管道機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)正文

1、 設(shè)計(jì)內(nèi)容 主要結(jié)論第一章 概述 1. 1 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"羅莎姆的萬(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”。該單詞起源于捷克語(yǔ)“robota”。意思是“強(qiáng)制的勞動(dòng)”。機(jī)器人的組成與人類(lèi)相似。舉例說(shuō)，人搬運(yùn)某一物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可用圖（a）所示的方塊圖來(lái)說(shuō)明。首先，人聽(tīng)到外部的命令或用眼睛看到外部的指令，并由眼睛測(cè)量出距離。感受到這兩種信息經(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

2、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。大腦命令手抓起物體，同時(shí)指令腳移動(dòng)到所要求到達(dá)的地點(diǎn)，最后放下物體。一般包括以下幾個(gè)部分見(jiàn)圖（b）：1.控制中樞（相當(dāng)于人的大腦）； 2.操作裝置（相當(dāng)于人的手）；3.行走裝置（相當(dāng)于人的腳）； 4.有感覺(jué)的機(jī)器人還必須有感覺(jué)裝置以及與外界環(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)）。實(shí)際的機(jī)器人在不同的程度上具有兩種特有的屬性：對(duì)環(huán)境的通用性和自動(dòng)適應(yīng)性。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。這意味著機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有可變的機(jī)械形狀。自動(dòng)適應(yīng)性： 是指一個(gè)機(jī)器人必須

3、被設(shè)計(jì)成由其自己去完成任務(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)。為了對(duì)機(jī)器人進(jìn)行分類(lèi)，必須能夠定義和區(qū)分不同的類(lèi)型，因此根據(jù)不同的定義就有不同的分類(lèi)方法?，F(xiàn)在使用的有很多種。以下介紹日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA）的分類(lèi)方法：第一類(lèi)：手工操作裝置：一種由操作人員操作的具有若干個(gè)自由度（DOF）的裝置；第二類(lèi)：固定程序的機(jī)器人：依照預(yù)定的不變的方法按部就班執(zhí)行任務(wù)的操作裝置，對(duì)任務(wù)的執(zhí)行順序很難進(jìn)行修改；第三類(lèi)：可變程序的機(jī)器人：與第二類(lèi)是同一種類(lèi)型的操作裝置，但其執(zhí)行步驟可以修改；第四類(lèi)：再現(xiàn)式機(jī)器人：操作人員通過(guò)手動(dòng)方

4、式引導(dǎo)或控制機(jī)器人完成任務(wù)，而機(jī)器人控制裝置則記錄其運(yùn)動(dòng)軌跡，需要時(shí)可以重新調(diào)出記錄的軌跡信息，機(jī)器人就能以自動(dòng)的方式完成任務(wù)；第五類(lèi)：數(shù)值控制機(jī)器人：由操作人員給機(jī)器人提供運(yùn)動(dòng)程序，而不是用手動(dòng)方式教導(dǎo)機(jī)器人完成指定的作業(yè)任務(wù)；第六類(lèi)：智能機(jī)器人:通過(guò)對(duì)環(huán)境變化的感知，改變其運(yùn)動(dòng)軌跡、姿態(tài)等措施圓滿(mǎn)的完成任務(wù)。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。自60年代初機(jī)器人問(wèn)世以來(lái)，作為20世紀(jì)人類(lèi)最偉大發(fā)明之一的機(jī)器人技術(shù)，經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。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

5、。除了用于工業(yè)生產(chǎn)中從事焊接、噴漆、搬運(yùn)和裝配等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人的水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的特種、智能機(jī)器人系統(tǒng)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷了誕生成長(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(xiàn)上。非制造業(yè)中的仿人性機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人等各種用途的特種機(jī)器人也正以飛快的速度向?qū)嵱没~進(jìn)。1.2 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。由于腐蝕、重壓等作用,

6、 管道不可避免地會(huì)出現(xiàn)漏孔、裂紋等現(xiàn)象。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)器人的工作空間是復(fù)雜、封閉的各種管道, 包括水平直管、各角度彎管、斜坡管、垂直管以及變徑管接口等, 所以需要在操作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下, 進(jìn)行一系列管道作業(yè)。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)外質(zhì)量檢測(cè)。 2.惡劣環(huán)境下管道清掃

