【正文】 種管道的內(nèi)部缺陷和異物的檢查。通過計(jì)算計(jì)遠(yuǎn)程控制，爬行器可以自動爬行在有保溫層或無保溫層的管道上。 新型微笑管道機(jī)器人的運(yùn)動原理 圖 18 所示為文獻(xiàn)所提出的機(jī)器人原始方案，經(jīng)過虛擬仿真和樣機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該方案存在三個(gè)不足： (1)支撐機(jī)構(gòu)完全是剛性結(jié)構(gòu)，當(dāng)管徑有一定變化時(shí)，可能達(dá)不到撐緊管壁的要求； (2)保持機(jī)構(gòu)在管徑變化時(shí)不能起到有效的保持作用，當(dāng)管徑小于保持機(jī)構(gòu)尺寸時(shí)，它就會被“卡住”，使整個(gè)機(jī)器人“癱瘓”； (3)驅(qū)動部分尺寸過長，在過彎時(shí)明顯與管道發(fā)生“干涉”，致使機(jī)器人被“卡死”。這種調(diào)節(jié)是一種硬調(diào)節(jié)和軟調(diào)節(jié)共同作用的混合調(diào)節(jié)。硬調(diào)節(jié)和軟調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)作用，使該支撐機(jī)構(gòu)具有更好的徑向調(diào)節(jié)能力，從而使機(jī)器人具有更強(qiáng)的管徑適應(yīng)能力。另外，增加了支撐輪設(shè)計(jì)，這樣就避免了原始方案的支撐腿與管壁的直接接觸，不僅增大了與管壁間的摩擦力，提高了牽引能力，同時(shí)由于支撐輪的塑性變形增大了接觸面積，解決了原始方案點(diǎn)接觸的問題，可以更好地適應(yīng)復(fù)雜的管道環(huán)境。另外，在滑塊上裝有微型壓力傳感器，可以直接測量在撐緊過程中滑塊所受的合力，通過換算就可以間接得到支撐輪與管壁問的正壓力，這不僅保證了支撐機(jī)構(gòu)以恒定壓力撐緊在管壁上，同時(shí)8 也對 電機(jī)起過載保護(hù)的作用。其中保持輪軸線始終與管壁母線保持垂直，工作時(shí)，保持輪沿管壁滾動。這樣機(jī)器人在管內(nèi)運(yùn)動時(shí)，其中心線基本與管道的中心線保持一致，保證各單元與管壁的夾角在穩(wěn)定運(yùn)動的范圍內(nèi)。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容為： （ 1）了解螺旋輪式管道機(jī)器人的基本構(gòu)成及工作原理，熟悉其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的基本知識。 （ 3）設(shè)計(jì)原始參數(shù)： 1）機(jī)器人可以在管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、按一定的曲率半徑回轉(zhuǎn)向動作。 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(gè)可行 的變徑方案，并對每個(gè)方案進(jìn)行可行性分析。 (2)材料的選擇：為了使管道機(jī)器人在管道內(nèi)更加靈活，所以采用鋁合金型鋼6063T4 合金。鋁合金比純鋁具有更好的物理力學(xué)性能：易加工、耐久性高、適用范圍廣、裝飾效果好、花色豐富。 鋁合金仍然保持了質(zhì)輕的特點(diǎn)，但機(jī)械性能明顯提高。利用鋁合金陽極氧化處理后可以進(jìn)行著色的特點(diǎn)，制成各種裝飾品。 成本低，而且使用一種加工工藝可以大量生產(chǎn)同樣的零部件，這也是他的特點(diǎn)之一。也就是說，碳素纖維因?yàn)橛欣w維的特性所以在一定的纖維方向上受力能力很強(qiáng)，但是在在別的方向上的受力就會 很差。而鋁會慢慢變形再損壞。 此外，鋁合金的加工工藝多種多樣。 (3) 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)：根據(jù)所確定的方案原理和管道檢測機(jī)器人在石油管道中的工作情況，如：要克服 5mm 高的凸起、凹坑，要通過拐彎半徑為 R933mm 的彎道，還要保證超聲傳感器的探頭探測范圍覆蓋內(nèi)徑為 Φ150mm 的管道環(huán)面等，設(shè)計(jì)出能夠滿足實(shí)際要求的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式和各個(gè)零件的具體尺寸，并繪制出變徑裝置的零件圖、裝配圖。 (5)基本尺寸的確定，使機(jī)構(gòu)滿足一定的幾何限制條件 。