管道爬行器的研究報告及設計

1、-PAGE . z.管道爬行器的研究與設計-. z.1緒論隨著社會的開展和人民生活水平的提高，天然氣管道以及各種輸送管道的應用越來越多。在我國及世界各個國家，由于地形的限制和土地資源的有限，在地下都埋設了很多的輸送管道，例如，一方面天然氣管道、石油管道等，在埋有管道的地面上都已經(jīng)建成了很多的建筑物、公路等，給管道的維修和維護造成了很大的困難。當這些管道由于*些原因造成了泄露、堵塞等問題時，人們普通的做法是挖開道路進展維修，有些時候如果不能準確判斷泄露和堵塞的具體位置時，會浪費很多的時間和精力，同時降低了工作效率7。另一方面石油、天然氣、化工、電力、冶金等工業(yè)的管道工程大多采用焊接收路。為了保證

2、焊接收路的焊接質量和運行平安,管道工程都要對焊縫進展檢測,檢測焊接部位是否存在虛焊、漏焊、傷痕等焊接缺陷。常用的焊縫檢測方法是采用無損檢測,如超聲、射線、渦流等。對于管路檢測,則大多采用管道爬行探傷檢驗設備(簡稱爬行器) 對焊縫進展射線檢測。這類爬行器由于受管道尺寸的限制,大多構造十分緊湊。在檢測過程中,爬行器在其控制系統(tǒng)的控制下,可連續(xù)對同一管道不同位置上的焊縫質量進展檢驗?？紤]管道焊縫檢測的效率,常常當管道焊接具有一定長度之后,才集中對管道進展檢測。如果一次要檢測的管道比擬長,爬行器的控制系統(tǒng)應采用車載式布置。使用時,通過外部的控制器對爬行器上的控制系統(tǒng)發(fā)出指令,決定爬行器的工作狀態(tài)。隨著

3、機電一體化技術的開展，以及機器人技術的開展和管道測試等技術的進一步開展，相互之間的滲透程度越來越深，管道爬行機器人是在狹窄空間中進展精細操作、檢測或作業(yè)的機器人系統(tǒng)。其中機器人的作業(yè)環(huán)境一般是危險的?；鹆Πl(fā)電廠、核電廠、化工廠、民用建筑等用到各種各小管道，其平安使用需要定期檢修。但由于窄小空間的限制，自動維修存在一定難度。僅以核電站為例，檢查時工人勞動條件惡劣。因此管道機器人化自動檢查技術的研究與應用十分必要。人們不再為了維修、維護管道時挖開道路，節(jié)省了大量的人力，物力和財力。目前的管道機器人都是以履帶、輪子等實現(xiàn)在管道中的移動，其技術有著或多或少的缺陷，市場尚不成熟。例如：不能適應大圍的管道

4、徑變化，運行中姿態(tài)的調整不夠理想，在十字型、丁字型等較復雜的管道徑中不能較平穩(wěn)的通過等等；結合目前管道機器人所存在的缺點，應用機械設計、機械原理等專業(yè)知識，設計出了新型管道爬行機器人。此機器人可實現(xiàn)大圍的管道徑變化，順利通過十字型、丁字型等較復雜管道；在運行中的姿態(tài)調整也得到了較好的解決。2設計方案初步分析2.1 無線控制與有線控制的選擇2.1.1有線控制及拖拽 該方式采用機器人尾部裝夾電纜、信號線、平安繩、其他電路等等，這樣會造成機器人的牽引力增大，對爬行器的負載力和足輪的摩擦力提出了更高的要求，尤其是隨著機器人的深入，牽引繩會成為機器人的累贅和枷鎖。牽引繩的長短禁錮著機器人的爬行深度。其優(yōu)

5、缺點如下：缺點：附著力會不斷增大，爬行器負載變化大，不利于長距離爬行。優(yōu)點：爬行器本身初始載重小本身不需攜帶能源等，信息反應及時清晰，利于后期觀察，也利于實現(xiàn)在線監(jiān)控。觀察完畢時，可人工使用平安繩退出。 非拖曳該方式不需跟隨電纜線，本身有拍攝存儲功能，并且本身攜帶電源等，其優(yōu)缺點如下：缺點：爬行器本身載重加大，需設計爬行器退出管道方式等。優(yōu)點：爬行器載重恒定，便于爬行器爬行。其在管道行進方便，尤其在彎道時，拖曳式的過大的牽引力會使爬行器驅動輪打滑，不易通過。根據(jù)要求，非拖曳雖有自己強大優(yōu)點，但爬行器在管道出現(xiàn)問題而不能移動時，需要花費很大力氣將爬行器取出?？梢赃x擇有線拖拽式。2.2 驅動方式選

6、擇根據(jù)設計要求現(xiàn)擬訂2種爬行器驅動設計方案如圖1，2：圖1 輪式爬行圖2 履帶式爬行2.2.1輪式爬行設計制造簡便，本錢低廉。但其穿越障礙能力差，只能穿越高度小于其本身半徑的障礙物。如圖3。圖3 輪式爬行越障履帶爬行越障礙能力高于輪式爬行，但本身設計制造較復雜，本錢相應提高一個支點最少需4輪才可以爬行3。根據(jù)設計要求本機器人是在管道行走的機器人，無需考慮臺階等障礙物的問題，盡量降低本錢，在不影響設計本身功能時，盡可能采用制造工藝簡單，本錢低的設計方案?？梢圆捎幂喪脚佬?。2.3姿態(tài)調整的選擇根據(jù)要求結合可行性，可以擬定3種方案如下：2.3.1加傳感器的關節(jié)進展調整在管道爬行時會出現(xiàn)爬行器偏移原來