7、、噴涂、焊接、內(nèi)部拋光等維護(hù)。 3.使用過(guò)程中焊縫情況、表面腐蝕、裂縫破損等故障診斷。 4.對(duì)埋地舊管道的修復(fù)。 5.管道內(nèi)外器材運(yùn)送、搶救等其它用用途。1.3 國(guó)內(nèi)外管道機(jī)器人的發(fā)展1.3.1 國(guó)內(nèi)管道機(jī)器人的發(fā)展國(guó)內(nèi)在管道機(jī)器人方面的研究起步較晚, 而且多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室階段。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(xiàn)檢測(cè)實(shí)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)了管內(nèi)外機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)作業(yè)無(wú)纜操作技術(shù), 并研制了鏈?zhǔn)胶弯搸絻煞N新型管外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)由六大部分組成(1)移動(dòng)載體 (2)視覺(jué)定位 (3)收放線(xiàn)裝置 (4)X射線(xiàn)機(jī) (5)檢測(cè)控

8、制,系統(tǒng)控制 (6)防護(hù)系統(tǒng)1-能源 2-控制系統(tǒng) 3-收放線(xiàn)裝置 4-X射線(xiàn)控制 5-驅(qū)動(dòng)裝置 6-X射線(xiàn)機(jī) 7-視覺(jué)定位裝置 8-防護(hù)罩 9-管道壁上海交通大學(xué)研發(fā)了小口徑管道內(nèi)蠕動(dòng)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。它是模仿昆蟲(chóng)在地面上爬行時(shí)蠕動(dòng)前進(jìn)與后退的動(dòng)作設(shè)計(jì)的。其主要機(jī)構(gòu)由撐腳機(jī)構(gòu)、三個(gè)氣缸（前氣缸、中氣缸、后氣缸）、軟軸、彈簧片、法蘭盤(pán)組成。針對(duì)微小空間、微小管道實(shí)時(shí)探測(cè)的要求，研制成電磁驅(qū)動(dòng)微小型管道機(jī)器人樣機(jī)。微小管道機(jī)器人由四個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)單元組成。其驅(qū)動(dòng)機(jī)理模擬生物體的蠕動(dòng)爬行。它是通過(guò)給線(xiàn)圈加一系列的時(shí)序脈沖進(jìn)行控制，依次使各單元?jiǎng)幼?，達(dá)到蠕動(dòng)爬行的運(yùn)動(dòng)。 西安交通大學(xué)設(shè)計(jì)制作了蠕動(dòng)式微動(dòng)直線(xiàn)自

9、行走機(jī)構(gòu)。這種行走機(jī)構(gòu)以電致伸縮微位移器做驅(qū)動(dòng)器，以電磁鐵機(jī)構(gòu)作為可吸附于行走表面的保持器。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)。機(jī)器人由前后兩個(gè)電磁線(xiàn)圈和前后兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器組成。當(dāng)分別通電時(shí)，機(jī)器人的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器相互吸合收縮。當(dāng)后電磁線(xiàn)圈斷電時(shí)，后部突然放松，由此產(chǎn)生的推力將機(jī)器人前部(前驅(qū)動(dòng)器)向前推進(jìn)一段距離；反向運(yùn)動(dòng)依次類(lèi)推。1.3.2 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。日本機(jī)器人

10、的發(fā)展經(jīng)過(guò)了60年代的搖籃期, 70年代的實(shí)用期, 到80年代進(jìn)入普及提高期, 開(kāi)始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。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Thes2型管道機(jī)器人：如圖（1）所示, 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)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)。該管道機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)CCD攝像頭實(shí)現(xiàn)信息的采集, 整個(gè)系統(tǒng)采用拖纜控制方式, 檢測(cè)距離超過(guò)100m。美國(guó)是機(jī)器人的誕生地, 早在1962 年就研制出世

11、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)Inuktun公司系列管道檢測(cè)機(jī)器人Versatrax是國(guó)外現(xiàn)有的已成型管道機(jī)器人。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)家航空和宇宙航行局(NASA)的資助下于2001年開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)距離、無(wú)纜方式的管道機(jī)器人系統(tǒng)EXLORER, 專(zhuān)門(mén)用于檢測(cè)地下煤氣管道的情況, 如圖2 所示。該管道機(jī)器人系列 EXLORER就有如下特征: ( 1) 一次作業(yè)檢測(cè)距離長(zhǎng),采用無(wú)纜方式, 自帶電池并且電池可以多次反復(fù)

