畢業(yè)設(shè)計（論文）-自適應(yīng)管道機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

第一章緒論1.1研究背景及意義當今時代全球化和工業(yè)化已經(jīng)成為世界發(fā)展的潮流，物資能源在這個大潮中占據(jù)主導(dǎo)地位，管道運輸作為一種非常有效的運送物資和能源的運輸方式，廣泛得應(yīng)用在普通工業(yè)、石油天然氣等各個領(lǐng)域，已成為流體能源首選的運輸方式。圖1-1為卡拉庫利氣田天然氣經(jīng)處理后運輸?shù)街袊墓艿?，圖1-2為化工廢氣處理輸送管道。圖SEQ圖表\*ARABIC1-1天然氣輸送管道圖1-2化工廢氣處理輸送管道管道運輸在帶來巨大的經(jīng)濟效益的同時還帶來了不小的隱患，新聞即報道了多個因管道泄漏而造成的重大爆炸事件，如2010大連管道泄漏事件及2013青島管道泄漏事件等，其中不乏人員的傷亡，還包括物資能源的浪費和對生態(tài)環(huán)境的污染。所以對管道進行定時定量地檢測維修乃至更換成為了管道運輸行業(yè)必不可少的責任和工作。為了保證管道的安全性以及提高其壽命，那么就必須對物料輸送管道進行檢測維護和相應(yīng)的管道作業(yè)，而大多數(shù)管道具有長、彎道多、管徑小且半徑范圍可變的特點，光靠人員無法進行檢測，此時管道機器人應(yīng)運而生。為了提高管道在出廠前的質(zhì)量和方便管道內(nèi)部的檢修，減少工作事故的發(fā)生，管道機器人需要在管道對管道內(nèi)壁的缺陷進行檢查，遇到裂縫、斷裂、全空等大問題，則報廢處理，遇到毛刺、凸起、銹蝕，斑點等小問題，直接對其進行打磨清掃，大幅度提高管道加工的質(zhì)量和管道使用年限。對于已經(jīng)投入使用的管道，管道機器人需要定時定量檢測是否存在裂縫，確保管道輸送時足夠的安全，并且具備清掃功能的機器人在有灰塵黏著物的管道內(nèi)有著很大的發(fā)展空間。傳統(tǒng)式管道機器人需要人工輔助判斷管道的受損狀況，其不確定性和實用性差，在這個大背景下，設(shè)計一款基于視覺的能夠轉(zhuǎn)彎、越障、自主變徑、遠程檢測和自主清洗的自適應(yīng)管道清掃檢測機器人對管道檢測維修有很大的意義。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀對管道機器人研究始于二十世紀四十年代，英國科學(xué)家設(shè)計出一款PIG清洗機器人，它在管道內(nèi)的移動是通過環(huán)境壓差決定的，不能主動前進。二十世紀七十八十年代，在集成電路、自動化技術(shù)和計算機技術(shù)迅速發(fā)展下，世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了各式各樣的管道機器人。到了現(xiàn)代控制理論和傳感器技術(shù)空前發(fā)展的二十世紀前后，已經(jīng)出現(xiàn)多款技術(shù)比較成熟的商業(yè)化管道機器人產(chǎn)品了。隨著智能化的普及，如今21世紀的管道機器人研究更是在遠程控制、智能運動、持續(xù)能源等方面有著一定的成果。1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀韓國SungKyunKwan大學(xué)研制了一款內(nèi)支撐輪式的管道機器人，如圖1-3。該款機器人采用了在動力傳輸部件上添加離合器的方式，可以選擇適合不同工況的驅(qū)動方式，大大節(jié)省了能源的損耗。它還采用差速的方式進行轉(zhuǎn)彎，有優(yōu)良的彎道通過性能。圖1-3內(nèi)支撐輪式管道機器人圖1-4多足式管道機器人德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究團隊利用仿生學(xué)的原理設(shè)計了一款多足式管道機器人，如圖1-4。該款機器人的多足式機構(gòu)能讓整個機器人在彎管中靈活轉(zhuǎn)彎并且在管道內(nèi)攀爬，適用于城市地下管道的搜尋工作。不過因為其多足式機構(gòu)控制起來過于繁瑣且結(jié)構(gòu)設(shè)計起來相當復(fù)雜，應(yīng)用范圍比較小。日本中央大學(xué)研發(fā)了一款蠕動式機器人，如圖1-5。該款機器人能以蠕動的方式在管道內(nèi)運動，它獨特的結(jié)構(gòu)令其具有以下特點：爬升能力強、性能好、牽引力大、工作范圍廣。它主要是由蠕動單元、功能單元和動力單元構(gòu)成，其驅(qū)動依靠柔性彈簧軸實現(xiàn)。圖1-5蠕動式管道機器人美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研發(fā)了一款多節(jié)式輪式機器人，如圖1-6。該款機器人有幾節(jié)是電力供給艙，具備一定的續(xù)航能力，可以在中長距離的管道內(nèi)作業(yè)。圖1-6多節(jié)式輪式機器人1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀哈爾濱工業(yè)大學(xué)首鄧宗先教授研發(fā)了一款輪式機器人，如圖1-7。該款機器人具備體積小、易攜帶、準備工作方便、定位精度高的特點，其搭載的攝像頭可以完成俯仰角變換及變焦操作，且照明燈的亮度也可以隨時調(diào)節(jié)，使得能源分配及利用更為合理，適用于大管徑管道的破裂、腐蝕、變形、結(jié)垢等管道問題的檢測工作。清華大學(xué)設(shè)計了一款通風管道清污消毒機器人，如圖1-8。該款機器人通過biangen3工具附件頭的形式，可以實現(xiàn)對通風管道的探測、吸塵、清掃、消毒作業(yè)。圖1-7輪式機器人圖1-8通風管道清污消毒機器人上海交通大學(xué)研發(fā)了一款蠕動式管道機器人，如圖1-9。該機器人呈正方體形，由12個蠕動單元構(gòu)成，每個驅(qū)動源有一個自由度，由偏置彈簧和SMA構(gòu)成。該款機器人能完成各個方向的運動，適用于曲率半徑較大的彎管中工作。圖1-9蠕動式管道機器人圖1-10螺旋式管道機器人中科院沈陽自動化研究所研發(fā)了一款螺旋式管道機器人，如圖1-10。該款機器人軸向分布三組滾輪,前端的驅(qū)動滾輪和機架一起旋轉(zhuǎn),依靠螺旋傾角提供軸向的驅(qū)動力,后端的支撐滾輪只提供一個支撐功能,在遇到機器失效時方便回收。1.3研究難題和技術(shù)要點即使管道機器人發(fā)展迅速,其技術(shù)也逐漸成熟,但就目前的現(xiàn)狀來說，管道機器人的設(shè)計仍需要面臨如下幾個難題。（1）能源供給問題。機器人現(xiàn)在的能源供給方式只有電池供給和電纜供給兩種，電池供給對電池容量的要求極大，一般電池供給的機器人無法進行高強度作業(yè)且作業(yè)距離不長。而電纜供給勢必讓機器人需要面對電纜與地面的摩擦力，從而需要提供更大的驅(qū)動力，結(jié)構(gòu)將不再那么緊湊。所以現(xiàn)在急需一種新型的輕便又持續(xù)的能源供給方式。（2）通信屏蔽問題。按照國家規(guī)定，機器人工作的管道大多埋在地下，深深的土質(zhì)層會削弱無線通訊信號，特別是在金屬制的石油運輸管道內(nèi)，金屬直接屏蔽了無線通訊信號，只能利用電纜通訊，而電纜通訊依舊會帶來負載的問題。（3）可靠性問題。機器人工作的管道環(huán)境比較復(fù)雜，有各式各樣的彎管，且還存在變徑的管道，而管道內(nèi)部環(huán)境有時候還會特別惡劣，機器人甚至需要密封，特別是碰到障礙物多的管道，機器人的運動需要保證其足夠的平穩(wěn)性和可靠性。（4）安全性問題。機器人在管道內(nèi)作業(yè)時，須得保證完成相應(yīng)的管道作業(yè)如打磨焊接。但機器人行進或者作業(yè)時很有可能對管道造成二次傷害，特別是在小管徑管道內(nèi)，要保證零傷害幾乎不可能，這時需要通過機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和控制系統(tǒng)的配合，盡量減少機器人給管道帶來的安全行問題。通過對以上問題的分析，設(shè)計的管道機器人要能在管道內(nèi)順利地完成相關(guān)管道作業(yè)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮下面幾點技術(shù)要求：（1）結(jié)構(gòu)盡量緊湊，體積盡量小巧，傳動效率盡量高。