7、軌道，可用傾斜傳感器進展控制?，F(xiàn)擬訂采用改變輪子履帶前進方向一定角度來進展矯正加關節(jié)。其原理為：通過電磁鐵的吸合，從而控制爬行器的爬行軌跡。關節(jié)單元裝配圖如圖4：圖4 關節(jié)調節(jié)通過關節(jié)調整可實現(xiàn)如圖5：圖5 關節(jié)調節(jié)的實現(xiàn)2.3.2利用吊籃方式進展調整在爬行器安裝吊籃置攝像觀察裝置。當爬行器偏斜時，吊蘭因為和機座為鉸鏈連接，保存一個自由度，由于重力的原因不會隨著爬行器偏斜而偏斜，而是在任何時候都垂直與地面。其在爬行器遇到傾斜時的自動調節(jié)如圖6。通過吊籃式調節(jié)，攝像裝置始終保持與水平面平行圖6 吊籃式的實現(xiàn)2.3.3采用新式吊籃進展調整根據(jù)吊籃的原理，結合魯班的榫卯構造，可以采用2個偏心圓環(huán)相扣

8、，進展重力自由調節(jié)，其原理如圖7如圖7 小環(huán)直徑為150mm，大環(huán)直徑為250mm，大環(huán)與小環(huán)相切，小環(huán)的轉動并不能帶動大環(huán)的轉動，并且大環(huán)會由于重力的作用始終與地面保持平行。可以在大環(huán)上安裝照明器件和信號采集器件，是它們能夠與地面保持平行。根據(jù)這種思路，可以3D造型，進展新式吊籃調節(jié)如圖8,圖9。 圖7 吊環(huán)原理圖2.4自適應分析圖8 吊籃分裝圖 圖9 吊籃裝配圖2.4.1伸縮臂長和加彈簧方式大圍徑變化400-1100在支撐臂上添加變長桿，小圍在支撐臂上添加彈簧。2.4.2 伸縮臂長和傘型搖桿在4001100大圍的管道中爬行，可通過使支架伸縮來改變。在管道直徑改變不大處爬行，十字型、丁字型等

9、較復雜管道徑時可通過傘型搖桿閉合控制支撐臂移動以適應，通過傘型搖桿與伸縮桿的結合就可以變換出很多適應不同管道徑的條件。以上2方案各有其優(yōu)點，相比擬下，第2種方案更符合要求，但其需要獨立的驅動單元，因此制造本錢遠高于第1種方案。在普通情況下，第1種方案足可以適應。故再做出三維造型后進一步進展運動分析。2.5方案的根本確定通過以上分析，初步確定采用有線拖拽式，但姿態(tài)調整和自適應均存在3種不同的方案可供選擇，故設計3種總體方案再進一步分析。方案一：姿態(tài)調整采用關節(jié)調節(jié)，自適應采用變長桿和彈簧。方案二：姿態(tài)調整采用吊籃方式，自適應采用伸縮臂和傘型合構造。方案三：姿態(tài)調整采用新式榫卯吊籃方式，自適應采用

10、伸縮臂和傘型合構。3方案一的設計與分析綜合設計方案一如圖9.本方案根本有3局部組成，1機身、2機腿、3驅動輪。圖9 方案一的三維效果圖3.1機身的設計可裝載各種探測設備等，如圖10。圖10 機身3.2 機腿的設計 由9局部組成，其三維圖與爆炸圖如圖11。機腿可分為3個單元：伸縮單元1-5、變長單元6、關節(jié)單元7-10。通過螺紋連接。其爆炸圖如圖11。三維轉配圖如圖12。圖11 機腿的爆炸圖3.2.1 伸縮單元1-5局部組成的伸縮單元依靠彈簧的彈性變形以適應小圍的管道直徑變化和越障。其三維圖如圖13。圖13 伸縮單元三維圖圖14 變長桿圖12 機腿裝配圖 變長單元6為變長桿，可以人為的更換增長或

11、縮短以適應管道直徑的大圍變化。其三維圖如圖14。 關節(jié)單元7-10局部組成關節(jié)單元，7、9上均裝有電磁鐵，7、8，8、9之間用螺母和繞簧固定。各部位三維圖如圖15。關節(jié)單元用于爬行器的姿態(tài)調整。其原理為通過傾斜傳感器對爬行器進展監(jiān)控。當爬行器偏移其原軌道，傾斜傳感器發(fā)出電信號，此時7或9上的電磁鐵得電，吸合8，促使輪子向左或右傾斜，以校正爬行器。在爬行器被校正后，傾斜傳感器發(fā)出信號，使電磁鐵斷電，在繞簧的作用力下，使關節(jié)各部位復位。圖15 關節(jié)單元零件圖爬行器正常前進。7、9分別用于爬行器的左、右校正。3.3驅動輪的設計驅動輪由5局部組成，如圖16圖16 驅動輪三維圖與爆炸圖(1)聯(lián)接塊用于與

