【正文】 減速電機(jī)實(shí)體圖34基本尺寸35考慮到在油管里，由于油管內(nèi)的壓力和摩擦力，選擇如下參數(shù)的電機(jī)。（2）計(jì)算驅(qū)動(dòng)機(jī)器人所需要的牽引力FF=履帶輪摩擦力+旋轉(zhuǎn)刷摩擦力，（3）電機(jī)的選取由于所需的負(fù)載轉(zhuǎn)矩小，并且轉(zhuǎn)速不宜太大，故選擇帶減速裝置的電機(jī)。T== （1）根據(jù)外形尺寸，估計(jì)機(jī)器人的總質(zhì)量MM=各個(gè)零件的質(zhì)量總和。由上一節(jié)的分析可知，在所設(shè)計(jì)的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)直進(jìn)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，電機(jī)殼體與機(jī)架固連，電機(jī)座的反力在電機(jī)內(nèi)部被平衡掉，驅(qū)動(dòng)輪僅受平面力系的作用，只能作沿軸線方向的運(yùn)動(dòng)而不會(huì)產(chǎn)生沿管道軸心線的轉(zhuǎn)動(dòng)，即整個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)是一個(gè)單自由度移動(dòng)機(jī)構(gòu)。 運(yùn)動(dòng)自由度分析移動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度的設(shè)計(jì)與其要完成的任務(wù)是相關(guān)的，往往采用完成任務(wù)時(shí)所需的最小自由度數(shù)。得出及機(jī)器人的最大載荷：W max = 12(Nf－Fsinθ)由ΣMAZ=0 ΣF y=0可得F=N/R (f1 R + f2 r)帶入可得：W max = 12[Nf－N/R (f1R + f2r)sinθ] 受力分析時(shí)的一些假設(shè)條件因?yàn)楣艿罊C(jī)器人的實(shí)際受力情況比較復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化分析和計(jì)算，所以對(duì)管道機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力情況，先做一些假設(shè)，以滿足分析的需要。受力圖如圖32 。以螺旋驅(qū)動(dòng)部分的受力為例，如圖32。對(duì)管道檢測(cè)機(jī)器人受力分析時(shí)，只考慮機(jī)器人在垂直管道上升時(shí)的情況，因?yàn)閷?duì)管道檢測(cè)機(jī)器人在垂直管道中上升過程中受到的負(fù)載最大，如果爬垂直管道時(shí)機(jī)器人的承受負(fù)載能力能夠滿足要求，那么，管道機(jī)器人本體在水平或者坡度管道時(shí)，負(fù)載能力必定能夠達(dá)到要求。由前面的分析可知，移動(dòng)機(jī)構(gòu)在管道中行走時(shí)，要實(shí)現(xiàn)力封閉及驅(qū)動(dòng)行走。反之在管徑變小時(shí)，撐緊機(jī)構(gòu)施加到車輪上的正壓力增大，從而摩擦力增大，負(fù)載增大，電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)力降低。當(dāng)檢測(cè)不同的管道時(shí)，管道內(nèi)徑可能是在一定范圍內(nèi)變化的，這種變化也會(huì)影響到移動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)載能力的變化。 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)受力分析 管道內(nèi)機(jī)器人其移動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要任務(wù)是攜帶探測(cè)、修補(bǔ)或維護(hù)所需的設(shè)備，如CCD傳感器，渦流傳感器或復(fù)雜的微操作手等，這就要求移動(dòng)機(jī)構(gòu)有一定的負(fù)載能力。支撐滾動(dòng)輪的支撐軸，設(shè)計(jì)一個(gè)凸起卡在一個(gè)盤內(nèi)，既可以防止其在盤內(nèi)軸向旋轉(zhuǎn)，又不影響適應(yīng)不同管徑?？梢赃M(jìn)行工業(yè)的應(yīng)用和推廣。當(dāng)機(jī)器人放入管內(nèi)后，彈簧力的大小仍可由外面的軸桿來調(diào)節(jié)。同時(shí)，還要考慮保證機(jī)器人能夠在彈簧力的作用下不會(huì)因其重力作用而明顯地偏離管道中心。第二：管道檢測(cè)機(jī)器人采用三節(jié)對(duì)稱結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)分擔(dān)機(jī)器人所需的驅(qū)動(dòng)力， 可以降低電機(jī)的外形尺寸， 節(jié)省軸向安裝空間；（2）轉(zhuǎn)彎時(shí)分別控制兩電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)， 可以減小轉(zhuǎn)彎時(shí)驅(qū)動(dòng)內(nèi)耗， 增加靈活性；（3）增加爬垂直管道的驅(qū)動(dòng)力；（4）前后兩部分驅(qū)動(dòng)，可以盡量縮短軸向尺寸，減小轉(zhuǎn)彎半徑。