【正文】 可得電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 36 圖 36 超聲波系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)參數(shù)可知，電機(jī)。 表 31 超聲波系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù) 型號(hào) 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 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(cè)作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì) 28 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 根據(jù)小組成員朱凱 同學(xué) 對(duì)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? 。為防止里程輪在清管器行進(jìn)過(guò)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(gè)里程輪，將各里程輪產(chǎn)生的脈沖通過(guò)相關(guān)算法運(yùn)算可實(shí)現(xiàn)精確定位。 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(jì)要求， 采用里程輪進(jìn)行距離測(cè)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。 里程輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 基于對(duì)管道檢測(cè)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(jì)中，不能使里程輪在行進(jìn)過(guò)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(shí)，在軸向必須 讓里程輪行動(dòng)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(cè)作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì) 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 。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。不足的是采用兩個(gè)芯片，成本稍有增加， B芯片的作用距離稍微減少。這樣，無(wú)論磁體的那個(gè)磁極接近傳感器，總有一個(gè)芯片輸出，而對(duì)磁體的極性無(wú)需關(guān)心。實(shí)驗(yàn)證明磁體對(duì)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(guò)在其背后襯加一小鐵磁質(zhì)材料的方法來(lái)補(bǔ)償。 將兩個(gè)開(kāi)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(kāi)路輸出 0a、 0b連接作為一個(gè)輸出端，共用同一電源，并封裝在一個(gè)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(jiàn)圖 33。開(kāi)關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器主要 采用 雙極鎖存型 ?；魻栃?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(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為 HU 的霍爾電壓 。 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(guò)程中，每行進(jìn)一周，霍爾元件即產(chǎn)生四個(gè)脈沖電流（電壓），這樣通過(guò)單片機(jī)接受信號(hào)并處理放大，可以記下里程輪走過(guò) 的路程。 本設(shè)計(jì)方案中采用霍爾元件感應(yīng)效應(yīng)來(lái)得出里程輪的行走路程。正常 ,則繼續(xù)跟蹤此路信號(hào) ； 不正常 ,則要選擇其他的里程輪信號(hào)進(jìn)行跟蹤。 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(gè)或者 4個(gè)里程輪 ,每個(gè)里程輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中都會(huì)發(fā)出 1路脈沖信號(hào) ,此信號(hào)攜帶管道內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)行速度信息，必須選擇其中 1路誤差最小的信號(hào)作為里程計(jì)量信號(hào)進(jìn)行跟蹤。因此對(duì)于判驅(qū)動(dòng)電機(jī) 固定裝置 萬(wàn)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(cè)作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì) 25 斷管道腐蝕位置 ,選擇開(kāi)挖地點(diǎn) ,要 依據(jù)管道內(nèi)檢測(cè)器在管道中運(yùn)行時(shí)對(duì)自身位置的測(cè)量。 經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)形成了管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人 總體方案 的三維模型 如圖 32。 當(dāng)機(jī)器人的兩個(gè)端面在彎管的彎曲部分時(shí)，機(jī)器人的直徑和長(zhǎng)度應(yīng)滿足下式： ????????????22m a x )2/()2/(20dDRDRLDd （ 32） 由計(jì)算可得 maxL =。 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(jì)時(shí)必須考慮周全，且當(dāng)參數(shù)確定時(shí)，相對(duì)細(xì)長(zhǎng)或短粗的機(jī)器人都會(huì)發(fā)生卡死現(xiàn)象。在 此基礎(chǔ)上，通過(guò) SolidWorks 對(duì) 設(shè)計(jì)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。 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 3 章 管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì) 23 第 3章 管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì) 管道作業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體是機(jī)器人檢測(cè)控制系統(tǒng)的安裝、穩(wěn)定工作的載體。