【正文】 大的壓力，由于我們采用的是型芯磨頭切削，對(duì)車身的穩(wěn)定性要求較其他更為嚴(yán)格，假設(shè)彈簧對(duì)輪子的壓力是 ， F? =5 49N?? 。 或者 60176。也就是： fF =f {? ?cos 60RG ? ?? ? ?cos 60RG ? ?? （ 213） 式中 ? — 機(jī)器人管內(nèi)作業(yè)姿態(tài)角， 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 23頁(yè) 共 45頁(yè) RG — 機(jī)器人本體重量， kg 。機(jī)器人在管道內(nèi)進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí)，必須克服來自管道內(nèi)表面的滾動(dòng)摩擦阻力 fF fGF f N? ? （ 212） 式中， f 是滾動(dòng)摩擦因數(shù)，即輪子在一定條件下滾動(dòng)所需要的推力。由此可見該機(jī)構(gòu)具有常封閉特性，這樣便增加了載體的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)由于彈簧壓緊力 f的回饋?zhàn)饔每墒箼C(jī)構(gòu)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。 整理得： ? ?3 11 3 ta n ta n GiiLfNL ???? ?? （ 210） 彈簧壓緊力可表示為： ? ?0 1 2f k x L S S? ? ? ????? （ 211） f為彈簧的初始長(zhǎng)度 (mm)， k為彈簧的彈性系數(shù) (N/mm)。與滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式 的主要區(qū)別就在于在壓緊力的調(diào)節(jié)方面由調(diào)整電機(jī)的 主動(dòng)調(diào)整變?yōu)閴壕o彈簧的被動(dòng)調(diào)整。 (2)彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式 如圖所示的是從動(dòng)輪的彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式示意圖，其工作原理與滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式原理類似，只是在張緊力調(diào)整方面采用被動(dòng)調(diào)整方式。 在坐標(biāo)系 XOY 中，由幾何關(guān)系可得： {23sin L sinL ??? 1 sinByL?? 23c o s c o scX L L???? （ 21） 對(duì)上式兩邊分別取微分可得： 管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真 第 20頁(yè) 共 45頁(yè) {1 cosBy L ?? ??? 23c o s c o sLL???? ??? 23si n si ncx LL??? ? ? ? ??? （ 22） 化簡(jiǎn)上式得： ? ?31 ta n ta ncBxyLL? ? ? ?? ? ? （ 23） 由虛功原理得： 31 0cbx G i yiFN??????? （ 24） 將式代入上式并化簡(jiǎn)得： ? ?3 11 3 ta n ta n Gii LFNL ???? ??? （ 25） 所采用的滾珠絲杠螺母副的導(dǎo)程記為 P， ? 為滾珠絲杠和絲杠螺母之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角，則 絲杠 螺母的位移為： 2hPS ??? 對(duì)上式等號(hào)兩邊分別取微分得： 2hs P ????? （ 26） 考慮滾珠絲杠螺母副，由虛位移原理可得： 0sFT?? ? ???? （ 27） 式中， ? 為滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率。 圖 22 滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式 下 面分析滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性，如圖所示，以固定支點(diǎn) A為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，建立如圖所示的坐標(biāo)系 XOY,1L 為 連桿 AB 的長(zhǎng)度， 2L是推桿 CD的長(zhǎng)度， 3L 是支點(diǎn) D到固定支點(diǎn) A之間的距離， ? 是推桿 CD與水平方向之間的夾角， ? 是連桿 AB與水平方向之間的夾角，凡為管道內(nèi)壁作用在車輪上的壓力即封閉力， F 是滾珠絲杠螺母作用在推桿上的軸向推力，T 是作用在滾珠絲桿軸上的有效扭矩。