分段式管道機(jī)器人設(shè)計(jì)

STYLEREF"標(biāo)題1"摘要第1章緒論1.1課題的背景、目的及意義1.1.1課題研究的背景管道是現(xiàn)如今非常重要的一種運(yùn)輸方式，它的發(fā)展對(duì)于增強(qiáng)國(guó)力具有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。不管是剛剛鋪設(shè)的，還是使用過一些年限的管道，其中都不免有泥沙、石蠟等污垢。再者，根據(jù)相關(guān)規(guī)定：管道在新修建的一年內(nèi)必須要進(jìn)行檢測(cè)，以后的檢測(cè)年限視情況而定，但最高不能超過三年[1]。故對(duì)輸送管道進(jìn)行定期清理與檢修是一項(xiàng)必須的工作，現(xiàn)如今除了人力檢測(cè)，機(jī)器人也步入了社會(huì)的主流。管道機(jī)器人是一種用于管道之中的機(jī)械設(shè)備，它可以裝載多種傳輸感應(yīng)裝置以及作業(yè)裝置，如拍攝裝置、定位和平衡感應(yīng)裝置、聲波感應(yīng)、清理設(shè)備、內(nèi)壁裂紋及接口焊接裝置、噴漆維護(hù)裝置和抓取單元等，用于完成圖像采集、裂紋定位、機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整、內(nèi)壁清理、內(nèi)壁焊接、內(nèi)壁維護(hù)以及物料運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)。管道機(jī)器人在外部人員的操控下來(lái)處理各種作業(yè)任務(wù)，并且各種管道的清理疏堵，甚至人員救助任務(wù)都可以完成[2]。綜上原因，研制出一款造價(jià)低、實(shí)用性強(qiáng)、功能強(qiáng)大的微型管道機(jī)器人是很有必要的。1.1.2課題研究的目的目前，在電力、石油、天然氣等行業(yè)中，在役管道腐蝕、裂紋或凹陷等缺陷的檢測(cè)中多采用人工檢測(cè)方式。存在檢測(cè)效率低、有檢測(cè)盲區(qū)等問題。管道機(jī)器人替代人工對(duì)管道進(jìn)行定期檢測(cè)，能進(jìn)入人所不能及、復(fù)雜多變的管道環(huán)境，從而提高檢測(cè)效率，降低人工作業(yè)的危險(xiǎn)性[3]。而且管道機(jī)器人由于它的準(zhǔn)確、高效和經(jīng)濟(jì)性慢慢發(fā)展起來(lái)，這也是研究管道機(jī)器人的目的。1.1.3課題研究的意義微型管道機(jī)器人在管道中的啟動(dòng)部分以及它在現(xiàn)實(shí)問題中的應(yīng)用一直都困擾著國(guó)內(nèi)的研發(fā)人員。外國(guó)在此方面的研究技術(shù)相比我國(guó)更為先進(jìn)，而且因?yàn)閲?guó)外起步早，因此在管道機(jī)器人的領(lǐng)域上進(jìn)展很快。但是國(guó)外的技術(shù)對(duì)我國(guó)都是封鎖的，并不出售，他們利用給我國(guó)提供相關(guān)技術(shù)幫助來(lái)賺取巨大費(fèi)用。管道機(jī)器人在國(guó)內(nèi)的研究雖然也有進(jìn)步，但是如今的很多只是用于實(shí)驗(yàn)品，并不能真正上市。微型的管道機(jī)器人的操作范圍和可實(shí)用性更是與國(guó)外差一大截。近些年國(guó)內(nèi)也研制了一批機(jī)器人，大多為履帶行走方式，其用于清洗行業(yè)，而管內(nèi)探測(cè)較少，且價(jià)格昂貴[4]。因此，開發(fā)一種價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單和實(shí)用型的無(wú)線管道探測(cè)機(jī)器人，已成為當(dāng)前市場(chǎng)的迫切需求。管道對(duì)于國(guó)家發(fā)展的意義重大，隨著對(duì)其維修清理的不斷加強(qiáng)。無(wú)論從機(jī)器人智能化考慮，還是為了減輕清理人員的工作難度、提高時(shí)效考慮，設(shè)計(jì)出一款可以“一機(jī)多用”、造價(jià)低的機(jī)械設(shè)備都具有很大的意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外研究進(jìn)展1940年前后，國(guó)外開始了對(duì)進(jìn)入輸送燃燒物料管道的機(jī)械設(shè)備的研究。經(jīng)過1970年，各種新興科技的出現(xiàn)，并經(jīng)過一系列蓬勃發(fā)展，進(jìn)而也帶動(dòng)了管道行業(yè)的進(jìn)步。1990年，管道機(jī)器人經(jīng)歷了快速發(fā)展，并且可以時(shí)尚應(yīng)用于實(shí)際。被眾人所認(rèn)知的是，法國(guó)的J.VERTUT是最早一批來(lái)研究管道機(jī)器人的人。1978年他提出了在管道中以腿式來(lái)進(jìn)行行走的機(jī)械裝置。這種簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)對(duì)于如今的管道機(jī)器人的現(xiàn)狀起到了啟蒙的作用。日本是智能機(jī)械的發(fā)展強(qiáng)國(guó)。日本的管道檢測(cè)機(jī)器人在1960年生出萌芽開始發(fā)展起來(lái)，隨后便開始大力發(fā)展。到了1970年就足夠步入實(shí)際應(yīng)用的階段了。而到了1980年日本便開始對(duì)機(jī)器人行業(yè)進(jìn)行大力提高，以求發(fā)展出更多的智能機(jī)械。日本的智能機(jī)械在社會(huì)各個(gè)方面都有應(yīng)用。管道機(jī)器人在日本也是發(fā)展出了各種各樣的種類。1993年，東京工業(yè)大學(xué)航空機(jī)械系的ShigeoHirose和HidetakaOhno等人開始著手研制管道機(jī)器人，他們先后研制成功了多款管道機(jī)器人，均是Thes型管道機(jī)器人，適用于50-150mm的小口徑管道[5]。圖1-1Thes型管道機(jī)器人機(jī)器人的出現(xiàn)是在美國(guó)。美國(guó)自1962年以來(lái)已經(jīng)開發(fā)了工業(yè)機(jī)器人，這是世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器。美國(guó)是世界上一個(gè)強(qiáng)大的機(jī)器人國(guó)家。它的機(jī)器人技術(shù)起步早，發(fā)展迅速。到目前為止，有無(wú)數(shù)種機(jī)器人。美國(guó)因紐特恩公司系列管道檢測(cè)機(jī)器人Versatrax是國(guó)外眾多的成型管道機(jī)器人之一。Versatrax150TM可以進(jìn)入的管道最小直徑為150毫米，防水深度30米，配備的電線長(zhǎng)度160米，速度范圍為每分鐘0~10米，機(jī)器人可負(fù)擔(dān)的有效載荷為92kg，機(jī)器人配有電荷耦合器件彩色直視攝像機(jī)。隨后開發(fā)的范思哲300VLR可進(jìn)入的管道最小直徑300毫米，防水深度30米，電纜范圍1830米，速度0~10米/分鐘，有效載荷184公斤，這款設(shè)備也配有電荷耦合器件彩色直視攝像機(jī)。2001年，紐約天然氣公司的達(dá)芙妮·祖爾科(DaphneDZurko)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人學(xué)院的哈根斯切姆普夫(HagenSchempf)博士在美國(guó)宇航局的資助下，開發(fā)研制出了一種可以長(zhǎng)時(shí)間工作、并且沒有攜帶外部供電設(shè)備的管道機(jī)器人——探索者（EXPLORER）。這款機(jī)器人專門用于探測(cè)地下天然氣管道安全與否。管道機(jī)器人系列EXPLORER具有以下特點(diǎn)：（1）單次操作檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，采用非外部供電設(shè)備即自帶電池，自備電源可多次重復(fù)充電，這種電源使得機(jī)器人的整體具有很好的推進(jìn)潛力。（2）可在多種材質(zhì)的外部環(huán)境中工作，也可在壓強(qiáng)并不穩(wěn)定的環(huán)境下工作。（3）管道機(jī)器人的圖像取樣設(shè)備采用了一種內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，機(jī)器人的整體很是緊湊。（4）機(jī)器人不但能輕松通過90°彎管處而且可以攀爬垂直的工作環(huán)境，適應(yīng)性很強(qiáng)。（5）管道內(nèi)的機(jī)器人通過無(wú)線設(shè)備與工作人員進(jìn)行信號(hào)傳輸與接收。（6）管道機(jī)器人可以用來(lái)檢查管子內(nèi)部是否有小型水以及是否有碎片化的雜物沉積。能夠確定管子內(nèi)部毛病所在地的精準(zhǔn)位置，并自動(dòng)定位所對(duì)應(yīng)的工作設(shè)備。機(jī)器人會(huì)將管子里面的情況以圖像的方式確切反饋出來(lái)[6]。圖1-2探索者管道機(jī)器人福田和日本名古屋大學(xué)的其他人開發(fā)了一種利用太陽(yáng)光照中的紫外線來(lái)供電的小型移動(dòng)機(jī)械設(shè)備。這個(gè)機(jī)器人可以在空中保持停留。其下底板的面積為6400mm2，上面板子的體積為450mm3。