11 2 螺旋輪式管道機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì) 機(jī)器人管內(nèi)運(yùn)動方式對比分析 輪式 日本學(xué)者福田敏男、 細(xì)貝英夫在 1986 年研制了可以通過 “L”無圓弧過渡的管內(nèi)移動機(jī)器人。當(dāng)機(jī)器人在直管內(nèi)行走時(shí)，本體上的電動機(jī) M1 通過減速裝置帶動本體上的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，使機(jī)器人沿直管行走。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)器人長度： 76mm。輪式管內(nèi)移動機(jī)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(jī)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(jī)器人前 后 行走的驅(qū)動力 ,以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動。下面以上海交通大學(xué)研制的輪式管道機(jī)器人 (圖 110)為例說明其工作原理。均勻分布的 3 個(gè)蝸輪 ,蝸輪又通過鏈輪和鏈條帶動機(jī)器人本體的車輪轉(zhuǎn)動 ,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人 本體在管道內(nèi)的前進(jìn)或后退。 12 1蝸桿 2驅(qū)動電機(jī) 3驅(qū)動電機(jī)安裝座 4調(diào)整電機(jī) 5鉸鏈 6推桿 7絲杠螺母 8絲杠 9蝸桿 10蝸輪 11鏈條 12車輪 圖 110 驅(qū)動機(jī)構(gòu)原理圖 蠕動式 清華大學(xué)研制了一套小型蠕動機(jī)器人系統(tǒng)，其機(jī)構(gòu)如圖 21，由 1 蠕動體和 4 電致伸縮微位移器組成。走效率高，能以一定的速度平穩(wěn)地運(yùn)動。 圖 21 蠕動體結(jié)構(gòu)示意圖 蠕動式驅(qū)動是基于仿生學(xué)原理，參考蚯蚓、毛蟲等生物的運(yùn)動而實(shí)現(xiàn)的。蠕動式驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)在于可適用管徑及曲率的變化。實(shí)現(xiàn)蠕動的方法復(fù)雜，附帶的元件多，如氣動蠕動，就需要外接多根導(dǎo)氣管。蠕動式管道機(jī)器人主要由蠕動部分、頭部、尾部組成，如圖 22 所示。中間蠕動部分提供機(jī)器人運(yùn)動的動力。 下面以電磁驅(qū)動的蠕動式管道機(jī)器人為例，分析蠕動式管道機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)理。 至此 ， 機(jī)器人回到了初始狀態(tài)，機(jī)器人前進(jìn)了一步。 圖 22 蠕動機(jī)器人的運(yùn)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(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)， 以及簡單性和實(shí)用性特點(diǎn)，最后確定采用輪式驅(qū)動結(jié)構(gòu)。通過一些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)一定的管徑變化，通過控制軸向尺寸，采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)在彎管中行走。常見的輪式驅(qū)動機(jī)構(gòu)有直進(jìn)輪式驅(qū)動和螺旋輪式推進(jìn)兩種方式。因此我們最終確定采用螺旋輪式驅(qū)動的方案，該方案采用了分節(jié)式螺旋驅(qū)動輪式結(jié)構(gòu)。 螺旋輪式管道機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)理 機(jī)構(gòu)的原理 如圖 23，螺旋機(jī)構(gòu)由驅(qū)動電機(jī) Μ1(Μ2) ,旋轉(zhuǎn)體 1（ 2） 和支撐體 1（ 2） 組成。隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動電機(jī) Μ1(Μ2) 帶動旋轉(zhuǎn)體 1（ 2）轉(zhuǎn)動，使驅(qū)動輪沿管壁作螺旋運(yùn)動，保持機(jī)構(gòu)沿管道中心軸線移動。