（2）具有足夠大的牽引力，方便機器人越障和帶動負載。（3）有靈活的變徑機構(gòu)方便機器人適應(yīng)不同管徑的管道。（4）機器人要有足夠的柔性才能順利通過彎管，不會卡死。（5）機器人要有足夠的傳感器去識別監(jiān)測管道內(nèi)部的實時信息。1.4主要研究內(nèi)容和方法通過對國內(nèi)外管道機器人的研究現(xiàn)狀進行分析，對研發(fā)一種適合當下研究背景的管道機器人需要解決的問題以及需要把握的技術(shù)要點有了一定的認識，設(shè)計一款民用的，主要用來進行管道檢測以及管道清掃的運行穩(wěn)定并滿足設(shè)計指標的自適應(yīng)管道清掃檢測機器人。在本論文中，自適應(yīng)管道機器人的設(shè)計研發(fā)主要關(guān)于以下幾個方面的內(nèi)容：1）緒論。在查閱了相關(guān)論文和期刊的基礎(chǔ)上，主要介紹了設(shè)計研發(fā)管道機器人的背景和意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，研究難題和技術(shù)要點。2）自適應(yīng)管道機器人的總體方案設(shè)計。在設(shè)定了一些必要的參數(shù)后提出了滿足所需功能的管道機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和控制系統(tǒng)設(shè)計方案。進行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計時通過對不同的驅(qū)動機構(gòu)、變徑機構(gòu)、通訊供電方式的對比，最后選擇比較適合該款機器人工作環(huán)境的相關(guān)方案。進行控制系統(tǒng)方案的設(shè)計時進行了相關(guān)控制元件以及傳感器的選型。3）自適應(yīng)管道機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計。具體分析了自適應(yīng)管道機器人的控制室、行走裝置、連接機構(gòu)以及清掃裝置的設(shè)計并進行了相關(guān)元件的選型。4）自適應(yīng)管道機器人的重要零件的有限元強度校核。對重要的結(jié)構(gòu)部件進行了受力分析，并通過有限元分析判定該部件是否符合所需的強度，確保設(shè)計合理。5）管道機器人的運動學(xué)建模與仿真。對管道機器人的零件進行裝配，并通過簡化模型完成運動學(xué)的一個建模仿真，然后對仿真結(jié)果進行分析。

第二章管道機器人總體方案的設(shè)計2.1主要設(shè)計指標本文設(shè)計一款適用于中小直徑管道（180-240mm）、中短距離作業(yè)、可以檢測識別管道裂縫并可以清掃管道內(nèi)壁灰塵黏著層的管道清掃檢測機器人，適用于工業(yè)管道和城市管道，以達到在中小直徑管道（180-240mm）中自由作業(yè)、降低清掃成本和提高作業(yè)效率的目的。本文設(shè)計的管道機器人的性能參數(shù)如表2-1：表2-1管道機器人的主要設(shè)計指標自適應(yīng)管道機器人設(shè)計指標適應(yīng)管道管徑范圍180-240mm可通過彎度≤60°機器人主體重量2.5kg電纜重量2.5kg額定牽引力60N正常行進速度2m/min工作行進速度1m/min清掃有效值1-3最大爬升坡度30°（1）機器人主體重量：機器人分為兩節(jié)式，包含行走裝置、控制室、中空軟管和清掃裝置，除電機、絲桿螺母等裝置由金屬制成外，主體部件均由3D耗材打印，打印材料為ABS塑料，所以估計整機裝置重量為2.5Kg。（2）電纜重量：設(shè)定電纜長度為30m、電纜直徑為10mm、拖纜外皮厚度為1mm，拖纜內(nèi)部銅線體積占比35%，塑料封皮占比65%，電纜外皮和塑料封皮均為聚乙烯，經(jīng)solidworks軟件建模并初步評估為2.5Kg。（3）正常行進速度：機器人在檢測障礙物過程中以及處于暫不清掃狀態(tài)時需要以較快的行進速度前進，此速度即為機器人正常行進速度設(shè)定為2m/min。（4）工作行進速度：機器人在遇到黏著性障礙物影響前行或者遇到粉塵覆蓋層不好進行圖像識別時需要開啟清掃作業(yè)模式，此時機器人以一個較慢的速度前進，這樣在獲得較大力矩克服清掃摩檫力的同時能夠?qū)⒐艿纼?nèi)壁表面清掃的更為徹底更為干凈，方便攝像頭對真實管道內(nèi)壁進行一個圖像二次采集識別，能增大檢測識別的一個正確率，此時機器人作業(yè)行進速度為設(shè)定為1m/min。（5）有效清掃值：為了保證清掃作業(yè)的有效性，即保證機器人每行進一個刷子寬度單位清掃刷能在這個單位圓周空間清掃1-3周，設(shè)定此值為一個有效清掃值K。（6）最大爬升坡度：為了對機器人的驅(qū)動力矩進行求解，需要對機器人的一個極限工作條件進行一個設(shè)定，由于輪式管道機器人本身坡道爬升能力就較差，這里設(shè)定機器人爬升坡度為∠α，設(shè)定∠α=30°。2.2機械系統(tǒng)總體方案設(shè)計圖2-1管道機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖本設(shè)計的自適應(yīng)管道機器人的整體結(jié)構(gòu)，主要包括了控制室、行走裝置、連接機構(gòu)和清掃裝置。這些主要模塊組成了一個完整的自適應(yīng)管道機器人，自適應(yīng)管道機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖如圖2-1。2.2.1結(jié)構(gòu)形式的確定管道機器人的結(jié)構(gòu)形式有單節(jié)式、兩節(jié)式和多節(jié)式之分,結(jié)構(gòu)形式比較如表2-2。表2-2結(jié)構(gòu)形式比較表結(jié)構(gòu)形式適用范圍優(yōu)點單節(jié)式大管徑結(jié)構(gòu)緊湊兩節(jié)式中小管徑結(jié)構(gòu)較緊湊，附加功能可選多節(jié)式小管徑具備功能多，結(jié)構(gòu)冗長不同結(jié)構(gòu)形式對整個機器人的功能有著很大的影響,根據(jù)本設(shè)計的機器人工作環(huán)境和設(shè)計參數(shù)的需要，對比分析三種不同的結(jié)構(gòu)形式，最終本設(shè)計的自適應(yīng)管道機器人的整體結(jié)構(gòu)形式確定為兩節(jié)式，一節(jié)為攜帶控制室的行走裝置，另一節(jié)為清掃裝置，兩節(jié)之間用中空軟管連接，兩節(jié)式的管道機器人三維模型圖如圖2-2。圖2-2兩節(jié)式的管道機器人三維模型圖1-行走裝置（含控制室）；2-連接機構(gòu)；3-清掃裝置兩節(jié)式結(jié)構(gòu)使得自適應(yīng)管道機器人在小管徑內(nèi)能夠順利通過彎道的同時還能具備清掃和檢測功能，并且每節(jié)具備的功能互不相同，如同模塊化設(shè)計，在不需要清掃的管道環(huán)境內(nèi)只需拆卸下后面的清掃裝置并更換不同的電纜線型，即可減輕機器人的負載的同時節(jié)省能源，非常符合現(xiàn)在的綠色環(huán)保節(jié)能理念，大大增強了自適應(yīng)管道機器人的自由性。2.2.2驅(qū)動方案的設(shè)計驅(qū)動機構(gòu)作整個管道機器人動力的來源，它的設(shè)計影響整個機器人的功能及機構(gòu)穩(wěn)定性。目前國內(nèi)外機器人已經(jīng)采用過的行走方式有輪式、履帶式、蠕動式和行走式，而發(fā)展較為成熟的行走方式主要是支撐輪式、履帶式和螺旋輪式。表2-3是這三種行走方式的比較結(jié)果。由表2-3比較可得，履帶式機器人具有行走平穩(wěn)、爬升能力強的優(yōu)點，但由于其結(jié)構(gòu)不緊湊，不適合需要轉(zhuǎn)彎以及管徑較小的情況。螺旋輪式機器人綜合性能強。跟前面兩種行走方式對比，支撐輪式具有行走速度快、驅(qū)動力較大、行走平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，但由于支撐輪式與管壁接觸面較小，其爬升能力較之履帶式機器人要差一點。