第一步在大氣壓強(qiáng)的能力下，上板會(huì)平穩(wěn)地上升并最終停留在半空中，然后太陽(yáng)光的紫外線會(huì)照到機(jī)器人所攜帶的熱能向電能相化的電子元件上，從而電子元件會(huì)產(chǎn)生電壓。然后在下底板和上板的空間內(nèi)會(huì)形成靜電作用，這樣就使得上平板在靜電的作用下進(jìn)行移動(dòng)。韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)Kwon等研發(fā)的履帶式管道機(jī)器人由3組徑向均布的履帶輪提供行走的動(dòng)力，其上裝有CCD(chargecoupleddevice)攝像機(jī)以獲取管內(nèi)信息，可穩(wěn)定的爬坡、通過彎管和T形管，但目前不能用于現(xiàn)實(shí)生活中[7]。1.2.2國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展我國(guó)管道機(jī)器人的技術(shù)相比國(guó)外來(lái)說(shuō)不但起步較晚，而且發(fā)展也很慢，現(xiàn)如今的大多數(shù)均不能應(yīng)用于實(shí)際管道之中。哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授在我國(guó)政府相關(guān)課題項(xiàng)目的支持下，研制出了輪式管道機(jī)器人。這款機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：（1）能夠工作于大直徑(不小于900毫米)管道焊縫的X光探查。（2）工作時(shí)間長(zhǎng)，一次探測(cè)可以行走2km。（3）裂縫找尋和位置確定的誤差不超過5mm。（4）機(jī)械設(shè)備的工作效率高，每個(gè)裂痕的找尋市場(chǎng)為三分鐘左右。機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了管子內(nèi)外機(jī)械設(shè)備共同運(yùn)行的無(wú)電纜運(yùn)行技術(shù)。機(jī)器人開發(fā)了鏈條和鋼帶這兩種較為新穎的管子外部運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備。這個(gè)課題的研究?jī)?nèi)容和結(jié)果目的是用在大直徑管道的無(wú)人檢測(cè)工作之中[8]。圖1-3X射線實(shí)時(shí)檢測(cè)管道機(jī)器人上海大學(xué)開發(fā)了一款適用于微型管道機(jī)器人的偵察系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括了機(jī)器人的眾多機(jī)構(gòu)和相關(guān)的操控技術(shù)。在垂直布置的內(nèi)徑為20毫米的工業(yè)管道中，采用了機(jī)器人管道內(nèi)部定位監(jiān)測(cè)等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。在這些技術(shù)之上形成的管道內(nèi)部自主檢查系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)能夠完成20毫米管子內(nèi)部裂痕和其他問題的行走檢測(cè)[9]。圖1-4小型工業(yè)化管道機(jī)器人行走檢測(cè)系統(tǒng)上海交通大學(xué)開發(fā)了一種具有立方體形狀和12個(gè)蠕動(dòng)元件的機(jī)器人。機(jī)器人的整體是一個(gè)邊長(zhǎng)為35mm的正方體，它的質(zhì)量為20g（其中包含了控制部分）。行走速率為每分鐘15mm，機(jī)器人的整體擁有12個(gè)自由度。該機(jī)器人共具有12個(gè)驅(qū)動(dòng)源，可以實(shí)現(xiàn)管子內(nèi)部的全方位行走。并且這款管道機(jī)器人還可以穿過正常的管道、彎度較大的管道、直角管道和分叉型管道[10]。清華大學(xué)研制了一款行走在直徑為100毫米的微型螺旋輪式管道機(jī)器人，它的行走結(jié)構(gòu)是采用旋轉(zhuǎn)推動(dòng)。機(jī)器人整體由三個(gè)單元組成，其中第二單元僅由保持機(jī)構(gòu)組成，另外兩個(gè)單元結(jié)構(gòu)類似，均是由旋轉(zhuǎn)和固定機(jī)構(gòu)組成。第二個(gè)單元的兩頭由萬(wàn)向節(jié)分別與另外兩個(gè)單元固定。這款設(shè)備結(jié)構(gòu)嚴(yán)緊，易于人工操縱，而且機(jī)器的驅(qū)動(dòng)力大，這些都是輪式機(jī)器人所不具備的。但是由于彈簧伸縮的有限，它只能工作在直徑固定的管道之中[11]。圖1-5微型螺旋輪式管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖1.3論文主要內(nèi)容本文主要通過查詢并了解現(xiàn)存油氣、電氣管道的現(xiàn)狀，得知現(xiàn)役管道主要存在污垢無(wú)法清洗、管道裂縫難以定位的問題，并且通過了解國(guó)內(nèi)外在管道機(jī)器人方面的進(jìn)展存在差距，市面上的管道機(jī)器人價(jià)格高昂，性價(jià)比不高。通過對(duì)以上情況的了解、結(jié)合專業(yè)知識(shí)進(jìn)而設(shè)計(jì)出一款經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的管道機(jī)器人來(lái)解決管道的部分難題。各章節(jié)內(nèi)容與安排如下：第1章，緒論。本章節(jié)著重介紹了管道清理的重要性，并詳細(xì)介紹了世界部分國(guó)家的管道機(jī)器人的發(fā)展情況。說(shuō)明了設(shè)計(jì)出一種經(jīng)濟(jì)、可操作性強(qiáng)的管道機(jī)器人的必要性。最后介紹論文各章節(jié)的主要內(nèi)容與相互聯(lián)系。第2章，管道機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)。本章節(jié)主要說(shuō)明了題目中對(duì)于管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，然后分別列舉了幾種不同的管道機(jī)器人的行走方式、管道檢測(cè)方式、電力供給方式、驅(qū)動(dòng)方式等方案，最終出于考慮管道機(jī)器人的靈活性、可操作性、負(fù)載偏小、體積小等特點(diǎn)，選擇輪式行走、視頻檢測(cè)、攜帶能源裝置、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的分段式管道機(jī)器人.第3章，分段式管道機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)。首先將管道機(jī)器人分為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電力供給部分以及連接部分，各部分以串聯(lián)的方式連接。然后詳細(xì)介紹了各部分機(jī)構(gòu)的機(jī)械組成，并對(duì)機(jī)器人的電機(jī)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和關(guān)鍵軸做出計(jì)算。最后說(shuō)明了管道機(jī)器人整體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。第4章，對(duì)關(guān)鍵軸以及齒輪傳動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)果均可以滿足工作要求。并得出管道機(jī)器人能夠順利通過的最小曲率半徑。第5章，在本章節(jié)中列舉了市面上的管道機(jī)器人，將它們與論文中所研究的管道機(jī)器人進(jìn)行對(duì)比，得出論文中的管道機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)性與功能性。第2章管道機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)東北電力大學(xué)本科學(xué)位論文第2章管道機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)2.1管道機(jī)器人主要技術(shù)要求（1）管道直徑D=150mm；（2）采用直進(jìn)輪式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，一個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)；（3）選擇微型直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；（4）運(yùn)動(dòng)模塊行進(jìn)速度5m/min-10m/min；（5）采用無(wú)線通訊技術(shù)，使運(yùn)動(dòng)模塊能在管道內(nèi)自由行走。2.2管道機(jī)器人系統(tǒng)方案的確定管道機(jī)器人方案的設(shè)計(jì)直接對(duì)機(jī)器人的作業(yè)能力和檢測(cè)效率產(chǎn)生影響。因此需要從更全面的眼光來(lái)對(duì)方案的選擇進(jìn)行綜合分析和比較。這其中包括機(jī)器人的行走方式、管道探測(cè)方法、電力供給以及驅(qū)動(dòng)方式的確定。