【正文】 中各種管道的內部缺陷和異物的檢查。通過計算計遠程控制，爬行器可以自動爬行在有保溫層或無保溫層的管道上。 新型微笑管道機器人的運動原理 圖 18 所示為文獻所提出的機器人原始方案，經(jīng)過虛擬仿真和樣機試驗發(fā)現(xiàn)該方案存在三個不足： (1)支撐機構完全是剛性結構，當管徑有一定變化時，可能達不到撐緊管壁的要求； (2)保持機構在管徑變化時不能起到有效的保持作用，當管徑小于保持機構尺寸時，它就會被“卡住”，使整個機器人“癱瘓”； (3)驅動部分尺寸過長，在過彎時明顯與管道發(fā)生“干涉”，致使機器人被“卡死”。這種調節(jié)是一種硬調節(jié)和軟調節(jié)共同作用的混合調節(jié)。硬調節(jié)和軟調節(jié)的協(xié)調作用，使該支撐機構具有更好的徑向調節(jié)能力，從而使機器人具有更強的管徑適應能力。另外，增加了支撐輪設計，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，解決了原始方案點接觸的問題，可以更好地適應復雜的管道環(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構以恒定壓力撐緊在管壁上，同時8 也對電機起過載保護的作用。其中保持輪軸線始終與管壁母線保持垂直，工作時，保持輪沿管壁滾動。這樣機器人在管內運動時，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)定運動的范圍內。具體設計內容為： （ 1）了解螺旋輪式管道機器人的基本構成及工作原理，熟悉其設計、生產的基本知識。 （ 3）設計原始參數(shù)： 1）機器人可以在管道內實現(xiàn)前進、后退、按一定的曲率半徑回轉向動作。 論文的主要內容 (1)方案的確定：考慮課題所要求的變徑需要，擬訂幾個可行的變徑方案，并對每個方案進行可行性分析。 (2)材料的選擇：為了使管道機器人在管道內更加靈活，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輕的特點，但機械性能明顯提高。利用鋁合金陽極氧化處理后可以進行著色的特點，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同樣的零部件，這也是他的特點之一。也就是說，碳素纖維因為有纖維的特性所以在一定的纖維方向上受力能力很強，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) 機械結構的設計：根據(jù)所確定的方案原理和管道檢測機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徑為 Φ150mm 的管道環(huán)面等，設計出能夠滿足實際要求的機械結構形式和各個零件的具體尺寸，并繪制出變徑裝置的零件圖、裝配圖。 (5)基本尺寸的確定，使機構滿足一定的幾何限制條件 。11 2 螺旋輪式管道機器人的總體方案設計 機器人管內運動方式對比分析 輪式 日本學者福田敏男、 細貝英夫在 1986 年研制了可以通過 “L”無圓弧過渡的管內移動機器人。當機器人在直管內行走時，本體 上的電動機 M1 通過減速裝置帶動本體上的驅動輪轉動，使機器人沿直管行走。該機器人的技術指標為：適應管徑：φ50mm；行走速度： ；轉彎性能：可以通過 90 度直角彎管；機器人重量為：240g；機器人長度： 76mm。輪式管內移動機器人行走的基本原理是驅動輪靠彈簧力、液壓、氣動力 ,磁性力等壓緊在管道內壁上以支承機器人本體并產生一定的正壓力 ,由驅動輪與管壁之間的附著力產 生機器人前 后 行走的驅動力 ,以實現(xiàn)機器人的移動。下面以上海交通大學研制的輪式管道機器人 (圖 110)為例說明其工作原理。均勻分布的 3 個蝸輪 ,蝸輪又通過鏈輪和鏈條帶動機器人本體的車輪轉動 ,實現(xiàn)機器人本體在管道內的前進或后退。 