管內(nèi)壁爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)

1、前言 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，管道運(yùn)輸作為一種高效、安全、可靠的手段應(yīng)用日益廣泛，城市中的地下排水系統(tǒng)、取暖系統(tǒng)、煤氣系統(tǒng)、自來水系統(tǒng)等都應(yīng)用了各種管道；另外，在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)、石油、化學(xué)、核工業(yè)等領(lǐng)域也大量使用了管道。經(jīng)過長期使用，它們會(huì)出現(xiàn)裂紋、腐蝕、堵塞等故障。有的管道中輸送的是劇毒或放射性介質(zhì)，若這些管道產(chǎn)生裂紋、漏孔會(huì)造成介質(zhì)泄漏，引起事故甚至發(fā)生災(zāi)難。為了防患于未然，必須對(duì)這些管道進(jìn)行定期檢測(cè)和維修。但是它們有的埋在地下，甚至埋在海底，有的口徑很小，人無法進(jìn)入。挖出管道進(jìn)行檢測(cè)、維修既不經(jīng)濟(jì)又不現(xiàn)實(shí)，由此可見，管道機(jī)器人有著廣闊的市場(chǎng)。我國早在1987年就開展了管內(nèi)機(jī)器人的研究，并試制

2、了幾種模型，但總體水平較國外差。管內(nèi)機(jī)器人研究是機(jī)電一體化的高科技研究項(xiàng)目。在石油、化工、核工業(yè)、給排水等許多管道工程中，都需要進(jìn)行管內(nèi)檢測(cè)、噴涂及加工等工作，管內(nèi)機(jī)器人在完成這些工作中會(huì)發(fā)揮重要作用，因此，開發(fā)研究管內(nèi)機(jī)器人意義很大1。本次題目的內(nèi)容就是設(shè)計(jì)一種可在油管內(nèi)壁爬行，并且搭載工作體的部分可協(xié)助工作體完成相應(yīng)作業(yè)的機(jī)器人。采用機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制來達(dá)到設(shè)計(jì)目的。要實(shí)現(xiàn)的理想過程是：人對(duì)主機(jī)輸入一個(gè)控制信號(hào)，可以通過單片機(jī)對(duì)電機(jī)、電磁鐵進(jìn)行電氣控制，從而使機(jī)器人能夠按照所搭載工作體的要求進(jìn)行移動(dòng)，并在工作體的工作位置做出相應(yīng)的輔助動(dòng)作。機(jī)器人在行進(jìn)過程中可在任意位置停止前進(jìn)，并可以在該

3、位置開始作業(yè)，工作體可在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下完成小于360度的任意角度的旋轉(zhuǎn)。1 方案的結(jié)構(gòu)選擇11 總體選擇總體上，本次設(shè)計(jì)主要采用機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來完成指定的動(dòng)作，而用電氣設(shè)計(jì)來控制這些動(dòng)作。12 前進(jìn)方案的選擇 目前在管道內(nèi)機(jī)器人的行進(jìn)方式多種多樣，本設(shè)計(jì)采用蠕動(dòng)式行進(jìn)的方式。前進(jìn)方案由旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)、直線式步進(jìn)電機(jī)、氣缸中進(jìn)行選擇?，F(xiàn)將3種方式在本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行比較。由于本設(shè)計(jì)前進(jìn)方式為直線，所以其中使用直線式電機(jī)最為簡便，直線電機(jī)的電機(jī)軸是絲杠形式的，于是可以通過絲杠的導(dǎo)程來計(jì)算機(jī)器人的行進(jìn)距離。使用旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)的原理與直線式步進(jìn)電機(jī)相似，可通過一個(gè)小型連軸器與絲杠相連組成一個(gè)直線式步進(jìn)電