12、充電, 使管道機(jī)器人具有良好的自推進(jìn)能力。( 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) 管道機(jī)器人的彩色攝像頭采用嵌入式“魚(yú)眼”鏡頭, 結(jié)構(gòu)非常緊湊。(4) 可以順利通過(guò)90°的彎管接頭和垂直管道。( 5) 與外部操作人員采用無(wú)線(xiàn)通訊方式。( 6)該管道機(jī)器人可以探測(cè)煤氣管道內(nèi)部是否水滲透、碎片堆積; 可以確定管道內(nèi)部缺陷的確切位置并且定位相應(yīng)的作業(yè)裝置; 采用視頻圖像的形式準(zhǔn)確地反映管道內(nèi)部的狀況條件。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)。德國(guó)學(xué)者Bernhard Klaassen、Hermann St2reich和Frank Kirchne

13、r等人在德國(guó)教育部的資助下于2000年研制成功了多關(guān)節(jié)蠕蟲(chóng)式管道機(jī)器人系統(tǒng)MAKRO。該機(jī)器人由六節(jié)單元組成, 其頭部和尾部?jī)蓚€(gè)單元體完全相同, 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。加拿大INUKTUN公司的雙履帶式管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu), 履帶采用剛性支承結(jié)構(gòu), 兩履帶的夾角可以調(diào)節(jié), 以適應(yīng)不同的作業(yè)管徑。兩履帶調(diào)節(jié)到平行位置時(shí), 可以在平地或矩形

14、管道內(nèi)行走。但這種剛性支承的雙履帶式管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的兩履帶夾角在行走過(guò)程中是無(wú)法改變的, 因此不適應(yīng)管徑變化的作業(yè)場(chǎng)合。Kawaguch等研制的管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)只適用于200mm的管道, 而且一次作業(yè)的檢測(cè)距離不大于500m; Kuntze等采用四輪獨(dú)立伺服驅(qū)動(dòng)方案研制成管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)KARO, 該機(jī)器人系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)200mm管徑的地下輸水管道的檢測(cè), 一次檢測(cè)距離為400m, 系統(tǒng)采用拖纜控制方式。1.4 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）方向發(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（roboti

15、zation）生產(chǎn)系統(tǒng)。具體地說(shuō)，傳感型智能機(jī)器人發(fā)展較快，新型智能技術(shù)（如臨場(chǎng)感、虛擬現(xiàn)實(shí)、記憶材料、多智能體系統(tǒng)以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專(zhuān)家系統(tǒng)等）在機(jī)器人上得到開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)器人工程，注意開(kāi)發(fā)微型和小新機(jī)器人，重視研制行走機(jī)器人，研制應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)環(huán)境下工作地非制造業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人，開(kāi)發(fā)敏捷制造系統(tǒng)，軍用機(jī)器人將用于裝配部隊(duì)等?？偟恼f(shuō)來(lái)，雖然存在不少難關(guān)，甚至出現(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。 第二章 總體方案的制定及比較2.1 管道機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo) （1）管道機(jī)器人的工作環(huán)境 a管道為金屬冶煉廠煙氣輸送管道，管道為圓管，管道

16、直徑為700mm-1000mm，管道底部每周可形成厚約100mm的煙灰堆積層； b煙灰密度3.5g/cm3 ； c管道中有水平、小于30。傾斜，3倍管道直徑彎曲三種形式；d管道底部每隔50m有一可自動(dòng)打開(kāi)的清潔，供機(jī)器人傾倒垃圾；（2）管道機(jī)器人的技術(shù)要求 a. 機(jī)器人必須小巧、靈活、拆卸方便； b生產(chǎn)能力高，每小時(shí)清潔能力應(yīng)在40m左右； c機(jī)器人在工作過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)可適應(yīng)應(yīng)不同管徑的變化情況； d機(jī)器人自動(dòng)化程度高，控制方便靈活；2.2 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和比較 （1）行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)根據(jù)國(guó)內(nèi)外的管道機(jī)器人的移動(dòng)方式大致可分為六種：活塞移動(dòng)方式 滾輪移動(dòng)方式 履帶移動(dòng)方式足腿移動(dòng)方式 蠕動(dòng)移動(dòng)方