表SEQ圖表\*ARABIC2-3行走方式比較表運動方式攜帶儀器越障性能結(jié)構(gòu)管徑適應(yīng)能力運動可靠性彎道通過性履帶式好好較好較強好較好支撐輪式好較好較好強好好螺旋輪式一般一般一般一般一般較好通過三種行走方式的參數(shù)和優(yōu)缺點對比，選用更符合本款機器人工作環(huán)境的支撐輪式行走方式。為了提升整個機器人的運動平穩(wěn)性，采用豎直面內(nèi)呈120°的三組輪子提供整個機器人的動力，每組輪子由兩個平行對稱的輪子構(gòu)成，這樣增加了驅(qū)動機構(gòu)和整個機器人的穩(wěn)定性，還增大了輪子與管壁的接觸面積，間接增大了輪子的滾動摩擦系數(shù)，增大了驅(qū)動力。2.2.3行走裝置和清掃裝置的變徑方案的確定目前常用的變徑機構(gòu)有以下3種：彈簧-支撐連桿式、絲桿螺母-支撐連桿式和蝸輪蝸桿-支撐連桿式。三種變徑方式的比較結(jié)果如表2-4。表2-4變徑方式比較結(jié)果變徑方式優(yōu)點缺點彈簧-支撐連桿式結(jié)構(gòu)緊湊、簡單被動變徑、變徑范圍小絲桿螺母-支撐連桿式驅(qū)動力小，傳動平穩(wěn)結(jié)構(gòu)不緊湊蝸輪蝸桿-支撐連桿式變徑范圍較大結(jié)構(gòu)不緊湊、效率低結(jié)合本設(shè)計的管道機器人的設(shè)計要求來看，適用管徑較小，其變徑范圍也較小，所以蝸輪蝸桿-支撐連桿式是不被考慮的。機器人行走裝置驅(qū)動機構(gòu)需要主動調(diào)節(jié)來適應(yīng)不同的管徑，所以選用絲桿螺母-支撐連桿式變徑方式，需要用軸向位移來提供徑向位移，行走裝置需要準備足夠的長度給絲桿安裝。為了減少控制量，并且使得整體結(jié)構(gòu)更為緊湊，行走裝置和清掃裝置里的其他輔助支撐機構(gòu)采用彈簧-支撐連桿式變徑方式。清掃刷則直接采用依靠徑向的彈簧壓縮量來進行一個清掃的自主變徑。2.2.4通訊方式和能源供給方式的確定管道機器人的通訊方式分為數(shù)據(jù)壓縮式通訊、有線通訊和無線通訊。有線通訊方式即通過電纜跟外界進行數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)傳輸快且平穩(wěn)。無線通訊方式利用WIFI無線模塊或者射頻信號發(fā)射接收模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，由于金屬管道的通信屏蔽問題，往往無線通訊方式只適用于地面非金屬管道。采用數(shù)據(jù)壓縮式通訊方式的管道機器人進入管道后檢測時將傳感器采集的數(shù)據(jù)壓縮至存儲卡內(nèi)，工作完取出存儲卡再讀取數(shù)據(jù)，往往機器人進入管道后不再跟外界進行交流，或者跟無線通訊方式結(jié)合在一起，然后只反饋報錯信息和接受控制信號。管道機器人的能源供給方式主要有電池電力供給和電纜電力供給兩種。其中電池電力供給方式主要依靠管道機器人內(nèi)部攜帶的蓄電池或者鋰電池來給機器人的行走、變徑、檢測、數(shù)據(jù)傳輸和其余作業(yè)功能提供能源，而電池的容量選擇本身就很困難，電池容量大，電池本身的重量就會增大，驅(qū)動力就得更大，電池電力上就有一部分用來彌補電池重量帶來的摩擦力，這無疑是較為浪費能源的，并且在要實現(xiàn)在管道中爬行、越障、檢測乃至清掃的任務(wù)，必須要有持續(xù)的能源供給，無疑對于電池的要求會比較苛刻，這于經(jīng)濟性原則相悖，目前使用電池電力供給的機器人只適用于短時間的管道檢測，而對于清掃打磨焊接等作業(yè)條件而言，還有很長的路要走。電纜電力供給方式即通過外界的電纜提供機器人作業(yè)所需的電力，這種供給方式較為安全、平穩(wěn)。鑒于以上對通訊方式和能源供給方式的了解，本款機器人需要進行清掃作業(yè)，所以采用供電穩(wěn)定的電纜電力供給方式，這也就可直接通過電纜進行有線通訊。2.3控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計控制系統(tǒng)方案設(shè)計是整個管道機器人功能實現(xiàn)的前提，本設(shè)計的管道機器人具備以下三大功能：變徑、檢測和清掃?，F(xiàn)針對管道機器人的功能要求進行簡單的控制設(shè)備選型及控制方案的設(shè)計。2.3.1控制系統(tǒng)設(shè)計要求機器人具體要求和功能如下：（1）管道機器人通過樹莓派的攝像頭對管道內(nèi)的圖像進行采集，由于樹莓派自身的計算能力不足，因此通過下位機將圖像傳到電腦上的上位機上，通過電腦對圖像進行識別并由此對管道內(nèi)部進行裂縫檢測。（2)管道機器人可自動適應(yīng)直徑不同的管徑，機器人的驅(qū)動機構(gòu)變徑是通過絲桿螺母和連桿共同實現(xiàn)的，而清掃機構(gòu)變徑依賴的是彈簧自主變徑，利用壁壓力和彈簧彈力共同作用從而使得機器人的清掃刷能進行自主變徑。當然對于一些無法清除或者難以清除的障礙可以通過電推桿的伸縮使管道機器人進行越障。（3）為了保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，通訊方便和便于維護，采用上下位機的RS232通信方式，上位機用于接收數(shù)據(jù)，并發(fā)送控制指令，下位機用于執(zhí)行命令，控制各個模塊。當然對于樹莓派的圖像視頻的傳輸是利用樹莓派的Linux系統(tǒng)的usb_cam節(jié)點將攝像機拍攝的圖像傳輸給電腦上。2.3.2控制系統(tǒng)方案機器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計如下：（1）上下機位通信模塊：為了保證有效距離遠的效果，采用串行通訊方式。同時由于擔心管道是金屬性質(zhì)的管道并且管道機器人在進入管道時內(nèi)部情況較為復(fù)雜，因此通信方式上采用無線數(shù)據(jù)傳輸可能會丟失信號而且對機器人的控制不能實時控制。所以采用有線數(shù)據(jù)傳輸，使得數(shù)據(jù)傳輸更為可靠。（2）下機位的硬件系統(tǒng)：在整個下位機所具有的硬件設(shè)備有STM32F1單片機和樹莓派。控制管道機器人用于安裝在管道機器人行走輪上的減速直流電機、絲桿調(diào)節(jié)的42步進電機電機和安裝在清掃機構(gòu)上的直流電機，因為數(shù)據(jù)量較少同時控制較為方便，因此可以通過各自對應(yīng)的驅(qū)動器連接到STM32F1單片機控制板上。而用于拍攝圖像的攝像頭所拍攝的圖像數(shù)據(jù)量較大因此需要直接通過與樹莓派相連，再通過樹莓派將所拍攝的數(shù)據(jù)直接傳輸給電腦。（3）攝像頭控制硬件設(shè)計：由于攝像頭是視察管道內(nèi)情況的最主要手段，為了保證控制攝像頭清晰拍到管道內(nèi)圖像，采用了外加3個LED燈的方式，來保證攝像頭至少能夠視察機器人前方的大部分空間。同時由于攝像頭拍攝圖像的問題，因此攝像頭必須放置在整個管道機器人的最前端，以便能更快的探查出管道的裂縫和障礙。當然考慮到管道機器人所處的環(huán)境比較惡劣，因此需要在整個設(shè)想裝置外加裝半球形的透明塑料外殼以防止在攝像頭電路上落塵和其他可能對設(shè)備造成損害的影響物。2.4本章小結(jié)本章主要講述了自適應(yīng)管道機器人總體方案的一個設(shè)計過程。首先列出了自適應(yīng)管道機器人的設(shè)計指標，包括了適用管徑范圍、可通過彎度、機器人主體重量、電纜重量、額定牽引力、正常行進速度、工作行進速度、清掃有效值和最大爬升坡度。其次分析和確定了自適應(yīng)管道機器人的具備的功能并在此基礎(chǔ)上確定了自適應(yīng)管道機器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，包括了結(jié)構(gòu)形式的確定、驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計、行走方式的確定以及通訊能源供給方式的確定。再對機器人的控制系統(tǒng)進行簡單的分析和硬件設(shè)計，分析其具體工作要求后進行控制設(shè)備的選型。