電機(jī)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)。腿輪與本體之間有滑塊連接，靠螺釘固定，調(diào)節(jié)滑塊位置，腿輪可以伸縮，使得管道檢測機(jī)器人有一定的管徑適應(yīng)能力。對稱機(jī)構(gòu)，雙電機(jī)安裝方式可以使機(jī)器人前進(jìn)速度快，驅(qū)動力大； 控制方便； 機(jī)構(gòu)的管內(nèi)穩(wěn)定性好。 第三： 彈簧自定心作用 彈簧力的大小要考慮行走輪與管壁之間要有足夠的正壓力，使電機(jī)能夠有較大的功率輸出，使行走機(jī)構(gòu)拖動力最大 。由于彈簧機(jī)械性能及參數(shù)變化該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上有調(diào)正環(huán)節(jié)， 以使 3 個(gè)彈簧拉力基本平衡自定心。 通過理論分析與比較， 螺旋 輪式管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊， 雙電機(jī)對稱機(jī)構(gòu)提供的拖動力大，并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，靈活，電機(jī)的 是一種理想的管內(nèi)行走機(jī)器人載體。 16 3 管道機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì) 旋轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 31 旋轉(zhuǎn)輪零件圖 旋轉(zhuǎn)輪盤選擇兩盤相扣結(jié)構(gòu)，使機(jī)構(gòu)更加靈活。變徑范圍 146mm164mm。該機(jī)器人的供電方式為拖纜供電，隨著機(jī)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(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)有一定的帶載能力。一般情況下，在不使機(jī)器人打滑的同時(shí)，管徑增大時(shí)，撐緊機(jī)構(gòu)施加到 車輪上的正壓力減小，從而摩擦力減小，負(fù)載減小，電機(jī)所需的驅(qū)動力降低。因此有必要將機(jī)構(gòu)的負(fù)載能力，或說軸向輸出牽引力，作為一個(gè)重要的指標(biāo)來分析。下面分析移動機(jī)構(gòu)在管道中行走時(shí)的受力17 情況。機(jī)械平臺共有 6 組 12 個(gè)驅(qū)動輪和 6 組 12 個(gè)支撐輪，為了使計(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)動輪的負(fù)載能力來平衡機(jī)械本體的負(fù)載。假設(shè)處在理想狀態(tài)下，每個(gè)橡膠驅(qū)動輪的受力狀態(tài)相同，因此取一個(gè)車輪作為隔離體 ,對其進(jìn)行受力分析。 圖 32 力學(xué)分析原理 分析可知，整個(gè)移動機(jī)構(gòu)是依靠電機(jī)驅(qū)動，驅(qū)動輪緊緊壓著管壁，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動時(shí)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(shí)現(xiàn)行走的，因此，機(jī)器人在管道內(nèi)部的前進(jìn)、后退、啟停、加減速等動作只需控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟停和調(diào)整電機(jī)電壓大小來實(shí)現(xiàn)。下面是一些假設(shè)條件： （ 1） 移動機(jī)構(gòu)是在直管中運(yùn)動，忽略管道的內(nèi)徑的不均勻性； 18 （ 2） 管道機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)的車輪在管道內(nèi)作純滾動，而忽略掉零件加工中的誤差而導(dǎo)致的機(jī)構(gòu)其他形式的運(yùn)動； （ 3） 整個(gè)移動機(jī)構(gòu)作勻速運(yùn)動，不考慮其慣性力的影響； （ 4） 移動機(jī)構(gòu)移動時(shí)共有六個(gè)輪子與管道內(nèi)壁接觸，假設(shè)每個(gè)輪子的封閉力都相同； （ 5） 忽略一切損失； （ 6） 負(fù)載無波動； （ 7） 分析時(shí)采用標(biāo)量，當(dāng)所求值為負(fù)時(shí)表示實(shí)際方向與圖示方向相反。