【正文】 外部控制的清潔動力刷，電纜長 度超過 30m，不易損壞，能夠滿足基 本需要。250mm 風(fēng)管，機器人尺寸限制了其應(yīng)用，而且行走速度過慢。自動升降的手臂裝上刷頭可以清掃不同規(guī)格的矩形、圓形通風(fēng)管；裝上噴槍可以對通風(fēng)管進行消毒。其功能包括檢測、清洗和消毒，如圖 18 所示。它將履帶與機體之間的固定擺臂變?yōu)榭蓹M向擺動的擺臂，改變左右擺臂的夾角以適應(yīng)不同的圓管管徑。因此清洗機器人在清洗過程中無須頻繁改變?nèi)肟谖恢茫誓艽蟠筇岣吖艿狼逑礄C器人的作業(yè)效率。該機器人的優(yōu)點在于對不同管徑、管形的風(fēng)管適應(yīng)性很強。400mm 的管道。該機器人在清淤時有打滑現(xiàn)象。驅(qū)動系統(tǒng)為直流伺服電機驅(qū)動。 圖 110 城市排水管道穿纜檢測機器人 圖 111 PV2300 自走式管道檢測機器人 管道檢測機器人 用于管道檢測的機器人的產(chǎn)品也比較多，北京航天村技術(shù)研究所推出的幾款管道檢測機器人，其中一款 PV2300 彩色 TV 自走式管道檢測機器人，如圖 111 所示。200mm管道：自走車采用左右獨立全輪驅(qū)動，能在行走時進行傾斜補正；搭載的照相頭有 4 倍聚集縮放功能；電纜細、重量輕和張力大。采用高壓射流清洗，電源 220v，功率 60w。由于噴桿只有一個上下擺動的自由度，因此，在清洗過程中，機器人要頻繁的調(diào)整其與管壁的位姿來保證清洗效果，從而降低了清洗效率。 采用雙步進電機驅(qū)動，通過諧波減速器將動力傳遞給行走裝置。 本論文“ 管道機器人設(shè)計與運動仿真 ”的目標(biāo)是研究一種用于管道內(nèi)壁清潔的管道機器人，該機器人是用于作為攜帶作業(yè)工具進 行 管道清洗的移動載體和清洗管道的機械執(zhí)行機構(gòu)，要求其完成 管道 內(nèi)壁 的清洗管道機器人的設(shè)計與運動仿真 第 12頁 共 45頁 和檢測任務(wù)。根據(jù)機器人的作業(yè)環(huán)境特點確定管道機器人的總體結(jié)構(gòu)，并對機器人的行走機構(gòu)進行合理設(shè)計，要求其可靠、高效率完成水平和豎直油煙管道的清洗任務(wù)。根據(jù)機器人的結(jié)構(gòu)特點，推導(dǎo)出過彎管的幾何約束尺寸，分析對變徑機構(gòu)的影響；建立輪壁接觸點分析模型，并對驅(qū)動截面偏角與軸線偏移量做出詳盡分析；基于所建立的彎管內(nèi)輪壁接觸點軌跡參數(shù)方程，通過分析彎管內(nèi)驅(qū)動輪速比運動特點，提出采取簡化控制方法的可行性及實用價值；建立彎管內(nèi)機器人產(chǎn)生螺旋自轉(zhuǎn)體運動的力學(xué)模型，并進一步確定出進入 彎管時的最佳初始姿態(tài)。建立評價幾何變徑特性的數(shù)學(xué)模型，并給出移動機構(gòu)力學(xué)特性、變徑特性及越障能力的詳盡分析；運用 ADAMS仿真軟件，基于虛擬樣機模型，對變徑動態(tài)力學(xué)特性與牽引力進行詳細分析，為模擬樣機設(shè)計與制造提供理論依據(jù)。根據(jù)力學(xué)相關(guān)理論對機器人靜穩(wěn)態(tài)受力與穩(wěn)定性進行研究，得出機器人可靠吸附與磁塊吸力間的定量關(guān)系；對機器人可靠吸附穩(wěn)定工作時勻速直線運動狀態(tài)的動態(tài)受力和驅(qū)動平衡進行分析，得出機器人運動過程中驅(qū)動系統(tǒng)所需滿足的條件，應(yīng)用 ADAMS對理論對分析結(jié)果進行數(shù)值仿真計算等。90mm～ 248。 移動方式選擇 管道清洗機器人要實現(xiàn)實際應(yīng)用中的可靠性及實用性 ， 必須依據(jù)管道內(nèi)作業(yè)特點來設(shè)計出穩(wěn)定運行，滿足清洗性能要求的機器人。如果機器人在運動過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或由于重心偏移而使得機器人的軸線與管道的中心線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，載體可能 卡 在管道內(nèi)而無法取出，嚴重時不得不 破壞管道取出機器人。