12、驅動輪與關節(jié)單元的聯(lián)接。(2)電動機箱安裝步進電動機或勵磁電動機。用以驅動輪子。3.4 方案一的分析優(yōu)點：構造簡單，制造本錢低廉，對管道徑變化不大和彎道較少時根本能滿足設計要求。缺點：該爬行器在爬行器由于機身是長方體，在管道轉彎時，會出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象，在爬行十字型、丁字型管道徑時會出現(xiàn)在機腿卡在管道中，驅動輪懸空等情況；但該種情況，一般當輪子半徑大于管道壁厚，也能順利通過。4方案二的設計與分析根據(jù)方案一的優(yōu)缺點進展改進，增加必要改進元素，現(xiàn)設計出方案二，如圖17。本方案由3局部組成：1機身，2機腿，3驅動輪。圖17 方案二的三維圖4.1 機身的設計機身設計成筒狀機身和其他部件組成。如圖18.圖18

13、 機壁三維圖4.2 機身部傳動構造設計機身部主要完成傘足的合傳動，以及吊籃的安裝。如圖19。圖19 機身部三維圖4.3 進給螺桿與螺母的設計 為使機腿伸縮，采用螺旋傳動，該類型傳動是利用螺桿絲杠和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉運動轉變?yōu)橹本€運動，同時傳遞運動和動力。在爬行器中其工作原理為：進給螺桿在電動機的驅動下，進展回轉運動。從而使螺母進展水平移動。螺母用來推動機腿的伸縮，使爬行器進展自適應伸縮如圖20。圖20 絲杠螺母運動簡圖4.4 吊籃的設計 吊籃的活動關節(jié)采用圓柱銷，采用間隙配合，以保證吊籃的左右移動。其機構圖如圖21，22。其工作原理為，在重力的作用下。吊籃通過活

14、動關節(jié)始終保持與地面的水平。活動關節(jié)由一活動銷聯(lián)結。吊籃通過螺母固定在機身上。圖21 吊籃三維圖 圖22吊籃示意圖4.5 機腿的設計機腿的三維造型如圖23圖23 機腿三維圖機腿通過關節(jié)1、2、3的伸縮進展自適應調節(jié)。連接桿與推動盤連結。連接桿與關節(jié)3采用鉸接。為適應管道最大徑1100mm的調節(jié)，關節(jié)1尺寸為200mm，關節(jié)2尺寸為150mm，關節(jié)3尺寸為100mm。4.6 方案二的分析優(yōu)點：能夠采用伸縮桿適應大圍管道壁直徑變化，傘型構造能夠適應管道一定圍的轉彎，牽引力大，構造緊湊，控制簡單。缺點：由于機身為一個圓筒整體，過長，不能完全適應彎道的轉彎。吊籃安裝在機身部，安裝復雜，并且吊籃在部，不

15、能采用攝像頭觀察管道壁的情況。機身的制造復雜，孔系較多。5 方案三的設計與分析根據(jù)方案一，二的優(yōu)缺點，綜合整理資料，經(jīng)過反復修改，提出新的設計思路，先設計出方案三，如圖24。本方案有3局部組成，1機身、2機腿、3驅動輪。圖24 方案三的三維圖5.1機身的設計 機身主要有兩局部構成，即前機身和后機身，對于管道轉彎的為題，我們可以借鑒火車的節(jié)裝構造，設計出有兩節(jié)機身組成的機車型爬行器，減小機身長度，有利于機器人順利通過彎道，為減輕重量，機身材料選用硬鋁。5.1.1機身組成構造 爬行器爬行最小徑為450mm，爬行最大徑1100mm。設計機身徑為150mm，外徑為200mm機壁厚度最小處為10mm。機

16、壁與機腿之間只是做簡單的伸縮動作，前后機身可以采用旋轉鉸鏈連接故采用GB119-83 A5*40，采用間隙配合。其前后機身三維圖如圖25 ，圖26。圖25 前主體三維圖 圖26 后主體三維圖5.2機身部傳動機構的設計機身部構造為機腿運動的傳動機構的設計，在這里運用絲杠和螺母構造完成曲柄滑塊機構的實現(xiàn)。并推動機腿的合。其構造示意圖如圖275.2.1 進給絲杠和螺母的設計 為使機腿伸縮，采用螺旋傳動，該類型傳動是利用螺桿絲杠和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉運動轉變?yōu)橹本€運動，同時傳遞運動和動力。圖27 絲杠螺母裝配圖在爬行器中其工作原理為：進給螺桿在電動機的驅動下，進展回轉運動

17、。從而使螺母進展水平移動。螺母用來推動機腿的合，使爬行器進展自適應合。A初步確定螺桿桿軸的最小軸徑按機械設計式15-2 初步估算絲桿軸的最小軸徑，選取材料為45鋼，調質處理。根據(jù)機械設計表15-3取A0=112 初步設定螺桿轉速為30r/min=112=15.28mm (1)式中，P可根據(jù)主體電機取P=89W n=30r/min B求取軸向力 按照自鎖條件先求出當量摩擦角，查機械設表5-12知螺旋副材料中鋼對鋼的摩擦系數(shù)，取中間值0.15，則當量摩擦角(2)則在此按最大值計算，取C耐磨性計算滑動螺旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動速度、螺紋外表粗糙度以及潤滑狀態(tài)等因素有關。其中最主要的是螺紋工