第三章管道機器人機械系統(tǒng)的具體設(shè)計與有限元分析3.1控制室的設(shè)計控制室作為整個機器人系統(tǒng)中用來采集管道信息和控制下位機的一個重要部分，其安裝在整個機器人的最前端，整體依靠螺栓連接在行走裝置上，其本體內(nèi)部設(shè)計了一個零件安裝平臺，設(shè)計成可拆卸式，由控制室面板和控制室殼體組成?？刂剖业木唧w模型如圖3-1。圖3-1管道機器人控制室三維效果圖1-控制室安裝板；2-led燈；3-攝像頭；4-超聲波測距模塊；5-溫濕度傳感器；6-控制室外殼；7-樹莓派；8-STM32單片機控制室殼體是一個一側(cè)開放的空心六棱柱，其上有供絲桿支撐端、控制室面板以及溫濕度傳感器安裝的螺紋孔?？刂剖颐姘迳嫌杏脕戆惭b單片機和樹莓派的水平平臺，且其豎直面板上設(shè)置有安裝攝像頭、照明LED燈和超聲波測距模塊的固定孔。圖3-2攝像頭實物圖控制室上安裝的攝像頭是跟樹莓派匹配的Risym攝像頭擴展模塊，擁有500萬像素，實物如圖3-2。其產(chǎn)品參數(shù)如表3-1。表3-1攝像頭參數(shù)表參數(shù)類型參數(shù)值像素500萬感光芯片OV5647靜態(tài)圖片分辨率2592*1944支持1080P30,720P60以及640*480P60/90的視頻錄像尺寸25mm*24mm*9mm3.2行走裝置的設(shè)計行走裝置作為機器人的動力核心部分，其設(shè)計過程中不僅要考慮提供足夠的驅(qū)動力，還得考慮整個變徑結(jié)構(gòu)的可行性和合理性。行走裝置設(shè)計在機器人的第一節(jié)結(jié)構(gòu)中，用來克服整個機器人行進時的摩擦阻力。行走裝置主要包括以下三大機構(gòu)：驅(qū)動機構(gòu)、主驅(qū)動變徑機構(gòu)、輔助支撐機構(gòu)，三大機構(gòu)均安裝在行走裝置殼體上，行走裝置模型如圖3-3。這里主要對行走裝置的驅(qū)動機構(gòu)和主驅(qū)動變徑機構(gòu)進行參數(shù)化設(shè)計。圖3-3行走裝置模型圖1-控制室；2-驅(qū)動機構(gòu)；3-連桿；4-螺母座擴展平臺；5-輔助支撐機構(gòu)；6-行走裝置外殼；7-步進電機；8-步進電機安裝平臺3.2.1驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計三組驅(qū)動機構(gòu)分布在豎直平面內(nèi)互呈120°，主要用來給整個機器人提供驅(qū)動力，由輪子支撐架、雙軸直流減速電機和輪子組成，與行走裝置殼體通過螺栓進行連接，三組驅(qū)動機構(gòu)位置如圖3-4。圖3-4驅(qū)動機構(gòu)空間位置圖機器人在爬坡時受到的阻力最大，此時所需的驅(qū)動力也最大，在坡度為30°時的管道機器人簡化后的受力分析如圖3-5。圖3-5坡度為30°時機器人受力簡圖其中Ff為電纜受到管壁的摩擦力，F(xiàn)N2為電纜受到的管壁支撐力，G2為電纜的重力，F(xiàn)Q為機器人的總驅(qū)動力，G1為管道機器人的整體結(jié)構(gòu)受到的重力，α為坡道角度。由于滾動摩阻遠遠小于滑動摩阻，所以滾動摩擦可忽略不計，機器人只有電纜部分受到管壁的滑動摩擦力和整個機器人含電纜一起受到的重力在管道軸線方向的一個分力。由本暫時可設(shè)定管道機器人行走裝置重量m11為1.5Kg,清掃裝置重量m12為1Kg，電纜重量m2為2.5Kg,滑動摩擦系數(shù)f為0.2，受力分析得以下公式：（3-1）代入數(shù)據(jù)求解得總驅(qū)動力FQ=29.33N。如圖3-6為坡度為30°時機器人行走裝置徑向受力分析圖。圖3-6行走裝置徑向受力簡圖其中，F(xiàn)1、F2、F3分別為行走裝置受到的管壁壓力，β是管壁壓力和重力的夾角，f’為主驅(qū)動輪的摩擦系數(shù)。Fmax為最大驅(qū)動力，F(xiàn)Q2為第二組輪子提供的驅(qū)動力。可得到以下公式：（3-2）求解得：Fmax=11.512N。提供一個安全系數(shù)1.3，如此進行求解，得輪子驅(qū)動力F=15N，這便是所需要的每個驅(qū)動電機的最大驅(qū)動力。此時設(shè)定輪子半徑r為20mm，則由公式（3-3）其中T為驅(qū)動力矩，F(xiàn)為驅(qū)動力，r為輪子半徑。求解得驅(qū)動力矩T為0.4N·m。電機正常工作轉(zhuǎn)速n1可由公式（3-4）其中n1電機正常工作轉(zhuǎn)速，V1為機器人正常行進速度，d為輪子直徑。求解得n1=28r/min。由求解得到的電機驅(qū)動力矩T和電機工作轉(zhuǎn)速n便可以對電機進行選型，這里對市面上常用的步進電機和直流減速電機進行了數(shù)據(jù)采集和對比，其優(yōu)缺點如表3-2：表3-2市場上常用電機的比較名稱步進電機直流減速電機優(yōu)點按脈沖轉(zhuǎn)動、控制精準力矩大、體積小缺點力矩較小、體積大控制不夠精準考慮到管道變徑范圍較大而管徑又較小，機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)需比較緊湊，而步進電機在同等輸出力矩下體積較直流減速電機大得多，占據(jù)較大空間，這里選用能更好滿足要求的體積占比較小的直流減速電機，而普通的單軸直流減速電機需和用錐齒輪更換力矩方向，這里亦不方便安裝，出于各方面要求，選擇如圖3-7所示的較為方便安裝、輸出力矩大且占據(jù)空間小的JGY-370雙軸直流減速電機。圖3-7雙軸直流減速電機實物圖這款電機的減速裝置由全金屬齒輪構(gòu)成，可配合調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速，可控轉(zhuǎn)速范圍為0-選定的空載轉(zhuǎn)速，電機可正反轉(zhuǎn)，具體操作為調(diào)換電機接線端子正負極切換正反轉(zhuǎn)或配合店家調(diào)速配帶的正反轉(zhuǎn)調(diào)速器和正反轉(zhuǎn)開關(guān)。除此之外，JGY-370渦輪蝸桿電機還具有斷電自鎖功能，其內(nèi)部齒輪可最大承受力約30KG，根據(jù)所需驅(qū)動力矩和轉(zhuǎn)速選取的這款電機對應(yīng)的電機具體參數(shù)如表3-3。表3-3JGY-370電機參數(shù)表參數(shù)類型參數(shù)值減速比（變比）150空載電流MA<60空載轉(zhuǎn)速rpm40額定轉(zhuǎn)矩Kg.cm額定轉(zhuǎn)速rpm4.530額定電流A<0.5最大轉(zhuǎn)矩Kg.cm9.0額定電壓V123.2.2輪子支撐架的有限元強度校核輪子支撐架作為驅(qū)動機構(gòu)的主要支撐部件，是整個行走裝置中受力最大的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的強度校核是整個機械系統(tǒng)穩(wěn)定性得以保證的前提。在小管徑管道內(nèi)，該機構(gòu)與水平面夾角變小，受到輪子從管壁中的傳遞過來的壓力，其方向和大小不變，始終與機器人中心軸線垂直，這時輪子支撐架變形程度最大。受力分析如圖3-8。圖3-8輪子支撐架受力分析圖中ABCDE點的位置跟主驅(qū)動變徑機構(gòu)設(shè)計過程圖3-14一樣，L01和L02是力臂長度。有公式：（3-5）其中FB為輪子支撐架受到的管壁壓力，F(xiàn)L為輪子支撐架受到的連桿的力，L01和L02分別為FB和FL的力臂長度。求解可得FL的值。此時通過solidworks軟件的simulation插件進行一個有限元分析，具體步驟如下：（1）打開單獨的輪子支撐架零件，在其右側(cè)表面繪制幾條跟受力孔實際受力方向垂直且通過受力孔中心的直線，然后退出草圖對這些孔的內(nèi)表面進行一個分割，表面分割草圖如圖3-9，表面分割效果如圖3-10。此時便可以打開simulation插件，新建一個算例，選擇靜應(yīng)力分析。圖3-9表面分割草圖圖3-10表面分割效果圖（2）進行應(yīng)用材料的設(shè)定，將輪子支撐架設(shè)定材料為普通碳鋼。（3）添加夾具。輪子支撐架通過螺栓連接在機器人外殼上，可以模擬成固定約束，所以對該連接孔內(nèi)表面施加固定約束。圖3-11添加夾具和載荷后的連桿圖圖3-12生成網(wǎng)格后的輪子支撐架（4）添加外部載荷。輪子支撐架的四個安裝電機的小孔受到管壁給的壁壓力，而和連桿連接的小孔受到和連桿同向的推力，所以對相應(yīng)孔的半個受力面進行載荷力的施加。經(jīng)過夾具添加和外部載荷添加的連桿如圖3-11。（5）生成網(wǎng)格。點擊運行此算例下滑選項的生成網(wǎng)格，網(wǎng)格生成結(jié)果如圖3-12。