對(duì)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(duì)放大的方波進(jìn)行脈沖填充，脈沖填充的個(gè)數(shù)的多少就構(gòu)成了所測(cè)厚度的具體數(shù)據(jù)，在檢測(cè)時(shí)，這些數(shù)據(jù)需實(shí)時(shí)存入機(jī)器人體內(nèi)的存儲(chǔ)器中，最終的數(shù)據(jù)分析由地面的計(jì)算機(jī)完成。 圖 27 管道機(jī)器人測(cè)量壁厚的原理圖 當(dāng)超聲探頭對(duì)管壁發(fā)出一個(gè)超聲脈沖后，探頭首先接收到由管壁的內(nèi)表面反射回來(lái)的脈沖，這個(gè)脈沖與基準(zhǔn) 脈沖之間的間距是很容易測(cè)量的，該間距值表示為。 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。 超聲波是指頻率在 2021Hz 以上，不能引起正 常人聽(tīng)覺(jué)反應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)波，是物體的機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播所形成的機(jī)械振動(dòng)波。相對(duì)激光雷達(dá)，超聲測(cè)距的數(shù)據(jù)采集延遲也比較大。這樣換能器發(fā)射出去的聲波往往要經(jīng)過(guò)多次鏡面反射才能到達(dá)接收器，導(dǎo)致測(cè)得距離出錯(cuò) 。 Birsel和 Barshan等人為超聲反射信號(hào)的幅度建 立了模型，并采用了證據(jù)推理方法來(lái)得到相對(duì)可靠的距離 。在移動(dòng)機(jī)器人研究中，單個(gè)超聲波傳感器的測(cè)量開(kāi)角有限，為獲取平面內(nèi)更大范圍信息，通常將多個(gè)傳感器排著環(huán)形或其他形狀陣列。超聲波檢測(cè)是目前應(yīng)用最為廣泛的一種無(wú)損檢測(cè)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(duì)人體無(wú)傷害等優(yōu)點(diǎn)，不僅可探測(cè)金屬及非金屬材料的缺陷（內(nèi)部和表面的），還可以測(cè)定材料的厚度及強(qiáng)度。F — 機(jī)器人相對(duì)管道軸線下滑趨勢(shì)產(chǎn)生的摩擦力 ； F — 機(jī)器人沿管道螺旋線方向的摩擦力 ； N — 管壁對(duì)車(chē)輪的正壓力；? — 車(chē)輪與管道軸線的 夾角； FM — 車(chē)輪滾動(dòng)摩擦力矩； fM — 來(lái)自車(chē)輪軸的摩擦力矩； zyx FFF 、 — 軸承的支反力； t? — 電機(jī)輸出角速度； MM — 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩； GF — 機(jī)器人總重量 圖 29 驅(qū)動(dòng)部分受力簡(jiǎn)圖 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 2 章 管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì) 21 管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人檢測(cè)控制系統(tǒng) 在役輸油管道檢測(cè)機(jī)器人的研制開(kāi)發(fā)中，很重要的環(huán) 節(jié)就是機(jī)器人要能準(zhǔn)確檢測(cè)到管道缺陷，即通過(guò)傳感器的作用，在管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中測(cè)定管道的壁厚厚度，準(zhǔn)確處理測(cè)到的數(shù)據(jù)。機(jī)械平臺(tái)共有 6組 12個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和 6組 12個(gè)支撐輪，為了計(jì)算出的負(fù)載能力有一定的安全系數(shù)，所以只考慮 12個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的負(fù)載能力來(lái)平衡機(jī)械本體的負(fù)載，受力圖如圖 29所示。 (3)壓緊力由機(jī)械結(jié)構(gòu)保證，整體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，而且控制系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn) 。 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 2 章 管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì) 20 圖 28 螺旋驅(qū)動(dòng)部分示意圖 本方案僅適用于圓形管道，具有以下優(yōu)點(diǎn) : (1)前進(jìn)速度快，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性高 。旋轉(zhuǎn)體和支撐體的輪腿上裝有彈性機(jī)構(gòu)。改變施加于電機(jī)的電流極性，可改變機(jī)器人的移動(dòng)方向，從而使機(jī)器人在管內(nèi)進(jìn)退自如。三組驅(qū)動(dòng)輪均勻分布于旋轉(zhuǎn)體上，且與管壁呈一定的傾斜角 8? 。 管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu) 目前國(guó)內(nèi)外的管道中既有圓管又有方管，同時(shí)還有垂直方向的管道， 針對(duì)各種管道和不同工況，提出了螺旋式和履帶式兩種機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案，但鑒于石油管道和生活用管道大多采用圓形，因此只分析螺旋式移動(dòng)方案 ]14[ 。若正常 ,則繼續(xù)跟蹤此路信號(hào) ；若 不正常 ,則要選擇其他的里程輪信號(hào)進(jìn)行跟蹤。這里必須選擇其中 1路誤差最小的信號(hào)作為里程計(jì)量信號(hào)進(jìn)行跟蹤。因?yàn)橐阎@些端點(diǎn)的準(zhǔn)確位置 ,據(jù)此對(duì)檢測(cè)器計(jì)量的里程值進(jìn)行修正。在檢測(cè)過(guò)程中 ,它沿著 管道壁滾動(dòng) ,輪子每轉(zhuǎn)過(guò)一定角度 (對(duì)應(yīng)檢測(cè)器走過(guò)一定距離 ) ,安裝在輪子上的傳感器發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào) ,計(jì)算機(jī)連續(xù)收集此信號(hào)可以計(jì)算出檢測(cè)器相對(duì)位置。管道內(nèi)檢測(cè)器的定位方法由 2部分組成 :一是里程輪定位 ,二是地面標(biāo)記系統(tǒng)。 由于管道內(nèi)檢測(cè)器拾取的管道腐蝕或者形變信號(hào)是同管道位置一一對(duì)應(yīng)的。