【正文】 圖49平臺(tái)架 Platform frame（8）驅(qū)動(dòng)電機(jī)如圖410所示圖410 步進(jìn)電機(jī) Stepping Motor（9）檢測箱體如圖411所示 圖411 檢測箱體 Test cabinet47。圖45履帶支撐架 Track support frame（4）連接架連接架與履帶支撐架相連，中間與螺旋桿相連，如圖46，高度120mm，也可稱其為機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)。（a）（b）圖43正旋螺桿與反旋螺桿 Rotary screw and Antirotation screw（2）螺旋套螺旋套也為本課題變徑的關(guān)鍵，通過旋轉(zhuǎn)螺旋套，來調(diào)整管道機(jī)器人的張角，從而達(dá)到變徑的目的，如圖44，螺旋套長度為80mm，螺紋為80mm，牙型為等腰三角形，牙型角30度，單線螺紋。運(yùn)用SolidWorks建立的管道機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)圖如圖42所示（a）（b）（c）圖42管道機(jī)器人的整體三維結(jié)構(gòu) The overall threedimensional structure of pipeline robot（1）螺旋桿 本課題通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來適應(yīng)不同的管徑，而螺旋桿是變徑的關(guān)鍵，如圖43所示，（a）為正旋向的，（b）為反旋向的。8）鈑金設(shè)計(jì) SolidWorks 提供了頂尖的、全相關(guān)的鈑金設(shè)計(jì)能力。7）曲面建模 通過帶控制線的掃描、放樣、填充以及拖動(dòng)可控制的相切操作產(chǎn)生復(fù)雜的曲面。 通過對特征和草圖的動(dòng)態(tài)修改，用拖拽的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的設(shè)計(jì)修改。6）零件建模 SolidWorks 提供了無與倫比的、基于特征的實(shí)體建模功能。 用交替位置顯示視圖能夠方便地顯示零部件的不同的位置，以便了解運(yùn)動(dòng)的順序。 增強(qiáng)了的詳圖操作和剖視圖，包括生成剖中剖視圖、部件的圖層支持、熟悉的二維草圖功能、以及詳圖中的屬性管理員。工程圖是全相關(guān)的，當(dāng)你修改圖紙時(shí)，三維模型、各個(gè)視圖、裝配體都會(huì)自動(dòng)更新。智能化裝配技術(shù)能夠自動(dòng)地捕捉并定義裝配關(guān)系。鏡像部件能產(chǎn)生基于已有零部件（包括具有派生關(guān)系或與其他零件具有關(guān)聯(lián)關(guān)系的零件）的新的零部件。智能零件技術(shù)是一種嶄新的技術(shù)，用來完成諸如將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的螺栓裝入螺孔中，而同時(shí)按照正確的順序完成墊片和螺母的裝配。 SolidWorks 可以動(dòng)態(tài)地查看裝配體的所有運(yùn)動(dòng)，并且可以對運(yùn)動(dòng)的零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的干涉檢查和間隙檢測。在裝配的環(huán)境里，可以方便地設(shè)計(jì)和修改零部件。3D Meeting是基于微軟 NetMeeting的技術(shù)而開發(fā)的專門為SolidWorks設(shè)計(jì)人員提供的協(xié)同工作環(huán)境。 SolidWorks 支持Web目錄，使得你將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存放在互聯(lián)網(wǎng)的文件夾中，就象存本地硬盤一樣方便。 　 通過三維托管網(wǎng)站展示生動(dòng)的實(shí)體模型。 通過eDrawings方便地共享CAD文件。配置管理使得你能夠在一個(gè)CAD文檔中，通過對不同參數(shù)的變換和組合，派生出不同的零件或裝配體。 SolidWorks 提供的AutoCAD模擬器，使得AutoCAD用戶可以保持原有的作圖習(xí)慣，順利地從二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向三維實(shí)體設(shè)計(jì)。 特征模版為標(biāo)準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)特征，提供了良好的環(huán)境。 用SolidWorks資源管理器可以方便地管理CAD文件。 嶄新的屬性管理員用來高效地管理整個(gè)設(shè)計(jì)過程和步驟的。