18、作面上的壓力，壓力越大，螺旋副間越容易形成磨損。因此，滑動螺旋的耐磨性計算，主要是限制螺紋工作面上的壓力p，使其小于材料的許用壓力。假設作用于螺桿的軸向力為F單位為N)，螺紋的承壓面積指螺紋工作外表投影到垂直于軸向力的平面上的面積為A單位為，螺紋中徑為單位為mm，螺紋工作高度為h單位為mm，螺紋螺距為P單位為mm，螺母高度為H單位為mm，螺紋工作圈數(shù)為，則螺紋工作面上的耐磨性條件為(3)上式可作為校核計算用。將代入上式整理后得(4)a計算螺桿中徑查機械設計第97頁，由于工作圈數(shù)不多，故取查機械設計第97頁表5-12取 則因為按剪切強度計算的最小直徑為15.28mm ，由d2=26mm根據(jù)國家標

19、準選取螺紋公稱直徑d=30mm，P=3.5mm的螺紋。(5)b螺母高度H=1.526=39mmc 旋合圈數(shù)(6)故旋合圈數(shù)合理d螺紋工作高度 (7)e驗算工作壓強(8)D驗算自鎖 自鎖條件，對于單線螺紋，為當量摩擦角等于。則：自鎖條件滿足。E螺桿強度計算 螺桿工作時承受軸向壓力或拉力F和扭轉T的作用。螺桿危險截面上既有壓縮或拉伸應力，又有切應力。因此，校核螺桿強度時應根據(jù)第四強度理論求出危險截面的計算應力，其強度條件為 (9)mm式中：F 螺桿所受的軸向壓力或拉力，單位為N； 螺桿螺紋小徑，單位為mm；T 螺桿所受的扭矩；螺桿材料的許用應力，單位為MPa。則： 螺桿材料的許用應力 查機械設計手

20、冊表34.2-10知=80，故螺桿強度滿足。F螺紋牙強度(1)螺紋牙寬度(2)螺桿的強度校核螺紋牙多發(fā)生剪切和擠壓破壞，一般螺母的材料強度低于螺桿，故只需校核螺母螺紋牙的強度。如果將一圈螺紋沿螺母的螺紋大徑D單位為mm處展開，則可看作寬度為的懸臂梁。假設螺母每圈螺紋所承受的平均壓力為，并作用在以螺紋中徑單位為mm為直徑的圓周上，則螺紋牙危險截面aa的剪切強度條件為(10)螺紋牙危險截面aa的彎曲強度條件為(11)式中：b 螺紋牙根部的厚度，單位為mm，對于矩形螺紋，b0.5P，對于梯形螺紋，b0.65P，P為螺紋螺距；l 彎曲力臂，單位為mm 螺母材料的許用切應力，單位為MPa，見機械設計表5

21、-13；螺母材料的許用彎曲應力，單位為MPa，見機械設計表5-13；a.抗剪強度其中查 機械設計表5-13 并計算得=48MPab.抗彎強度其中查機械設計表5-13經(jīng)計算知=80MPa。(3)絲母的強度校核a.抗剪強度其中查機械設計表15-3知。b.抗彎強度 其中查機械設計表15-3知=80MPa。故絲母強度滿足。綜上計算所的螺桿工程圖如圖28。螺母工程圖如圖29。圖28 螺桿工程圖圖29 螺母工程圖 選擇聯(lián)軸器聯(lián)軸器是機械傳動中重要的軸系部件。主要用來聯(lián)接兩軸(有時也實現(xiàn)軸與其它轉動零件的聯(lián)接)，使之一起轉動并傳遞運動和動力。兩軸用聯(lián)軸器聯(lián)接， 只有停機并經(jīng)拆卸才能別離；采用聯(lián)軸器可把整機分

22、成假設干部件，便于機器的 設計、制造、裝拆及運輸；聯(lián)軸器大都已標難化、系列化，因此主要問題是如何合理選擇。因輸出輸入端均為16mm。應選擇Tl8型彈性套柱銷聯(lián)軸器。5.2.3 選擇鍵鍵是機械傳動局部的動力傳遞原件，在選擇時要求其符合傳遞扭矩的要求。且鍵已被國家定位標準件，在此主要進展間的選擇和校核。根據(jù)軸的直徑，由機械設計表6-1 選擇普通平鍵的圓頭平鍵,材料選45鋼。依據(jù)鍵的校核如下： (12)式中： T傳遞的轉矩kk=0.5h ，h為鍵的高度l鍵的接觸長度，mmd軸的直徑，mm 可計算得：查機械設計表6-2 靜載荷時可知所選的圓頭平鍵符合條件5.3 吊環(huán)的設計如前所訴，吊環(huán)采用榫卯構造，吊

23、環(huán)與環(huán)槽的外表粗糙度要求到達Ra1.6。其工作原理是根據(jù)吊環(huán)的自重，調節(jié)吊環(huán)始終與地面保持垂直。因其受力不大，減輕重量，故材料采用硬鋁。圖30 吊環(huán)裝配圖圖31 吊環(huán)爆炸圖5.4 軸承的設計用于固定螺桿。螺桿后部只是普通光軸，轉速低。故采用滑動軸承外表粗糙度要求較高，又因軸承在主體的緊固要求采用自行設計的軸承。的為減輕重量材料采用硬鋁。其工程圖如圖32。圖32 軸承工程圖5.5 機腿的設計其三維裝配圖，爆炸圖如圖33，34。圖33 機腿裝配圖圖34 機腿爆炸圖機腿通過關節(jié)1、2、3的伸縮進展自適應調節(jié)。連接桿與推動盤連結。連接桿與機腿1采用鉸鏈。為適應管道最大徑1100mm的調節(jié)，關節(jié)1尺寸為