17、式 螺旋移動(dòng)方式其各有優(yōu)缺點(diǎn)。以下分別介紹。活塞移動(dòng)式依靠其首尾兩端管內(nèi)流體形成的壓差為驅(qū)動(dòng)力，隨著管內(nèi)流體的流動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)，其原理類(lèi)似于活塞在汽缸內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，即把管道看作汽缸，把具有一定彈性和硬度的PIG看作活塞。其缺點(diǎn)是：越障能力和拐彎能力差。滾輪移動(dòng)式優(yōu)點(diǎn)是移動(dòng)速度快，轉(zhuǎn)彎容易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易小型化，采用多輪方式時(shí)牽引力隨輪數(shù)增加而增加。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，越障能力有限。 履帶移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是著地面積大，易產(chǎn)生較大的附著力，對(duì)路面的適應(yīng)性強(qiáng)，牽引性能好，越障能力強(qiáng)。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。足腿移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)粗糙路面

18、適應(yīng)性能較好，越障能力極強(qiáng)，可適應(yīng)不同管徑的變化。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，行走速度慢。蠕動(dòng)移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)微小管徑，越障能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是移動(dòng)速度慢，控制復(fù)雜。螺旋移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是有一定的越障能力，可適應(yīng)不同管徑的變化，可在垂直管道中行進(jìn)。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。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求，所要研制的管道機(jī)器人必須要有高可靠性，高效率。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)。由于管道存在不同的彎管，這就要求機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)有一定的拐彎能力和越障能力。所以，設(shè)計(jì)了一種如下頁(yè)圖所示的可伸縮的三只履帶腿式（三只腿成120°分布）組

19、合行走機(jī)構(gòu)。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)性好、越障能力強(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。（2）操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)根據(jù)管道機(jī)器人的操作對(duì)象是一些堆積的灰塵，并且灰塵在管道底部堆積，同時(shí)成疏松狀，所以操作機(jī)構(gòu)有以下兩種方案： 借鑒挖掘機(jī)的工作原理。利用鏟斗鏟起灰塵，然后行走到管道底部的垃圾開(kāi)口，傾倒灰塵。這種方案簡(jiǎn)單，可靠；但是由于管道直徑的限制，其鏟斗的容積比較小，同時(shí)垃圾開(kāi)口每隔50m才有一個(gè)開(kāi)口，其大部分時(shí)間都在行走上，所以機(jī)器人的工作效率很低。 借鑒吸塵器的工作原理。利用帶有操作臂的吸塵器的吸頭，灰塵通過(guò)吸塵管道到主體內(nèi)部，設(shè)計(jì)箱體的容

20、積比較大，最后，移動(dòng)到垃圾開(kāi)口處傾倒垃圾，從而減少在往返的次數(shù)來(lái)提高工作效率。所以才用具有兩個(gè)自由度的機(jī)械臂，臂末端附上吸塵器頭，臂上附上塑料軟管，軟管最終以主體的垃圾箱密封連接。（3）撐開(kāi)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)由于管徑的變化，需要撐開(kāi)機(jī)構(gòu)來(lái)適應(yīng)管徑的變化。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)。其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示：1基 座 2放大桿組 3撐開(kāi)桿 4絲 杠 5絲杠螺母 6行走機(jī)構(gòu)1基座2放大桿組3撐開(kāi)桿4絲 杠5絲杠螺母6行走機(jī)構(gòu)當(dāng)絲杠4旋轉(zhuǎn)時(shí)，絲杠螺母5在絲杠上左右移動(dòng)，從而拉動(dòng)撐開(kāi)桿3，撐開(kāi)桿3鉸接在放大桿組2上，從而改變其傾角來(lái)適應(yīng)管徑的變化。（4）最終方案的確定根據(jù)以上的分析和比

21、較，最后得出最終方案。設(shè)計(jì)的管道清潔機(jī)器人包括以下五部分：行走裝置 （為整個(gè)行走提供動(dòng)力）； 撐開(kāi)桿組 （適應(yīng)管徑的變化）； 操作臂裝置（操作臂包括吸塵器的操作部分和傾倒垃圾部分）； 信號(hào)采集裝置（為控制提供信號(hào)和圖像）； 控制裝置（控制管道清潔機(jī)器人行走和動(dòng)作）。行走裝置 撐開(kāi)桿組操作臂裝置信號(hào)采集裝置控制裝置第三章 部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算3.1 管道機(jī)器人工作量計(jì)算 由于管道直徑是變化的，變化范圍為（700mm1000mm），通過(guò)計(jì)算當(dāng)管道直徑為1000mm時(shí)，且堆積相對(duì)底部為100mm,如圖下圖所示；每50m最大的工作量Gmax：其中 h=100mm，d=1000mm；R=d/2=1000/2

