螺旋輪式管道機(jī)器人設(shè)計(jì)及其制作

1、 大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)項(xiàng)目結(jié)題論文 項(xiàng)目題目 螺旋輪式管道機(jī)器人設(shè)計(jì)及其制作 項(xiàng)目編號(hào) 學(xué) 院 信息與機(jī)電工程學(xué)院 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 金露娜 項(xiàng)目成員 聯(lián)系方式 指導(dǎo)教師 完成時(shí)間2010年10月螺旋輪式管道機(jī)器人設(shè)計(jì)及其制作 摘 要 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是螺旋推進(jìn)管道機(jī)器人的組成及工作原理,對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并且分析了其在彎管內(nèi)的幾何與運(yùn)動(dòng)約束條件。新型的旋轉(zhuǎn)體和保持體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),使此管道機(jī)器人具有較大的牽引力和移動(dòng)速度。機(jī)器人采用節(jié)段式設(shè)計(jì),使得其具有強(qiáng)大的功能擴(kuò)展性。在制冷、化工、核電站等領(lǐng)域,采用常規(guī)方法對(duì)小型管道檢測(cè)存在中毒、輻射等危險(xiǎn),且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此,小型管道機(jī)器人在細(xì)小管道檢測(cè)方面

2、具有良好的應(yīng)用前景,并且其機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的實(shí)用價(jià)值和學(xué)術(shù)意義。螺旋輪式管道機(jī)器人特點(diǎn)：輪式行走具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、行走連續(xù)平穩(wěn)的特點(diǎn)。關(guān)鍵字：管道軸 螺旋推進(jìn) 管道機(jī)器人 旋轉(zhuǎn)體管道檢測(cè) 機(jī)械結(jié)構(gòu) 目錄第一章 緒論 31.1 機(jī)器人的定義及其組成 31.2 機(jī)器人的發(fā)展歷程 4 1.3 機(jī)器人在各大領(lǐng)域的應(yīng)用 5 1.4 螺旋輪式管道機(jī)器人 6第二章 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 72.1設(shè)計(jì)方案過(guò)程及特點(diǎn) 72.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)7第三章 機(jī)器人系統(tǒng)控制14第四章 機(jī)器人制作過(guò)程16第五章 設(shè)計(jì)總結(jié) 18參考文獻(xiàn) 21正文第一章 緒論1.1 機(jī)器人的定義及其組成1920年，捷克劇作家卡雷爾卡佩克發(fā)表了科幻劇本羅

3、薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人，他在說(shuō)劇本中首次提出了“機(jī)器人（Robot）”這個(gè)詞，并且把機(jī)器人描繪成像人一樣工作的機(jī)器，不知疲倦地工作。自此之后，不僅“機(jī)器人（Robot）”這個(gè)詞廣泛的流行，而且設(shè)計(jì)制造機(jī)器人的活動(dòng)也異常風(fēng)行?，F(xiàn)在，國(guó)際上對(duì)機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般說(shuō)來(lái)，人們都可以接受這種說(shuō)法，即機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)?！睓C(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)

4、即機(jī)器人本體，其臂部一般采用空間開(kāi)鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)副（轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副）常稱為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)器人的自由度數(shù)。根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式的不同，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等類型。出于擬人化的考慮，常將機(jī)器人本體的有關(guān)部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部（夾持器或末端執(zhí)行器）和行走部（對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人）等。 驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)，借助于動(dòng)力元件使機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作。它輸入的是電信號(hào)，輸出的是線、角位移量。機(jī)器人使用的驅(qū)動(dòng)裝置主要是電力驅(qū)動(dòng)裝置，如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等，此外也有采用液壓、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置。 檢