24、250mm，關節(jié)2尺寸為150mm，關節(jié)3尺寸為100mm。5.6驅動輪的設計驅動輪的設計與方案二大至上一致局部構造不同，故不在贅述原理。驅動輪裝配和爆炸如圖35，圖36。原動力電動機的選擇與計算在機器人的電氣控制研究設計局部完成。圖35 驅動輪裝配體 圖36 驅動輪爆炸視圖5.7 管道爬行的實現(xiàn)圖37 管道爬行實現(xiàn)5.8管道路口轉彎的實現(xiàn)在十字型管道爬行時，會遇到驅動輪懸空，并可能被卡住的情況。此時，在通過攝像觀測裝置觀測到該種情況時，工作人員通過控制機身電機，進給螺桿開場轉動，使螺母水平移動，從而使機腿伸縮，以通過該類型管道，如圖36。其控制過程框圖如圖37。程序中控制由現(xiàn)場工作人員控制，

25、通過對機身電機的控制，以實現(xiàn)機腿的伸縮。這里只是表達了爬行器前半身過復雜管道的控制過程圖，再后半身過復雜管道時，根本類似，故不在贅述。圖38 管道內路口轉彎實現(xiàn) 圖39 轉彎控制電機流程圖機器人的電氣電路控制設計將在本文的第六局部進展闡述。5.9 總體裝配體設計根據(jù)SolidWorks三維造型和各零件的設計，現(xiàn)設計出方案三總體裝配圖如圖40。圖40 爬行器裝配體工程圖6管道爬行機器人的功能分析根據(jù)管道機器人的機械局部的設計，要求：這種傘型6足的爬行器在管道中要完成前進，后退，轉彎以及前傘，后傘的開和閉合等動作，管道機器人在工作條件下需要有較強勁的動力，較好的可控性，能夠在管道確定自己的位置，來

26、準確的定位的PDPSPiping Disrepair Position System管道破損處定位系統(tǒng)，由機器人的位置來確定管道破損確實切位置。要求較小的體積以及較簡單的電路。根據(jù)機器人的動作要求可以把管道機器人的動力源設計為：1由6個電機來控制機器人的爬行前進，后退采用的動力驅動。2由2個電機來控制前后傘足的開和閉合。根據(jù)前后傘足的開和閉合，爬行機器人的轉彎等，必須要求前后傘足的開及閉合為獨立事件，相互不干擾才能完成轉彎時傘足的獨立動作。7管道爬行機器人的動作分析管道爬行機器人主要完成的動作有：1六輪的驅動前進，后退，調速。2傘足的開和閉合前后相對獨立。3管道中的轉彎動作順序：前傘足閉合后傘

27、足前進前傘足翻開后傘足閉合前傘足前進后傘足翻開。4由吊環(huán)進展機器人的姿態(tài)調整自適應。 5照明管道中十分黑暗，攝像頭攝像，必須有照明設施。8電氣控制根本元器件的選取基于以上電氣運轉控制及順序制動的問題分析，根據(jù)管道機器人的使用特點和工作條件，要求：方便，平安，可靠，性能優(yōu)越，價廉，適用于復雜的環(huán)境條件，體積小，重量輕，可控性能好等，可對元器件進展如下選?。?.1電機的參數(shù)計算與選取8.1.2驅動輪電機的參數(shù)計算通過對機器人的三維實體建模，以及材料的選取，通過密度進展零件分析，查閱資料綜合算的爬行器的總質量為:M=26Kg通過查閱相關資料查得橡膠與45#鋼之間摩擦系數(shù)為0.15，則取實際計算摩擦系

28、數(shù)為： 最大功率：輪子承受的壓力為機器人的重力與機腿開時產(chǎn)生的管壁壓力 為機器人的重力 ，為機腿對管壁的壓力由于工作時，機腿開的幅度不同，所產(chǎn)生的壓力也不同。為了平安和電機滿足設計要求的目標，機腿開對管壁的壓力可取1倍的重力。即：根據(jù)牛頓第一定律，牛頓第二定律可算得 (14)根據(jù)要求爬行器在管道的速度為 (15)為了保證平安系數(shù)為1.5，則實際電機計算功率為： (16)8.1.3主電機參數(shù)計算主電機通過聯(lián)軸器絲杠螺母滑塊曲柄(機腿)通過對曲柄滑塊的分析如圖41圖41 機腿合機構原理圖通過采用Solidworks實體分析，可以得出機腿的質量及驅動輪整體的質量，即根據(jù)圖41分析，采取平安計算方法，

29、極限位b時,對機腿進展受力分析如圖42，滑塊的推力最大。圖42 機腿機構受力分析根據(jù)理論力學的知識，計算如下：根據(jù)平行四邊形法則，重力G可分解為,兩個分力。螺母的推力可分為，兩個分力。 (17)可規(guī)定螺母速度為則按照平安計算方法，可得螺母功率為： (18)(19)從電機聯(lián)軸器絲杠螺母傳動過程中，查機械傳動手冊傳遞效率依次為：，為了符合平安系數(shù)，和考慮到野外工作電源電壓受時間的變化，電機功率的選應以1.2倍的計算功率選取。 (20)8.1.4機器人動力源的選取最終確定驅動輪電機的功率為，主電機功率為。根據(jù)以上分析，需選用調速性能好，可控性高，體積小，容量小并且價廉的直流他勵電動機作為執(zhí)行元件。對