4、機(jī)，也可以通過一組齒輪減速器將絲杠與電機(jī)軸相連，簡圖見圖1-1。圖1-1 結(jié)構(gòu)簡圖第三種方法是使用氣缸推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。綜合比較三種方法后發(fā)現(xiàn)，氣缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)過程簡單，但其行程不易控制，要實(shí)現(xiàn)精確控制需要成本過高。兩種步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)相似，但直線式的步進(jìn)電機(jī)在安裝時(shí)不易對(duì)心，且價(jià)格遠(yuǎn)高于旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)。所以綜合考慮最終選擇采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的方案。13 卡緊方案的選擇 機(jī)器人在蠕動(dòng)式爬行的時(shí)候，需要卡緊裝置進(jìn)行配合。所以需要選擇合理的卡緊方案。由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人需要適應(yīng)從4.5到7英寸的不同管徑的管道，這給卡緊方案的設(shè)計(jì)帶來很大的難度。方案1為采用推拉式電磁鐵直接進(jìn)行卡緊，并使用適當(dāng)?shù)倪B桿機(jī)構(gòu)調(diào)整電

5、磁鐵位置，當(dāng)連桿機(jī)構(gòu)將電磁鐵調(diào)整到指定位置后，電磁鐵得電，推桿伸長，機(jī)器人卡緊管壁。工作完成后，電磁鐵失電，機(jī)器人放松6。結(jié)構(gòu)簡圖見圖1-2圖1-2 結(jié)構(gòu)簡圖方案2為使用一個(gè)旋轉(zhuǎn)電磁鐵，用旋轉(zhuǎn)電磁鐵來帶動(dòng)凸輪實(shí)現(xiàn)卡緊，通過對(duì)凸輪進(jìn)行設(shè)計(jì)可以計(jì)算出支撐桿的移動(dòng)距離。當(dāng)旋轉(zhuǎn)電磁鐵得電后，旋轉(zhuǎn)一定角度，帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，使支撐桿在徑向產(chǎn)生移動(dòng)從而卡進(jìn)管壁。電磁鐵失電后，通過彈簧的作用使凸輪和支撐足復(fù)位，機(jī)器人放松。結(jié)構(gòu)簡圖見圖1-3。圖1-3 結(jié)構(gòu)簡圖Diagram 1-3 structure sketch plans方案3為使用一推拉式電磁鐵推動(dòng)錐形滑塊，同時(shí)設(shè)計(jì)三個(gè)長度可調(diào)的支撐桿，當(dāng)電磁鐵得電后，

6、電磁鐵推桿伸出并帶動(dòng)錐形滑塊沿軸向前進(jìn)。由于滑塊為錐形，支撐足產(chǎn)生徑向移動(dòng)，機(jī)器人被卡緊7。電磁鐵失電后，機(jī)器人放松，原理同方案2。結(jié)構(gòu)簡圖見圖1-4。圖1-4 結(jié)構(gòu)簡圖Diagram 1-4 structure sketch plans綜合比較以上三種方案，首先放棄了方案1，由于管道內(nèi)空間有限，電磁鐵的體積太大，無法合理的安放電磁鐵，并且電磁鐵的重量也相對(duì)較大，設(shè)計(jì)與之相應(yīng)的連桿機(jī)構(gòu)也很困難。方案2與方案3在原理上基本相同，不同之處在于方案2用的是凸輪，而方案3用的是錐形滑塊。凸輪的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且其表面需要非常光滑，由于凸輪曲面為復(fù)雜曲面，所以普通磨床難以加工，需用數(shù)控加工中心進(jìn)行加工，這樣加

7、大了成本。經(jīng)過綜合比較決定選擇方案3。另外，在卡緊方面也可使用氣缸，此類型的設(shè)備已被開發(fā)，但由于空間問題并不適合于本設(shè)計(jì)，故本設(shè)計(jì)不使用該方法。14 旋轉(zhuǎn)方案的選擇 旋轉(zhuǎn)部分采用一個(gè)旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)軸帶動(dòng)法蘭，可在法蘭上連接工作體，通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度來控制工作體的轉(zhuǎn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。圖1-5Diagram 1-515 調(diào)節(jié)方案的選擇由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人要適應(yīng)不同的管徑，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)合理的可調(diào)機(jī)構(gòu)。初步擬訂3個(gè)方案，方案1采用一個(gè)推拉式電磁鐵推動(dòng)一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)與卡緊方案1相似，結(jié)構(gòu)簡圖見圖1-2。通過控制推桿伸出的長度及連桿機(jī)構(gòu)來調(diào)整支撐足。方案2也是一種連桿機(jī)構(gòu)，