5、測(cè)裝置的作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)器人的動(dòng)作符合預(yù)定的要求。作為檢測(cè)裝置的傳感器大致可以分為兩類：一類是內(nèi)部信息傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人各部分的內(nèi)部狀況，如各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測(cè)得的信息作為反饋信號(hào)送至控制器，形成閉環(huán)控制。另一類是外部信息傳感器，用于獲取有關(guān)機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機(jī)器人的動(dòng)作能適應(yīng)外界情況的變化，使之達(dá)到更高層次的自動(dòng)化，甚至使機(jī)器人具有某種“感覺(jué)”，向智能化發(fā)展，例如視覺(jué)、聲覺(jué)等外部傳感器給出工作對(duì)象、工作環(huán)境的有關(guān)信息，利用這些信息構(gòu)成一個(gè)大的反饋回路

6、，從而將大大提高機(jī)器人的工作精度。 控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機(jī)器人的全部控制由一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)完成。另一種是分散（級(jí)）式控制，即采用多臺(tái)微機(jī)來(lái)分擔(dān)機(jī)器人的控制，如當(dāng)采用上、下兩級(jí)微機(jī)共同完成機(jī)器人的控制時(shí)，主機(jī)常用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，并向下級(jí)微機(jī)發(fā)送指令信息；作為下級(jí)從機(jī)，各關(guān)節(jié)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)CPU，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算和伺服控制處理，實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)，并向主機(jī)反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機(jī)器人的控制方式又可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。1.2 機(jī)器人的發(fā)展歷程從我國(guó)古代的用木頭制成的能歌善舞的伶人，到1961年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)問(wèn)世，再到機(jī)器

7、人蓬勃發(fā)展的今天，機(jī)器人主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段?？萍冀绨言缙诘臋C(jī)器人稱作第一代機(jī)器人，它們按人編寫的程序工作。這些機(jī)器人從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)不屬于機(jī)器人，因?yàn)樗鼈冎荒苤貜?fù)一種動(dòng)作，以一種固定的模式工作。第二代機(jī)器人由電腦控制，可根據(jù)需要按不同的程序完成不同的動(dòng)作，這就使得機(jī)器人在很多人類所不能完成的工作上大展拳腳，解決了很多工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的難題。第三代機(jī)器人也稱為智能機(jī)器人。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人逐漸向智能化發(fā)展，智能機(jī)器人也應(yīng)運(yùn)而生。智能機(jī)器人具有人的智慧，可以認(rèn)識(shí)周圍的環(huán)境和自身的狀態(tài)，并能進(jìn)行分析和判斷，然后采取相應(yīng)的策略完成任務(wù)。早期的智能機(jī)器人主要用于工業(yè)和軍事領(lǐng)域，我們看

8、到的大多是機(jī)械手和機(jī)械臂。隨著時(shí)間的推移，非工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，智能機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。總體趨勢(shì)是，從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)概念轉(zhuǎn)移，從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)的內(nèi)涵已變?yōu)殪`活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)際動(dòng)作功能的智能化系統(tǒng)。機(jī)器人結(jié)構(gòu)越來(lái)越靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，其智能也越來(lái)越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。1.3 機(jī)器人在各大領(lǐng)域的應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域日漸廣泛,經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在制造業(yè)中，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機(jī)械加工、焊

9、接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測(cè)及倉(cāng)庫(kù)堆垛等作業(yè)中，機(jī)器人都已逐步取代了人工作業(yè)。隨著工業(yè)機(jī)器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機(jī)器人智能化水平的提高，機(jī)器人的應(yīng)用范周還在不斷地?cái)U(kuò)大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進(jìn)而推廣到諸如采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系統(tǒng)維護(hù)維修機(jī)器人等各種非制造行業(yè)。此外，在國(guó)防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務(wù)等領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用也越來(lái)越多，如無(wú)人偵察機(jī)(飛行器)、警備機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、家政服務(wù)機(jī)器人等均有應(yīng)用實(shí)例。機(jī)器人正在為提高人類的生活質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。隨著科技不斷進(jìn)步，機(jī)器人的功能也越來(lái)越先進(jìn)。最近，日本下結(jié)科研機(jī)構(gòu)相繼推出了最新研制的機(jī)器人：索尼公司的人形機(jī)