22、=500mm；a=R-h=500-100=400mm；mm由于每隔50m才有一開(kāi)口，所以總的工作量：4.079 又因?yàn)闊熁业拿芏葹?.5g/cm3，h=100mmd=1000mmR=500mm3.2 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算（1）行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的預(yù)算預(yù)取管道清潔機(jī)器人的容積為：;；管道機(jī)器人在裝滿(mǎn)的情況下，受力圖如左圖所示：其中預(yù)?。?1470.6+400 =1870.6N由于履帶是三組；成120°分布；受到的是摩擦阻力; （其中是橡膠與鋼之間的摩擦系數(shù)） =2×0.8×1870.6+0.8×400 =3312.96N取管道機(jī)器人的工作行程速度V為：

23、V=0.5m/s （是有效功率）由于是三組履帶，所以每個(gè)履帶的驅(qū)動(dòng)電機(jī)至少為： W=÷31656.48÷3=552.16W所以，選取電機(jī)的功率為800W;同時(shí)電機(jī)要能變速，才能在管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎；所以選擇伺服電機(jī)，最終選擇SGMAH-08A伺服電機(jī)（安川公司）。=1870.6N3312.96NV=0.5m/s=1656.48WW=552.16W（2）行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定行走機(jī)構(gòu)-履帶的外形尺寸由于管道直徑最小時(shí)，D=700mm；同時(shí)總體方案中已經(jīng)確定采用3組履帶，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較狹小；所以行走機(jī)構(gòu)尺寸不能太大。首先，確定履帶的寬度。由于履帶的寬度較小，那么它的工作所提供的驅(qū)動(dòng)力就會(huì)減

24、小；而其寬度太大時(shí)，所受到的阻力就會(huì)很大。通過(guò)作圖的方法，取履帶的寬度為：=150mm。其次，確定履帶的長(zhǎng)度。履帶的長(zhǎng)度越長(zhǎng)其轉(zhuǎn)彎的靈活性就會(huì)受到影響。所以，履帶的長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)。所以其長(zhǎng)度L為：L=580mm。最后，確定履帶的高度。履帶的高度受到管道直徑的限制，同時(shí)還受到撐開(kāi)桿組的影響；由于撐開(kāi)桿組要能在=700mm1000mm范圍內(nèi)變化，所以桿長(zhǎng)要達(dá)到給定的范圍。通過(guò)對(duì)撐開(kāi)桿組的設(shè)計(jì)，后最終確定高度H=175mm。確定行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)由于外形尺寸的限制，電機(jī)內(nèi)置在履帶組中，同時(shí)采用錐齒輪來(lái)?yè)Q向，最后驅(qū)動(dòng)履帶輪。其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： =150mmL=580mmH=175mm結(jié)構(gòu)總圖1軸01 2電

25、機(jī) 3小錐齒輪 4驅(qū)動(dòng)帶輪 5軸02 6直齒輪01 7直齒輪02 8軸039大錐齒輪 10從動(dòng)帶輪確定行走機(jī)構(gòu)中的履帶輪和履帶輪采用同步帶的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)履帶。以下是同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：1. 適用于兩軸中心距較大傳動(dòng)，承載能力較大。2. 帶具有良好的彈性，可以緩沖、吸振，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小。3. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和維護(hù)較為方便，價(jià)格低廉。 首先，確定同步帶的主要參數(shù)：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)13-42）齒 形：梯 形齒距制式：模數(shù)制型 號(hào)：m7節(jié) 距：=21.991mm 其次，設(shè)計(jì)帶輪：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)13-50） (1)初選帶輪的次數(shù)：；選擇切削帶輪齒形的刀具類(lèi)型切出直線(xiàn)齒廓的特別刀具；齒槽角：2=2=40&

26、#176;；節(jié) 距: =m=mm；節(jié)圓直徑:；模 數(shù)：；齒側(cè)間隙：；=21.991mm2=40°名義徑向間隙：；徑向間隙：；外圓直徑：mm（其中=1.750）；外圓齒距：；外圓齒槽寬：；齒槽深：；齒槽底寬：；齒根圓角半徑： ； ；最后，設(shè)計(jì)履帶：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)13-43） 由于采用同步帶的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)履帶，同時(shí)履帶用于特殊的工作環(huán)境，所以不能完全采用同步帶的參數(shù)，根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)履帶。 節(jié) 距：=21.991；齒形角：2=40°；齒根厚：=10.06 ；齒 高：=4.2 ；帶 高： ；齒頂厚： ；節(jié)頂距：=1.750 ；帶 寬： ；=116.5mm=21.529mm=