12 1蝸桿 2驅動電機 3驅動電機安裝座 4調整電機 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 驅動機構原理圖 蠕動式 清華大學研制了一套小型蠕動機器人系統(tǒng)，其機構如圖 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)地運動。 圖 21 蠕動體結構示意圖 蠕動式驅動是基于仿生學原理，參考蚯蚓、毛蟲等生物的運動而實現(xiàn)的。蠕動式驅動的優(yōu)點在于可適用管徑及曲率的變化。實現(xiàn)蠕動的方法復雜，附帶的元件多 ，如氣動蠕動，就需要外接多根導氣管。蠕動式管道機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器人運動的動力。 下面以電磁驅動的蠕動式 管道機器人為例，分析蠕動式管道機器人的運動機理。 至此 ， 機器人回到了初始狀態(tài)，機器人前進了一步。 圖 22 蠕動機器人的運動原理 綜合輪式驅動、履帶式驅動、腿式驅動、電磁式驅動等不同結構的優(yōu)缺點， 以及簡單性和實用性特點，最后確定采用輪式驅動結構。通過一些結構的設計，可以適應一定的管徑變化，通過控制軸向尺寸，采取適當?shù)慕Y構，可以實現(xiàn)在彎管中行走。常見的輪式驅動機構有直進輪式驅動和螺旋輪式推進兩種 方式。因此我們最終確定采用螺旋輪式驅動的方案，該方案采用了分節(jié)式螺旋驅動輪式結構。 螺旋輪式管道機器人的運動機理 機構的原理 如圖 23，螺旋機構由驅動電機 Μ1(Μ2) ,旋轉體 1（ 2） 和支撐體 1（ 2） 組成。隨著電機的轉動，驅動電機 Μ1(Μ2) 帶動旋轉體 1（ 2）轉動，使驅動輪沿管壁作螺旋運動，保持機構沿管道中心軸線移動。電機采用內嵌式安裝在支撐體 1（ 2) 上，支撐體 1（ 2）通過彈簧、萬向聯(lián)結接頭與無損檢測傳感器相聯(lián)結。腿輪與本體之間有滑塊連接，靠螺釘固定，調節(jié)滑塊位置，腿輪可以伸縮，使得管道檢測機器人有一定的管徑適應能力。對稱機構，雙電機安裝方式可以使機器人前進速度快，驅動力大； 控制方便； 機構的管內穩(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，使電機能夠有較大的功率輸出，使行走機構拖動力最大 。由于彈簧機械性能及參數(shù)變化該機構設計上有調正環(huán)節(jié)，以使 3 個彈簧拉力基本平衡自定心。 通過理論分析與比較， 螺旋 輪式管內行走機構結構緊湊， 雙電機對稱機構提供的拖動力大，并且結構穩(wěn)定，靈活，電機的 是一種理想的管內行走機器人載體。 16 3 管道機器人行走機構的分析與設計 旋轉輪的結構設計 圖 31 旋轉輪零件圖 旋轉輪盤選擇兩盤相扣結構，使機構更加靈活。變徑范圍 146mm164mm。該機器人的供電方式為拖纜供電，隨著機器人在管道內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，所以要求機器人的移動機構有一定的帶載能力。一般情況下，在不使機器人打滑的同時，管徑增大時，撐緊機構施加到車輪上的正壓力減小，從而摩擦力減小，負載減小，電機所需的驅動力降低。因此有必要將機構的負載能力，或說軸向輸出牽引力，作為一個重要的指標來分析。下面分析移動機構在管道中行走時的受力17 情況。機械平臺共有 6 組 12 個驅動輪和 6 組 12 個支撐輪，為了使計算出的負載能力有一定的安全系數(shù)，所以只考慮 12 個驅動輪的負載能力來平衡機械本體的負載。假設處在理想狀態(tài)下，每個橡膠驅動輪的受力狀態(tài)相同，因此取一個車輪作為隔離體 ,對其進行受力分析。 圖 32 力學分析原理 分析可知，整個移動機構是依靠電機驅動，驅動輪緊緊壓著管壁，驅動輪轉動時與管壁之間產生純滾動，依靠管壁對驅動輪的摩擦力作用而實現(xiàn)行走的，因此，機器人在管道內部的前進、 后退、啟停、加減速等動作只需控制電機的正反轉、啟停和調整電機電壓大小來實現(xiàn)。