其具體設(shè)計(jì)如圖 22所示是滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式示意圖，其工作原理是：安裝在軸套和絲杠螺母之間的壓力傳感器間接檢測(cè)驅(qū)動(dòng)車輪和管道內(nèi)壁之間的壓力 yF ，并實(shí)時(shí)將壓力值回饋回監(jiān)控裝置，當(dāng)壓力 yF 的值小于所允許的最小壓力值 yF’ 時(shí)，連桿 AB 的一端和車輪軸鉸接在一起，另一端鉸接在固定支點(diǎn) A，推桿 CD與連桿 AB 鉸接在 B 點(diǎn)，另一端鉸接在軸套上 C 點(diǎn)，軸套在圓周方向相對(duì)固定，因此滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來回滑動(dòng)，從而帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)連桿 AB繞支點(diǎn) A轉(zhuǎn)動(dòng)，使車輪撐開或者緊縮以達(dá)到適應(yīng)不同的管徑的目的。這兩種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能保證機(jī)器人具有充裕并且穩(wěn)定的牽引力，并且管徑變化范圍比較大，下面綜合分析該兩種調(diào)節(jié)方式。 支腿整體調(diào)整方式 目前管道機(jī)器人在適應(yīng)不同管徑的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)常用的有：蝸輪蝸桿調(diào)節(jié)方式，升降機(jī)調(diào)節(jié) 方式、滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式和彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式。同時(shí)調(diào)整彈簧也能起到一定的緩沖減震作用。 支腿單獨(dú)調(diào)整方式 各支腿的單獨(dú)調(diào)整方式。這個(gè)過程就是機(jī)器人的自適應(yīng)過程。 同步帶輪 1與安裝底座的 連接軸同軸，故無論管徑如何變化，兩個(gè)同步鏈輪間的軸線距離保持不變，只要支腿的長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，就可適應(yīng)足夠大的管徑變化范圍。如 圖 21所示。 ，兩蝸輪軸線之間的夾角為 120176。蝸桿傳動(dòng)是空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩軸線交錯(cuò)的夾角可為任意值，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪 齒是逐漸進(jìn)入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時(shí)嚙合的 齒數(shù) 又較多，故沖擊載荷小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。下面兩輪所在支腿中心線與減速器輸出軸線垂直，且兩支腿中心線的夾角為 120176。結(jié)合管道 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)布局方式的特點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中主要通過一套動(dòng)力變換裝置和同步鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。故在本設(shè)計(jì)中選用步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)器人本體的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力； 減速器選用行星齒輪減速器。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)主要有步進(jìn)電機(jī) 、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。很顯然，要同時(shí)滿足這 些 要 求肯定比較困難的，因此，要通過分析和比較多種傳動(dòng)方案，選擇其中最能滿足眾多 要求的合理傳動(dòng)方案，作為最終確 定的傳動(dòng)方案。所以合理 地設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)計(jì)工作地 重要組成部分。傳動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量與成本在整臺(tái)機(jī)器中占有很 大比重。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 15頁(yè) 共 45頁(yè) 傳動(dòng)方案的選擇 機(jī)器 通常是由原電機(jī)、 和工作機(jī)三部分所組成。蛇行、蠕動(dòng)、變形運(yùn)動(dòng)鄉(xiāng)適合于光滑的 管壁、地面或水下。 