圖3-13輪子支撐架應(yīng)力分析結(jié)果圖3-14輪子支撐架位移分析結(jié)果（6）運行算例。點擊運行此算例，等待結(jié)果的生成，運行結(jié)果有應(yīng)力分析和位移分析，應(yīng)力分析結(jié)果如圖3-13，位移分析結(jié)果如圖3-14。（7）分析結(jié)果保存后準備結(jié)束時，記得不要保存零件之前進行的分割面操作，否則會影響裝配體的孔的配合。由應(yīng)力分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力為輪子支撐架與機器人外殼連接的螺栓內(nèi)孔，此處應(yīng)力最大還是因為將此處添加的固定約束導(dǎo)致沒有形變的可能，而實際情況該處是可以用小幅度形變克服應(yīng)力的，且最大應(yīng)力小于普通碳鋼的屈服強度極限的，所以針對應(yīng)力層面來講，輪子支撐架是安全的。從位移分析結(jié)果來看，輪子支撐架越靠近管壁那端越是有較大的位移，這對于類杠桿結(jié)構(gòu)來看是前面各部分位移累加的結(jié)果，最大值是0.48mm，這對于此機器人來說是可以接受的，如果遇到對位移限制較大的情況，可以更改材料。3.2.3主動變徑機構(gòu)的設(shè)計主動變徑機構(gòu)由絲桿、螺母、絲桿固定端、絲桿支撐端、螺母擴展平臺、聯(lián)軸器、42步進電機、42步進電機安裝平臺以及連桿構(gòu)成，以三組徑向呈120°的形式安裝在機器人行走裝置上,單組主動變徑機構(gòu)模型如圖3-15。圖3-15單組主驅(qū)動變徑機構(gòu)模型絲桿安裝在機器人中間軸線上，用絲桿固定端和絲桿支撐端對絲桿進行軸向和徑向上的一個固定，其中絲桿固定端與行走裝置殼體通過螺栓連接，絲桿支撐端與控制室殼體亦通過螺栓連接，螺母與螺母擴展平臺利用螺釘相連接，螺母與絲桿通過螺紋副配合，三個連桿連接著螺母擴展平臺和三組驅(qū)動機構(gòu)。42步進電機通過聯(lián)軸器帶動絲桿轉(zhuǎn)動，在螺紋副的作用下螺母及螺母擴展平臺隨著左右移動，螺母擴展平臺通過連桿拉動輪子支撐架轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)整個行走裝置的變徑。主動變徑機構(gòu)的設(shè)計先從絲杠選型開始，然后計算連桿的長度和安裝位置。絲桿螺母及其附件的計算選型如下：（1）選擇絲桿規(guī)格絲桿螺母作為變徑裝置的主要調(diào)節(jié)機構(gòu)，間接承受著支撐機構(gòu)傳遞來的壁壓力，為了保證其剛度和承載能力的同時還得保證此機構(gòu)的徑向尺寸最小化，應(yīng)選取合適的螺紋直徑。另一方面，為了保證變徑具有較高的精度的同時還能快速響應(yīng)，也需選取合適的螺紋導(dǎo)程，這里選取普通規(guī)格的C7級軋制絲桿-1204款單線螺紋絲桿，即螺紋直徑為12mm，導(dǎo)程為4mm。圖3-16為絲桿實物圖。圖3-16絲桿實物圖（2）確定絲桿的總長度及有效螺紋長度絲桿的訂做圖紙如圖，機器人軸向單側(cè)變徑為30mm,為了使變徑過程更為平穩(wěn)，這里需軸向變徑為60mm，考慮到螺母座及螺母聯(lián)接平臺的橫向安裝距離，取螺紋有效長度為90mm，由圖紙計算可得絲桿總長度為151mm。圖3-17FK10實物圖圖3-18FF10實物圖（3）確定絲桿兩端的軸承位加工方案絲桿配套的固定端和支撐端類型有B\E\F三種系列，根據(jù)軸向安裝方式和絲桿支撐座的形狀，在三個系列的固定端中選取了FK類型的固定端，F(xiàn)K固定端實物圖如圖3-17，也就定下了選取FF絲桿支撐端，F(xiàn)F絲桿支撐端如圖3-18。固定端安裝的軸徑為10mm，選取規(guī)格為FK10內(nèi)徑為10mm的絲桿固定端，支撐端安裝的軸徑為8mm，選取規(guī)格為FF10內(nèi)徑為8mm的絲桿支撐端。FK10絲桿固定端和FF10的絲桿支撐端的參數(shù)如表3-4。表3-4絲桿固定端和支撐端參數(shù)型號軸承型號鎖緊螺母牙螺母厚度重量(Kg)FK106000ZZM10*1.080.2FF10608ZZ0.06（4）選擇與絲桿匹配的螺母根據(jù)絲桿的公稱直徑選取型號為SFU1204-3的螺母，螺母實物如圖3-19。圖3-19螺母實物圖其兩端采用聚四氯乙烯密封、有效防塵、潤滑和消音，其自身帶有塑料的圓形反向器，滿足成本較低、加工方便的同時還能防止螺母座反向倒退。（5）確定電機的軸徑并選擇相應(yīng)的梅花型聯(lián)軸器為了方便精確控制機器人的變徑過程，采用步進電機帶動絲桿轉(zhuǎn)動的驅(qū)動方式從而實現(xiàn)變徑，考慮到變徑裝置需要對輪子提供足夠的壁壓力，絲桿轉(zhuǎn)動會受到較大的阻力，這里采用比28步進電機扭矩更大的型號為42BYGH34的42步進電機，其軸徑為5mm。絲桿連接電機的軸端直徑為12mm，故選用內(nèi)徑轉(zhuǎn)換為5-12的梅花型聯(lián)軸器，其外徑為25mm，長度為30mm，兩端可連接長度為9.5mm。如圖3-20為梅花型聯(lián)軸器實物圖。圖3-20梅花型聯(lián)軸器實物圖在絲桿螺母及其附件選型之后，進行相關(guān)零件的建模裝配，最后預(yù)留出輪子支撐架和連桿的位置，通過確定的位置關(guān)系進行主驅(qū)動變徑機構(gòu)的運動原理分析。對于主驅(qū)動變徑機構(gòu)的變徑范圍的實現(xiàn)，建立以下幾何模型，如圖3-21為螺母在最左端時的變徑機構(gòu)幾何模型，圖3-22為螺母在最右端時的變徑機構(gòu)幾何模型。通過求解連桿的長度和輪子支撐架的長度，最終可實現(xiàn)設(shè)計的變徑范圍要求。圖3-21螺母處于最左端的幾何模型其中，A點為輪子支撐架與行走裝置外殼連接的孔軸心位置，D點為輪子支撐架與連桿連接孔軸心位置，B點為D點在輪子支撐架上的投影位置，C點為雙軸直流減速電機輸出軸在輪子支撐架上的投影位置，E點為螺母擴展平臺與連桿連接孔最左端軸心位置，這里為了確保機構(gòu)不存在多重解，此時D點徑向投影在螺母擴展平臺連接孔上與E點重合，機器人處于最大直徑狀態(tài)，H1為固定值。各尺寸有以下關(guān)系：（3-6）螺母處于最右端時，H2亦為固定值。圖3-22螺母處于最右端的幾何模型各尺寸有以下關(guān)系：（3-7）經(jīng)過兩個公式的聯(lián)立求解，可得連桿的長度和輪子支撐架的長度。3.2.4主驅(qū)動變徑機構(gòu)中連桿的有限元強度校核連桿作為變徑機構(gòu)的主要支撐部件，也是整個行走裝置中受力較大大的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的強度校核是整個變徑功能的實現(xiàn)得以保證的前提。在大管徑管道內(nèi)，該機構(gòu)與水平面夾角最大，受到輪子從管壁中的傳遞過來的分力最大，這時連桿變形程度最大。其有限元分析步驟跟輪子支撐架類似：（1）打開單獨的連桿零件，在其右側(cè)表面繪制1條跟受力孔實際受力方向垂直且通過受力孔中心的直線，然后退出草圖對這些孔的內(nèi)表面進行一個分割，表面分割草圖如圖3-23，表面分割效果如圖3-24。此時便可以打開simulation插件，新建靜應(yīng)力分析算例。圖3-23連桿表面分割草圖圖3-24連桿表面分割效果圖（2）進行應(yīng)用材料的設(shè)定，將連桿設(shè)定材料為碳鋼。添加夾具，連桿一端通過螺栓連接在螺母擴展平臺上，可以模擬成固定約束，所以對該連接孔內(nèi)表面施加固定約束。添加外部載荷，連桿的另一端與輪子支撐架通過螺栓連接，受到輪子支撐架傳遞來的壓力，方向與連桿長度方向相同，所以對相應(yīng)孔的半個受力面進行載荷力的施加。圖3-25生成網(wǎng)格后的連桿（3）點擊運行此算例下滑選項的生成網(wǎng)格，網(wǎng)格生成結(jié)果如圖3-25。點擊運行此算例，等待結(jié)果的生成，應(yīng)力分析結(jié)果如圖3-26，位移分析結(jié)果如圖3-27。（4）分析結(jié)果保存后準備結(jié)束時，記得不要保存零件之前進行的分割面操作，否則會影響裝配體內(nèi)相關(guān)孔的配合。圖3-26連桿應(yīng)力分析結(jié)果圖3-27連桿位移分析結(jié)果由應(yīng)力分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力發(fā)生在連桿與輪子支撐架連接的螺栓內(nèi)孔處，最大應(yīng)力小于碳鋼的屈服強度極限的，在應(yīng)力層面來講，連桿是安全的。