下面是一些假設條件： （ 1） 移動 機構是在直管中運動，忽略管道的內徑的不均勻性； 18 （ 2） 管道機器人的移動機構的車輪在管道內作純滾動，而忽略掉零件加工中的誤差而導致的機構其他形式的運動； （ 3） 整個移動機構作勻速運動，不考慮其慣性力的影響； （ 4） 移動機構移動時共有六個輪子與管道內壁接觸，假設每個輪子的封閉力都相同； （ 5） 忽略一切損失； （ 6） 負載無波動； （ 7） 分析時采用標量，當所求值為負時表示實際方向與圖示方向相反。本設計任 務中對移動機構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運動，即只要求是一個單自由度移動機構。 電機的選擇 12Fsinθ＞ G G=mg=2= 12F. N 提供的牽引力至少 。 大體估計總 質量 為 2kg。 P=Tw=2π16/60= 即每個電機需要提供 的功率。 電機連接軸的設計 圖 36 電機連接軸 20 表 33 電機選擇參數(shù) 電壓 空載 負載 堵轉 減速比 減速箱長 重量 V 轉速 電流 轉速 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 轉速 電流 轉速 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 選擇電機參數(shù) 電壓 24V 轉速 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，使結構緊湊穩(wěn)定。 普通平鍵用途最廣，因為其結構簡單，拆裝方便，對中性好，適合高速、承受變載、沖擊的場合 。 （ 2）普通平鍵的兩側面與軸鍵槽的配合一般有間隙。鍵兩端圓弧應無干涉。 （ 3）普通平鍵的底面與鍵槽底面應貼實。 第三： 鍵的選擇和鍵 聯(lián) 接的強度計算 （ 1） 鍵的選擇 鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個方面。鍵的截面尺寸（鍵寬 b 和鍵高h）按軸的直徑 d 由標準中選定；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；導向平鍵應按輪轂的長度及滑動距離而定。 （ 2） 平鍵連接的強度計算 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)）。 彈簧的設計與選擇 拉伸彈簧是直進輪式管道機器人的關鍵部件，如果拉伸彈簧的拉力不夠，不能保證每組 輪軸 機構都能被拉開使車輪擠壓在石油管道內壁，這樣不能保 證機器人能夠平穩(wěn)行駛；如果拉伸彈簧的拉力太大，雖能保證機構都能被拉開并擠壓在石油管道內壁，22 但擠壓在石油管道內壁的壓力過大，使得直進輪式管道機器人運動阻力過大，這對電機要求也會相應提高。 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 限應力與極限載荷，工作極限應力τ j= p (5)端部并緊磨平 d8mm 總圈數(shù) n1=n+2 =12 自由高度 H0=nt + t= 壓并高度 H b = (n +)d= 支撐輪和電機的固定方案 由于電機固定在支撐輪上，電機帶動旋轉盤旋轉，使得旋轉盤上的輪沿管道做螺旋運動，而支撐輪沿管道平行運動。 探測頭的定位方案 探測頭和一個旋轉電機連接在一起，實現(xiàn)圓周運動，可以進行周向全方位掃描。電壓： 36V， 轉速： 1700 轉 圖 38 電機尺寸圖 24 4 管道機器人在管中運動通過性分析 由于管道微型機器人可能在彎管中運動，為了防止機器人在管道中運動時，由于管道的曲率半徑太小而使得機器人擱淺而卡在管道中，不能前進和后退，現(xiàn)對管道曲率半徑對機器人的影響分析如下。 圖 41 管道機器人擱淺示意圖 當管道機器人經(jīng)過的管道曲率半徑大于此時管道的曲率半徑，機器人則能順利通過。此時管道的曲率半徑為管道機器人順利通過管道的臨界值。 管道環(huán)境對機器人的幾何約束 彎道是管道機器 人工作時常遇到的障礙，管道 機器人