10、器人于3月9日在東京市舉行的節(jié)目彩排中登臺(tái)亮相，擔(dān)任指揮。身高只有58厘米的機(jī)器人，登上特制的指揮臺(tái)，面對(duì)約70人的樂(lè)隊(duì)它說(shuō)心里感到緊張，然后用可愛(ài)的動(dòng)作揮動(dòng)指揮棒，指揮樂(lè)隊(duì)演奏貝多芬第五交響曲命運(yùn)的第一樂(lè)章。3月21日，日本經(jīng)濟(jì)新聞報(bào)道，日本京都大學(xué)信息學(xué)研究專業(yè)奧乃博教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)發(fā)出一種會(huì)分辨親疏的機(jī)器人。對(duì)它好，它會(huì)做出可愛(ài)的動(dòng)作，對(duì)它不好，它會(huì)生氣扭頭。去年圓形自動(dòng)真空吸塵器在市場(chǎng)上大出風(fēng)頭。有誰(shuí)會(huì)想到，在21世紀(jì)初，飛碟形狀的吸塵器的技術(shù)水平竟然代表了當(dāng)前家用機(jī)器人技術(shù)的最高水平。去年，iRobot公司生產(chǎn)的圓形自動(dòng)真空吸塵器魯姆巴在市場(chǎng)上大出風(fēng)頭，一年內(nèi)超過(guò)20萬(wàn)的消費(fèi)者購(gòu)

11、買了魯姆巴，銷售額達(dá)數(shù)百萬(wàn)美元現(xiàn)在看來(lái)，機(jī)器人真空吸塵器正在受到消費(fèi)者的廣泛歡迎。家用機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)前景看好，它有著56億美元的巨大市場(chǎng)，而且還以每年7%的速度增長(zhǎng)。但據(jù)聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(UNECE)的報(bào)告預(yù)測(cè)，未來(lái)3年內(nèi)需求增長(zhǎng)速度最快的將會(huì)是家用機(jī)器人。從如此多的機(jī)器人用途中我們看到，機(jī)器人現(xiàn)在在我們的生活中扮演著越來(lái)越重要的作用。所以，在大學(xué)教育中，同學(xué)們能夠積極參加科研，對(duì)提高自己的能力以及對(duì)社會(huì)的發(fā)展都將是很重要的。1.4 螺旋式管道機(jī)器人螺旋管道機(jī)器人在生活中有著極為廣泛的應(yīng)用。煙道清洗機(jī)器人是專門針對(duì)酒店、賓館、學(xué)校、企事業(yè)單位等的油煙管道清晰的專用清洗機(jī)器人。它操

12、作簡(jiǎn)單、清洗效率高、清洗錄象可一次完成，它將徹底解決現(xiàn)有清洗方式中普遍存在的問(wèn)題；對(duì)工作中的在線石油輸油管道進(jìn)行全線檢測(cè),可以細(xì)化了解全線管道內(nèi)外壁受腐蝕損傷狀態(tài)分布,最終了解和預(yù)測(cè)管道的可持續(xù)使用壽命的在役輸油管道檢測(cè)機(jī)器人；還有用于窖井等搜尋的窖井機(jī)器人，取代了人工操作，避免了一些工作的危險(xiǎn)性，同時(shí)也減少了由于環(huán)境而帶來(lái)的阻礙，提高了窖井工作的可操作性。這些都是螺旋式管道機(jī)器人對(duì)人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)的方便。第二章 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)方案過(guò)程及特點(diǎn) 圖4 整體設(shè)計(jì)流程圖 按照上述的過(guò)程方案，由三維建模可以進(jìn)一步確定機(jī)器人的可靠外形結(jié)構(gòu)。安裝加工出的理想外形經(jīng)過(guò)安裝調(diào)試環(huán)節(jié)成為完整的