2.2.1管道機(jī)器人的行走方式的確定根據(jù)行走原理的不同，管道機(jī)器人的行走方式包括流動(dòng)式、直進(jìn)輪式、履帶式、蠕動(dòng)式等方式。下面將對(duì)各個(gè)不同的行走方式進(jìn)行對(duì)比分析，最后選出最適合的那一個(gè)。（1）流動(dòng)式特性分析：這種機(jī)器人只跟隨管中的物體來(lái)進(jìn)行移動(dòng)，屬于不用電力供應(yīng)的從動(dòng)機(jī)器人。雖然這種機(jī)器人不消耗其他機(jī)器人所需要的能量，但其運(yùn)動(dòng)只能跟隨管中的物體來(lái)進(jìn)行。因此其并不能做到對(duì)管道內(nèi)的缺陷進(jìn)行精確定位[12]。（2）輪式特性分析：直進(jìn)輪式是一種現(xiàn)如今被廣泛應(yīng)用于實(shí)際的行走方式。有實(shí)驗(yàn)證明，直進(jìn)輪式行走方式具有行走平穩(wěn)、移動(dòng)速度快等好處。因此市面上的管道機(jī)器人大多都采用輪式移動(dòng)方式。圖2-1輪式管道機(jī)器人這種行走方式又分為支撐輪和普通車輪式。支撐輪式行走機(jī)構(gòu)是利用空間對(duì)稱，利用空間對(duì)稱的封閉結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)移動(dòng)的場(chǎng)地產(chǎn)生密閉力，從而接觸點(diǎn)產(chǎn)生推動(dòng)機(jī)器人整體的摩擦力。這種結(jié)構(gòu)具有組成簡(jiǎn)單、移動(dòng)靈巧方便的特征。普通車輪式的機(jī)構(gòu)與支撐輪的組成類似。但是普通車輪結(jié)構(gòu)在行走的時(shí)候沒有額外多余的閉合力。這種結(jié)構(gòu)的閉合力只能由機(jī)器人自身的重力來(lái)進(jìn)行提供，因此普通車輪結(jié)構(gòu)的牽引力就不怎么大。輪式行走方式靈巧可靠、穩(wěn)性強(qiáng)、可以輕易地穿過管子轉(zhuǎn)彎處。但是輪式行走部分需要驅(qū)動(dòng)輪與管子內(nèi)壁保持嚴(yán)密地接觸，來(lái)產(chǎn)生推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力。關(guān)于以上的問題，現(xiàn)如今已經(jīng)能夠通過改善結(jié)構(gòu)緊密性和添加用于產(chǎn)生密封力的機(jī)械裝置來(lái)解決[13]。（3）履帶式圖2-2履帶式管道機(jī)器人特點(diǎn)分析：履帶式管道行走機(jī)器人有點(diǎn)類似輪式行走的管道機(jī)器人。履帶式行走結(jié)構(gòu)在附著能力這方面很有優(yōu)勢(shì)。很難因?yàn)榻佑|面的缺陷而打滑，跨越障礙的能力強(qiáng)，牽引力大，因此這種類型的機(jī)器人一般都用于環(huán)境不好的地方。除了以上的優(yōu)點(diǎn)，履帶式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)就是組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、行走靈活性和轉(zhuǎn)向較差，這種結(jié)構(gòu)因?yàn)槠涿荛]的組成因此很難將其零件等小型化[14]。蠕動(dòng)式特點(diǎn)分析：蠕動(dòng)管道機(jī)器人是一種模仿昆蟲或是其他爬行動(dòng)物的機(jī)器人。它的運(yùn)動(dòng)原理是研發(fā)人員根據(jù)自然界中的昆蟲、蛇類等動(dòng)物的爬行方式模仿而來(lái)的。這種管道機(jī)器人的組成部分相比其他來(lái)說(shuō)更簡(jiǎn)化，驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)量少，控制簡(jiǎn)單，適用于微小管道。蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的前進(jìn)速率取決于其內(nèi)部的推進(jìn)裝置的伸縮頻率及其伸縮距離[15]。這種機(jī)器人的行走效率不高，很難滿足現(xiàn)實(shí)管道的探測(cè)需要。圖2-3蠕動(dòng)仿生管道機(jī)器人本題目研究的管道機(jī)器人在半徑為75毫米的小型管道中來(lái)進(jìn)行行走，根據(jù)以上幾種行走方式的對(duì)比得出輪式相比其他行走方式更靈活、適應(yīng)性更強(qiáng)、更適合在微型管道中使用。綜上原因，決定采用輪式來(lái)作為機(jī)器人的行走方式。2.2.2管道機(jī)器人探測(cè)方法的確定當(dāng)要對(duì)一個(gè)管道進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候，通常會(huì)選擇用詳細(xì)的數(shù)據(jù)或直觀的圖像來(lái)表示管中的具體狀況。而以上兩種檢測(cè)方法通常要用到聲吶、超聲波或者視頻檢測(cè)等技術(shù)方法來(lái)完成。聲吶或是超聲波敏銳性強(qiáng)、可以穿透物體，但是容易被機(jī)器人自身的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲所干擾。而且這種方法適用于大直徑、超負(fù)荷污水管道。圖2-4聲納成像圖圖2-5視頻成像圖圖像檢測(cè)則是通過機(jī)器人攜帶的攝像機(jī)來(lái)拍攝并傳輸出彩色照片或視頻。攝像機(jī)可以制成體積小、小質(zhì)量的微型拍攝裝配，用以減輕機(jī)器人的重量，進(jìn)而提高機(jī)器人移動(dòng)的靈活性[16]。綜上得出視頻檢測(cè)相比聲納更直觀，人員觀測(cè)更方便，更適合小型管道內(nèi)使用。綜上原因，管道機(jī)器人的探測(cè)方法確定為視頻拍攝。2.2.3管道機(jī)器人電力供給方式的對(duì)比管道機(jī)器人的能源供給一般有兩種方式選擇，一種是由外部能源通過電纜為管道中的機(jī)器人提供電力；另一種是無(wú)纜式即為機(jī)器人自帶電池。電纜供電圖2-6拖纜式管道機(jī)器人外部電源可以確保試管道中的機(jī)器人有足夠的電力。而且當(dāng)機(jī)器人在管道之中發(fā)生故障的時(shí)候，外部工作人員可以通過電纜將機(jī)器人拉出來(lái)，這種供電方式的機(jī)器人自救措施良好。缺點(diǎn)就是線纜會(huì)影響機(jī)器人在管道中的移動(dòng)，線纜額外的牽引力對(duì)機(jī)器人影響很大。這種方法并不適合小型管道機(jī)器人使用[17]。圖2-7自身攜帶電池的管道機(jī)器人自帶電池機(jī)器人自帶電池相比之下能夠減輕機(jī)器人的拖動(dòng)負(fù)載。這種方法有利于增加機(jī)器人的工作時(shí)間，促使機(jī)器人在管道中行走更自由，方便機(jī)器人作業(yè)[18]。由于論文中管道機(jī)器人工作環(huán)境的限制，導(dǎo)致機(jī)器人的體積很有限，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力也很有限，故選用載體攜帶能源裝置。2.2.4管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的確定表2-1管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的選擇氣動(dòng)式液壓式電動(dòng)式結(jié)構(gòu)組成通常由氣缸、氣動(dòng)閥、氣動(dòng)馬達(dá)等元件組成通常由液壓缸、伺服閥液壓馬達(dá)、液壓泵等組成由電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、以及機(jī)械傳動(dòng)裝置（如各種減速器）等組成性能特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作迅速、維修方便、價(jià)格較低；氣動(dòng)的可壓縮性造成控制精度較低、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性差結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、耐振動(dòng)、耐沖擊、防爆性能好、輸出力較大；但是液壓元器件對(duì)密封性要求較高否則容易造成污染響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)力大、控制靈活、噪聲低、清潔高效；但是不適應(yīng)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)適用場(chǎng)合大多適用于中低負(fù)荷場(chǎng)合中一般用于輸出力較大的工程機(jī)械領(lǐng)域主要應(yīng)用于近距離驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人領(lǐng)域由表2-1所示，通過三種不同驅(qū)動(dòng)方式的對(duì)比分析得出，氣動(dòng)式和液壓式驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性差，電動(dòng)式是更適合管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方案。電機(jī)現(xiàn)如今在我國(guó)各個(gè)產(chǎn)業(yè)中的各個(gè)方面都具有很大的作用。