【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1第一章 概 述 機(jī)器人概述 機(jī)器人 —— 這一詞 最早使用始于 1920年至 1930 年期間在捷克作家凱勒爾 .凱佩克（ KAREL CAPEK）的名為“羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人”的幻想劇中，一些小的人造的和擬人的傀儡絕對(duì)地服從其主人的命令。這些傀儡被稱(chēng)為“機(jī)器人”。意思是“強(qiáng)制的勞動(dòng)”。舉例說(shuō)，人搬運(yùn)某一物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可用圖（ a）所示的方塊圖來(lái)說(shuō)明。感覺(jué)到這種信息經(jīng)過(guò) 感覺(jué)神經(jīng)送到大腦中， 大腦經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，然后通過(guò)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)發(fā)出指令，手臂用最好 的方式伸向物體，并將物體抓住，手上的感覺(jué)神經(jīng)，感覺(jué)物體已經(jīng)抓牢了，把信息傳給大腦。一般包括以下幾個(gè)部分見(jiàn)圖（ b）： 耳、眼 腦 手 軀干 腳 對(duì)象環(huán)境 感受、觀測(cè) 運(yùn)動(dòng)神經(jīng) 感覺(jué)神經(jīng) 行走 操作 （ a） 操作人員 行走裝置 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 與操作人員聯(lián)系裝置 感覺(jué)裝置 外界環(huán)境 控制裝置 (b) 蘭州理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2（相當(dāng)于人的大腦）， （相當(dāng)于人的手）； （相當(dāng)于人的腳）； 與外界環(huán)境聯(lián)系的裝置（相當(dāng)于人的口、耳、眼、鼻以及皮膚上的感覺(jué)神經(jīng)）。①通用性： 具有完成各種任務(wù)以及以不同的方式完成相同的結(jié)構(gòu)或機(jī)械能力。 ② 自動(dòng)適應(yīng)性：是指一個(gè)機(jī)器人必須被設(shè)計(jì)成由自己去完成任務(wù)，盡管難以預(yù)知，但卻可以有限的知道在完成任務(wù)期間環(huán)境的變化，通過(guò)改變路徑、姿態(tài)等來(lái)處理所面對(duì)的問(wèn)題，最終完成任務(wù)。現(xiàn)在使用的有很多種。 機(jī)器人的誕生和機(jī)器人學(xué)的建立無(wú)疑是 20 世紀(jì)人類(lèi)科學(xué)技術(shù)的重大成就。特別是到了 20世紀(jì) 90 年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷誕生 —— 成長(zhǎng) —— 成熟期后，已成為現(xiàn)代 先進(jìn)制造業(yè)中必不可少的核心裝備，當(dāng)今世界上約有上百萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在各條戰(zhàn)線上。 管道機(jī)器人概述 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，石油、化工、天然氣及核工業(yè)等產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，各種管道作為一種重要的物料輸送設(shè)施，得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)多數(shù)管道安裝環(huán)境人們不能直接到達(dá)或不允許人們直接進(jìn)入，為進(jìn)行質(zhì) 量檢測(cè)和故障診斷，采用傳統(tǒng)的全面挖掘法、隨機(jī)抽樣法工程量大，準(zhǔn)確率低，管道機(jī)器人就是為了解決這一實(shí)際問(wèn)題 產(chǎn)生的，它是由可沿管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走裝置、攜有一種或多種傳感器及操作裝置如：機(jī)械手、噴槍、焊槍、刷子。管道機(jī)器人可完成的管道作業(yè)有以下幾類(lèi)： 1. 生產(chǎn)、安裝過(guò)程中的管內(nèi)質(zhì)量檢測(cè)。 3. 使用過(guò) 程中焊縫情況、表面腐蝕、裂縫破損等故障診斷。 5. 管道內(nèi)外器材運(yùn)送、搶救等其它用途。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授在國(guó)家“ 863”計(jì)劃課題“ X 射線檢測(cè)時(shí)成像管道機(jī)器人的研制”的支持下，開(kāi)展了輪式行走方式的管道機(jī)器人研制，實(shí)現(xiàn)了管外機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)作業(yè)無(wú)攬操作技術(shù)，并研制了鏈?zhǔn)胶弯搸絻煞N新型管外傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。它是模仿昆蟲(chóng)在地面爬行時(shí)蠕動(dòng)前進(jìn)與后退的動(dòng)作設(shè)計(jì)的。針對(duì)微小空間、微小管道 時(shí)探測(cè)要求，研制成電磁驅(qū)動(dòng)微小型管道機(jī)器人樣機(jī)。其驅(qū)動(dòng)機(jī)理模擬生物的蠕動(dòng)爬行。西安交通大學(xué)設(shè)計(jì)制作了蠕動(dòng)式微動(dòng)直線自行走機(jī)構(gòu)。 廣州工業(yè)大學(xué)借用仿生學(xué)原理，研制成結(jié)構(gòu)獨(dú)特的，像蠕蟲(chóng)一樣的微管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由電磁力驅(qū)動(dòng)。當(dāng)分別通電時(shí)，機(jī)器人的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器互相吸合收縮。 國(guó)外管道機(jī)器人的發(fā)展 國(guó)外關(guān)于燃?xì)夤艿罊C(jī)器人的研究始于 20 世紀(jì) 40 年代，由于 70 年代的微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，管道檢測(cè)機(jī)器 人技術(shù)于 90年代初，得到了迅猛發(fā)展并接近于應(yīng)用水平。