30、于此種直流小功率電機可以查電機工程手冊，對于直徑在30毫米以下，功率在100W以下的直流電機一般都中小功率用電機的技術數(shù)據(jù)，采用鐵氧體永磁ZYT以及Y15Z的圓筒式鋼板外殼電機。經(jīng)查表對于主電機可以選用額定電壓為24V的ZYT-80/08的直流電機，主要技術參數(shù)為空載時：轉速8200轉/分，阻1.0歐姆，電流6.32A；負載下轉速：5000轉/分，電流0.68A ，效率43%，轉矩。對于驅動輪電機的選取，根據(jù)電器元件配合的簡單，方便的原則，結合主電機的額度電壓24V，可以初步選擇小電機額定電壓為24V，查電機工程手冊初定為驅動輪電機選用ZYT20/10型。8.2電源的選取機器人的工作場所一般在

31、野外，戶外對于電源的便攜性，耐久性，可靠性要求較高。所以選用可充電的蓄電池直流電源。它重量輕，體積小，電量大，是較為理想的恒壓源。根據(jù)機器人電機的要求和控制電路的要求，可以選擇主要技術參數(shù)為電壓24V的直流蓄電池和5V電池組作為機器人的電源。8.3電機調速元件的選取(21)對于直流電機的調速比擬簡單，由公式可知調速有三種方法：1調壓調速U2節(jié)氣隙磁通K3調節(jié)電樞電路串接電阻調速4新型調節(jié)脈寬PWM對于這種永磁式小容量直流電機磁通量K為定值，調節(jié)氣隙磁通不現(xiàn)實。采用調壓調速對于我們所用的24V直流蓄電池來講也不現(xiàn)實，直流變壓沒有交流變壓簡單，因為這樣設備較為復雜，本錢上升。所以我們考慮最為簡單的

32、調速方法和新型PWM型脈寬調速。8.3.1 串聯(lián)電阻調速方法的實現(xiàn)在電樞電路中串接電阻滑動變阻器。可以進展無極調速，雖然這樣會大大減弱電機的機械特性曲線的硬度，但不失為一種快捷，簡單的變速方法。串聯(lián)電阻的計算如下：(22)對于電機的轉速可近似認為(23) 對于已經(jīng)出廠的電機來講是定值。(24)由所選的電機參數(shù)可知，有負載時(25)對于加上串聯(lián)電阻后 我們希望得到的調速電機的轉速為 則有，則有，0.0482937237A，由于Ra為理論值，考慮到直流電機采用電樞串聯(lián)電阻調速會使電機的機械特性曲線大幅變軟，又要保證機器人電機在負載下能正常工作，所以就可用滑動變阻器來進展電阻補償調速。由以上計算，可

33、選擇滑動變阻器量程為01000歐姆的型號。8.3.2 新型調節(jié)脈寬PWM型調速的實現(xiàn)PWM脈寬調制調速系統(tǒng)是近期流行起來的對于直流電機無極調速的最優(yōu)化的調速系統(tǒng)。它相比改變電壓電壓，改變磁通參數(shù)，改變電樞電流等具有相當大的優(yōu)越性。脈寬調制就是使功率放大器中的晶體管工作在開關狀態(tài)下，開關頻率頻率保持恒定，用調整開關周期晶體管導通時間的方法來改變其輸出，從而使電機電樞兩端獲得寬度隨時間變化的給定頻率的電壓脈沖。其工作原理電樞兩端電壓變化如圖43圖43 PWM原理圖PWM主要是通過單片機和晶體管將電壓信號進展調制轉換為脈沖寬度調制。通過調節(jié)頻率和脈寬使直流電動機的工作時間有一定的空行程比例，我們成為

34、占空比，脈寬的連續(xù)變化，使電樞電壓的平均值也連續(xù)變化，因而使電機轉速連續(xù)調整。PWM調速的原理決定了它的電路圖要采用單片機，進展脈寬的控制，和電機的驅動。PWM的電路連接圖有很多，不同公司生產(chǎn)的PWM控制電路板不同，本文僅以SG1731電路板為例，其電路圖如圖44圖44 PWM控制電路圖其中，驅動電機的功放一般選用H型橋式開關放大器，由4個晶體管構成換向，放大電路，其電路圖如圖45。這種電機驅動電路可以通過激發(fā)不同的晶體管的工作方式，進展電機正反裝控制，電機的調速。8.3.3電機調速方法確實定及元件確實定通過以上電路的設計與分析，采用電樞串聯(lián)電阻的調速方法的特點是：1電路簡單2價格低廉圖45

35、H型橋式電路圖3控制方便，沒有延遲現(xiàn)象4電能損耗嚴重5不適合長時間的調速采用PWM脈寬調速方法的特點是：1可調節(jié)頻帶寬2電流脈動小3電源功率因數(shù)高4電機動態(tài)硬度好5電路復雜6本錢較高綜合機器人的野外工作環(huán)境，節(jié)約電能是十分重要的，根據(jù)機器人工作時間很長的要求，我們選擇采用PWM脈寬調節(jié)器。注：在此我們已經(jīng)表述出直流電機PWM調速電路圖，在總設計電路圖中我們將以方框代表調速電路9電路設計9.1輪足電機動作的正轉與反轉的電路設計對輪足電機進展編號，前足3個電機分別是M1 、M2 、M3，后足3個電機分別是M4， M5， M6。對于直流電機的正轉與反轉，主要采用的方法是電樞接線的正接與反接，所以可以

36、借鑒機床電機的正反轉接線圖來設計6個驅動電機的正反轉。由于電機容量小，可以直接啟動，所以可以直接用開關直接控制接線方法。機器人的傘足的設計，在考慮電機轉動方向的同時，因為前后傘足均有一個足要接觸管道的上外表運動，所以要與接觸下外表的兩個輪足的旋向相反才能使三個足同時拉動機器人前進。即有M3與M1、 M2旋向相反，M6與M4、 M5的旋向相反。如圖46所示的控制電路，為完成驅動電機正轉與反轉動作的電路。注：電路中，調速PWM控制省略不畫，在以后的總電路圖中調速電路畫出電路中，用三位開關，左接通為正傳，右接通為反轉，中位為停頓。這種電路方便，簡單，較易控制。適合這種低壓電氣控制電路，并且廉價。9.