人們可以根據(jù)作業(yè)要求、電機(jī)長(zhǎng)度和直徑、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、速度以及速度調(diào)節(jié)難易來(lái)選擇不同的電機(jī)。電機(jī)是機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和工作人員進(jìn)行控制的核心。電機(jī)在歷經(jīng)這些年的發(fā)展后，人們對(duì)電機(jī)的改進(jìn)從簡(jiǎn)單的運(yùn)轉(zhuǎn)變化為對(duì)其更復(fù)雜的操縱。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同、作業(yè)任務(wù)的不同、精準(zhǔn)度要求的不同，電機(jī)也有不同的種類設(shè)計(jì)和帶動(dòng)方法。人們根據(jù)電極的具體應(yīng)用，將電機(jī)細(xì)分了好多種類。DC電機(jī)（直流電機(jī)）是電機(jī)家族第一個(gè)問世的。大概在20世紀(jì)之前，電機(jī)可以根據(jù)是否轉(zhuǎn)向分為：換向器和非換向器這兩種。雖然DC電機(jī)具有更好的人員操控特性，但是DC電機(jī)在機(jī)構(gòu)組成、售價(jià)、清理修護(hù)方面都不如交流電機(jī)。然而，交流電機(jī)的不易操作、調(diào)速困難一直是被人詬病的原因。因?yàn)镈C電機(jī)的速度調(diào)節(jié)容易、更容易帶動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，DC電機(jī)目前仍是很多人親睞的對(duì)象，這種情況在可控硅DC電機(jī)出現(xiàn)后更甚。下面，主要對(duì)DC電機(jī)進(jìn)行有無(wú)電刷來(lái)進(jìn)行分類，并最終確定出所選電機(jī)的種類[19]。有刷直流電機(jī)圖2-8有刷直流電機(jī)有刷電機(jī)(BDCM)是指內(nèi)部帶有電刷的電動(dòng)機(jī)。有刷電機(jī)是現(xiàn)在市面上其余電機(jī)的基本。有刷電機(jī)的從停止到啟動(dòng)的時(shí)間和從啟動(dòng)到停止的時(shí)間都短、速度調(diào)節(jié)范圍大、人員操控簡(jiǎn)單。有刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：①機(jī)構(gòu)組成簡(jiǎn)單。有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易批量生產(chǎn)加工，而且電機(jī)的修理和維護(hù)方便，方便工作人員進(jìn)行控制。這種電機(jī)還具有反應(yīng)速度快、可攜帶負(fù)載啟動(dòng)和變速的時(shí)候扭矩不發(fā)生改變的功能。②運(yùn)行穩(wěn)定。性能強(qiáng)大的有刷電機(jī)是通過調(diào)節(jié)電壓來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的，故這種電機(jī)啟動(dòng)、停止、保持一定速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)設(shè)備都較為平穩(wěn)。無(wú)刷電機(jī)由數(shù)字變頻控制。因此，無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)并不穩(wěn)定，在啟動(dòng)和停止時(shí)設(shè)備振動(dòng)強(qiáng)烈，只有在勻速時(shí)才能“安靜”下來(lái)。③控制精度細(xì)。有刷電機(jī)在一般情況下都是與齒輪減速設(shè)備一起使用，這些設(shè)備令電機(jī)最終傳遞到外部的功率更高，人員操縱起來(lái)也更精準(zhǔn)。有刷DC電機(jī)的操縱準(zhǔn)確度可達(dá)到10微米，只要工作環(huán)境允許，這種電機(jī)所控制的機(jī)械設(shè)備可以停在任意地點(diǎn)。現(xiàn)如今所有的對(duì)精度要求高的機(jī)床都是使用有刷電機(jī)來(lái)帶動(dòng)[20]。有刷電機(jī)的缺點(diǎn)：①電刷和換向器之間不可避免地摩擦，這會(huì)導(dǎo)致傳輸效率不高。這種電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)的聲音很大，而且會(huì)產(chǎn)生多余的熱量。這就導(dǎo)致了有刷電機(jī)相比無(wú)刷的來(lái)說(shuō)更容易損壞。②因?yàn)橛须娝⒌木壒?，電機(jī)需要不斷地對(duì)其更換[21]。（2）無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）是在有刷電機(jī)之后發(fā)展起來(lái)的。雖然它是直流電機(jī)，但它的啟動(dòng)電流卻是交流電。圖2-9無(wú)刷電機(jī)無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：①運(yùn)行聲音小。缺少了電刷的摩擦，因此無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)聲音小。②壽命長(zhǎng)。無(wú)刷電機(jī)的內(nèi)部是控制器，與有刷電機(jī)不同。電刷的壽命相比之下就很低。③速度高。因?yàn)闊o(wú)刷電機(jī)相比有刷缺少了摩擦力，因此電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就會(huì)快不少。無(wú)刷電機(jī)的缺點(diǎn)：①造價(jià)高?？刂破飨啾入娝?lái)說(shuō)，造價(jià)提升了至少上百元。因此相比之下，有刷電機(jī)更便宜。②對(duì)環(huán)境有一定的要求。若工作的環(huán)境的磁性較大則電機(jī)將會(huì)失效。因?yàn)殡姍C(jī)本身的轉(zhuǎn)子部件是磁體，它是經(jīng)過充磁才有磁性的。經(jīng)過高磁場(chǎng)將改變轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)或是消掉了部分的磁性電機(jī)都將不能正常工作[21]。根據(jù)上述有刷DC電機(jī)和無(wú)刷DC電機(jī)之間的比較。盡管無(wú)刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)聲音小，工作時(shí)間更長(zhǎng)，但是無(wú)刷電機(jī)的成本很高、運(yùn)行起始不平穩(wěn)、速度偏高。最終選擇有刷直流電機(jī)作為管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。2.3本章小結(jié)綜合以上對(duì)管道機(jī)器人不同的行走方式、檢測(cè)方式、電力供給方式、驅(qū)動(dòng)方式的對(duì)比，并結(jié)合題目的任務(wù)要求，行走方式雖然有眾多選項(xiàng)，但是由于流動(dòng)式并不能自主控制；履帶式太過笨重，不適用于小管道；蠕動(dòng)式則是移動(dòng)速率太低，作業(yè)時(shí)間過長(zhǎng)，以上三種行走方式均不適合題目所要求的工作環(huán)境，因此最終選擇輪式作為機(jī)器人的行走方式。在檢測(cè)方式中只有聲波與視頻成像兩種選擇，因?yàn)橐曨l成像更直觀、原理簡(jiǎn)單因此被采用。拖纜式管道機(jī)器人更適用于大型的管道機(jī)器人供電和傳輸數(shù)據(jù)，因?yàn)樾⌒凸艿罊C(jī)器人的體型和電機(jī)功率都有很大限制，相比之下載體攜帶能源裝置更實(shí)用。本章節(jié)中主要介紹了直流電機(jī)的兩個(gè)分支：有刷直流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)雖然在壽命和聲音方面優(yōu)于有刷電機(jī)，但是它的啟動(dòng)并不穩(wěn)定，而且控制精度不高，這些缺點(diǎn)都是微型管道機(jī)器人所不能接受的，因此有刷直流電機(jī)才能正確的選擇。第3章管道機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第3章管道機(jī)器人的各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1管道機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)組成論文中的管道機(jī)器人由四大部分組成，分別為觀察機(jī)構(gòu)、電源模塊、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及連接部分。論文中要設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人是上述四個(gè)部分以串聯(lián)形成的。這樣的設(shè)計(jì)更方便根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)添加和拆除相關(guān)模塊。如圖3-1所示為管道機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖。若執(zhí)行單元模塊過多導(dǎo)致機(jī)器人整體尺寸和重量增加，此時(shí)便可增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電力供給部分來(lái)使機(jī)器人更好地運(yùn)行。圖3-1管道機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖3.2驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管道機(jī)器人的動(dòng)力來(lái)源于驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的電機(jī)。電機(jī)通過齒輪減速機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力傳輸?shù)綑C(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪上。管道機(jī)器人整體如圖3-2所示：1為大定位板、2為電機(jī)固定架、3為u型板、4為小齒輪、5為驅(qū)動(dòng)輪、6為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、7為大齒輪、8為驅(qū)動(dòng)輪定位板A、9為驅(qū)動(dòng)輪定位板B以及驅(qū)動(dòng)軸。驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用電機(jī)帶動(dòng)，然后通過齒輪減速部分將動(dòng)力傳輸?shù)津?qū)動(dòng)輪上，上下兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)器人整體行駛。圖3-2驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)圖3-3大定位板大定位板除了用于將驅(qū)動(dòng)部分的零部件合理分配位置，以確保電機(jī)能夠?qū)?dòng)力傳輸驅(qū)動(dòng)輪完成作業(yè)還要用于連接前后部分。由于要滿足較大的強(qiáng)度及剛度要求，所以采用的材質(zhì)為45鋼，定位板直徑為120mm，厚度為5mm。圖3-4電機(jī)固定架圖3-5u形板電機(jī)定位部分由電機(jī)固定架和u形板組成，如圖3-4和3-5所示。電機(jī)固定架分為上下兩部分，主要就是為了緊固電機(jī)。u形板除了給電機(jī)進(jìn)行定位還負(fù)責(zé)連接前后兩個(gè)大的定位板圖3-6驅(qū)動(dòng)軸連接圖驅(qū)動(dòng)軸的連接如圖3-6所示。驅(qū)動(dòng)軸的動(dòng)力由電機(jī)通過齒輪減速裝置傳遞到軸上，輪子與軸用鍵進(jìn)行連接，并由套筒對(duì)其進(jìn)行軸向定位。大齒輪與軸之間也用鍵進(jìn)行傳遞動(dòng)力，一側(cè)用套筒，另一側(cè)有軸肩對(duì)大齒輪進(jìn)行軸向定位。軸兩端由軸承進(jìn)行支撐與固定，由于兩端的軸承不僅要承受軸向力，而且要承受徑向力，故軸承選用為圓錐滾子軸承，考慮到軸的轉(zhuǎn)速低，承受的彎矩較大，最終型號(hào)為型圓錐滾子軸承。3.2.1電機(jī)的選型本文所采用的電機(jī)為微型直流電機(jī)，微型直流電機(jī)的選型主要包括額定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩、額定功率等參數(shù)的選擇。為管道機(jī)器人選擇合適的電動(dòng)機(jī)，需首先計(jì)算出電機(jī)所需的最大扭矩。由設(shè)計(jì)要求可知，機(jī)器人需要能夠在管道中平穩(wěn)行駛，且機(jī)器人不能攀爬豎直的管道。故機(jī)器人在水平管道啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩即達(dá)到最大值，如圖3-7所示。圖中，F(xiàn)1和F2分別為管道對(duì)管道機(jī)器人的支反力；f1和f2分別表示管壁對(duì)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的摩擦力；T1和T2分別表示作用在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩；FG1和FG2分別表示管壁對(duì)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)摩擦力。圖3-7機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖令驅(qū)動(dòng)輪與管道內(nèi)壁的摩擦因數(shù)為μ，由于機(jī)器人是上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由文獻(xiàn)[22]中的機(jī)構(gòu)受力公式得：（3-1）（3-2）機(jī)器人的平衡公式為：（3-3）（3-4）由上述四個(gè)公式可得：（3-5）預(yù)估計(jì)機(jī)器人的重量為5kg，驅(qū)動(dòng)輪半徑r1為25mm，，F(xiàn)1=25N，則有：T1=0.1875N·m。圖3-8直流電機(jī)又由于管道內(nèi)壁凹凸不平的影響，所以選擇的微型直流電機(jī)型號(hào)為：JGB37-545。如圖3-4所示，電機(jī)的具體參數(shù)如表3-1所示。表3-1直流電機(jī)JGB37-545的參數(shù)型號(hào)額定電壓負(fù)載轉(zhuǎn)速負(fù)載電流負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載功率JGB37-54524V102r/min0.35A8kg*cm15W3.2.2傳動(dòng)齒輪的計(jì)算由于題目規(guī)定的機(jī)器人行進(jìn)速度為5m/min~10m/min，也就是要求驅(qū)動(dòng)輪的線速度為5m/min~10m/min，由文獻(xiàn)[23]中的機(jī)器人移動(dòng)速度公式得：（3-6）式中V—驅(qū)動(dòng)輪的線速度，m/minr1—驅(qū)動(dòng)輪的半徑，mn—驅(qū)動(dòng)的輪轉(zhuǎn)速，r/min上述數(shù)據(jù)本章節(jié)均已列出，由此可得到驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n的范圍為31.8r/min~63.6r/min。由上一小節(jié)得知選擇的微型直流電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)速為102r/min，故需要一對(duì)齒輪來(lái)進(jìn)行減速，考慮齒輪的傳動(dòng)效率為0.97，故小齒輪與大齒輪間的傳動(dòng)比應(yīng)為1.6~3.3。圖3-9齒輪定位架齒輪選擇為標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪，壓力角α為20°選擇標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m為1，由零件圖3-9得知經(jīng)由計(jì)算得出大小齒輪的中心距a=23mm，齒輪間的傳動(dòng)比i初定為1：2，小齒輪的輪數(shù)為17，則大齒輪的齒數(shù)z2為34，經(jīng)計(jì)算得出參數(shù)如表3-2所示：表3-2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪參數(shù)模數(shù)m壓力角α齒數(shù)z分度圓直徑d齒寬b小齒輪12017166大齒輪12034306現(xiàn)通過下面公式驗(yàn)證小齒輪的直徑是否符合設(shè)計(jì)要求，由文獻(xiàn)[21]中的齒輪直徑計(jì)算公式得：（3-7）式中d1—小齒輪的分度圓直徑，mm；K—載荷系數(shù)，（）；T1—小齒輪轉(zhuǎn)矩，N·mm；—齒寬系數(shù)；u—齒數(shù)比，（）；—齒輪材料彈性系數(shù)；—節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)；—接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的重合度系數(shù)；—許用接觸應(yīng)力。齒輪材料最終選用鋁合金，精度等級(jí)確定為7。通過查閱文獻(xiàn)[21]確定各參數(shù)數(shù)值。其中，；；；；；；經(jīng)計(jì)算得出齒輪許用接觸應(yīng)力=495Mpa，。將參數(shù)值帶入式（3-7）得：。通過以上計(jì)算驗(yàn)證所取的單元傳動(dòng)齒輪的直徑是合理的。齒輪結(jié)構(gòu)如圖3-10。圖3-10驅(qū)動(dòng)齒輪3.2.3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算軸是電機(jī)中的一個(gè)重要零件，作為電機(jī)與設(shè)備之間機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的紐帶，支承轉(zhuǎn)動(dòng)零部件、傳遞力矩和確定轉(zhuǎn)動(dòng)零部件對(duì)定子的相對(duì)位置。因此，電機(jī)軸必須具有可靠的強(qiáng)度和剛度，確保預(yù)設(shè)定設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)。