1旋轉(zhuǎn)輪 2彈簧 3輪軸 4支撐輪 5電機(jī)托蓋 6萬向節(jié)聯(lián)軸器 7探測(cè)倉 8 旋轉(zhuǎn)電機(jī) 9探測(cè)頭 10 萬向節(jié)聯(lián)軸器 11電機(jī)托蓋 12 支撐輪 13 旋轉(zhuǎn)輪 14 小輪支撐體 15 小輪 16 螺釘圖23油管檢測(cè)機(jī)器人的檢測(cè)本體結(jié)構(gòu) 機(jī)器人設(shè)計(jì)要點(diǎn)第一：輪式驅(qū)動(dòng)控制方便，可以方便地和各種傳感器（速度傳感器、壓力傳感器等）集成。旋轉(zhuǎn)體1和支撐體 1（2）的輪腿上裝有彈性機(jī)構(gòu)，使得機(jī)械本體有較好的越障能力。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θ 。管道檢測(cè)機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)由前后兩部分螺旋驅(qū)動(dòng)部分和中間的超聲波探測(cè)部分構(gòu)成。由于螺旋式推進(jìn)機(jī)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：前進(jìn)速度快，驅(qū)動(dòng)力大；對(duì)管徑大小和管道形狀變化的適應(yīng)性較強(qiáng)；控制方便；機(jī)構(gòu)的管內(nèi)穩(wěn)定性好。而且輪式驅(qū)動(dòng)控制方便，可以方便地和各種傳感器（速度傳感器、壓力傳感器等）集成。輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，行走效率高，能以一定的速度平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)。蠕動(dòng)機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)是可在細(xì)小的微型管道中行走，但由于速度的間斷性和緩慢性阻礙了它的發(fā)展。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理如圖22所示，一個(gè)動(dòng)作循環(huán)分為3個(gè)步驟：(1)當(dāng)初始狀態(tài)時(shí)，電磁鐵失電，彈簧處于自由狀態(tài)，故頭部與尾部分離；(2)當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，磁鐵與線圈吸合，安裝在頭部上的超越單向行走方式使頭部原位不動(dòng)，尾部由于電磁吸力的作用向前移動(dòng)；(3)斷開電源，電磁力作用消失，彈簧促使磁鐵與線圈分開，安裝在尾部上的超越單向行走方式使尾部原位不動(dòng)，頭部由于彈簧力的作用向前移動(dòng)。對(duì)于蠕動(dòng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)，目前有很多實(shí)現(xiàn)形式，如上海大學(xué)利用氣壓伸縮驅(qū)動(dòng)；上海交通大學(xué)利用形狀記憶合金伸縮驅(qū)動(dòng)；昆明理工大學(xué)利用電磁吸合驅(qū)動(dòng)。前部和尾部支撐分別裝有超越離合鎖死裝置，實(shí)現(xiàn)單向運(yùn)動(dòng)自鎖。1988年，Ikuta等引用蚯蚓運(yùn)動(dòng)的原理開發(fā)出了蠕動(dòng)機(jī)器人，后來隨著蠕動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，其開始向大型化發(fā)展，目前已可在200~300 mm的管道內(nèi)應(yīng)用。但是，蠕動(dòng)式機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是間歇式的，速度波動(dòng)大，不容易實(shí)現(xiàn)和傳感器的集成。首先，尾部支撐，身體伸長(zhǎng)帶動(dòng)頭部向前運(yùn)動(dòng)；然后，頭部支撐，身體收縮帶動(dòng)尾部向前運(yùn)動(dòng)，如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。通過一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)一定的管徑變化。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，機(jī)器人的外形尺寸為150x61x46mm，重2kg，最大步距10μm，行程40mm， μm。