵高h）按軸的直徑 d 由標準中選定；鍵的長度 L 可根據(jù)輪轂的長度確定 ， 可取鍵長等于或略短于輪轂的寬度；導向平鍵應按輪轂的長度及滑動距離而定。 （ 3）普通平鍵的底面與鍵槽底面應貼實。 （ 2）普通平鍵的兩側(cè)面與軸鍵槽的配合一般有間隙。 電機連接軸的設計 圖 36 電機連接軸 20 表 33 電機選擇參數(shù) 電壓 空載 負載 堵轉(zhuǎn) 減速比 減速箱長 重量 V 轉(zhuǎn)速 電流 轉(zhuǎn)速 電流 扭矩 功率 扭矩 電流 1:00 mm 約 rpm/min A rpm/min A m W m A g 12 464 371 3 8 10 1 19 250 290 232 4 8 13 1 10 19 250 154 123 5 8 16 1 22 258 97 7 8 18 1 30 22 258 66 53 9 8 22 1 24 263 51 61 10 8 25 1 24 263 32 26 12 8 30 1 90 24 263 22 18 14 8 35 1 268 17 14 15 8 38 1 268 24 轉(zhuǎn)速 電流 轉(zhuǎn)速 電流 扭矩 功率 扭矩 電流 928 724 4 12 10 2 19 250 580 464 6 12 15 2 10 19 250 308 246 9 12 20 2 22 258 20 16 21 12 55 2 270 26． 5 275 表 31 選擇電機參數(shù) 電壓 24V 轉(zhuǎn)速 16r/min 功率 12w 電流 減速比 27 體長 額定力矩 21Nm 重量 275g 21 采用鍵連接，使結(jié)構緊湊穩(wěn)定。 大體估計總 質(zhì)量 為 2kg。本設計任務中對移動機構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構。 圖 32 力學分析原理 分析可知，整個移動機構是依靠電機驅(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，機器人在管道內(nèi)部的前進、后退、啟停、加減速等動作只需控制電機的正反轉(zhuǎn)、啟停和調(diào)整電機電壓大小來實現(xiàn)。機械平臺共有 6 組 12 個驅(qū)動輪和 6 組 12 個支撐輪，為了使計算出的負載能力有一定的安全系數(shù)，所以只考慮 12 個驅(qū)動輪的負載能力來平衡機械本體的負載。因此有必要將機構的負載能力，或說軸向輸出牽引力，作為一個重要的指標來分析。該機器人的供電方式為拖纜供電，隨著機器人在管道內(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，所以要求機器人的移動機構有一定的帶載能力。 16 3 管道機器人行走機構的分析與設計 旋轉(zhuǎn)輪的結(jié)構設計 圖 31 旋轉(zhuǎn)輪零件圖 旋轉(zhuǎn)輪盤選擇兩盤相扣結(jié)構，使機構更加 靈活。由于彈簧機械性能及參數(shù)變化該機構設計上有調(diào)正環(huán)節(jié)，以使 3 個彈簧拉力基本平衡自定心。對稱機構，雙電機安裝方式可 以使機器人前進速度快，驅(qū)動力大； 控制方便； 機構的管內(nèi)穩(wěn)定性好。電機采用內(nèi)嵌式安裝在支撐體 1（ 2) 上，支撐體 1（ 2）通過彈簧、萬向聯(lián)結(jié)接頭與無損檢測傳感器相聯(lián)結(jié)。 螺旋輪式管道機器人的運動機理 機構的原理 如圖 23，螺旋機構由驅(qū)動電機 Μ1(Μ2) ,旋轉(zhuǎn)體 1（ 2） 和支撐體 1（ 2） 組成。常見的輪式驅(qū)動機構有直進輪式驅(qū)動和螺旋輪式推進兩種方式。 圖 22 蠕動機器人的運動原理 綜合輪式驅(qū)動、履帶式驅(qū)動、腿式驅(qū)動、電磁式驅(qū)動等不同結(jié)構的優(yōu)缺點， 以及簡單性和實用性特點，最后確定采用輪式驅(qū)動結(jié)構。 下面以電磁驅(qū)動的蠕動式管道機器人為例，分析蠕動式管道機器人的運動機理。蠕動式管道機器人主要由蠕動部分、頭部、尾部組成，如圖 22 所示。蠕動式驅(qū)動的優(yōu)點在于可適用管徑及曲率的變化。走效率高，能以一定的速度平穩(wěn)地運動。均勻分布的 3 個蝸輪 ,蝸輪又通過鏈輪和鏈條帶動機器人本體的車輪轉(zhuǎn)動 ,實現(xiàn)機器人本體在管道內(nèi)的前進或后退。輪式管內(nèi)移動機器人行走的基本原理是驅(qū)動輪靠彈簧力、液壓、氣動力 ,磁性力等壓緊在管道內(nèi)壁上以支承機器人本體并產(chǎn)生一定的正壓力 ,由驅(qū)動輪與管壁之間的附著力產(chǎn)生機器人前 后 行走的驅(qū)動力 ,以實現(xiàn)機器人的移動。當機器人在直管內(nèi)行走時，本體上的電動機 M1 通過減速裝置帶動本體上的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，使機器人沿直管行走。 (5)基本尺寸的確定，使機構滿足一定的幾何限制條件 。 此外，鋁合金的加工工藝多種多樣。也就是說，碳素纖維因為有纖維的特性所以在一定的纖維方向上受力能力很強，但是在在別的方向上的受力就會很差。利用鋁合金陽極氧化處理后可以進行著色的特點，制成各種裝飾品。鋁合金比純鋁具有更好的物理力學性能：易加工、耐久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富。 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，擬訂幾個可行的變徑方案，并對每個方案進行可