從位移分析結(jié)果來看，輪子支撐架越靠近管壁那端越是有較大的位移，這類似壓縮案例，也是前面各部分位移累加的結(jié)果，最大值的數(shù)量級就表明我們完全可以相信這個連桿的強度。3.2.5主驅(qū)動變徑機構(gòu)中絲桿螺母的有限元強度校核絲桿螺母在行走裝置中受到來自3組連桿的壓力，壓力方向均和絲桿桿長方向相同，經(jīng)合成后螺母受到軸向力最大，求解為30N。以下對絲桿螺母進行有限元分析：（1）將絲桿螺母裝配在一起，新建一個靜應(yīng)力分析的有限元分析算例。（2）設(shè)置絲桿和螺母的材料為普通碳鋼。（3）給絲桿固定和支撐的兩端軸表面添加固定約束。（4）在螺母左側(cè)平面上施加一個30N的力，方向垂直于螺母左側(cè)平面。添加完約束和載荷的絲桿螺母效果如圖3-28。圖3-28絲桿螺母添加約束載荷效果圖（5）生成網(wǎng)格并運行算例，得出絲桿螺母的應(yīng)力、位移分析結(jié)果。生成網(wǎng)格效果如圖3-29，螺母應(yīng)力分析結(jié)果如圖3-30，螺母位移結(jié)果如圖3-31，絲桿應(yīng)力分析結(jié)果如圖3-32，絲桿位移分析結(jié)果如圖3-33。圖3-29絲桿螺母生成網(wǎng)格效果圖圖3-30螺母應(yīng)力分析結(jié)果圖3-31螺母位移分析結(jié)果由螺母的應(yīng)力和位移分析結(jié)果可知，螺母的最大應(yīng)力發(fā)生在螺紋孔附近，而螺紋牙附近應(yīng)力比較小，且最大應(yīng)力也小于45鋼的屈服強度極限。就合位移而言，螺母的四個邊角上位移最大，最大位移也只有微米級，可以忽略不計。這里用的是螺紋牙代替的滾珠，螺母實際的應(yīng)力和位移會更大一些，但綜合整個螺母的應(yīng)力分析和位移分析可知，螺母工作時是安全可靠的。圖3-32絲桿應(yīng)力分析結(jié)果圖3-33絲桿位移分析結(jié)果由絲桿的應(yīng)力和位移分析結(jié)果來看，絲桿最大的應(yīng)力分布在嚙合處的螺紋牙上，最大應(yīng)力只有0.8Mpa，遠遠小于45鋼的屈服強度極限。就位移分析來看，絲桿的最大位移發(fā)生在配合的螺紋牙處，但也是微米級別，所以絲桿工作時也是穩(wěn)定可靠的。3.3連接機構(gòu)的設(shè)計連接機構(gòu)是一根中空軟管，其設(shè)計具有以下功能：（1）解決了彎管通過性問題，將機器人整體分為兩個部分，有效解決彎管卡死問題；（2）增加了機器人的實際功能，兩節(jié)式結(jié)構(gòu)中清掃裝置屬于增加的管道作業(yè)功能；（3）增大了機器人的靈活性，面對管道內(nèi)環(huán)境較干凈的管道，可選擇拆下清掃裝置并更換電纜，這樣大大減少了能源浪費，符合現(xiàn)今綠色的環(huán)保理念。中空軟管本身是穿線軟管，主要由不銹鋼帶、鍍鋅鋼帶、PP、PE、PA等塑料材料制成，其具有極佳的彎曲性能和柔韌性，能夠承受較重的負載，中空軟管的模型如圖3-34。圖3-34中空軟管三維效果圖其長度Lg設(shè)計應(yīng)該比彎管軸線長度Lz多5%-10%。即有以下計算公式:（3-8）其長度在滿足條件的情況下，其內(nèi)徑也得比電纜外徑大10%，方便電纜走線。3.4清掃裝置的設(shè)計清掃裝置主要有左支撐體、輪子、小軸承、輪軸、輪子支撐桿、滑塊、彈簧、直流電機、聯(lián)軸器、小齒輪、大齒輪空心軸、軸承、軸承擋環(huán)、壓蓋、清掃刷變徑彈簧、清掃刷、刷頭、右支撐體。清掃裝置三維模型如圖3-35。清掃裝置的主要功能第一是作為支撐部分，在軸向垂直平面上彈簧升降機構(gòu)呈120度分布，管道機器人在行進的過程中能夠穩(wěn)定的采集管道內(nèi)部的圖像；第二就是實現(xiàn)對管道灰塵的清掃以及一些金屬氧化物的清掃。清掃刷的變徑依靠清掃刷變徑彈簧的彈力得以實現(xiàn)，屬于清掃機構(gòu)的自主變徑。圖3-35清掃裝置三維模型圖1，自主變徑支撐機構(gòu)；2，清掃驅(qū)動機構(gòu)；3，變徑清掃機構(gòu)3.4.1清掃裝置中驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計清掃刷的清掃過程是由固定端的直流電機經(jīng)聯(lián)軸器帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，小齒輪帶動軸承外的大齒輪運動件轉(zhuǎn)動，而固定軸承的軸是中空的，里面用于走線。清掃刷的驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計主要是對兩個齒輪齒數(shù)比進行設(shè)計并進行清掃用直流電機的選型。由于徑向空間有限，齒輪齒數(shù)比的設(shè)計要滿足清掃時力矩和轉(zhuǎn)速，本設(shè)計的機器人只對灰塵黏著物和小型障礙物進行清掃，其所需的力矩無需太大，反倒是轉(zhuǎn)速影響著清掃清潔度，這里傳動比取1：2左右，而根據(jù)具體徑向空間安排，且傳動力矩的齒輪能夠有足夠的齒高，這里設(shè)計的齒輪參數(shù)如表3-5。表3-5齒輪參數(shù)表參數(shù)大齒輪小齒輪模數(shù)22壓力角20°20°齒數(shù)1730寬度10mm14mm所以實際傳動比為17：30。本設(shè)計的管道機器人清掃有效值為1-3，設(shè)為2，則機器人每前進一個刷頭寬度距離，即12mm，清掃刷需轉(zhuǎn)2-3圈，機器人清掃作業(yè)時前進速度為1m/min，則清掃速度范圍為167-250r/min，電機轉(zhuǎn)速為295-442r/min。選用型號為JGA24-2418的直流無刷減速電機，電機具體參數(shù)如表3-6。表3-6電機參數(shù)表參數(shù)名稱參數(shù)值電壓24V額定轉(zhuǎn)速308r/min額定電流168mA額定扭矩0.7Kg.cm額定功率2.2W堵轉(zhuǎn)扭矩3Kg.cm堵轉(zhuǎn)電流0.8A3.4.2清掃裝置中小齒輪的有限元強度校核由于清掃刷附件的刷頭具有優(yōu)良的柔韌性，而整個清掃刷變徑機構(gòu)是依靠彈簧進行自適應(yīng)調(diào)整，所以遇到卡死狀況時無非清掃刷附件頭崩壞或者齒輪嚙合的齒崩壞，這里假設(shè)清掃過程中，清掃刷被卡死，用solidworks2016自帶的simulation模塊對齒輪嚙合部分的齒進行一個有限元分析。以下是分析步驟：（1）小齒輪和大齒輪軸的裝配為了避免沒必要的零件產(chǎn)生的計算，這里只對兩個裝配在一起的齒輪進行有限元分析。首先在小齒輪零件圖里添加一個跟小齒輪心重合的基準軸1，并將切割特征下的分度圓草圖顯示化，在大齒輪軸零件里添加一個跟大齒輪軸軸心重合的基準軸2，也將切割特征下的分度圓草圖顯示化，。單獨新建一個裝配體，插入小齒輪和大齒輪軸的零件圖，將兩個基準軸進行一個重合類型的距離設(shè)定，將距離設(shè)置為齒輪中心距，如此兩個齒輪的中心距被固定下來，然后對兩個齒輪進行一個端面的距離設(shè)定，并將兩個基準軸設(shè)定為固定狀態(tài)，如此兩個齒輪便只能進行一個繞基準軸轉(zhuǎn)動的動作。接下來將嚙合的齒面進行一個相切配合，再選用機械配合里的齒輪配合，選中兩個齒輪的分度圓，設(shè)定相應(yīng)的齒數(shù)比，一般系統(tǒng)默認數(shù)值就是分度圓之比，此時確定配合，可以發(fā)現(xiàn)機器人嚙合了，但是無法轉(zhuǎn)動，這是因為之前將嚙合的面進行相切配合的處理了，只需將吃配合壓縮，便可以模擬齒輪轉(zhuǎn)動了，此時進行一個干涉評估，如果沒有干涉，則齒輪的配合也就完成了。此時打開solidworks自帶的simulation模塊，新建一個算例，選擇靜應(yīng)力分析。（2）應(yīng)用材料設(shè)定。將兩個零件應(yīng)用材料設(shè)定為塑料類別里的ABS。（3）添加夾具。選擇固定件約束，選擇大齒輪軸內(nèi)表面，表示大齒輪軸內(nèi)表面被固定約束住，模擬的是清掃過程遇到的卡死狀態(tài)。（4）添加外部載荷。選擇外部載荷類型為力矩，模擬的是電機給小齒輪提供的一個扭矩，扭矩的面選擇小齒輪的軸表面，方向的軸選擇基準軸1。（5）連接的設(shè)定。