37、2 前后傘足的開閉合電路設計圖46 驅動輪電機控制接線圖對于前后傘足要求能開和閉合。為此，要求電機能帶動螺旋絲杠進展正、反轉?？梢匝赜抿寗与姍C的接線思路，借鑒機床電氣控制的接線方法，采用反接的方法進展正反轉控制。如圖47所示。這種電路簡單易接，沒有延遲現(xiàn)象，可以滿足較快和較慢的調速需求，較為理想。圖47 前后傘足的*開閉合控制電路圖479.3電機局部總電路設計綜合圖46、圖47 的電路設計可得電機局部總電路圖如圖48所示。圖48 各電機控制總電路機器人中電機由8個，電機較多，采用一個電源顯然不能滿足電機的能量消耗，所以采用2個電源同時供電能滿足電機的長時間工作的要求。Q1、 Q2 、Q3 、Q

38、4、Q5、Q6均為3位開關，對于開關左位接通為反轉，右位接通為正轉。中位為斷路。9.4電機順序動作的電路設計由轉彎的方法可以別離出電機的順序動作有：電機M7反轉電機M4、 M5、 M6 前進電機M7正轉電機M8反轉電機M1、 M2、 M3 正轉電機M8 正轉。對于電機的順序動作由現(xiàn)代控制理論我們可以由以下幾種選擇：圖49 邏輯控制一(1)采用手動開關通過攝像頭觀察，人為進展控制。(2)采用傳統(tǒng)的電磁電氣控制電路進展邏輯控制。(3)采用單片機/PLC進展自動控制。9.4.1人為控制假設采用第一種方法控制， 如圖48所示，這種電路可以進展人為的進展電機的順序動作控制，先閉合開關Q1的左邊再斷開-閉

39、合Q2的右邊再斷開-閉合Q1的右邊再斷開-閉合Q3的左邊再斷開-閉合Q4的右邊再斷開-閉合Q3的右邊再斷開。9.4.2邏輯控制假設采用第二種控制方法，可以參考機床電氣控制的經(jīng)典電路作出如圖49 ，圖50圖50邏輯控制二組成的由電磁鐵，繼電器組成的電磁控制電路，采用時間繼電器來控制元件的順序動作6個KT通過不同的KT得電實現(xiàn)6個順序動作，時間繼電器KT的延時為5秒，也可以根據(jù)不同的伸縮要求設定動作時間。KM1控制步驟1，KM2控制步驟2，KM3控制步驟3，KM4控制步驟4，KM5控制步驟5，KM6控制步驟6。9.4.3單片機/PLC進展自動控制考慮采用單片機/PLC自動控制電路，可以把順序動作分

40、解為由不同的使能端輸出，由一個初始激發(fā)信號，來使PLC上電，同時執(zhí)行程序從而輸出各個電信號，各個電信號來驅動各執(zhí)行原件控制電機的動作，如圖51所示為由I/O端口分配接線圖，PLC端口分配表1如下：表1 I/O口分配表輸入輸出轉彎啟動*0前傘閉合Y1后傘足前進Y2前傘翻開Y3后傘閉合Y4前傘足前進Y5后傘足翻開Y6如圖52為電機主回路接線圖，如圖53為PLC程序梯形圖構成的PLC組合控制電路。圖51 I/O端口分配接線圖 圖52 電機主回路接線圖圖53 PLC程序梯形圖構成的PLC組合控制電路1電路分析：對于圖51所示I/O接線圖由SB1閉合、PLC上電發(fā)出啟動程序指令，由*0端口接收。由圖所示

41、程序梯形圖的執(zhí)行程序可以進展順序的動作執(zhí)行，通過定時器來設定元件的接電時序來輸出電信號。使Y1、 Y2 、Y3 、Y4 、Y5 、Y6按順序得電共6步，其中Y1、 Y2 、Y3 、Y4 、Y5 、Y6依次控制轉彎時各電機的順序動作，并由KM1、 KM2 、KM3 、KM4、 KM5、 KM6依次執(zhí)行元件執(zhí)行動作。由圖52所示電機主回路接線圖可以進展執(zhí)行元件的直接執(zhí)行動作，由KM1、 KM2 、KM3 、KM4 、KM5 、KM6觸點的接通和斷開來直接驅動電機的順序動作。電路的比擬與選擇如下：對于如圖48所示電路，它的優(yōu)點是方便，簡單，構造精煉。但要人為的控制，并且步驟復雜，開關較多，操作麻煩。