選取軸的材料為40Cr，對(duì)軸進(jìn)行計(jì)算。（1）求取輸出軸上的功率P3、轉(zhuǎn)速n3和轉(zhuǎn)矩T3。由文獻(xiàn)[21]中軸的計(jì)算公式得輸出軸的功率為：（3-8）一對(duì)齒輪傳動(dòng)的效率為，由第3章電機(jī)的確定可知電機(jī)的功率為15w，故軸的功率。由于輸出軸與驅(qū)動(dòng)輪用鍵連接，故軸與鍵的轉(zhuǎn)速相同，故。于是轉(zhuǎn)矩為：（3-9）帶入數(shù)據(jù)得轉(zhuǎn)矩。求低速級(jí)大齒輪的受力。因已知低速級(jí)大齒輪的分度圓直徑為d2=30mm?？汕蟮么簖X輪所受的圓周力Ft、徑向力Fr及法向力Fn為：（3-10）（3-11）（3-12）帶入相關(guān)數(shù)據(jù)可得。因?yàn)樗O(shè)計(jì)齒輪為標(biāo)準(zhǔn)齒輪，故，故，。（3）初步確定軸的最小直徑（3-13）查閱文獻(xiàn)[21]選取A0=100，將，帶入上式得，取軸的直徑為6mm。（4）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了給驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行軸向定位，Ⅰ-Ⅱ軸右端需制出一軸肩，故取Ⅱ-Ⅲ段的直徑為6.5mm。左端用軸端擋圈定位，按軸端直徑取擋圈直徑，驅(qū)動(dòng)輪與軸配合的轂孔長(zhǎng)度為10mm，為了保證軸端擋圈只壓在輪轂上而不壓在軸的端面上，故Ⅰ-Ⅱ段長(zhǎng)度應(yīng)為9mm。因軸承同時(shí)受有徑向力和軸向力的作用，故選用深溝球軸承。參照工作要求并根據(jù)軸的Ⅱ-Ⅲ段的直徑為6.5mm，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度等級(jí)的深溝球軸承628/7，其尺寸為，故Ⅲ-Ⅳ段的直徑和Ⅶ-Ⅷ段的直徑為7mm，而Ⅶ-Ⅷ段的長(zhǎng)度為5mm，經(jīng)過后續(xù)的計(jì)算設(shè)計(jì)出軸的結(jié)構(gòu)如圖3-11。圖3-11驅(qū)動(dòng)軸3.3電源模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖3-11電源部分結(jié)構(gòu)電源部分由1從動(dòng)輪、2從動(dòng)輪支架、3軸卡、4從動(dòng)軸、5電源箱體、6箱體封蓋、7軸套組成，如圖3-11所示。電源箱體內(nèi)部用放置電池，然后電力通過導(dǎo)線傳輸?shù)狡溆鄼C(jī)構(gòu)，箱體四周的四個(gè)從動(dòng)輪可以有效保證管道機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行。圖3-12箱體封蓋箱體封蓋如圖3-12。它用于保護(hù)箱體內(nèi)部的電池，以及對(duì)外部的從動(dòng)輪進(jìn)行定位，封蓋圓柱空心體用于連接軟管。封蓋中心有三個(gè)圓孔用于給箱體進(jìn)行空氣流通，幫助電池散熱。圖3-13從動(dòng)輪部分從動(dòng)輪部分的組成如圖3-13所示，從動(dòng)輪通過軸端以及軸套來(lái)進(jìn)行定位，而軸套和軸卡將從動(dòng)軸固定在支架上。從動(dòng)輪支架設(shè)計(jì)為7形，并用肋來(lái)對(duì)直角處進(jìn)行加固。3.4功能模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文的管道機(jī)器人的功能模塊分為觀察機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這兩個(gè)作業(yè)機(jī)構(gòu)使管道機(jī)器人完美做到了“一機(jī)多用”的效果，與市面上的只能觀測(cè)或是只能清掃的機(jī)器人相比，論文中的管道機(jī)器人更具有實(shí)用性。這兩個(gè)作業(yè)機(jī)構(gòu)就是在管道機(jī)器人在管中行駛的時(shí)候一方面完成對(duì)管帶內(nèi)部缺陷以及其他情況的了解，另一方面就是可以幫助清理管道內(nèi)壁，免去了專門清理管道的繁瑣程序和資金花費(fèi)。3.4.1毛刷機(jī)構(gòu)毛刷機(jī)構(gòu)即為管道機(jī)器人尾部的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖3-14所示。圖3-14毛刷結(jié)構(gòu)毛刷機(jī)構(gòu)的特殊組成部分是毛刷、套筒和電機(jī)，其余部分的設(shè)計(jì)與電源機(jī)構(gòu)類似。它的主要作用是外部的毛刷由電機(jī)通過套筒來(lái)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在機(jī)器人在管道內(nèi)行走的過程中對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行清理。電機(jī)套筒內(nèi)部為空心設(shè)計(jì)，套筒的定位與緊固都由電機(jī)軸與定位銷來(lái)完成。套筒細(xì)節(jié)見圖3-15。圖3-15電機(jī)套筒刨面圖3.4.2觀察機(jī)構(gòu)圖3-16攝像機(jī)構(gòu)觀察機(jī)構(gòu)如圖3-16所示。觀察機(jī)構(gòu)位于機(jī)器人的前方，能夠更好地觀察管道內(nèi)的情況，提前了解前方管道內(nèi)是否則存在危險(xiǎn)，或是否存在需要維修的部分。為了能夠使用視頻圖像檢測(cè)管道中的具體情況，管道機(jī)器人必須攜帶圖像采集設(shè)備也就是攝像裝置。經(jīng)過工業(yè)攝像頭的發(fā)展，現(xiàn)如今的圖像采集設(shè)備通常會(huì)選擇CCD攝像機(jī)。選擇圖像采集設(shè)備通常主要考慮兩個(gè)方面：分辨率和鏡頭。除了以上兩個(gè)外，光線問題也是需要考慮的。圖像采集設(shè)備的清晰度指的是水平清晰度，清晰度越好，則分辨率越大。為了獲得更清楚的視頻，就要選擇更高分辨率的設(shè)備。論文中的管道機(jī)器人采用的圖像采集設(shè)備分辨率為350，此攝像設(shè)備基本滿足觀測(cè)的需要[25]。3.5管道機(jī)器人整體模型及工作原理圖3-17管道機(jī)器人整體模型管道機(jī)器人整體模型如圖3-17所示。管道機(jī)器人四個(gè)機(jī)構(gòu)和連接裝置連接后總長(zhǎng)為540mm，適應(yīng)管徑150mm。從左向右依次為攝像機(jī)構(gòu)、電源機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、毛刷機(jī)構(gòu)，各機(jī)構(gòu)之間由軟管進(jìn)行連接，機(jī)構(gòu)與機(jī)構(gòu)之間都有直徑為20mm的通孔，使得電源機(jī)構(gòu)中的電力能夠通過導(dǎo)線來(lái)傳遞給其余機(jī)構(gòu)的電機(jī)與攝像裝置。該管道機(jī)器人在攝像機(jī)構(gòu)、電源機(jī)構(gòu)、毛刷機(jī)構(gòu)均安裝有豎直方向和水平方向的-導(dǎo)向輪。該導(dǎo)向輪可以使機(jī)器人在作業(yè)的進(jìn)程中始終保持在管道的中心位置，使得機(jī)器人在管道中行駛的時(shí)候更加平穩(wěn)。論文中的管道機(jī)器人的工作原理如下：電機(jī)通過齒輪減速機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞到輪上，然后輪子通過與管道內(nèi)壁的摩擦力來(lái)帶動(dòng)機(jī)器人向前（后）行駛。在機(jī)器人移動(dòng)的時(shí)候，前方的攝像裝置將管道內(nèi)的真實(shí)情況記錄下來(lái)并傳遞到外部的計(jì)算機(jī)，后方的毛刷機(jī)構(gòu)則由其中的電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行清理。在通過彎道時(shí)，機(jī)器人前方攝像機(jī)構(gòu)的兩個(gè)水平導(dǎo)向輪幫助機(jī)器人調(diào)整方向，在其通過彎道后，彎曲的軟管來(lái)帶動(dòng)后續(xù)機(jī)構(gòu)順利通過彎道。3.6本章小結(jié)本章從管道機(jī)器人的作業(yè)需要和技術(shù)要求出發(fā)，提出了結(jié)構(gòu)緊密、牽引力強(qiáng)、可根據(jù)工作需要來(lái)拆卸或裝配相關(guān)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過計(jì)算管道機(jī)器人所需的電機(jī)功率及轉(zhuǎn)速，選擇了合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)輪的要求轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)出了適合的齒輪減速機(jī)構(gòu)。計(jì)算出了驅(qū)動(dòng)軸的最小直徑，并根據(jù)實(shí)際需要選擇了合適的軸承，后續(xù)設(shè)計(jì)出了軸的模型圖。最后完成了對(duì)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并詳細(xì)介紹了管道機(jī)器人的工作原理和機(jī)構(gòu)特點(diǎn)。第4章主要零部件的校核