本設(shè)計(jì)任務(wù)中對移動機(jī)構(gòu)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(yùn)動，即只要求是一個(gè)單自由度移動機(jī)構(gòu)。 電機(jī)的選擇 12Fsinθ＞ G G=mg=2= 12F. N 提供的牽引力至少 。 大體估計(jì)總 質(zhì)量 為 2kg。 P=Tw=2π16/60= 即每個(gè)電機(jī)需要提供 的功率。 電機(jī)連接軸的設(shè)計(jì) 圖 36 電機(jī)連接軸 20 表 33 電機(jī)選擇參數(shù) 電壓 空載 負(fù)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(jī)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(gòu)緊湊穩(wěn)定。 普通平鍵用途最廣，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，對中性好，適合高速、承受變載、沖擊的場合 。 （ 2）普通平鍵的兩側(cè)面與軸鍵槽的配合一般有間隙。鍵兩端圓弧應(yīng)無干涉。 （ 3）普通平鍵的底面與鍵槽底面應(yīng)貼實(shí)。 第三： 鍵的選擇和鍵 聯(lián) 接的強(qiáng)度計(jì)算 （ 1） 鍵的選擇 鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個(gè)方面。鍵的截 面尺寸（鍵寬 b 和鍵高h(yuǎn)）按軸的直徑 d 由標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)向平鍵應(yīng)按輪轂的長度及滑動距離而定。 （ 2） 平鍵連接的強(qiáng)度計(jì)算 平鍵連接的可能失效形式有：較弱零件工作面被壓潰（靜連接）、磨損（動連接）、鍵的剪斷（一般極少出現(xiàn)）。 彈簧的設(shè)計(jì)與選擇 拉伸彈簧是直進(jìn)輪式管道機(jī)器人的關(guān)鍵部件，如果拉伸彈簧的拉力不夠 ，不能保證每組 輪軸 機(jī)構(gòu)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(jī)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(jī)構(gòu)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(jìn)輪式管道機(jī)器人運(yùn)動阻力過大，這對電機(jī)要求也會相應(yīng)提高。 F= F/12= 故此彈簧所受力為 經(jīng)查表得： (1)彈簧中徑為 8mm (2)壓縮彈簧有效圈數(shù)為 10mm (3)壓縮彈簧的自由高度 H0=16mm (4)圓柱螺旋彈簧極限應(yīng)力與極限載荷，工作極限應(yīng)力τ j= p (5)端部并緊磨平 d8mm 總?cè)?shù) n1=n+2 =12 自由高度 H0=nt + t= 壓并高度 H b = (n +)d= 支撐輪和電機(jī)的固定方案 由于電機(jī)固定在支撐輪上，電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，使得旋轉(zhuǎn)盤上的輪沿管道做螺旋運(yùn)動，而支撐輪沿管道平行運(yùn)動。 探測頭的定位方案 探測頭和一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接在一起，實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動，可以進(jìn)行周向全方位掃描。電壓： 36V， 轉(zhuǎn)速： 1700 轉(zhuǎn) 圖 38 電機(jī)尺寸圖 24 4 管道機(jī)器人在管中運(yùn)動通過性分析 由于管道微型機(jī)器人可能在彎管中運(yùn)動，為了防止機(jī)器人在管道中運(yùn)動時(shí)，由于管道的曲率半徑太小而使得機(jī)器人擱淺而卡在管道中，不能前進(jìn)和后退，現(xiàn)對管道 曲率半徑對機(jī)器人的影響分析如下。 圖 41 管道機(jī)器人擱淺示意圖 當(dāng)管道機(jī)器人經(jīng)過的管道曲率半徑大于此時(shí)管道的曲率半徑，機(jī)器人則能順利通過。此時(shí)管道的曲率半徑為管道機(jī)器人順利通過管道的臨界值。 管道環(huán)境對機(jī)器人的幾何約束 彎道是管道機(jī)器人工作時(shí)常遇到的障礙，管道 機(jī)器人若想順利