8、結(jié)構(gòu)見圖1-6。通過調(diào)整螺栓來調(diào)整支撐足的高度。它的結(jié)構(gòu)與汽車修理廠所用千斤頂相似。圖1-6 結(jié)構(gòu)簡圖Diagram 1-6 structure sketch plans方案3較為簡單，將支撐桿上做出幾個(gè)槽，槽的位置分別與機(jī)器人所需要工作的管徑相對(duì)應(yīng)，在外安裝套筒，并在套筒上開螺紋孔，通過緊釘螺釘將支撐桿與套筒相連。再將套筒與機(jī)體相連，通過緊定螺釘與不同槽之間的配合來適應(yīng)不同的管徑。結(jié)構(gòu)詳見圖1-7。圖1-7 結(jié)構(gòu)簡圖Diagram 1-7 structure sketch plans再對(duì)以上三種方案進(jìn)行比較，方案1的自動(dòng)化程度很高，可以通過控制計(jì)算機(jī)來控制調(diào)整機(jī)構(gòu)，節(jié)省了人力。方案2的機(jī)構(gòu)很

9、合理，調(diào)整方便。但由于管道內(nèi)空間的限制，這個(gè)方案都很難在本設(shè)計(jì)中應(yīng)用，而方案3雖然不是最精確的，但它制造方便，并且在空間上設(shè)計(jì)的很合理。并且為可換，在需要適應(yīng)新的管徑的時(shí)候，只需要重新制造支撐桿，十分方便。本設(shè)計(jì)采用方案3。16 結(jié)構(gòu)方案改進(jìn) 機(jī)器人采用絲杠來推動(dòng)前進(jìn)，在前進(jìn)過程中對(duì)于部分機(jī)體的旋轉(zhuǎn)自由度沒有加以限制，所以不排除機(jī)器人在前進(jìn)過程中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。為了防止旋轉(zhuǎn)，我們?cè)诮z杠的平行方向上加一根光杠。這樣機(jī)器人在前進(jìn)時(shí)，當(dāng)一端被卡緊時(shí)，另一部分的旋轉(zhuǎn)自由度也被加以限制，防止了旋轉(zhuǎn)的發(fā)生。機(jī)器人在前進(jìn)的過程中，管道內(nèi)的情況不明。有些管道的內(nèi)表面已經(jīng)作了加工，為了防止劃傷管道內(nèi)表面，我們?cè)跈C(jī)器人

10、的三大部分上分別加上三組小輪，這樣不僅可以減小摩擦力，通過對(duì)小輪表面材料的選擇也可以起到保護(hù)管道內(nèi)表面的作用。由于機(jī)器人所載工作體需做小于360°的旋轉(zhuǎn)，所以應(yīng)該最大限度的保證機(jī)器人的中心與管道的中心重合，這樣工作體就是繞管道的中心旋轉(zhuǎn)。采用三足支撐的方法進(jìn)行自動(dòng)定心，同時(shí)在其中一個(gè)支撐足上安裝彈簧，使三個(gè)支撐足同時(shí)抵在管壁上，保證定心。并將防劃傷的小輪安裝在這三個(gè)支撐足上。結(jié)構(gòu)如圖1-8所示。圖1-8 結(jié)構(gòu)簡圖Diagram 1-8 structure sketch plans在原理上可以將卡緊與支撐用一個(gè)機(jī)構(gòu)來執(zhí)行，但是由于支撐足上安裝了用來減小摩擦力的小輪，這樣電磁鐵產(chǎn)生的卡緊

11、力將不足以卡緊，將定心與卡緊分離，可以保證卡緊力，只要在結(jié)構(gòu)上做的盡量緊湊，充分考慮空間因素，問題將得到解決。2 主要部件的計(jì)算選擇21 步進(jìn)電機(jī)的選擇本次設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)共使用兩個(gè)，兩個(gè)電機(jī)的功能不同所用型號(hào)也不相同。我們先對(duì)行進(jìn)用的電機(jī)進(jìn)行選擇。本次設(shè)計(jì)中的前進(jìn)動(dòng)力全部來自這個(gè)步進(jìn)電機(jī)，所以該電機(jī)提供推力必須能夠推動(dòng)整個(gè)機(jī)體。機(jī)器人制造材料為鋁，鋁的密度為 Kg/m3可得整個(gè)機(jī)體的質(zhì)量約為1.5千克。 由于機(jī)器人工作環(huán)境所限預(yù)計(jì)工作體的質(zhì)量為1.5千克。機(jī)器人整體的質(zhì)量主要由機(jī)體、工作體、電磁鐵和電機(jī)的質(zhì)量組成，初步選擇兩個(gè)電機(jī)的質(zhì)量約為0.75千克。兩個(gè)電磁鐵的質(zhì)量為0.35千克，再補(bǔ)充其它