車輪與管道壁面之間的正壓力由調(diào)節(jié)部分提供,調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),絲杠螺母將在絲杠上來回軸向移動(dòng),并帶動(dòng)推桿通過鏈?zhǔn)箵u桿轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過軸驅(qū)動(dòng)與之相連接的蝸桿,蝸桿驅(qū)動(dòng)沿圓周方向成120176。輪式管道機(jī)器人的行走方式有2種：(1)如果驅(qū)動(dòng)輪軸線與管道軸線垂直,驅(qū)動(dòng)輪沿管道母線滾動(dòng),機(jī)器人在管內(nèi)做平移運(yùn)動(dòng),此為輪式直進(jìn)式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人,它的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器人行走時(shí),不產(chǎn)生姿態(tài)旋轉(zhuǎn)。目前,輪式管道機(jī)器人是實(shí)際工程中應(yīng)用最多的一種。當(dāng)通過90度彎管時(shí)，電動(dòng)機(jī)M2驅(qū)動(dòng)頭部做姿態(tài)調(diào)整， 同時(shí)驅(qū)動(dòng)頭部履帶，引導(dǎo)機(jī)器人通過彎管。該機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)分別由頭部和本體兩部分組成，頭部和本體可相對(duì)回轉(zhuǎn)。 (6)繪制出變徑裝置的零件圖和裝配圖，并最終用Solidworks終繪制出該裝置的三維實(shí)體模型。(4)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析：根據(jù)管道檢測(cè)機(jī)器人在石油管道中的工作情況，如在5mm高的凸起、凹坑處以及在拐彎半徑為R933mm的彎道處，對(duì)設(shè)計(jì)出來的機(jī)械裝置進(jìn)行受力分析，優(yōu)化部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而使超聲檢測(cè)裝置既能正常工作。通用性較強(qiáng)。還有就是鋁合金容易加工和具有高度的散熱性。變得一層一層的。它的材料特性是輕、容易加工、以及在可耐強(qiáng)度方面不像碳素纖維有一個(gè)最大受力范圍。鋁合金板材、型材表面可以進(jìn)行防腐、軋花、涂裝、印刷等二次加工，制成各種裝飾板材、型材，作為裝飾材料。鋁合金材料的應(yīng)用有以下三個(gè)方面：一是作為受力構(gòu)件；二是作為門、窗、管、蓋、殼等材料；三是作為裝飾和絕熱材料。鋁合金分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁等種類，各種類均有各自的使用范圍，并有各自的代號(hào)，以供使用者選用。表11 鋁合金型鋼6063T4合金的特性屬性數(shù)值單位彈性模量+010牛頓/m2泊松比不適用剪切模量+010牛頓/m2密度2700Kg/m3張力強(qiáng)度170000000牛頓/m2X壓縮強(qiáng)度牛頓/m2屈服強(qiáng)度90000000牛頓/m2熱膨脹系數(shù)/k熱導(dǎo)率200w/()比熱900J/()材料阻尼比率不適用鋁合金有如下優(yōu)點(diǎn)：鋁合金是純鋁加入一些合金元素制成的，如鋁—錳合金、鋁—銅合金、鋁—銅—鎂系硬鋁合金、鋁—鋅—鎂—銅系超硬鋁合金。最終，經(jīng)過方案比較和各方面的綜合考慮，確定最佳方案。2）機(jī)器人的適應(yīng)管徑146164mm3）機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度為16r/min4）可以實(shí)現(xiàn)豎直管的前進(jìn)后退。（2）進(jìn)行螺旋輪式管道機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)及其零部件設(shè)計(jì)。 本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)本次設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)螺旋輪式管道機(jī)器人，要求機(jī)器人可以在管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、按一定曲率半徑回轉(zhuǎn)動(dòng)作，能高效地完成管道內(nèi)的探傷和定位工作。當(dāng)機(jī)器人在不同直徑的管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓簧的伸長(zhǎng)和縮短帶動(dòng)滑塊上下滑動(dòng)，并通過連桿機(jī)構(gòu)的作用，保持輪將始終貼緊管壁，達(dá)到“適應(yīng)不同管徑”的目的。（2）柔性保持機(jī)構(gòu)為滿足管道機(jī)器人“形封閉、力封閉”的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了柔性保持機(jī)構(gòu)。