在連接顧問里選擇接觸面組，組1的面選擇齒輪嚙合處小齒輪的幾個接觸面，組2的面選擇齒輪嚙合處大齒輪軸的幾個接觸面，更改摩擦系數(shù)為0.1。接觸面組的選取如圖3-36。圖3-36齒輪接觸面組選取圖（6）生成網(wǎng)格。點擊運行此算例下滑選項的生成網(wǎng)格，網(wǎng)格生成結(jié)果如圖3-37。圖3-37齒輪配合網(wǎng)格生成結(jié)果（7）運行算例。點擊運行此算例，等待結(jié)果的生成，運行結(jié)果有應(yīng)力分析、位移分析。應(yīng)力分析結(jié)果和位移分析結(jié)果如圖3-38、3-39。圖3-38齒輪應(yīng)力分析結(jié)果圖3-39齒輪位移分析結(jié)果由齒輪的應(yīng)力和位移分析結(jié)果可知，兩個齒輪的在卡死的過程中，小齒輪最大應(yīng)力發(fā)生在軸心處，為2Mpa，遠遠小于ABS材料的屈服極限50Mpa。而由位移圖可見，齒輪的位移最大值為0.02mm，可以忽略不計，所以小齒輪的強度滿足要求。3.4.3清掃裝置中自適應(yīng)變徑機構(gòu)的設(shè)計清掃裝置的變徑機構(gòu)包括支撐用的彈簧-連桿機構(gòu)以及清掃用的彈簧機構(gòu)。支撐用的彈簧-連桿機構(gòu)的尺寸設(shè)計過程和3.3.2節(jié)主驅(qū)動變徑機構(gòu)設(shè)計過程一樣，這里僅對彈簧進行設(shè)計，彈簧原長為Lt0,彈簧彈性系數(shù)為k，彈簧大徑預(yù)緊力為Ft1，彈簧小徑預(yù)緊力為Ft2，彈簧在大管徑下的長度Lt1，彈簧在小管徑下的長度為Lt2。有以下公式：（3-9）帶入各數(shù)值求解，即可求得彈簧的原長和彈性系數(shù)，再根據(jù)彈簧安裝的軸徑進行彈簧的選型。3.5本章小結(jié)本章節(jié)主要進行了管道機器人的機械系統(tǒng)的設(shè)計和對整個機械機構(gòu)中比較重要的承載力較大的零件進行了一個有限元分析。結(jié)構(gòu)設(shè)計包括控制室、行走裝置中的驅(qū)動機構(gòu)及主驅(qū)動變徑機構(gòu)、連接機構(gòu)、清掃裝置中的變徑及清掃機構(gòu)的設(shè)計，設(shè)計細節(jié)有單節(jié)機器人最大長度的求取，設(shè)計的合理性，三維模型的構(gòu)建等。重要零件的有限元分析包括驅(qū)動機構(gòu)中輪子支撐架、連桿、絲桿螺母及清掃裝置中的小齒輪。

第四章管道機器人運動特性分析4.1驅(qū)動機構(gòu)的變徑過程分析本文設(shè)計的管道機器人輔助支撐機構(gòu)的變徑過程均由彈簧進行調(diào)節(jié)，具有自適應(yīng)性，其變徑的響應(yīng)過程存在不確定性，這里對人為可控調(diào)節(jié)的主驅(qū)動機構(gòu)的絲桿螺母變徑過程進行分析。驅(qū)動變徑機構(gòu)在整個運動過程中除了要滿足變徑范圍這個參數(shù)的同時，還得考慮一個變徑響應(yīng)的平穩(wěn)性，即機器人徑向距離的改變值應(yīng)該和時間成正比。如果螺母前進半個行程，而機器人徑向距離改變的不多，那么螺母行進的這半個行程即需要以較快的速度前進，從而做到動態(tài)響應(yīng)。對比不同變徑范圍內(nèi)的變徑結(jié)構(gòu)響應(yīng)狀態(tài)，從而確認該變徑結(jié)構(gòu)的合理性。4.1.1驅(qū)動變徑機構(gòu)末端端點的運動學(xué)方程驅(qū)動變徑結(jié)構(gòu)的變徑過程主要研究輪子形心在徑向位置的變化與螺母軸向位置變化存在的關(guān)系，這里螺母以一定的速度v勻速從最右端向左運動，為方便計算，輪子形心的位置變化以驅(qū)動變徑機構(gòu)末端端點C的運動代替，此時驅(qū)動變徑機構(gòu)末端端點的運動學(xué)模型如圖4-1。圖4-1主驅(qū)動變徑機構(gòu)末端端點的運動學(xué)模型由幾何關(guān)系可求得C點的運動學(xué)方程：（4-1）聯(lián)立求解可得驅(qū)動變徑機構(gòu)末端端點C的位移：（4-2）式中，和為主驅(qū)動變徑機構(gòu)末端點C的軸向和徑向位移，其中v為螺母軸向移動速度，可知道和均是一個時間函數(shù)，其斜率與速度v有關(guān)。4.1.2基于Adams的驅(qū)動機構(gòu)變徑過程的運動仿真這里采用Adams建立虛擬樣機來仿真機器人的主驅(qū)動變徑過程，通過仿真結(jié)果來分析驅(qū)動輪徑向位移與時間的關(guān)系，具體步驟如下：（1）簡化結(jié)構(gòu)。將沒有相對運動且固定在一起的零件看成一個運動部件并用solidworks對其建立有相同裝配特征和結(jié)構(gòu)參數(shù)的物體。（2）solidworks導(dǎo)出parasolid格式的物體。將多個物體裝配在一起，導(dǎo)出物體1前，先將其他物體隱藏或壓縮，然后再導(dǎo)出。圖4-2驅(qū)動變徑機構(gòu)添加連接和驅(qū)動效果圖（3）打開Adams，新建一個模型，導(dǎo)入各個物體并設(shè)置質(zhì)量。（4）給各個有裝配關(guān)系的物體添加相應(yīng)連接，選擇兩個物體，選擇軸和方向。（5）給絲桿移動副添加一個驅(qū)動，方向向左，效果圖如圖4-2。（6）進行仿真，繪制出上面驅(qū)動輪子在徑向方向的位移、速度、加速度與時間的曲線圖，如圖4-3。圖4-3一組驅(qū)動機構(gòu)位移、速度、加速度時間曲線由該結(jié)果曲線可得，輪子在變徑過程中呈減速過程，且在大管徑變徑范圍內(nèi)更為平穩(wěn)。通過Adams數(shù)據(jù)后處理功能，還可以繪制上組輪子的軸向及徑向變徑的一組位置關(guān)系曲線，如圖4-4。圖4-4正上方輪子軸向徑向位置變徑曲線由圖可分析得到：上方輪子軸向徑向位置變化幾乎一致，變徑結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。對左下角的輪子軸向及徑向變徑進行曲線繪制，如圖4-5，其結(jié)果和上組輪子類似。圖4-5左下角輪子軸向徑向位置變徑曲線有曲線可知，螺母在以一個速度前進時，前半個行程的變徑速度幾乎一致，而后半個行程的變徑速度較快，需要延長后半個行程變徑的時間，即在不同的管徑范圍內(nèi)絲桿的轉(zhuǎn)動速度應(yīng)該不同。4.2管道機器人越障能力的分析本文設(shè)計的管道機器人在越障過程中，主驅(qū)動輪可以根據(jù)可控變徑調(diào)節(jié)管壁壓力從而越障，其越障過程可控，而輔助支撐機構(gòu)由于彈簧帶來的壓力不可控，其越障受彈簧預(yù)緊力影響大，越障能力需要進行分析，而所謂越障能力，即指機器人本體在足夠的驅(qū)動能力下能夠越過管內(nèi)障礙物最大能力。圖4-6為調(diào)節(jié)輪與障礙物接觸的臨界受力圖，其中為障礙對第N個驅(qū)動力的正壓力（k=1,2,3），為對應(yīng)輪子的牽引力，越障高度為h，輪子半徑為r，越障角度為。圖4-6調(diào)節(jié)輪與障礙物接觸的臨界受力圖機器人在管內(nèi)碰到的障礙雖然比較多，但是以環(huán)形障礙最為難跨越，因此針對環(huán)形障礙進行分析。當機器人3個調(diào)節(jié)輪同時遇到障礙時，彈簧桿被壓縮，此時要想越過障礙必須滿足：（4-3）其中F為機器人總的拖拽力。由于3個調(diào)節(jié)輪同時接觸環(huán)形障礙物，其受力情況完全一致（此處忽略重力的影響），所以有：（4-4）其中為調(diào)節(jié)輪與環(huán)形障礙物之間的摩擦系數(shù)。而根據(jù)管道機器人實際牽引力的需求，可以適當調(diào)節(jié)預(yù)緊力來實現(xiàn)，所以一旦所處的管道環(huán)境、牽引力需求確定后所需的預(yù)緊力即為常數(shù)，而夾角則由管道機器人輪子直徑與障礙物的高度所決定，因此當在特定的管道中行走時，可確定越障壓力Nk與越障高度h的明確線性關(guān)系，又已知管道機器人此狀態(tài)下的Nk與彈簧的形變△x的關(guān)系，所以機器人能越障的最大高度取決于彈簧的形變，因此只需求出同等管徑下的不同預(yù)緊力便可獲得最大的越障高度。4.3基于Adams的機器人通過直管過程的運動仿真本設(shè)計的機器人的清掃裝置是自動變徑，其直管通過性較好，所以只以行走裝置為對象研究機器人的直管通過過程。