為了提高作業(yè)的可靠性，設(shè)計中要求機器人應(yīng)具有可靠的管道適應(yīng)性和定心性。如壁面爬行、水下推動等機構(gòu)。履帶式著地面積大，對不平路面的適應(yīng)性強，但是 體積大，不易實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，而且要保持履帶的張緊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如 圖所示； 支腿 式對粗糙表面性能較好、帶載能力強，但其控制系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)均復(fù)雜、移動行走速度慢； 輪式 移動方式速度快，轉(zhuǎn)彎容易，對中性好，尤其是徑向輻射輪式結(jié)構(gòu)，能夠保證機器人在運行過程中，其中心軸線與管道軸線管道機器人的設(shè)計與運動仿真 第 14頁 共 45頁 保持一致，缺點是著地面積相對較小，維持附著牽引力較困難。傳動系統(tǒng)是將原動機的運動和動力進行傳遞與分配的作用，可見，傳動系統(tǒng)是機器的重要組成部分。因此，在機器中傳動系統(tǒng)設(shè)計的好壞，對整部機器的性能、成本以及整體尺寸的影響都是很大的。 合理的傳動方案首先應(yīng)滿足工作機的性能要求，其次是滿足工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、傳動效率高、使用維護方便、工藝性和經(jīng)濟性好等要求。 機器人常用的驅(qū)動方式有：液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動三種基本方式。液壓與氣動方式對環(huán)境要求較高，實現(xiàn)起來較復(fù)雜，而電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單，較易實現(xiàn)密 封與調(diào)速控制。驅(qū)動動力從電機經(jīng)由減速器減速后，在滿足管徑自適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，如何更好地將動力傳遞到主動輪上 ，是選擇機器人傳動方式過程中重點考慮的問題。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 第 15頁 共 45頁 動力變換裝置的設(shè)計 圖 21 車輪端面圖 在如 圖 21 所示的 輪式移動結(jié)構(gòu)中，當(dāng)預(yù)緊彈簧施加 基本的預(yù)緊力后，剛好使得位于最上側(cè)的輪處于與管壁相接觸的臨界狀態(tài)，也就是說上輪與管壁間的接觸壓力剛好為零，所以機器人整體的驅(qū)動力絕大部分來自輪 1 和輪 3，而且機器人本體的重心位置位于管道的軸線下方 40mm左右（如 圖 21 所示），增強了機器人的穩(wěn)定性。故需要動力變換裝置來實現(xiàn)動力的分流。在設(shè)計中管道機器人的設(shè)計與運動仿真 第 16頁 共 45頁 蝸桿與兩蝸輪之間的軸線夾角為 90176。 。 同步鏈傳動設(shè)計 由于設(shè)計的機器人具備在一定的管徑變化范圍內(nèi)行走的能力，在管徑發(fā)生變化的時候，主動輪與管道中心的距離也相應(yīng)發(fā)生改變，在現(xiàn)有的相關(guān)管道機器人傳動方案中，更多的是采 用全齒輪傳動方式，即動力經(jīng)變換后，通過增加惰輪的方式，將動力傳遞到主動輪，雖然該方案的傳動效率較高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對環(huán)境的適應(yīng)能力較差，可適應(yīng)管徑變化范圍較小，在本設(shè)計中，動力經(jīng)蝸輪蝸桿裝置變換后，通過傳動比為1： 1 的齒輪傳動，將動力傳遞到各支腿，因為空間尺寸關(guān)系，在兩者之間增加一惰輪機構(gòu)，再應(yīng)用同步鏈將動力傳送到主動輪 1 和輪 3。 