圖41 SolidWorks操作界面 SolidWorks Interface SolidWorks三維軟件的主要功能1）“全動(dòng)感的”用戶界面 只有SolidWorks 才提供了一整套完整的動(dòng)態(tài)界面和鼠標(biāo)拖動(dòng)控制。SolidWorks 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時(shí)對每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。 Solidworks 功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點(diǎn)，使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。4管道機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)4．1三維設(shè)計(jì)軟件本課題的三維造型設(shè)計(jì)采用SolidWorks進(jìn)行實(shí)體造型。第三階段：這一階段是指履帶行走裝置重力作用線越過垂壁壁線后履帶行走裝置落于垂壁頂部平面上。若=30～35，則就已接近于所能克服的最大坡度值。H=Lsin+hcos++r （310）式中H—垂直壁高度；L—履帶行走裝置重心至后主動(dòng)輪軸間的縱向距離； —履帶的傾斜角；h—重心與主動(dòng)輪軸心的高度差； —負(fù)重輪的動(dòng)行程；—主動(dòng)輪或誘導(dǎo)輪半徑；—重心高度。第二階段：這一階段是指履帶行走裝置由前輪輪軸至于垂壁棱邊到履帶行走裝置重力作用線與垂壁的垂線重合這段時(shí)間。此時(shí)作用在履帶行走裝置上有如下的力：履帶行走裝置的重力G，作用于g點(diǎn)；地面法向反作用力F，作用于A點(diǎn)；地面切向反作用力，即附著力與地面變形阻力之差，作用于A點(diǎn)；垂壁的反作用力，作用于D點(diǎn)；沿垂壁的切向反作用力，其中和為垂壁與履帶的附著系數(shù)和地面變形系數(shù)。在現(xiàn)有履帶中g(shù)點(diǎn)高于D點(diǎn)，因此當(dāng)履帶接近垂直壁時(shí)，應(yīng)該增加動(dòng)力，以使增加逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)力矩，使履帶尾部下沉而前部上升，將D點(diǎn)升到g點(diǎn)以上。此時(shí)決定于D點(diǎn)的位置。圖313跨越有坡度的壕溝 More trenches in the uphill履帶行走裝置克服垂直壁的過程可以分為三個(gè)階段，見圖314：第一階段——前輪升上壁緣；第二階段——履帶的重心前進(jìn)至與垂直壁垂線重合的位置；第三階段——履帶平緩地與垂直壁的頂部平面接觸。因此就第一階段來說，履帶能夠克服的壕寬為A=a+htg （38）式中 —上坡坡度角；h—履帶行走裝置重心高度；可是在第二階段，履帶行走裝置尾端跨過壕溝時(shí)，履帶行走裝置可以克服的壕寬將減少為：A=ahtg （39）所以，履帶在上坡時(shí)克服壕寬較在水平地面上要小。312壕溝邊緣呈坡狀時(shí)越壕 When the trench edges like the more trench slope2）跨越坡度壕溝現(xiàn)在只研究靜力克服法。如果后邊緣成下坡的斜面，則不易通過。顯然，如果履帶的行駛速度越高，在同一距離內(nèi)，履帶車體前部向溝底下落的程度便越小。用動(dòng)力法克服壕溝就是以較高的速度駛過壕溝，這樣可以增加越壕的寬度。且ab的壕溝時(shí)，當(dāng)履帶行走裝置尾部已失去壕溝后緣的支撐時(shí)，履帶行走裝置中心尚未靠近壕溝之前緣，于是履帶行走裝置尾端就落入壕溝中。且ab的壕溝時(shí)，當(dāng)履帶行走裝置前端尚未支撐在壕溝前緣時(shí)，履帶行走裝置重心就早已離開壕溝后緣，于是履帶行走裝置前段就落入壕溝中。所以用靜力法克服壕溝的可能性決定于履帶行走裝置兩端支撐點(diǎn)和履帶重心在行駛平面上的投影間的距離。如果重力作用線是在車首和對面壕壁之前超出負(fù)重面的，那么履帶行走裝置的前部就落入壕溝中。壕溝的靜力克服受履帶穩(wěn)定性喪失的限制。1）跨越水平壕溝履帶通過壕溝的寬度與履帶的接地長度，重心位置有關(guān)。對于不同結(jié)構(gòu)形式的履帶行走裝置，它們的越障礙性能也不同。履帶行走裝置的越野通過性是指在不用任何輔助裝置而能克服各種天然和人工障礙的能力，履帶的通過性主要取決于履帶本身的性能參數(shù)和幾何參數(shù)。如圖39所示，由于自適應(yīng)管徑是自主適應(yīng)，而進(jìn)入扁平管道是需要手工調(diào)節(jié)的，故關(guān)節(jié)l，關(guān)節(jié)2為手動(dòng)調(diào)節(jié)。圖39 管道機(jī)器人擺腿設(shè)計(jì)示意圖 Schematic design of pipeline robot leg swing在機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，擺腿的作用是不容忽視的。