第4章主要零部件的校核4.1驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的齒輪強(qiáng)度校核當(dāng)一對(duì)齒輪處于頂端的兩對(duì)齒輪共同嚙合時(shí)，在這個(gè)時(shí)候兩對(duì)齒一起分擔(dān)載荷。雖然這個(gè)時(shí)候距離較大，但嚙合力并不大，所以齒根的應(yīng)力不是最大的。根據(jù)書籍的相關(guān)分析，當(dāng)載荷作用于一對(duì)齒嚙合時(shí)的最高點(diǎn)時(shí)，齒根產(chǎn)生的應(yīng)力最大。對(duì)此，部分文獻(xiàn)有詳盡的計(jì)算方法。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，同時(shí)又保證一定的精度，這里介紹載荷作用于齒頂，并由一對(duì)齒輪承擔(dān)時(shí)，在齒根產(chǎn)生彎曲應(yīng)力的計(jì)算方法。對(duì)于由此產(chǎn)生的誤差，用重合度系數(shù)予以修正。經(jīng)驗(yàn)表明，按照這種方法計(jì)算得到的結(jié)果偏于安全。齒輪傳動(dòng)時(shí)，往往齒根所受彎矩最大，因此齒輪強(qiáng)度校核時(shí)，需要對(duì)齒化進(jìn)行彎曲疲勞強(qiáng)度校核，由文獻(xiàn)[21]得傳動(dòng)齒輪校核公式如下：（4-1）式中—齒根彎曲強(qiáng)度；—彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的載荷系數(shù)，；—齒形系數(shù)；—載荷作用于齒頂時(shí)的應(yīng)力修正系數(shù)；—彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的重合度系數(shù)；—齒根許用彎曲強(qiáng)度。通過查閱文獻(xiàn)[23]確定以上參數(shù)值，取使用系數(shù)KA為1，動(dòng)載荷系數(shù)為1.1，齒間載荷分配系數(shù)為1.1，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度為1.2；最終確定。按照當(dāng)量齒數(shù)，經(jīng)過查文獻(xiàn)[21]中的表選取=1.55，=1.64，=2.73，=2.43，=0.81。齒寬b=6mm；齒寬系數(shù)。m=2mm；=17。上述參數(shù)帶入公式（4-1），得處兩齒輪均滿足彎曲疲勞強(qiáng)度的要求。4.2驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)軸強(qiáng)度的校核軸是機(jī)械設(shè)備中最常見的一種零件，也是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中重要的零件。各種各樣的軸，在實(shí)際工作中會(huì)遇到不同的載荷。而這些載荷所帶來(lái)的應(yīng)力是軸必須來(lái)計(jì)算的。例如，用于旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的軸就是在彎扭拒共同作用的情況下工作。旋轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度校核通常使用兩種方法：等效應(yīng)力法或疲勞安全裕度法。這些計(jì)算方法是基于材料的的破壞理論。還得要顧及到軸截面上彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的施力特性。軸的形狀和其他參數(shù)等因素對(duì)軸的壽命的影響。在第3章我們得知作用在齒輪上的力，做出軸的彎矩、扭矩圖為圖4-1。圖中各個(gè)長(zhǎng)度從左到右依次為10mm、8.5mm、16.5mm。從圖中可以看出齒輪所在的截面是需要校核的所在?，F(xiàn)將齒輪截面處的MH、MV及M的值列于表4-1。表4-1驅(qū)動(dòng)軸受力情況載荷水平面H垂直面V支反力F，，彎矩M總彎矩扭矩T按照彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度：進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面C）的強(qiáng)度。圖4-1傳動(dòng)軸彎矩、扭矩圖由文獻(xiàn)[21]得軸的計(jì)算應(yīng)力公式為：(4-2)取，帶入相關(guān)數(shù)據(jù)得軸的計(jì)算應(yīng)力為。前已選定軸材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理，查閱文獻(xiàn)[21]得，因?yàn)?3.86<70，因此軸是安全的。4.3從動(dòng)輪支撐桿的強(qiáng)度校核圖4-2從動(dòng)輪部分從動(dòng)輪部分如圖4-2所示。由圖可知，從動(dòng)輪支撐桿是受均布載荷的懸臂梁。故該桿僅受剪力和彎矩作用。因?yàn)闄C(jī)器人的重量和支撐力大部分都是由主動(dòng)輪提供的，故從動(dòng)輪收到的載荷較小，取其材料為Q235A，熱處理方式為鍛后空冷。令其受到的載荷為5N，由以上條件，針對(duì)此桿繪制其剪力、彎矩圖得。由文獻(xiàn)[24]中的剪力及彎矩計(jì)算公式得：(4-3)(4-4)式中—桿所受載荷，N；A—桿的橫截面積，mm2；M—桿所受的彎矩，N·mm；W—桿的抗彎截面系數(shù)，mm3。對(duì)上述式子分別代入相關(guān)數(shù)據(jù)得，。經(jīng)查閱文獻(xiàn)[28]得Q235A的彎曲疲勞極限和剪切疲勞極限分別為和，故支撐桿的材料強(qiáng)度足夠。圖4-3支撐桿所受剪力、彎矩圖4.4連接部分桿的強(qiáng)度校核連接部分就像是管道機(jī)器人的骨骼，它負(fù)責(zé)連接各部分，用以完成動(dòng)力的傳遞。因此對(duì)連接部分桿的強(qiáng)度校核具有很重要的意義。連接部分如圖4-4，由塑料軟管、連接桿以及連接接頭組成。易知連接桿僅受連接接頭和塑料軟管的橫向剪切力。由于機(jī)器人整體的驅(qū)動(dòng)力主要是驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行提供，故當(dāng)管道機(jī)器人后退牽引電源機(jī)構(gòu)和觀察機(jī)構(gòu)時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)前方的連接機(jī)構(gòu)受力最大。若想確切知道連接桿的強(qiáng)度是否足夠，便需對(duì)這種情況下的連接桿進(jìn)行校核。連接桿的材料為Q235A，熱處理為鍛后空冷。由圖易知桿的上下部分和中間部分受力方向不同，所以有兩個(gè)剪切面。令管道機(jī)器人電源機(jī)構(gòu)和觀察機(jī)構(gòu)重量為總重的一半，即為2.5kg。又因?yàn)闄C(jī)器人與管壁之間是滾動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)取0.3，所以連接機(jī)構(gòu)所受的載荷為7.5N。圖4-4連接部分故將=7.5N，帶入上一小節(jié)的公式（4-3）可得由上一小節(jié)可知，桿的許用剪切強(qiáng)度為170MPa，故連接桿的強(qiáng)度滿足管道機(jī)器人的要求。4.5機(jī)體的彎道通過性由于微型管道機(jī)器人在管中行走時(shí)，不但只有直行管道，也會(huì)碰到彎管。為了防止機(jī)器人在遇到彎管時(shí)因體積過大而被卡住的情況，現(xiàn)將機(jī)器人但愿你惡狗觸及管壁的情況分析如下。設(shè)機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎處觸及管壁的狀況如圖4-5：圖4-5管道機(jī)器人單元結(jié)構(gòu)觸及管壁令此時(shí)為管道機(jī)器人能順利通過彎道的臨界值。若管道的曲率半徑大于這個(gè)臨界值則機(jī)器人能順利通過，若小于次臨界值，機(jī)器人則會(huì)觸及管壁。由文獻(xiàn)[28]得機(jī)體彎道通過性公式如下：（4-5）（4-6）對(duì)于論文研究的管道機(jī)器人可知，電源機(jī)構(gòu)為最優(yōu)先計(jì)算的部分，如圖4-3，于是有：（4-7）式中r—彎道內(nèi)側(cè)曲率半徑，mm；a—機(jī)器人單節(jié)長(zhǎng)度，mm；R—彎道外側(cè)曲率半徑，mm；l—機(jī)器人截面長(zhǎng)度，mm；s—管道截面長(zhǎng)度，mm；D—管道直徑，mm；h—機(jī)器人截面高度，mm。論文所設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人電源機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)如下：a=80mm，l=64mm，D=150mm，h=60mm。由上述式子得：r=10mm。即為管道機(jī)器人可以通過的最小曲率半徑為10mm。圖4-6電源機(jī)構(gòu)尺寸簡(jiǎn)圖4.6本章小結(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件的校核能夠確保產(chǎn)品是否具有安全隱患、產(chǎn)品的使用年限、是否能夠安全作業(yè)都具有很大的指導(dǎo)意義。對(duì)主要零部件進(jìn)行校核更是如此，這是設(shè)計(jì)完成之后不可避免的一項(xiàng)工作。本章節(jié)主要對(duì)管道機(jī)器人的傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸的強(qiáng)度校核計(jì)算，以及計(jì)算機(jī)器人能順利通過曲率半徑為多少的彎道。通過這些校核確保了管道機(jī)器人的安全合理，以及能夠順利作業(yè)的最小曲率半徑的彎道。第5章經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性分析