12、部件的質(zhì)量，整個(gè)機(jī)器人的質(zhì)量約為5千克。機(jī)器人在管道內(nèi)所受的阻力來自于小輪與管壁的滾動(dòng)摩擦力。小輪與油管內(nèi)壁間的摩擦系數(shù)決定了機(jī)器人所需推力。 根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，滾動(dòng)摩擦系數(shù)在0.1與0.2之間，這里為保證推力，取摩擦系數(shù)為0.2。得出為使機(jī)器人前進(jìn)所需推力為 9.8N 。旋轉(zhuǎn)電機(jī)所輸出的轉(zhuǎn)距由絲杠轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，絲杠推力由螺旋副產(chǎn)生，由于推力已得出，所以計(jì)算所得的螺旋副間的摩擦阻力矩即所選電機(jī)需要滿足的轉(zhuǎn)矩。計(jì)算摩擦力矩時(shí)借鑒螺紋預(yù)緊的扭緊力矩的計(jì)算方法8。螺栓由于扭緊力矩T作用，使螺栓和被連接面之間產(chǎn)生預(yù)緊力F0 。由機(jī)械原理可知，扭緊力矩T等于螺旋副間的摩擦阻力矩T1（即本設(shè)計(jì)中所需

13、求的轉(zhuǎn)矩）和螺母環(huán)形面與被連接件支撐面間 的摩擦阻力矩之和， 即 （2-1）螺旋副間的摩擦力矩為 （2-2）螺母與支承面間的摩擦力矩為 （2-3）將（2-2）、（2-3） 、代入（2-1），得 （2-4）表2-1綜合考慮螺紋升角；螺旋副的當(dāng)量摩擦角（f為摩擦系數(shù)，無潤滑時(shí)f）；螺母與支承面間的摩擦系數(shù)可得 （2-5）因?yàn)榻z杠傳動(dòng)過程中并無螺母與支承面間的摩擦阻力矩T2，所以可利用公式（2-5）計(jì)算本設(shè)計(jì)中所用電機(jī)的轉(zhuǎn)距，并且計(jì)算出的轉(zhuǎn)距一定大于推力所用的轉(zhuǎn)矩，在選用電機(jī)時(shí)留出了工作余量。由于在工作的絲杠與電機(jī)軸之間使用了一組齒輪減數(shù)器，Z1=20，Z2=36，。計(jì)算得出所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩為在考慮到空

14、間、質(zhì)量因素后決定采用35BYG310型步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)如表3-1所示： （通用技術(shù)參數(shù)）混合式步進(jìn)電機(jī)步 距 角 1.8°±5%絕緣電阻 500V  DC  100M  Min絕緣強(qiáng)度 50Hz  1Minute  500V Min環(huán)境溫度  20+50溫    升 80 Max.徑向跳動(dòng) 0.02mm Max.軸向跳動(dòng) 0.1-0.3mm型號(hào) 相數(shù) 電流 電阻 最大靜轉(zhuǎn)矩 重量 外形尺寸(A) () (kg.cm) (kg) L0(mm) L1(mm) 35BYG310 2

15、0.19 60 0.8 0.15 28 2135BYG408 2 1.60 1.3 0.9 0.15 29 2135BYG409 2 0.32 23 1.4 0.20 29 21選擇步進(jìn)電機(jī)的步距角為，絲杠導(dǎo)程為1.5，機(jī)器人行進(jìn)的分辨率為0.0075/步9。工作體轉(zhuǎn)動(dòng)所用步進(jìn)電機(jī)的選擇。工作體在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中需要克服由重力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，由于工作體形狀未知，故設(shè)工作體重心偏移量為最大，工作體質(zhì)量為1.5，得出所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩為 。選擇57BYG008型步進(jìn)電機(jī)。步 距 角 1.8deg環(huán)境溫度 25+40 絕緣等級(jí) B表2-2Form 2-2型號(hào) 電壓 電流 電阻 電感 最大靜力矩 機(jī)身長 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