在此基礎(chǔ)上，需要在機(jī)器人的尾端使用線索連接上，這是為了防止機(jī)器人在計(jì)策過(guò)程中出現(xiàn)卡死現(xiàn)象時(shí)，可以采用人工拖拉將機(jī)器人帶回安全的地 面環(huán)境并進(jìn)行檢修。 石油管道檢測(cè)環(huán)境要求機(jī)器人的行程很長(zhǎng)，這就對(duì)機(jī)器人的動(dòng)力提出了要求。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)體上面的 6 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪沿著管壁進(jìn)行螺旋旋轉(zhuǎn)，前端和后端的驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，在與管壁的摩擦作用下，使整體的前進(jìn)方向一致。 圖 25 通過(guò)彈性桿外加推力的管道檢測(cè)機(jī)器人 管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人總體方案的組成 經(jīng)過(guò)對(duì)以上幾種行走、驅(qū)動(dòng)方案的比較，決定采用以下的設(shè)計(jì)方案 ]13[ 來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 2 章 管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì) 18 示意圖如 26 所示。利用在管外的電機(jī)推動(dòng)帶有彈性的線推動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件前進(jìn)，該驅(qū)動(dòng)部件可以越過(guò)小的臺(tái)階。 中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 2 章 管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì) 17 圖 24 美國(guó)的 PIG（ Pipeline Inspection Gauge） 利用介質(zhì)壓差驅(qū)動(dòng)的管道檢測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)需要較為輕巧，而且要求機(jī)械本體密封性較高 ，在使用的過(guò)程中需要管內(nèi)的流體有一定流速，對(duì)管道的自適應(yīng)不是很強(qiáng)。蠕動(dòng)體的蠕動(dòng)變形形態(tài)由粘貼于柔性鉸鏈部位的電阻應(yīng)變實(shí)時(shí)感應(yīng)，機(jī)器人的外形尺寸為 150 61 46mm，重 2kg，最大步距 10 m? ，行程 40mm，運(yùn)動(dòng)精度 m? 。由于蠕 動(dòng)式管道機(jī)器人行動(dòng)較為緩慢，不適合于需要迅速查清管道內(nèi)部缺陷的要求，在設(shè)計(jì)方面也需要一些生物知識(shí)，較難實(shí)現(xiàn)。該機(jī)器人主要適用 于較大管徑的管道，尤其以非圓形管道為主，在圓形管道方面不如輪式機(jī)器人的適應(yīng)性強(qiáng)。該機(jī)器人可在管內(nèi)雙向行走，自動(dòng)中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 2 章 管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì) 16 隨管道彎度轉(zhuǎn)向。 （ 2）腳式管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人 西門(mén)子公司 Werner Neubauer等人研制的管道機(jī)器人有 8支腳三種類型，可在各種類型的管里移動(dòng)，其基本原理是利用腿 推壓管壁來(lái)支撐個(gè)體，多腿可以便地在各種形狀的彎管內(nèi)移動(dòng)。 彎管，對(duì)管徑的變化具有一定適應(yīng)性；由三個(gè)或多個(gè)行走單元組成，在管道截面上平均分布。 管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人總體方案的比較 （ 1）車(chē)輪式 ]10[ 管道機(jī)器人 該機(jī)器人具有如下優(yōu)點(diǎn)：采用了一種簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)方式，并且只用了一個(gè)電機(jī)；能耗低；可以在水平的、垂直的、彎曲的管道中工作；可以自適應(yīng)變直徑的管道，并且能夠通過(guò)管道內(nèi)的小障礙物。 此次設(shè)計(jì)的要求如下：①管道內(nèi)徑 D=300mm，驅(qū)動(dòng)力 F=800N；②行進(jìn)速度 v=，能通過(guò) U 型管道；③能夠搭載微型 CCD 和無(wú)損檢測(cè)傳感器對(duì)管道內(nèi)的裂紋和腐蝕缺陷等進(jìn)行檢測(cè)。由于采用超聲波檢測(cè)技術(shù)從內(nèi)部對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，因此本文考慮檢測(cè)探頭的固定，即要完成對(duì)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)；其次要考慮機(jī)器人的推進(jìn)動(dòng)力和機(jī)械結(jié)構(gòu)，以保證機(jī)器人在管內(nèi)正常行走；再次要確定所檢測(cè)到缺陷的位 置，這就要設(shè)計(jì)一個(gè)里程機(jī)構(gòu)（管內(nèi)定位）；最后還要建立一個(gè)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。中南大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 2 章 管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì) 14 第 2 章 管道檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人的總體 方案 設(shè)計(jì) 本機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：符合 φ 300mm石油管道的適用要求和工作環(huán)境，研究石油管道超聲檢測(cè)技術(shù)。 本章小結(jié) 智能機(jī)器人在管道內(nèi)檢測(cè)管道腐蝕狀況己成為現(xiàn)在世界石油天然氣行業(yè)的趨勢(shì)，而且目前管道內(nèi)智能機(jī)器人在國(guó)內(nèi)尚屬一項(xiàng)空白技術(shù)。因國(guó)外對(duì)智能機(jī)器人技術(shù)施行技術(shù)保密，所以我國(guó)應(yīng)針對(duì)國(guó)外智能機(jī)器人的不足之處，結(jié)合國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況，在管道內(nèi)腐蝕檢測(cè)技術(shù)方面加大研究的力度，研制開(kāi)發(fā)出自己的適合我國(guó)國(guó)情的智能檢測(cè)機(jī)器人，并進(jìn)一步提高機(jī)器人檢測(cè)時(shí)的抗干擾能力，完善檢測(cè)數(shù)據(jù)的視圖工具。而漏磁機(jī)器人檢測(cè)時(shí)不受蠟