27、11.06mm=8.036=21.9912=40°=10.06=4.2=1.750確定大小錐齒輪參數(shù)（詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程見(jiàn)第五章）整個(gè)行走裝置里，錐齒輪的主要作用-換向，傳遞動(dòng)力。同時(shí)考慮到其完全在行走裝置內(nèi)部，尺寸受到限制。根據(jù)以上的因素，設(shè)計(jì)大小錐齒輪的具體參數(shù)。根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，采用軸交角。齒輪類(lèi)型為：直齒錐齒輪、齒形制為GB/T 123691990,齒形角為20°、齒頂高系數(shù)=1、頂隙系數(shù)。（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)14-200）大錐齒輪的次數(shù);小錐齒輪的次數(shù)。大小錐齒輪的具體參數(shù)分別如下：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)14-201）大錐齒輪：法向模數(shù)： ；齒 數(shù)： ；法向齒形角：分度圓直徑

28、：分度圓錐角：齒頂圓直徑： =75+2×1×2.5× =78.044mm齒根圓直徑： 大錐齒輪：78.044mm71.347mm =75-2×（1+0.2）×2.5× =71.347mm 錐 距： = =47.253mm 齒頂角：=3°143齒根角：=3°471頂圓錐角：=+3°143=55°339根圓錐角：=-3°471=48°4425齒 寬 ： b=25mm 47.253mmb=25mm小錐齒輪：法向模數(shù)：；齒 數(shù)：；法向齒形角：分度圓直徑：分度圓錐角：齒頂圓直徑： =5

29、7.5+2×1×2.5× =61.467mm齒根圓直徑： =57.5-2×（1+0.2）×2.5× =52.54mm 錐 距： = =47.253mm 齒頂角：=3°143小錐齒輪：57.5mm=61.467mm=52.54mm47.253mm齒根角：= =3°471頂圓錐角：=+3°143=根圓錐角：=-3°471=齒 寬 ： b=25mm 確定直齒輪的參數(shù)（詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程見(jiàn)第五章） 在整個(gè)行走裝置中，直齒輪的作用，主要是傳遞動(dòng)力。根據(jù)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和尺寸限制，同時(shí)為了減少零件的個(gè)數(shù)和降低成本

30、，才用兩個(gè)完全相同的直齒輪，齒頂高系數(shù)=1、頂隙系數(shù)。齒數(shù)z=40，模數(shù)。其具體參數(shù)如下： 分度圓直徑：齒 頂 高：齒 根 高：=3.125b=25mm=100mm=2.5=3.125全 齒 高：=2.5+3.125=5.625齒頂圓直徑：=100+2×2.5=105mm齒根圓直徑：=100-2×3.125=93.75mm齒 厚： 齒 根 寬： 中 心 距： 頂 隙：3.3 撐開(kāi)機(jī)構(gòu)和放大桿組的設(shè)計(jì)撐開(kāi)機(jī)構(gòu)采用絲杠螺母和放大桿組的結(jié)合，來(lái)適應(yīng)管徑的變化。通過(guò)作圖法來(lái)模擬最?。▓Da）、最大管徑（圖b）時(shí)的情況（在CAD中，按比例1：1）如下圖所示：（圖a）5.625105mm

31、 圖（b）最后量出各桿件的長(zhǎng)度： 撐開(kāi)桿桿長(zhǎng)：。 放大桿桿長(zhǎng)：（由于在其之上安裝了壓力彈簧，其實(shí)際桿長(zhǎng)為330380mm）。 鉸接處的位置：在放大桿組90mm處。3.4 操作臂的設(shè)計(jì)操作臂包括吸塵器的操作臂和拉開(kāi)卸料門(mén)的桿件機(jī)構(gòu)。吸塵器操作臂的設(shè)計(jì)由于管道的管徑是變化的，同時(shí)灰塵主要分布在管道底部，所以要求操作臂要能夠適應(yīng)管徑的變化，不僅要在最小管徑是能工作，也要在管徑最大是也能正常的工作。根據(jù)這些要求，設(shè)計(jì)了具有兩個(gè)平面自由度的桿件機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖（c）所示： 圖（c）其各個(gè)桿件的參數(shù)見(jiàn)零件圖。其驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用Maxon的直流伺服電機(jī)。功率為120W。 卸料門(mén)的拉開(kāi)桿件的設(shè)計(jì)當(dāng)垃圾箱