42、對于如圖49，50所示電路圖，它的優(yōu)點是能夠由一個鼓勵信號完成所有的順序動作，操作簡單，但構造復雜，并且繼電器電路一般需要24V以上的電源配合，還要連接各個觸點，對于管道機器人的電路系統(tǒng)要求不符合，還要重新配置電氣系統(tǒng)，配置控制箱，系統(tǒng)龐大，不太符合野外工作要求。對于如圖51，52，53所示電路圖，可以用PLC進展自動化控制，一般PLC也需要24V的電源配合，并且價格較高，并且需要KM接觸器來進展控制執(zhí)行，并且各種管道的小徑不同，不能通過簡單的設定延時來控制傘足的開和閉合。用在這種機器人身上顯然大材小用了。通過以上電路的比擬以及管道爬行機器人的工作要求及條件，我們選用人為手動開關控制轉彎動作，

43、并且可以隨時調整，采用這種控制方法可以省略很多元器件，節(jié)約線材，簡單快捷，價格低廉，適合低壓控制電路，并且可以隨意的人為執(zhí)行動作，適合不同的工作環(huán)境下的動作執(zhí)行，接線簡單，采用手柄式控制盒布線體積較小，重量輕，適合任何電源，具有一定的通用性。9.5照明系統(tǒng)的電路設計照明電路選用2個24v的熒光燈并聯(lián)在電源上即可。如圖54所示。圖54 照明電路9.6管道機器人定位系統(tǒng)PDPS的設計在機器人工作時，通過人眼觀察攝像頭傳輸?shù)男畔泶_定管道是否破損，需要對機器人進展管道中的定位來確定管道破損處的定位。9.6.1 爬行器管道定位方案的提出與分析根據(jù)所學的電路及信號方面的知識。大致列出機器人管道中定位方案

44、如下：方案一：可根據(jù)工業(yè)過程控制中，常用的小車模型中確實定小車位置的行程開關或感光元件光敏管、發(fā)光二極管、感光二極管進展編號，對機器人經(jīng)過時進展信號的傳輸，來確定機器人在管道中的位置。方案二：可以借鑒通信運營商的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，自行設計無線傳輸通信系統(tǒng)，對機器人進展安裝信號源，通過外部的全局的信號承受，來確定機器人確實切的位置。即小型的管道用GPS。方案三：對于管道機器人的特殊性，可以變相的認為管道機器人就是一列小型的有軌火車，則可以模仿火車調度室的火車運行定位方案進展管道機器人定位的設計。方案四：由于管道是封閉的，有固定路徑的，可以仿出租車的里程計算系統(tǒng)來直接計算出機器人的行程長度，通過

45、計算里程和比對管道線路工程圖來間接確實定機器人的準確位置。對于方案一那就必須把管道部按照一定的步距安裝一定密度的敏光管或感光二極管等感應器，信號反應線路有線或無線，外接串口或并口。對感應器進展編號，由個編號的感應器發(fā)出的信號來確定機器人所在的大致位置。根據(jù)機器人的大致位置，和攝像頭所發(fā)出的視頻信號人為的判斷管道是否破損，對破土進展管道維修提供破損定位。對于方案二可以在管道機器人上安裝衛(wèi)星定位器，借助通信運營商進展衛(wèi)星結合管道的布局圖進展定位類似于車載衛(wèi)星定位GPS，可以把道路看做管道線路，把車看成管道爬行機器人。其衛(wèi)星定位原理如圖55，運用到機器人上形成的上位機展示圖如圖56。圖55 衛(wèi)星定位

46、原理 圖56 上位機仿真圖像圖57 列車運行圖對于方案三基于有軌列車的軌道行進過程中?？梢越M建列車線路網(wǎng)，基于列車線路網(wǎng)這個平臺進展列車行駛位置的監(jiān)控。如圖57。對于火車的調度及運行定位可以查到，系統(tǒng)采用以GPS定位為主，以相關信息為輔的定位方式，通過車載計算機實時對系統(tǒng)各功能模塊信息的交互，完成對機車運行全過程的信息采集，進而實現(xiàn)對機車運況的監(jiān)測。同時應用無線通訊手段與地面設備相結合，由此實現(xiàn)地面各單位對線路上機車運況全過程的跟蹤、監(jiān)測。并據(jù)此可以為建立各種信息平臺提供詳實、可靠的信息資源。由此啟發(fā)，可以火車線路網(wǎng)換成管道線路網(wǎng)，把火車換成管道爬行機器人。運用無線反應設備，對機器人進展實時監(jiān)

47、控。對于方案四我們管道線路，管道各段的長度，以及管道的路徑。就可以根據(jù)機器人運行的參考量來斷定機器人在管道中的具體位置。 確定機器人位置的參考量有很多，比方路程，位移，時間，管道部標志等等，通過對參考量的分析，顯然用位移，時間，管道部標志來確定機器人的位置比擬粗略，精度相當不高。用路程來衡量機器人在管道中的位置比擬適宜，精度適中。那就必須在機器人上安裝里程計由于管道的長度不像城市的道路則長，所以里程計的精度必須要到達0.1m，通過測量運行的距離，反映到譯碼管上，讀出機器人運動的距離，通過機器人移動的距離可以與通過管道線路的比照就可標出出機器人確實切位置。機器人管道模擬圖如圖58圖58 機器人管道定位模擬圖9.6.2 機器人定位系統(tǒng)部件的選擇與設計通過以上的分析，我們根據(jù)機器人的工作條件，和野外工作狀況，以及本錢低廉，制作簡單，方便攜帶的原則，可以選擇采用里程式機器人管道定位系統(tǒng)。圖59 里程計原理圖里程式系統(tǒng)的原理是采用確定機器人的移動距離來反應機器人在管道的位置。測