（1）導(dǎo)入行走裝置小管徑狀態(tài)下的簡化模型并設(shè)置重量，添加各種轉(zhuǎn)動副和移動副。圖4-7接觸參數(shù)（2）導(dǎo)入彎管的模型并設(shè)置為大地部件。（3）添加彎管和各個輪子的接觸連接，接觸參數(shù)如圖4-7。（4）添加輔助支撐架的扭力彈簧，設(shè)置彈簧預(yù)緊力和彈性系數(shù)。（5）給每個輪子軸心處的轉(zhuǎn)動副添加驅(qū)動。仿真前機器人在管道內(nèi)的狀態(tài)如圖4-8。圖4-8直管內(nèi)管道機器人狀態(tài)（6）進行直管通過過程的仿真，仿真結(jié)果如圖4-9。圖4-9通過直管時輪子的速度時間曲線管道機器人通過直管時輪子的速度以勻加速度加速，然后達到最大速度時勻速前進。4.4管道機器人通過彎管過程分析4.4.1彎管通過的約束條件管道機器人在通過彎管時需要變徑方可成功的通過彎管，而管道機器人的長度與彎管半徑存在著一定的關(guān)系，這里對機器人通過彎管這一過程進行數(shù)學(xué)模型的建立并求解出管道機器人的最大長度，圖4-10是機器人通過彎管時的幾何模型：圖4-10管道機器人彎管通過分析圖由圖3-1可得得到以下方程：（4-5）其中機器人變徑范圍為Φ1-Φ2，其中Φ1為管道機器人最大直徑，Φ2為管道機器人最小直徑，這里的管道直徑Φ=Φ1，管道機器人最大長度為L，彎管彎度為θ1，彎管曲率半徑為R1。經(jīng)聯(lián)立求解可得L與R1的關(guān)系，經(jīng)過資料搜索，彎管半徑R一般取1.0D或者1.5D，更有甚者可以取4D、5D，這里取條件最為苛刻的1.0D，經(jīng)過求解得：管道機器人的最大長度為398mm。而實際情況下，本款管道機器人和管壁接觸方式允許機器人的長度還可以更長一些，即使在R=1D的彎管內(nèi)存在一點干涉，機器人也可適應(yīng)曲率半徑更大一點的彎管。4.4.2機器人通過彎管狀態(tài)分析管道機器人通過三組輪子差速的方法通過接頭彎管，管道橫截面上三組互呈120°的輪子在管道上分別有一組獨立的呈圓弧形的行進軌跡，而每一組輪子與管道內(nèi)壁有兩個接觸面，輪子與管壁的接觸狀態(tài)如圖4-11所示。圖4-11輪子與管壁接觸圖輪子的運行軌跡始終與水平面平行，故可將其投影到水平面上，輪子運行軌跡在水平面上的投影如圖4-12所示。圖4-12機器人過彎輪子軌跡圖這里對求解出的每組輪子的兩個接觸面軌跡路徑求平均值，令路徑平均值為該組輪子的一個設(shè)計路徑，方便對轉(zhuǎn)彎時三組輪子速度進行求解，此時令最上方的輪子默認速度VA=2m/min，通過上方輪子路徑求解出彎管通過時所需的時間t,并可解得下方兩組輪子的速度。有公式：(4-6)得:LA=251.27mm;LB=145.33mm;LC=357.32mm;t=15s,VB=1.16m/min;VC=2.84m/min。對機器人的三維模型進行裝配，并讓機器人下面的兩組驅(qū)動輪及三組輔助支撐輪與管道內(nèi)壁相切，給機器人設(shè)置一個軸向力，分析機器人彎管通過時的狀態(tài)。如圖4-13為機器人行走裝置剛進入彎管時的狀態(tài)，為了防止控制室和管道的碰撞，須在控制室周邊安裝防護棉。圖4-13行走裝置進入彎管前行走裝置進入彎管時需變徑，然后再三軸差速通過彎管，通過彎管時狀態(tài)如圖4-14。行走機構(gòu)進入彎管后，上面的那組驅(qū)動機構(gòu)處于離壁狀態(tài)，輔助支撐機構(gòu)的三組輪子在彈簧的彈力作用下是貼壁的。圖4-14行走裝置進入彎管后清掃裝置進入彎管前的狀態(tài)如圖4-15。六個支撐機構(gòu)在彈簧的作用下緊緊貼壁而行。圖4-15清掃裝置進入彎管前清掃裝置進入彎管后的狀態(tài)如圖4-16。六個支撐機構(gòu)在管壁的壓力作用下沒有一個輪子處于離壁狀態(tài)，而清掃刷處于最大壓縮狀態(tài)，此時機器人受到較大摩擦力。圖4-16清掃裝置進入管道后4.5本章小結(jié)本章節(jié)主要對機器人的一些運動過程進行分析，來了解機器人的具體性能，其中包括驅(qū)動機構(gòu)變徑過程的分析，機器人越障能力分析，機器人通過直管和彎管的一個狀態(tài)分析。

總結(jié)與展望總結(jié)為了對中小管徑管道進行一個檢測及清掃作業(yè)，本文設(shè)計了一種自適應(yīng)管道機器人，其結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，能夠?qū)艿廊毕葸M行有效的檢測識別，并且可以清掃管道內(nèi)壁的灰塵黏著物，減少了管道檢測、清掃作業(yè)的人力投入，提高了管道運輸?shù)慕?jīng)濟效益的同時確保了物資運輸?shù)陌踩?。主要工作?nèi)容如下：1）根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和技術(shù)難點，確定了本設(shè)計自適應(yīng)管道機器人的設(shè)計指標，確定了自適應(yīng)管道機器人的總體設(shè)計方案。其中包括，結(jié)構(gòu)形式的確定、行走方式的確定、變徑方式的確定、通訊方式的確定、能源供給方式的確定以及控制方案的設(shè)計。2）完成了自適應(yīng)管道機器人的具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并繪制出三維零件圖，包括控制室、行走裝置中驅(qū)動機構(gòu)、行走裝置中主驅(qū)動變徑機構(gòu)、連接機構(gòu)、清掃裝置中清掃刷驅(qū)動機構(gòu)以及清掃裝置中變徑機構(gòu)的設(shè)計。3）完成了對重要零件的受力分析，并進行了有限元強度校核，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的合理與強度滿足。4）完成了自適應(yīng)管道機器人的建模裝配。另外對機器人的運動特性進行分析。展望由于作者對相應(yīng)的仿真軟件不太熟悉，只完成了變徑過程和直管通過過程的仿真，而整個機器人彎道通過的建模仿真并未成功，結(jié)構(gòu)設(shè)計上也存在部分缺點和不足，通過多方面驗證也證明了這一點，在以后的研究中需要從以下方面進行加強研究。1）結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。本設(shè)計的結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮變徑范圍時選用了驅(qū)動力較大，體積較小的雙軸直流減速電機，在彎道通過時控制起來沒那么精確，容易打滑，結(jié)構(gòu)也不是很緊湊，有部分絲桿有效長度被浪費了。需要從位置安排上優(yōu)化變徑機構(gòu)。2）結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本設(shè)計的自適應(yīng)管道機器人的行走裝置的控制室較重，整個行走裝置質(zhì)心較前，連接軟管和輔助支撐機構(gòu)受到一個向上的力。需要調(diào)節(jié)質(zhì)心使機器人運動更為平穩(wěn)。

致謝

參考文獻[1]年四成,鄧中亮,劉鐵,劉金珠.一種管道機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能分析[J].機械設(shè)計與制造,2019(11):253-255+260.[2]顏豐,徐璐輝,王路,趙云杰,陳東旭.多運動模式管道機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動分析[J].機械研究與應(yīng)用,2019,32(05):4-6+11.[3]HidemasaSawabe,MizukiNakajima,MotoyasuTanaka,KazuoTanaka,FumitoshiMatsuno.Controlofanarticulatedwheeledmobilerobotinpipes[J].Taylor&Francis,2019,33(20).[4]SherazYaqub,AhmadAli,MuhammadUsman,KhalilMuhammadZuhaib,AbdulMananKhan,BoyoungAn,HyungiMoon,Ji-YeongLee,ChangsooHan.ASpiralCurveGaitDesignforaModularSna