32、裝滿(mǎn)時(shí)，重量能達(dá)到1470.6N，同時(shí)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率120W，驅(qū)動(dòng)力較??；所以，在設(shè)計(jì)時(shí)采用“死點(diǎn)”的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)卸料門(mén)的開(kāi)合。工作原理：當(dāng)卸料門(mén)閉合式，連桿處于死點(diǎn)位置即位置1，這是無(wú)論在卸料門(mén)上施加多大的力，卸料門(mén)也不會(huì)打開(kāi)；當(dāng)灰塵裝滿(mǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通電，讓連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而破壞死點(diǎn)的狀態(tài)，在灰塵的重力和連桿的拉力下，卸料門(mén)打開(kāi)即位置2。當(dāng)灰塵傾倒完后，連桿逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)連桿向上移動(dòng)從而使卸料門(mén)閉合，從而回到位置1。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖（d）所示： 圖（d）各個(gè)桿件的長(zhǎng)度，根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)尺寸，采用作圖法計(jì)算出桿件的長(zhǎng)度。其尺寸參數(shù)如下：連桿：=70mm 連桿：=150mm 連桿：=120mm =70mm

33、 =150mm =120mm 第四章 控制原理的設(shè)計(jì)4.1 控制原理的分析和設(shè)計(jì)我們擬將兩對(duì)光電傳感器（記為Ga組和Gb組）分別置于本管道清潔機(jī)器人前后兩側(cè)從而在前進(jìn)或后退時(shí)都可以檢測(cè)行進(jìn)前方有無(wú)障礙物從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。見(jiàn)下面示意圖：將一對(duì)超聲波測(cè)距傳感器(記為Ca和Cb)分別置于本管道清潔機(jī)器人車(chē)體前后適當(dāng)位置，用來(lái)檢測(cè)其前進(jìn)或后退時(shí)管徑的變化情況，以使CPU驅(qū)動(dòng)相關(guān)電機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作。另外，將一個(gè)光電傳感器(記為Gc)置于吸塵裝置下方適當(dāng)位置，用來(lái)檢測(cè)下方管壁上的灰塵是否已清潔干凈；又將一個(gè)壓力傳感器（記為YL）置于垃圾箱底板適當(dāng)位置，用來(lái)檢測(cè)垃圾箱是否已經(jīng)裝滿(mǎn)，從而使本管道情節(jié)機(jī)器人停止繼續(xù)

34、清灰塵轉(zhuǎn)而倒垃圾。另外一個(gè)超聲波傳感器(記為Cc)置于裝灰塵的垃圾箱下方適當(dāng)位置，在垃圾箱裝滿(mǎn)后通過(guò)檢測(cè)前方一定距離范圍內(nèi)有沒(méi)有障礙物來(lái)判斷清潔口是否已經(jīng)打開(kāi)，從而使CPU驅(qū)動(dòng)相關(guān)電動(dòng)機(jī)作出傾倒灰塵的動(dòng)作；再將一個(gè)霍爾轉(zhuǎn)數(shù)檢測(cè)傳感器（記為HE）置于履帶輪軸附近適當(dāng)位置，用來(lái)檢測(cè)置于率帶輪軸上的磁極的旋轉(zhuǎn)信號(hào)，從而測(cè)出率帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，進(jìn)而通過(guò)CPU計(jì)算出本管道清潔機(jī)器人前進(jìn)的距離。于是，控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下： 吸塵器工作開(kāi)始清潔灰塵，光電傳感器Ga組、Gc、超聲波傳感器Ca以及壓力傳感器YL和霍爾轉(zhuǎn)數(shù)檢測(cè)傳感器HE工作實(shí)時(shí)檢測(cè)收集各信息； 一旦光電傳感器Gc檢測(cè)到吸塵裝置下方的灰塵清理干凈，則C