機(jī)器人傾斜傳感器：當(dāng)機(jī)器人在X’O’Y’、Y’O’Z’平面傾斜時(shí)，機(jī)器人傾斜傳感器就可以檢測出兩個(gè)方面的傾斜角，分別是管道軸線的水平面和管道軸線垂直面，機(jī)器人傾斜傳感器采用數(shù)字式傾斜計(jì)，安裝在機(jī)器人的中央主箱體內(nèi)，用于測量機(jī)器人管道截面上與垂直線的夾角。氣體傳感器：一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)?、甲烷等四種傳感器，需要時(shí)可增加氣體傳感器種類。紅外攝像機(jī)：日/夜兩用,在正常光線下和普通攝像機(jī)一樣工作。圖37 管道機(jī)器人高度調(diào)整示意圖 Schematic diagram of pipeline robot height adjustment設(shè)機(jī)器人機(jī)體寬為b，腿長為a，機(jī)器人擺腿角度為，履帶足部關(guān)節(jié)到地面距離為x，尺寸如圖38所示。因此機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)限定擺角不超過60，并由此確定機(jī)器人能進(jìn)入的最小管道直徑。圖35 管道機(jī)器人簡化機(jī)構(gòu)圖 Simplified organization chart pipe robot圖36 管道機(jī)器人受力分析圖 Force diagram pipeline robot如圖36所示為管道機(jī)器人在圓形管道內(nèi)的受力分析，圖中G為機(jī)器人機(jī)重，N為管壁對機(jī)器人履帶的支撐反力。履帶足裝置置于擺腿之外時(shí)，可視為一個(gè)寬度為B，擺腿長度為A的等效機(jī)構(gòu)，如圖35所示。圖34 管道機(jī)器人管徑調(diào)整示意圖 Schematic diagram of the robot to adjust pipe diameter如圖34所示，設(shè)機(jī)器人機(jī)體寬度b，腿長a，履帶足關(guān)節(jié)距履帶底面x，履帶足關(guān)節(jié)距履帶足中心線p，兩側(cè)擺腿角度均為0。所以圓管內(nèi)移動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)能根據(jù)管徑不同調(diào)整位置，使履帶足面可以充分與管壁接觸，從而保證機(jī)器人有足夠的牽引力。機(jī)器人調(diào)整高度過程如圖33所示。由圖31可見當(dāng)管徑發(fā)生變化時(shí)機(jī)器人通過改變擺腿的角度，調(diào)整到履帶足平面與管壁充分接觸的狀態(tài)。機(jī)器人出現(xiàn)傾斜時(shí)，還能通過水平傳感器的檢測，機(jī)器人自動(dòng)改變兩側(cè)履帶速度，糾正機(jī)器人機(jī)體位置，避免機(jī)器人傾覆。圖25 機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)原理圖 Whole structure principle diagram of the robot3履帶式管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖31所示，機(jī)器人每條擺腿都通過腿部關(guān)節(jié)與機(jī)器人本體相連。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與支架之間也是可以相對轉(zhuǎn)動(dòng)的，通過絲桿套的調(diào)整和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)同支架之間角度的調(diào)整，可以改變機(jī)器的高度，使之適應(yīng)一些特殊的管道，如形狀較矮的管道等。機(jī)器人在行走過程中，受到行走阻力、轉(zhuǎn)彎阻力、爬坡阻力以及拖線阻力的作用，另外，越障因?yàn)檫^程復(fù)雜，其所受阻力不易詳細(xì)估計(jì)，因此驅(qū)動(dòng)器必須要產(chǎn)生足夠的扭矩，所以驅(qū)動(dòng)器的選擇也是至關(guān)重要的，在很大程度上決定了管道機(jī)器人的體積、重量和性能指標(biāo)，本課題選擇步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)方式。經(jīng)過多年的實(shí)踐，人們已經(jīng)認(rèn)識到傳感器的集成，即多種傳感器的綜合運(yùn)用是解決這個(gè)問題的有效方法。4）控制系統(tǒng)和傳感器的設(shè)置問題。常用的電源供應(yīng)是高性能電池、蓄電池和管外線纜供電方式。在直管中，線纜可以順利進(jìn)出，但在彎管處，或多個(gè)彎道處必須考慮線纜的阻力。因此本方案采用