機器人變管徑自適應(yīng)性方案設(shè)計 管 道由于制作誤差、使用 過程中局部結(jié)垢、局部壓力過大而產(chǎn)生變形以及內(nèi)表面雜物的存在，管道 機器人在碰到變形部位及雜物時，由于阻力而使支撐臂收縮，同時在驅(qū)動力的作用下通過變形部位，當(dāng)再次達到管道正常段時，支撐臂能夠在彈簧的作用下像傘一樣張開，使機器人重新恢復(fù)原來的平穩(wěn)狀態(tài)。有了自適應(yīng)性，機器人就能穿過一個個變形部位，以達到對管道進行有效清洗的目的，在本設(shè)計中，對于自適應(yīng)性的設(shè)計主要包括兩 種 方式：各支腿華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 第 17頁 共 45頁 單獨調(diào)整和支腿整體調(diào)整。當(dāng)機器人在行進 過程中，其中的一個或多個支腿遇到障礙物（包括突起和凹陷）時，利用支腿內(nèi)部的調(diào)整彈簧來改變支腿的長度使得支腿與管壁處于理想的接觸狀態(tài)，以滿足穩(wěn)定作業(yè)要求。該裝置主要是針對相同管徑或管徑變化范圍不是很大的情況下，當(dāng)管徑變化范圍較大時，則應(yīng)使用支腿的整體調(diào)整方式。比較研究 了各種調(diào)節(jié)機構(gòu)的優(yōu)缺點，針對本課題的工程實際需要，并根據(jù)前 后支腿的特性要求，在前支腿（即從動輪支腿）選用彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式，后支腿（即主動輪支腿）選用滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式。 (1)滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式自適應(yīng)方案。保證管道機器人以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管道內(nèi)壁上，使機器人具有充足且穩(wěn)定的牽引力 。 0T 是電機軸的輸出扭矩。 合并整合上兩式得： ? ?3 11 332 2 ta n ta nhh GiiP L PT F NL? ? ? ? ? ???? ??? （ 28） 此式即為滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性。當(dāng)管徑發(fā)生變化時，作用在從動輪上的壓力變化，使得壓緊彈簧產(chǎn)生伸縮，而帶動推桿運動，進而推動連桿 AB 繞支點 A 轉(zhuǎn)動，使車輪撐開或者緊縮以達到適應(yīng)不同的管徑的目的。故在彈簧壓緊調(diào)節(jié)方武的力學(xué)特性如下： 圖 23 彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 第 21頁 共 45頁 選取其中的一個支承臂作為研究對象，其受力分析如圖所示，由前述滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的分析可知，彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式的力學(xué)平衡方程為： 0sFf?????? （ 29） 式中， f — 彈 簧的壓緊力， N。從上邊的式子可以看出，彈簧壓緊力 f 只是位移函數(shù)，因此該機構(gòu)具有負反饋作用，在一定的管徑變化范圍內(nèi)，封閉力之和 N 變化不大。 動力系統(tǒng)的設(shè)計計算 管道機器人行駛阻力分析 在計算前，我們先設(shè)定我們所設(shè)計的機器人的行進速度是 。 ∑ NG為機器人輪子負荷之和。 當(dāng)姿態(tài)角分別為 60176。 時候，系統(tǒng)的阻力最大。 總阻力 F 49 0. 5 24 .5 .N? ? ? 根據(jù)實際情況，我們設(shè)計主動輪半徑 50r mm? ，總阻力矩為： M Fr? ?? = 2 4 5 0 .0 5 1 2 .2 5 Nm?? 