35、PU發(fā)送指令驅(qū)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)電機(jī)組（記為ZDJ）工作，即機(jī)器人前進(jìn)。又當(dāng)Gc檢測(cè)到吸塵裝置下方又有灰塵則CPU再次發(fā)送指令使主電機(jī)組停止工作重新開(kāi)始過(guò)程； 、步驟重復(fù)運(yùn)行一段時(shí)間后，機(jī)器人的垃圾箱裝滿(mǎn)了灰塵，這時(shí)候置于垃圾箱底部的壓力傳感器就把檢測(cè)到的信號(hào)傳遞給CPU，則CPU發(fā)送指令令吸塵器和運(yùn)動(dòng)電機(jī)停止前進(jìn)，同時(shí)停止接收霍爾轉(zhuǎn)數(shù)檢測(cè)傳感器HE的數(shù)據(jù)，并開(kāi)始判斷本管道清潔機(jī)器人所走過(guò)的路程是否小于25米，若是則運(yùn)行步驟，若否則運(yùn)行步驟； CPU發(fā)送指令使主運(yùn)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)即令機(jī)器人后退，并且開(kāi)始接收超聲波傳感器Cc的信號(hào)，以判斷是否已到請(qǐng)接口上方（超聲波傳感器Cc位置一定要放恰當(dāng)，以使垃圾能完全從請(qǐng)接

36、口倒出），若否則繼續(xù)本步驟，若是則運(yùn)行步驟； CPU發(fā)送指令使主運(yùn)動(dòng)電機(jī)正傳即令機(jī)器人前進(jìn)，并且開(kāi)始接收超聲波傳感器Cc的信號(hào)，以判斷是否已到請(qǐng)接口上方，若否則繼續(xù)運(yùn)行奔步驟， 若是則運(yùn)行步驟； CPU再發(fā)送指令停止主運(yùn)動(dòng)電機(jī)，即使機(jī)器人停下，然后驅(qū)動(dòng)垃圾箱開(kāi)關(guān)電動(dòng)機(jī)打開(kāi)垃圾箱來(lái)傾倒灰塵。期間，一旦壓力傳感器檢測(cè)到灰塵已經(jīng)倒完，則再驅(qū)動(dòng)垃圾箱開(kāi)關(guān)電動(dòng)機(jī)關(guān)閉垃圾箱。然后CPU發(fā)送指令使機(jī)器人反向運(yùn)動(dòng)并且停止接收超聲波傳感器Cc的信號(hào)而開(kāi)始接收光電傳感器Gc的信號(hào)以判斷是否已回到上次清潔干凈的位置。若是，則重新開(kāi)始運(yùn)行步驟，若否則繼續(xù)移動(dòng)、檢測(cè)。 當(dāng)本管道清潔機(jī)器人前進(jìn)過(guò)程中CPU要接收光電傳感器

37、組Ga的實(shí)時(shí)信號(hào)，一旦檢測(cè)倒前方有彎道則命令兩主運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生速度差從而轉(zhuǎn)過(guò)彎道；而當(dāng)后退過(guò)程中則要接收光電傳感器組Gb的實(shí)時(shí)信號(hào)，以使本管道清潔機(jī)器人能在后退時(shí)也順利轉(zhuǎn)過(guò)彎道。同樣的，在前進(jìn)過(guò)程中還要檢測(cè)管徑的變化，通過(guò)超聲波傳感器Ca收集的距離信息來(lái)使本管道清潔機(jī)器人自動(dòng)適應(yīng)管徑的變化；后退時(shí)則是通過(guò)超聲波傳感器Cb來(lái)檢測(cè)信號(hào)從而使本管道清潔機(jī)器人在后退時(shí)也能自動(dòng)適應(yīng)管徑的變化。從而使其順利地完成工作。4.2 主要控制流程圖主要的控制流程圖，見(jiàn)下頁(yè)圖（一）：主程序流程圖 第五章 其它5.1 大小錐齒輪的設(shè)計(jì)和校核選擇齒輪的類(lèi)型,精度等級(jí),材料和齒數(shù) 選擇直齒圓錐齒輪 8級(jí)精度齒輪,軟齒面 小齒輪的材料為40Cr，調(diào)制處理，硬度為280HBS；大齒輪的材料為45鋼，調(diào)制處理HBS。 初選小齒輪的齒數(shù)；大齒輪的齒數(shù)為。按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)軸承布置方式和載荷的沖擊情況，取K=1.8。 查附錄2（機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)）得小齒輪的接觸疲勞極限為： 大齒輪的接觸疲勞極限為： 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力： 計(jì)算小齒輪的分度圓直徑 =195.153.856mm 其中 =36.1 N.m按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)并查取齒形系數(shù)，兩齒輪的分度圓錐角分別為： 當(dāng)量