在現(xiàn)有的管道機(jī)器人設(shè)計(jì)中，移動(dòng)型本體結(jié)構(gòu)，主要有履帶式、支腿式、輪式結(jié)構(gòu)以及蛇行、蠕動(dòng)、變形運(yùn)動(dòng)等幾種形式。對(duì)于大口徑的管道機(jī)器人，由于其自重較大，如果支撐臂不具備自動(dòng)定心性能，必定產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，其結(jié)果使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)阻力增大，出現(xiàn)“ 卡 死 ”現(xiàn)象。在進(jìn)行清洗時(shí)候，要求系統(tǒng)必須保證噴頭具備一定的對(duì)中性能，能適應(yīng)不同的管徑變化，對(duì)于在行進(jìn)過程中，管內(nèi)可能出現(xiàn)凸凹不平情況，機(jī)器人還應(yīng)具備一定的越障能力。125mm 的管道中工作，作業(yè)管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真 第 14頁(yè) 共 45頁(yè) 環(huán)境要求整個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸應(yīng)盡可能的小并且具備一定的牽引力，整個(gè)設(shè)計(jì)從選取移動(dòng)方式入手。 2 管道 機(jī)器人 總體設(shè)計(jì) 管道 機(jī)器人的 總體結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 管道清洗機(jī)器人應(yīng)用于管道直徑 248。 對(duì)管道機(jī)器人靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究。 機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)特性的研究。 彎管獨(dú)立輪式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向特性。本文的主要研究?jī)?nèi)容是 : 管道機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)。盡管自驅(qū)動(dòng)管內(nèi)機(jī)器人行走可以采用的輪式、腳式爬行式、蠕動(dòng)式，履帶式等多種形式，但 本文則是對(duì) 輪式 管道機(jī)器人的研究 ，可以 設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)在一定的管徑變化范圍內(nèi)，具有常封閉特性，增加了載體的穩(wěn)定性和可靠性，機(jī)構(gòu)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能 。 本 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 目前管道 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式有自驅(qū)動(dòng)（自帶動(dòng)力源）、利用流體推力、通過彈性 桿外加推力三種方式。該機(jī)器人無法完成豎直油煙管道的清洗，且重量較重。 油煙管道機(jī)器人 管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真 第 12頁(yè) 共 45頁(yè) 圖 112 煙道機(jī)器人 如圖 112 所示，是一款由武漢亞伯機(jī)電有限公司生產(chǎn)的煙道機(jī)器人，該機(jī)器人自身尺寸 280mm 260mm 270mm，重量 18kg，爬坡 ≤ 30176。其主要技術(shù)指標(biāo)如下 :采用長(zhǎng)距離行走的自走車，一般能行走 500m；采用小口徑用自走車，能應(yīng)用于管徑為 248。移動(dòng)機(jī)構(gòu)為差動(dòng)式雙寬履帶，密封式水下結(jié)構(gòu)；移動(dòng)速度為 5～ 10m/min；負(fù)重能力大于 10kg，如圖 110所示。哈爾濱工程大學(xué)的城市排水管道穿纜檢測(cè)機(jī)器人，采用了履帶式行走機(jī)構(gòu)，用于城市排水管道的疏通、檢測(cè)，可檢測(cè)直徑大于 500mm華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 11頁(yè) 共 45頁(yè) 的排水管道。載體采用了輪式行走機(jī)構(gòu)、四輪驅(qū)動(dòng)方式、以三相異步電機(jī)做原動(dòng)機(jī)。 下水道自動(dòng)清淤機(jī)器人 清華大學(xué)研制的下水自動(dòng)清淤機(jī)器人適合 248。機(jī)器人采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好。這種管道機(jī)器人移動(dòng)載體既適用于大口徑管道，也適用于小口徑管道，能跨越管內(nèi)的階梯管、錐形管接口、變截面形狀管接口，可適用于矩形管和圓管， 能輕松實(shí) 圖 18 MDCRI 圖 19 自主變位四履帶足機(jī)器人 現(xiàn)直 角矩形 管轉(zhuǎn)向和圓弧彎道行走，可勝任各種環(huán)境復(fù)雜的管道。