13、機(jī)器人，最后完善整個(gè)樣機(jī)使其在螺旋管道內(nèi)能順利工作，幫助人們順利解決難題。2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)一、當(dāng)前狀況目前國(guó)內(nèi)外已研制出的管道機(jī)器人類型很多，從機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)區(qū)分主要有以下幾種移動(dòng)方式：（1）活塞移動(dòng)式，其原理類似于活塞在汽缸內(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機(jī)器人看作活塞。在結(jié)構(gòu)上，機(jī)器人其后面的流體壓力大于前面的壓力時(shí)，在壓差的作用下，機(jī)器人克服了管壁與活塞之間的摩擦阻力而向前運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人可以攜帶各種傳感器，一邊行走一邊用于管道檢測(cè)。（2）滾輪移動(dòng)式，利用滾輪驅(qū)動(dòng)式的行走結(jié)構(gòu)，以電機(jī)作原動(dòng)機(jī)， 為了增加牽引力，一般采用多輪驅(qū)動(dòng)式，由于輪徑太小，越障能力有限， 而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。（3

14、）履帶移動(dòng)式，仿造履帶式車輛行走原理，采用帶齒輪減速箱的直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。（4）足腿移動(dòng)式，其基本原理是利用足腿推壓管壁來(lái)支撐機(jī)體，利用多腿可以方便地在各種形狀的彎管內(nèi)移動(dòng)。由撐腳機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)構(gòu)成，可在各種類型的管道里移動(dòng)。（5）蠕動(dòng)移動(dòng)式，模仿昆蟲在地面上爬行時(shí)蠕動(dòng)前進(jìn)與后退的動(dòng)作設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)由蠕動(dòng)絲杠、螺母、前后支撐足及前后封閉彈簧構(gòu)成。在行走時(shí)，分別使左右支撐足上端與管壁接觸，下端用滾輪與管壁接觸。驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)絲杠依次左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，使螺母在絲杠上左右移動(dòng)。（6）螺旋移動(dòng)式，利用螺旋原理使管外電機(jī)推動(dòng)帶有彈性的驅(qū)動(dòng)部件前進(jìn)，該驅(qū)動(dòng)螺旋部件可以自動(dòng)越過(guò)小的臺(tái)階。以上移動(dòng)方式各有所長(zhǎng)，我們

15、在第六種螺旋移動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)我們?cè)O(shè)計(jì)目的。螺旋式上升的移動(dòng)方式有著如下優(yōu)點(diǎn)：1) 移動(dòng)速度穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)中途停止，順應(yīng)了多變的情況，便于應(yīng)用于工業(yè)上實(shí)際作業(yè)。2) 在整個(gè)上升過(guò)程中利用了滾動(dòng)原理，較為穩(wěn)定沒(méi)有震動(dòng)，內(nèi)部能夠安裝一些精密儀器。3) 旋轉(zhuǎn)過(guò)程中有著與管道相垂直的徑向轉(zhuǎn)動(dòng)，接觸面較廣，不存在死角問(wèn)題，便于實(shí)際應(yīng)用中的勘測(cè)、清洗等實(shí)際工作的具體實(shí)施。就螺旋式管道機(jī)器人各種設(shè)計(jì)也有個(gè)各自的優(yōu)點(diǎn)，就我們一些參考文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比來(lái)具體了解我們的機(jī)械結(jié)構(gòu)原理。下圖出自論文URT螺旋輪式管道檢測(cè)機(jī)器人越障性能研究中，與我們的方案類似的采用了三叉元結(jié)構(gòu)，利用了三角形的穩(wěn)定性。就