16、重量 (V) (A) () (mh) (N.cm) (mm) (g.cm2) (kg)57BYG007 12 0.38 32 30 29.4 41 60 0.4557BYG008 4.0 1.3 3.1 4.4 49.0 51 118 0.6 57BYG009 2.4 2.4 1.0 1.5 58.8 56 145 0.6522 推拉式電磁鐵的選擇本設(shè)計(jì)卡緊部分所采用的是推拉式電磁鐵，通過錐形塊來實(shí)現(xiàn)卡緊。錐形塊的錐度設(shè)定為，支撐桿受力簡圖如圖2-1所示：圖2-1支撐桿受力簡圖Diagram 2-1 prop up a pole to be subjected to a dint sketch

17、 plan圖中F1為電磁鐵推力，F(xiàn)2為作用在油管內(nèi)壁的卡緊力。因?yàn)殄F度為，所以F1=F2 。機(jī)器人前進(jìn)所用推力為9.8N，則電磁鐵所產(chǎn)生的卡緊力應(yīng)大于9.8N。在電磁鐵的卡緊足上鍍上用于增大摩擦力的橡膠，保守的取滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.5，計(jì)算得出所需電磁鐵的推力為為19.6N。由于機(jī)器人工作的空間狹小且工作條件不清楚，所以在保證足夠力的前提下，應(yīng)盡量選擇體積小行程適中的。所以電磁鐵選用TCT40Z型推拉式電磁鐵。仔細(xì)分析電磁鐵工作曲線（如圖2-2 ）后，決定選用工作行程為4，功率50W。圖2-2Diagram2-23 關(guān)鍵件的校核31 絲杠的校核由于機(jī)器人前進(jìn)過程中行進(jìn)的距離要進(jìn)行精確控制，屬于精

18、密傳動(dòng)，所以絲杠材料選用CrWMn鋼 ，公稱直徑為8mm , H = 0.75mm , 導(dǎo)程為1.5 mm , 。 其中 絲杠推力F = 9.8N ，d2 = 7.25 , Z = 7 。計(jì)算得出：P = 0.08MP a, 所以符合要求10。32 軸承的校核本設(shè)計(jì)中兩處用到了軸承，其中轉(zhuǎn)動(dòng)部分需要用角接觸球軸承70000型。本設(shè)計(jì)中此處選用角接觸球軸承既能抵消所受的徑向力,又能抵消所受的附加軸向力。又因?yàn)榇藢?duì)軸承所受的外摩擦力即軸向力非常小，故符合機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及壽命要求。另外固定絲杠時(shí)也需要選用軸承。由于絲杠是與電機(jī)布置在同一部分機(jī)體內(nèi)，電機(jī)已經(jīng)占據(jù)了一定空間，且絲杠公稱直徑很小，普通軸承不

19、能滿足要求。我們?cè)谶@里選用儀器儀表軸承，d = 6mm ，D = 13mm 。軸承的基本額定載荷KN，KN。在輕載的情況下，軸向，即N11。在機(jī)器人行進(jìn)過程中，絲杠的推力為9.8N，所以選用的軸承滿足要求。33 鍵的校核轉(zhuǎn)動(dòng)部分使用了一個(gè)普通平鍵，傳遞轉(zhuǎn)矩為 0.375N.m ，軸的直徑為16mm，。 校核公式： 計(jì)算得出，鍵的材料為鋼，符合要求12。4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的機(jī)電執(zhí)行元件。每外加一個(gè)控制脈沖，電機(jī)就運(yùn)行一步，故稱為步進(jìn)電機(jī)或脈沖馬達(dá)。與其它驅(qū)動(dòng)元件相比其控制有如下幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：1） 通常不需要反饋就能對(duì)位移或速度進(jìn)行精確控制；2） 輸出的轉(zhuǎn)角或位移精度高，誤差不會(huì)累積；3） 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，與數(shù)字設(shè)備兼容，價(jià)格便宜。步進(jìn)電機(jī)的品種規(guī)格很多，按照其結(jié)構(gòu)和工作原理可劃分為反應(yīng)式電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和特種步進(jìn)電機(jī)四種主要形式。本次設(shè)計(jì)中采用混合式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行需要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移，既控制系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)