東華大學(xué)研制的“自主變位四履帶足機(jī)器人，如圖 19 所示。同樣，由于其功能中自動(dòng)控制能力較強(qiáng)具有自動(dòng)糾偏自主導(dǎo)航的功能，其尺寸相應(yīng)較大是管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真 第 10頁(yè) 共 45頁(yè) 其應(yīng)用范圍的限制因素。清華大學(xué)研制的通風(fēng)管清掃機(jī)器人 MDCRI尺一寸為 520mm 290mm 270mm是一種可在通風(fēng)管內(nèi)行走的移動(dòng)機(jī)器人。但該機(jī)器人體積較大，對(duì)于常見的248。國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的這種清潔機(jī)器人具有在管道內(nèi)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎等功能。近幾年來，用于空調(diào)管道清洗和檢測(cè)的管道機(jī)器人如雨后春筍般的出現(xiàn)的市場(chǎng)在上，己初見規(guī)模。其他國(guó)家也研究了用于排水管道清理的機(jī)器人，但都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，目前，這些機(jī)器人仍不能用于清洗油煙管道的頑固油垢。 日本和美國(guó)都是機(jī)器人發(fā)展較成熟的國(guó)家，對(duì)空調(diào)管道機(jī)器人的研究華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 9頁(yè) 共 45頁(yè) 也較成熟，上面介紹的日本管道機(jī)器人，體積小，能清洗任何形狀的空調(diào)通風(fēng)管道，不但可以做清掃任務(wù)，還可做檢測(cè)任務(wù)。 風(fēng)管內(nèi)的污染診斷由機(jī)載攝像頭進(jìn)行記錄，裝備有在無電源場(chǎng)所也能自由行走 的機(jī)能。 日本推出的“三藏法師”用于清洗、檢測(cè)空調(diào)通風(fēng)管道的超小型機(jī)器人，如圖 17 所示，是被世界認(rèn)可的風(fēng)管清掃系統(tǒng) (具有美國(guó)、日本、歐洲多國(guó)專利 )，其特長(zhǎng)為 : 使用新開發(fā)的多功能超小型機(jī)器人，可有效的對(duì)各式各樣的風(fēng)管進(jìn)行污染診斷和清掃。日本大阪燃?xì)庵晔綍?huì)社研制的內(nèi)置磁鐵輪式煤氣管道檢測(cè)機(jī) 器人可沿直管和彎管行走，適于管徑 248。例如，日木關(guān)西電力株式會(huì)社開發(fā)出了適用 于 248。 圖 15 月球車（適應(yīng)管徑范圍 300900mm） 圖 16 MAKRO 管道機(jī)器人 二十世紀(jì) 80 年代，計(jì)算機(jī)、傳感器、現(xiàn)代控制理論和技術(shù)的發(fā)展為管內(nèi)機(jī)器人的應(yīng)用與研究提供了有力的技術(shù)支持，國(guó)外相繼開發(fā)、研制了多種類型的管內(nèi)檢測(cè)移動(dòng)機(jī)器人。適用于大直徑、淤積不嚴(yán)重、管路復(fù)雜的排水管道 。 2021 年德國(guó)研制成功世界第一個(gè)鏈?zhǔn)轿鬯艿罊z查機(jī)器人 — MAKRO 管道機(jī)器人，如圖16所示。機(jī)器人由操作師控制，操作師的指令將傳給機(jī)器人內(nèi)安裝的微處理系統(tǒng)。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 第 7頁(yè) 共 45頁(yè) 機(jī)器人安裝的輪子以 m/s 的速度向前行駛，有大功率燈泡照明，攝像機(jī)通過向不同的方向旋轉(zhuǎn)可以判斷故障點(diǎn)。除此以外，為了使機(jī)器人能從豎孔中鉆進(jìn)橫向管道，機(jī)器人自身可折彎，因而可在直徑 190mm～ 600mm的管道中工作。 俄羅斯“塔里斯”公司的“月球車”，如圖 15所示，即機(jī)器人維修車。返水彎管。軟軸采用 65Mn特質(zhì)彈簧鋼絲為原材料經(jīng)特殊工藝加下而成，堅(jiān)固而有韌性，可以順利通過 180176。用于排水管道疏通的疏通機(jī)一般作業(yè)直徑范圍 100mm～ 250mm之間，最大疏通距離一般為 50m。 管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真 第 6頁(yè) 共 45頁(yè) 圖 13美國(guó) RIGID(里奇 )管道疏通機(jī) 圖 14 EverstVit公司管道檢測(cè)機(jī)器人 美國(guó) RIGID(里奇 )管道疏通機(jī)如圖 13所示，其基本原理是利用機(jī)械裝置帶動(dòng)軟軸 (彈簧軟管 )旋轉(zhuǎn)深入管道進(jìn)行管道疏通。當(dāng)驅(qū)動(dòng)