日本管道機(jī)器人眾多，東京工業(yè)大學(xué)于 1993 年開(kāi)始研究管道機(jī)器人，并且成功研制出 THES 系列的機(jī)器人，以下介紹 THES2Ⅲ型管道機(jī)器人：其采用“電機(jī) —— 蝸輪蝸桿 —— 驅(qū)動(dòng)輪”的驅(qū)動(dòng)方案，同時(shí)每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都有一個(gè)傾斜角度測(cè)蘭州理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6量輪，通過(guò)測(cè)量輪探測(cè)機(jī)器人的傾斜角度，并反饋給電機(jī) ，從而保證管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪以垂直的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。 美國(guó)是機(jī)器人的誕生地，早在 1962 年就研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，是世界上的機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之一，其基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)，并有很多管道機(jī)器人產(chǎn)品。美國(guó)紐約煤氣集團(tuán)公司 (NYGAS)的 DAPHNEDPZURKO 和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人技術(shù)學(xué)院的 HAGENSCHEMPF 博士在美國(guó)國(guó)家航空和宇宙行局（ NASA）的資助下于 2021 年開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)距離、無(wú)攬方式的管道機(jī)器 人系統(tǒng) —— EXLORER，專(zhuān)門(mén)用于檢測(cè)地下煤氣管道是情況。（ 2）可以在鑄鐵和鋼質(zhì)煤氣管道中，低壓和高壓條件下工作。（ 3）可有利通過(guò) 90176。 （ 4）與外部操作人員采用無(wú)線通訊方式。 德國(guó)工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國(guó)。該機(jī)器人由六節(jié)單元組成，其頭部和尾部?jī)蓚€(gè)單元體完蘭州理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7成相同，每個(gè)單元之間的節(jié)點(diǎn)由 3 個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得 MAKRO 可以抬起或者彎曲機(jī)器人個(gè)體，從而可以輕松越過(guò)障礙物或?qū)崿F(xiàn)拐彎運(yùn)動(dòng)，該管道機(jī)器人系統(tǒng) MAKRO 具有 21 個(gè)自由度 ，長(zhǎng)度為 2M，質(zhì)量為 50Kg，采用無(wú)纜 控制方式， MAKRO 系統(tǒng)使用于直徑為 300~600mm 的管道。兩履帶調(diào)節(jié)到平行位置時(shí)，可以在平地或矩形管道內(nèi)行走。 KAWAGUCH 等研制的管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)只適用于 500mm 的管道，而且一次作業(yè)的檢測(cè)距離不大于 500m。 機(jī)器人的發(fā)展前景 展望 21 世 紀(jì) 機(jī) 器 人 技 術(shù) 的 發(fā) 展 趨 勢(shì) ， 明 顯 地 向 著 智 能 化（ INTELLECTUALIZATION）發(fā)展，包括機(jī)器人本身向智能機(jī)器人進(jìn)化和實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化（ ROBOTIZATION） 系統(tǒng)。總的說(shuō)來(lái)，雖然存在不少難關(guān)，甚至出蘭州理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8現(xiàn)某些陰影，但新世紀(jì)機(jī)器人學(xué)的發(fā)展前景是十分光明和充滿(mǎn)希望的。； 、小于 30176。其缺點(diǎn)是：越障礙能力和拐彎差。缺點(diǎn)是著地面積小，維持一定的附著力較困難，這使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，越障礙能力有限。缺點(diǎn)是體積大不易小型化，拐彎半徑大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還要保持履帶的張緊。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，行走速度慢。缺點(diǎn)是移動(dòng)速度慢，控制復(fù)雜。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，移動(dòng)速度慢，驅(qū)動(dòng)力要求高。所以采用上述行走機(jī)構(gòu)的移動(dòng)方式的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)行走，這樣可利用其綜合優(yōu)點(diǎn)避免單一移動(dòng)方式的缺點(diǎn)。所以，設(shè)計(jì)了一種如下所示的機(jī)器人，其特點(diǎn)是：移動(dòng)速度快、轉(zhuǎn)彎比較容易、有較大牽引力、對(duì)粗糙路面適應(yīng)性強(qiáng)、越障礙能力強(qiáng)；同時(shí)，可伸縮性使得機(jī)器人對(duì)變徑管道有較好的自適應(yīng)性。利用鏟斗鏟起灰塵，然后行走到管道底 部 的 傾倒垃圾開(kāi)口，傾倒灰塵。 ② 借鑒吸塵器的工作原理。 所以才用具有兩個(gè)自由度的機(jī)械臂，臂未端附上吸塵器頭，臂上附上塑 料軟管， 軟管最終以主體的垃圾箱密封連接。在本機(jī)器人設(shè)計(jì)中，采用滾珠絲杠螺母副來(lái)和放大桿組來(lái)實(shí)現(xiàn)。 （ 4）最終方案的確定 根據(jù)以上的分析和比較 ，最后得出最終方案。 蘭州理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 第三章 部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算 管道機(jī)器人工作計(jì)算 由于管道直徑是變化的，變化范圍為（ φ 600φ 700mm），通過(guò)計(jì)算當(dāng)管 道直徑為 700mm 時(shí)，且堆積相對(duì)底部為 70mm， 每 50m 最大工作量 Gmax： 其中 h=70mm,d=700。 b= 22 aR = 22 280503 =210mm θ =arctan(b/a)=arctan(210/280)=176。1/2 a 2b=