16、單單上圖的設(shè)計(jì)我們提出了如下幾個(gè)沒(méi)有克服的問(wèn)題：1) 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)較少，在管道內(nèi)部的環(huán)境中容易產(chǎn)生打滑等抱死的狀況。2) 彎半徑較大，無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜的管道內(nèi)部狀況。3) 上升力矩太小，垂直時(shí)無(wú)法克服重力以及管道內(nèi)部的一些阻力。我們會(huì)在我們的設(shè)計(jì)過(guò)程中一一克服以上問(wèn)題。二、實(shí)施方案螺旋頭的軸心偏移力學(xué)模型1、螺旋頭的軸心偏移在正常管道中, 3個(gè)沿管道周向120均布的螺旋輪的初始預(yù)緊力大小關(guān)系為: Fk1 = Fk2 = Fk3。由于螺旋頭的重量與彈簧預(yù)緊力相比較小,故可以忽略其影響。設(shè)3個(gè)螺旋輪預(yù)緊彈簧的剛度系數(shù)均為k， 則o1 輪的彈簧預(yù)緊力增量為: F1 = k ( x - oo) ; o2 ,

17、o3 輪的彈簧預(yù)緊力增量為: F2 = koo/sin30。由于3個(gè)輪子夾角不變,通過(guò)軸心處受力平衡易知: F1 =F2 ,即: x - oo= oo/ sin30,故得軸心的偏移量為: oo= x /3。2、多節(jié)設(shè)計(jì)如圖是我們的設(shè)計(jì)方案，采用此種多節(jié)設(shè)計(jì)有著以下優(yōu)點(diǎn)：1）采用多節(jié)設(shè)計(jì)能夠加大前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力，不會(huì)出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象。2）各節(jié)之間運(yùn)用萬(wàn)向接頭3連接，能夠在較小的半徑下轉(zhuǎn)彎。3）多節(jié)半徑柔韌性好，出現(xiàn)局部受阻現(xiàn)象后其他部位依舊能夠正常工作。3、伸縮裝置為了能夠適應(yīng)更多內(nèi)徑的管道，在每一節(jié)的設(shè)計(jì)中還有一個(gè)鎖緊裝置。該伸縮裝置一段與電機(jī)固定，另一端與一伸縮關(guān)節(jié)相連接。工作時(shí)帶有螺紋的主軸會(huì)隨著

18、電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，伸縮關(guān)節(jié)會(huì)隨著螺紋進(jìn)行上下移動(dòng)。在移動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)連桿，減少兩個(gè)連桿的角度，從而增加了輪子的中心距，達(dá)到了增大半徑鎖緊的目的。單節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖伸縮關(guān)節(jié)示意圖伸縮關(guān)節(jié)的細(xì)節(jié)圖如上所示，呈現(xiàn)三葉草狀，每一個(gè)瓣對(duì)應(yīng)相應(yīng)的連桿。關(guān)節(jié)與連桿中間通螺栓進(jìn)行間隙連接，能夠自由移動(dòng)。4、舵機(jī)變速裝置為了便于控制，我們將控制輪子運(yùn)動(dòng)速度的電機(jī)設(shè)置為固定的，而輪子的角度則有舵機(jī)進(jìn)行控制，控制范圍為-20+20。如下圖所示，假設(shè)有一個(gè)豎直管道，x軸為水平轉(zhuǎn)動(dòng)速度，y 軸為豎直上升速度。輪子與水平夾角a可以在-20+20之間進(jìn)行改變，從而造成在y軸上的分速度進(jìn)行改變，達(dá)到了改變上升速度的目的。在更改a角的同

19、時(shí)，也能夠增加上升力矩，正如同千斤頂一樣，用較小的力矩去克服較大的阻力，達(dá)到克服阻礙，順利上升的目的。如上圖：1,2圓盤式舵機(jī) 4腿部支架 3輪子1,2之間可以進(jìn)行相對(duì)的精確轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)整輪子與水平面的角度。5、多節(jié)結(jié)構(gòu)之間的連接多節(jié)之間要能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是卻要保持連接。于是我們采用了三節(jié)萬(wàn)向接頭的連接方式（如右圖所示）。1-套筒；2-十字軸3-傳動(dòng)軸叉4-卡環(huán)；6 f# V% k1 $ KD2 n- m5-軸承外圈6-套筒叉工作原理：十字軸式萬(wàn)向節(jié)由一個(gè)十字軸，兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)叉和四個(gè)滾針軸承等組成。兩萬(wàn)向節(jié)叉1和3上的孔分別套在十字軸2的兩對(duì)軸頸上。這樣當(dāng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)軸既可隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，又可繞十