已經(jīng)設(shè)過機器人行進速度為 /mms ， 也就是 /m min ， 則主動輪轉(zhuǎn)速應(yīng)該是 ： nw=2vr? = ?? = /r min 電機的額定轉(zhuǎn)速為 1500 /r min 系統(tǒng)傳動比為 ： 1500 4493 .3 4swni n? ? ? 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 第 23頁 共 45頁 電機提供的驅(qū)動力矩為： q sMM i?? = 1 2 .2 5 0 .5 64 4 9 0 .3 2 0 .1 5 Nm??? 9550nq TP ?? 0 . 5 6 1 5 0 0 0 . 0 1 8 1 89550 K W W? ?? 考慮機器人在管 道內(nèi)行進出現(xiàn)的在和突變情況，取安全系數(shù)為 2 ，則電機的功率為 36W ,電機選用 5614YS 型。 得：轉(zhuǎn)速為 1500 /r min 額定功率為 60W 額定電流為 效率為 56% 功率因數(shù)為 額定轉(zhuǎn)矩為 管道機器人的設(shè)計與運動仿真 第 24頁 共 45頁 表 21 YS 系列電機技術(shù)參數(shù) 表 21 YS 系列電機技術(shù)參數(shù)續(xù) 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 第 25頁 共 45頁 減速器的選擇 在選擇了電機型號之后，需要選擇與之相應(yīng)的減速器。 考慮驅(qū)動能力時減速比的計算 根據(jù)電機的相關(guān)資料，可知電機的額定轉(zhuǎn)矩為 ，為滿足機器人能正常行駛，則整個軀動系統(tǒng)電機的驅(qū)動力矩經(jīng)傳動系統(tǒng)減速增扭后，驅(qū)動力矩應(yīng)大于等于機器人所受到的總的阻力矩，即應(yīng)保證傳動系統(tǒng)的傳動比mini 應(yīng)滿足： mini ? DMM? ?? 2．考慮機器人最高運行速度傳動比的計算 根據(jù)電機相關(guān)資料，可知電機的額定轉(zhuǎn)速為 15 00 /d r minn ? 則傳動系統(tǒng)的最大傳動比 maxi 應(yīng)該滿足： maxi dwnn? 1500 ?? 管道機器人的設(shè)計與運動仿真 第 26頁 共 45頁 基于上述傳動比，我們可以確定傳動系統(tǒng)的傳動比si 應(yīng)該滿足： mini maxsii?? （ 214） 傳動比里面蝸桿傳動的傳動比為：wi=580，選用 20 則減速器的出動比ri 為： maxmin rw d w dii ii i i i?? （ 215） 我們選用 12ri? 根據(jù)《小功率計算機》書上說明，選用 GBX40 行星減速器。 運動速度校核 根據(jù)以上所選電機和減速器的性能指針，可知電機的額定轉(zhuǎn)速 30 00 /d r minn ? ，減速器的傳動比是 12，以及機器人所要求的主動輪半徑 ? ，可以計算出機器人在確定電機和減速器后的最高車速 V 。 驅(qū)動能力校核 根據(jù) 電機的額定輸出轉(zhuǎn)矩為 ，傳動比 i 為 450 ，則機器人總的驅(qū)動力矩為： 2. 4 45 0 57 6W MM ? ? ? ? ? 因為機器人總的驅(qū)動力矩大于其所受到的總的阻力矩，所以機器人能夠有足夠的動力起車，并有一定的動力儲備。 管道機器人的設(shè)計與運動仿真 第 28頁 共 45頁 3 鏈傳動的設(shè)計計算 鏈輪設(shè)計的初始條件 鏈輪設(shè)計的初始條件如圖 31 所示 表 31 初始條件 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （論文） 第 29頁 共 45頁 鏈輪計算結(jié)果 經(jīng)過設(shè)計手冊的計算，得到的鏈輪計算結(jié)果如： 表 32 設(shè)計結(jié)果 由上面我們得到鏈輪的基本尺寸： 排距 分度圓直徑 齒頂圓直徑