支撐輪與銷軸間采用膠粘方式固定，因此工作時(shí)，支撐輪并不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，它與管壁間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦而非滾動(dòng)摩擦。由于增加了軟調(diào)節(jié)單元，當(dāng)管道徑向發(fā)生微小變化時(shí)，在主動(dòng)徑向調(diào)節(jié)來不及響應(yīng)時(shí)，連桿系統(tǒng)可以帶動(dòng)滑塊壓縮彈簧，以抵消管徑的變化。硬調(diào)節(jié)是主動(dòng)調(diào)節(jié)，由計(jì)算機(jī)通過程序控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)大范圍的調(diào)整；軟調(diào)節(jié)是被動(dòng)調(diào)節(jié)，由圖19中的壓簧1和壓簧2完成，實(shí)現(xiàn)小范圍的調(diào)整。18原始方案 圖19改進(jìn)方案（1）自調(diào)節(jié)支撐機(jī)構(gòu)為解決原始方案中的剛性支撐問題，設(shè)計(jì)了如圖19所示的自調(diào)節(jié)支撐機(jī)構(gòu)。MagSteer可以裝配橡膠輪子來檢測(cè)有保溫層或非磁性材料的管道，也可以裝配強(qiáng)磁性的輪子檢測(cè)無保溫層的管道。MagSteer 是一個(gè)智能爬行系統(tǒng)，它能出色的檢測(cè)有保溫層或無保溫層或無保溫層管道內(nèi)部及外部缺陷。儀器采用高清晰度的彩色 CCD 鏡頭，支架全部采用不銹鋼制作而成，并且能與計(jì)算機(jī)相連進(jìn)行圖象數(shù)字化處理。通過調(diào)節(jié)螺母帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)整個(gè)支架的直徑。主要由探頭高壓密封件電機(jī)倉電池倉儀器倉儀器倉萬向節(jié)里程倉清管器9 和皮碗10 組成。但是PIG自身沒有行走能力，其移動(dòng)速度、檢測(cè)區(qū)域不易控制。螺釘5為細(xì)牙螺紋，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘5，可對(duì)簧片組3施加必要的預(yù)緊力，并保證驅(qū)動(dòng)器4的兩側(cè)面與承載體間無間隙接觸。圖14蠕動(dòng)體結(jié)構(gòu)示意圖西安交通大學(xué)以電致伸縮陶瓷微位移器做驅(qū)動(dòng)器，電磁鐵機(jī)構(gòu)做可吸附于行走表面的保持器，設(shè)計(jì)制作了蠕動(dòng)式微動(dòng)直線自行走機(jī)構(gòu)如圖15。圖13利用空氣壓力的蠕動(dòng)式機(jī)器人清華大學(xué)研制了一套小型蠕動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，其機(jī)構(gòu)如圖14，由1蠕動(dòng)體和4電致伸縮微位移器組成。其主要機(jī)構(gòu)由（1）撐腳機(jī)構(gòu)、 （2）氣缸、（3）軟軸、（4）彈簧片、（5）法蘭盤組成。當(dāng)腳靴（12）處在抬起的位置時(shí)，撥（7）通過支承桿（9）推動(dòng)筒體在套筒（11）上萬向節(jié)方向滑動(dòng)、改變了腿的姿勢(shì)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)萬向節(jié)（21）組成。撐腳機(jī)構(gòu)由電機(jī)（16）、小齒輪（15）、齒圈及平面螺紋（14）、滑桿（13）、腳靴（12）組成。 該機(jī)器人可在管內(nèi)雙向行走， 自動(dòng)隨管道彎度轉(zhuǎn)向。小輪的軸線相對(duì)單元體的軸線傾斜了一角度，通過軟軸將扭矩作用在單元體上使微型機(jī)器人移動(dòng)。東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)出基于螺旋輪式運(yùn)動(dòng)原理微型機(jī)器人，該機(jī)器人的本體由幾個(gè)單元通過彈簧聯(lián)接而成。膠管聯(lián)接可過彎管，適應(yīng)管徑：φ25mm；行走速度：；自重：16g。該機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)為：適應(yīng)管徑：φ50mm；行走速度：；轉(zhuǎn)彎性能：可以通過90度直角彎管；機(jī)器人重量為：240g；機(jī)器人長(zhǎng)度：76mm。當(dāng)機(jī)器人在直管內(nèi)行走時(shí)，本體上的電動(dòng)機(jī)M1通過減速裝置帶動(dòng)本體上的驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)器人沿直管行走。輪式（自驅(qū)動(dòng)） 爬行