20、字軸中心在任意方向擺動(dòng)，這樣就適應(yīng)了夾角和距離同時(shí)變化的需要。在十字軸軸頸和萬(wàn)向節(jié)叉孔間裝有滾針軸承5，滾針軸承外圈靠卡環(huán)軸向定位。十字軸式剛性萬(wàn)向節(jié)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，但在兩軸夾角不為零的情況下，不能傳遞等角速轉(zhuǎn)動(dòng)。6、預(yù)期的一些設(shè)計(jì)圖預(yù)期基本參數(shù)凈重：2-5kg行走速度：05m/min無(wú)級(jí)調(diào)速適應(yīng)圓形管道：直徑范圍120200mm管內(nèi)越障高度：5mm最小轉(zhuǎn)彎半徑:100mm第三章 機(jī)器人系統(tǒng)控制 通過(guò)上述的機(jī)械設(shè)計(jì)的構(gòu)思以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的制作，一個(gè)機(jī)器人的雛形已經(jīng)形成。但是機(jī)器人最重要的就是能使它能動(dòng)起來(lái)，按照指令完成一定的動(dòng)作，所以我們通過(guò)編程及運(yùn)用單片機(jī)來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)

21、對(duì)機(jī)器人的系統(tǒng)控制。如下是螺旋管道機(jī)器人的程序說(shuō)明：電機(jī)123電機(jī)4舵機(jī)123按鍵說(shuō)明 1 復(fù)位 電機(jī)4正轉(zhuǎn)收縮 2 復(fù)位 6舵機(jī)初始90度 3 裝機(jī)器人 電機(jī)反轉(zhuǎn)伸長(zhǎng)固定好機(jī)器人 4 慢速 舵機(jī)正轉(zhuǎn)：（5度）5 中速 舵機(jī)正轉(zhuǎn)：（15度）6 快速 舵機(jī)反轉(zhuǎn)：（25度）7 上升 電機(jī)123正轉(zhuǎn)8 下降 電機(jī)123 反轉(zhuǎn)開(kāi)始If（按鍵1） 電機(jī)4正轉(zhuǎn)收縮；（延時(shí)） If（按鍵2） 舵機(jī)初始0度；（）If（按鍵3）電機(jī)反轉(zhuǎn) 伸長(zhǎng)固定好機(jī)人；Else If（按鍵4）舵機(jī)初始0度舵機(jī)旋轉(zhuǎn)5度，If（按鍵5）舵機(jī)初始0度舵機(jī)旋轉(zhuǎn)15度If（按鍵6）舵機(jī)初始0度舵機(jī)旋轉(zhuǎn)25度ElseIf（按鍵7） 電機(jī)正

22、轉(zhuǎn) ；（延時(shí)）上升If（按鍵8） 電機(jī)反轉(zhuǎn)；（延時(shí)）下降Else 電機(jī)4正轉(zhuǎn)收縮；（） 舵機(jī)初始0度；（）第四章 機(jī)器人制作過(guò)程在經(jīng)歷了前期的資料準(zhǔn)備、實(shí)物準(zhǔn)備及工具準(zhǔn)備等之后，正式開(kāi)始了機(jī)器人的制作過(guò)程，制作過(guò)程如下：一、 根據(jù)最初的管道機(jī)器人構(gòu)思，完成了機(jī)器人的設(shè)計(jì)，理論性的設(shè)計(jì)出了各個(gè)結(jié)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)圖，包括：管道機(jī)器人的整體支架結(jié)構(gòu)、移動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)、收縮裝置結(jié)構(gòu)、控制裝置部分等構(gòu)件的設(shè)計(jì)圖。再根據(jù)設(shè)計(jì)出來(lái)的圖紙畫出機(jī)器人的Proe圖，通過(guò)軟件仿真論證，同時(shí)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)圖，知道軟件仿真論證完全通過(guò)，設(shè)計(jì)圖完成。二、 根據(jù)設(shè)計(jì)圖制造出所需的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)，包括：移動(dòng)裝置部分、支架結(jié)構(gòu)部