第5章經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性分析經(jīng)濟(jì)性分析主要是對(duì)該產(chǎn)品的投入成本與產(chǎn)品收益進(jìn)行比較，來(lái)判斷產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與量產(chǎn)是否可行。實(shí)用性，是指發(fā)明創(chuàng)造的產(chǎn)品是否具有一定的積極作用，并且可以應(yīng)用到實(shí)際問題之中。進(jìn)一步判斷該產(chǎn)品是否能夠提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力甚至是核心競(jìng)爭(zhēng)力?？偠灾?，對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性分析非常必要，它能夠決定該設(shè)計(jì)產(chǎn)品是否有資格投入生產(chǎn)甚至量產(chǎn)。在本章節(jié)中將列舉市面上的微型管道機(jī)器人，介紹其特點(diǎn)及價(jià)格，并與論文中的管道機(jī)器人進(jìn)行對(duì)比分析[30]。論文研究的內(nèi)容為分段式管道機(jī)器人，而且機(jī)器人適用的管徑很小。小型管道相比大型管道在清理維修方面具有更大的難題：一個(gè)是管道內(nèi)部缺陷難以發(fā)現(xiàn)，另一個(gè)就是內(nèi)壁難以清理。論文研究的管道機(jī)器人剛好可以同時(shí)解決這兩個(gè)問題，而且由于分段式的結(jié)構(gòu)，機(jī)器人整體可以另外增加其他結(jié)構(gòu)以滿足實(shí)際需要，相比市面上的一體化的管道機(jī)器人更具有實(shí)用性。論文研究的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多個(gè)部分采用的零件均為同一種類型，因此零件的加工也較為方便保守估計(jì)機(jī)器人的價(jià)格為8萬(wàn)人民幣左右。圖5-1SINGA100管道機(jī)器人如圖為市面上出售的SINGA100管道機(jī)器人，其特征如下：SINGA100為微型管道檢機(jī)器人，可以工作在直徑為100~600毫米的管道之中。它的整體所占空間較小、質(zhì)量也并不大、移動(dòng)機(jī)構(gòu)十分靈活，可以精細(xì)調(diào)整它的移動(dòng)速度等特點(diǎn)。這款設(shè)備主要使用在空間較小、人員進(jìn)入困難的場(chǎng)所。對(duì)比分析：此機(jī)器人采用外部電纜供電，雖然可以保證機(jī)器人電力供應(yīng)足夠，但是也同時(shí)為機(jī)器人增加了拖動(dòng)電纜的負(fù)擔(dān)，就需要選擇更大功率的電機(jī)。此機(jī)器人功能單一，執(zhí)行機(jī)構(gòu)僅為前方的攝像裝置，相比之下，論文中的管道機(jī)器人在管道中偵察的同時(shí)還能對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行清理，可謂一舉兩得。這款管道機(jī)器人作業(yè)時(shí)外部都需要放置有電纜收放裝置，總體上來(lái)說(shuō)體積和重量都比論文中的管道機(jī)器人大太多。目前這種類型的機(jī)器人在市面上的售價(jià)為15-20萬(wàn)人民幣，而論文中的管道機(jī)器人價(jià)格在為8萬(wàn)人民幣左右。從經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性兩方面來(lái)說(shuō)都是論文中的管道機(jī)器人更有優(yōu)勢(shì)?？偨Y(jié)

總結(jié)管道機(jī)器人作為探查、維修管道的主力軍，在近年來(lái)隨著探查管道環(huán)境的不同，各種各樣擔(dān)當(dāng)不同工作任務(wù)的管道機(jī)器人也就衍生了出來(lái)。雖然管道機(jī)器人的行走方式增多了，但是主流的行走方式還是輪式機(jī)構(gòu)，這主要是因?yàn)檩喪綑C(jī)構(gòu)適應(yīng)性廣、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)役的管道機(jī)器人功能都較為單一，很難做到“一機(jī)多用”，這樣就導(dǎo)致管道機(jī)器人的實(shí)用性不強(qiáng)，而且有的管道機(jī)器人由于體型較大或控制繁瑣導(dǎo)致彎道通過性差[30]。為了解決上述問題，本文提出并設(shè)計(jì)了一款行駛靈活、可根據(jù)作業(yè)要求及負(fù)載大小自由拆卸部分結(jié)構(gòu)的分段式管道機(jī)器人，主要內(nèi)容如下：（1）分析了現(xiàn)役管道存在的缺陷難定位、管道內(nèi)壁難清理等問題，由于人工定位與清理工作太過于繁瑣，而且存在效率不高、有檢測(cè)盲區(qū)、工作環(huán)境不安全等缺點(diǎn)，于是管道機(jī)器人便應(yīng)運(yùn)而生。但由于國(guó)外先發(fā)展起此技術(shù)，因此國(guó)內(nèi)的技術(shù)相比之下就較為落后，現(xiàn)在市面上的管道機(jī)器人價(jià)格高昂，實(shí)用性、性價(jià)比都不高，因此設(shè)計(jì)出一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的管道機(jī)器人就很有必要性。（2）說(shuō)明了題目中對(duì)于管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，然后分別列舉了幾種不同的管道機(jī)器人的行走方式、管道檢測(cè)方式、電力供給方式、驅(qū)動(dòng)方式等方案，最終出于考慮管道機(jī)器人的靈活性、可操作性、負(fù)載偏小、體積小等特點(diǎn)，選擇輪式行走、視頻檢測(cè)、攜帶能源裝置、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的分段式管道機(jī)器人。（3）將管道機(jī)器人整體分模塊化設(shè)計(jì)，分別介紹了管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)部分、電源部分、以及執(zhí)行部分的結(jié)構(gòu)組成，以及具體的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。通過計(jì)算，選出了合適的電機(jī)以及正確的齒輪減速機(jī)構(gòu)，并確定了關(guān)鍵軸的直徑及材料。（4）對(duì)關(guān)鍵軸以及齒輪傳動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)果均可以滿足工作要求。對(duì)管道機(jī)器人的彎道通過性進(jìn)行計(jì)算分析，得出了管道機(jī)器人可以順利通過彎道的最小曲率半徑。（5）對(duì)論文中的管道機(jī)器人進(jìn)行經(jīng)濟(jì)與實(shí)用性分析，并與市面上一款管道機(jī)器人進(jìn)行對(duì)比，得出論文中的管道機(jī)器人具有良好的經(jīng)濟(jì)與實(shí)用性。管道機(jī)器人是一個(gè)很多人都心之向往的領(lǐng)域，涉及到了許多的學(xué)科。短短幾個(gè)月的時(shí)間要設(shè)計(jì)出一款完美的管道機(jī)器人確實(shí)不太現(xiàn)實(shí)，論文中的管道機(jī)器人一樣也存在有諸多缺陷，所以筆者將缺陷陳述如下：（1）此管道機(jī)器人適應(yīng)的管徑范圍較小，不能自動(dòng)調(diào)節(jié)支撐臂的長(zhǎng)度；（2）機(jī)器人若要運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間，則需要攜帶足夠的電池，這就使得機(jī)器人的負(fù)載加重，對(duì)機(jī)器人的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響；（3）管道機(jī)器人只能在單一方向的管道內(nèi)作業(yè)，并不能適應(yīng)分叉式連接管道。為了使設(shè)計(jì)的機(jī)器人更加完美，可以更早地應(yīng)用于實(shí)際生活中，作者對(duì)以后的工作展望如下：（1）在管道機(jī)器人的前方安裝定位傳感器，以更好地定位管道內(nèi)壁的缺陷位置；（2）在管道機(jī)器人外部添加支撐式結(jié)構(gòu)，使得機(jī)器人不但能工作在水平管道之中，更可以攀爬豎直的管道；（3）論文中管道機(jī)器人不但要工作在干燥的管道之中，還可能會(huì)遇到積水、有電子輻射等工作環(huán)境。接下來(lái)需要對(duì)上述提到的特殊環(huán)境做出防范措施。參考文獻(xiàn)

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