23、分、控制裝置部分（即安裝單片機(jī)的結(jié)構(gòu)）等；通用型構(gòu)件直接通過(guò)采購(gòu)得到，包括：舵機(jī)、直流電機(jī)、滾輪、緊固螺栓、軸承、支座、萬(wàn)向接頭、絲桿、連接導(dǎo)線等，所需采購(gòu)的構(gòu)件必須按照設(shè)計(jì)規(guī)格購(gòu)買。三、 機(jī)器人的組裝，在各個(gè)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)制造和采購(gòu)齊全后，組裝機(jī)器人是根據(jù)設(shè)計(jì)裝配圖進(jìn)行。機(jī)器人為多節(jié)機(jī)器人，各節(jié)結(jié)構(gòu)相似，組裝過(guò)程是按節(jié)為單位，節(jié)和節(jié)組裝到一起就構(gòu)成完整的機(jī)器人。絲桿與安裝在制作上的主直流電機(jī)連接構(gòu)成中心軸，三個(gè)支架結(jié)構(gòu)通過(guò)軸承安裝在中心主軸上，各部分相隔120度角圍成一個(gè)錐體，在每個(gè)支架結(jié)構(gòu)的鉸鏈處安裝舵機(jī)和直流電機(jī)以及滾輪組成的的成成一個(gè)錐體，在每個(gè)支架結(jié)構(gòu)的鉸鏈處安裝舵機(jī)和直流電機(jī)以及輪子-

24、 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 -

25、 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 - 17 -移動(dòng)裝置，通過(guò)導(dǎo)線將舵機(jī)、直流電機(jī)連接到單片機(jī)上。將節(jié)和節(jié)用方向接頭連接就得到機(jī)器人，其中有一節(jié)用于安裝單片機(jī)。四、 機(jī)器人組裝完成后，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)試以及各方面的數(shù)據(jù)測(cè)量，通過(guò)測(cè)量其在管道中的摩擦力和其在垂直管道中的最大牽引力一個(gè)其他

26、方面的里，論證機(jī)器人是否能在管道中正常移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人的最基礎(chǔ)的功能。對(duì)機(jī)器人的構(gòu)件的調(diào)試，校正各構(gòu)件的配合偏差，甚至通過(guò)修改完善機(jī)器人。經(jīng)過(guò)多次的反復(fù)試驗(yàn)后，最終的管道機(jī)器人制作完成。五、 Avr單片機(jī)與PT2262/ PT2272的連接及工作原理 將無(wú)線接收模塊的VCC、GND以及各數(shù)據(jù)端分別與avr實(shí)驗(yàn)板上的VCC、GND及實(shí)驗(yàn)板的控制IO口(假設(shè)PB0 PB7)控制引腳相連。當(dāng)我們按下發(fā)射模塊上的18按鍵, PT2262發(fā)射模塊發(fā)出相應(yīng)的信號(hào), PT2272接收模塊接收信號(hào)后控制數(shù)據(jù)端輸出低電平, 從而來(lái)達(dá)到對(duì)小車的控制。第五章 設(shè)計(jì)總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷了管道機(jī)器人的構(gòu)思，理性地設(shè)計(jì)出

27、各個(gè)結(jié)構(gòu)圖，并用proe畫出各個(gè)圖，到根據(jù)圖設(shè)計(jì)出所需的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)，再到后來(lái)大家一起采購(gòu)相應(yīng)的材料，一起組裝機(jī)器人，并且對(duì)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)試以及各方面的數(shù)據(jù)測(cè)量，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和修正，最終完成了管道機(jī)器人的制作。一、此次設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)是：1.使用螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)中結(jié)合杠桿機(jī)構(gòu)，巧妙地利用寫輪達(dá)到一定的螺旋角，利用螺旋傳動(dòng)的方式得到所需的動(dòng)力。螺旋傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于直接把電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)前進(jìn)的能量，能最大限度地實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，這在小空間中不能從外界得到的能量的獨(dú)立環(huán)境中是非常有利的。2.使用杠桿式的半徑機(jī)構(gòu)利用變徑結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)機(jī)器人的大小以適應(yīng)管道直徑的大小，使機(jī)器人在任何管道中都能行動(dòng)自如，增加

28、了機(jī)器人的使用度。另外，一般的變徑機(jī)構(gòu)通過(guò)彈性結(jié)構(gòu)直接作用實(shí)現(xiàn)變徑，而本設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地使用杠桿式的變徑機(jī)構(gòu)，使得變徑機(jī)構(gòu)與斜輪支撐機(jī)構(gòu)統(tǒng)一在一體。杠桿式的變徑結(jié)構(gòu)可以通過(guò)杠桿的一端的位移調(diào)節(jié)變徑范圍，同時(shí)可以用彈性系數(shù)不同的彈簧調(diào)節(jié)杠桿式變徑機(jī)構(gòu)輸出力的大小，杠桿設(shè)計(jì)為多力臂結(jié)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)一端力臂的大小，調(diào)節(jié)輸入輸出地關(guān)系，使得機(jī)器人可以方便地適應(yīng)不同的管徑和斜輪壓力要求，大大提高了機(jī)構(gòu)的適應(yīng)能力。3.模塊化設(shè)計(jì)與分體可重構(gòu)結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)及可重構(gòu)的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了多種模塊，并在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單體，通過(guò)模塊化的連接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單體結(jié)合為一個(gè)復(fù)合體，從而得到多個(gè)單體連接

29、的復(fù)合體機(jī)構(gòu)，得到不同的輸出力與力矩，適應(yīng)不同的使用要求。本次組裝的兩組管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)分別為：機(jī)型1：運(yùn)動(dòng)模塊動(dòng)力模塊控制模塊用于功能擴(kuò)展的動(dòng)力輸出。機(jī)型2：運(yùn)動(dòng)模塊動(dòng)力模塊控制模塊運(yùn)動(dòng)模塊連接模塊CCD視覺(jué)功能模塊根據(jù)不同的工作需要還可以裝配出其他幾種機(jī)型。例如，當(dāng)管道無(wú)小半徑轉(zhuǎn)彎、路徑不復(fù)雜且便于引線時(shí)，動(dòng)力源和控制源都可由管道一端牽線引入，可以采用如下組裝方案：運(yùn)動(dòng)模塊連接模塊功能模塊當(dāng)運(yùn)行時(shí)，由于管內(nèi)壁凹凸不平或功能模塊引起的阻力較大，可以加強(qiáng)動(dòng)力模塊，采用如下組裝方案：運(yùn)動(dòng)模塊加強(qiáng)動(dòng)力模塊運(yùn)動(dòng)模塊功能模塊當(dāng)管內(nèi)操作需要多種功能或功能要分步執(zhí)行時(shí)，可以采用如下組裝方案：運(yùn)動(dòng)模塊動(dòng)力模塊連接模塊功能模塊連接模塊功能模塊連接模塊功能模塊二、此次設(shè)計(jì)的功能及其特點(diǎn)：1.工作平臺(tái)性質(zhì)。變徑機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊化的設(shè)計(jì)思想，使得本設(shè)計(jì)成為出色的管內(nèi)工作平臺(tái)和功能載