管道机器人总体方案设计机械类的.doc

1、摘 要管道运输在我国运用比较普遍，管道长期处于压力大的恶劣环境中，受到水、油混合物、硫化氢等有害气体的腐蚀。这些管道受蚀后，管壁变薄，容易产生裂缝，造成漏油的问题，存在重大安全生产隐患和济济损失。因此研究工程应用中的管道机器人具有很高的实用价值和学术价值。根据这些问题，我们设计一种新的行走机构并分析了其总体机械结构。本文进一步介绍了当前国内外的管道机器人的发展现状并提出了一种新的管内行走机构。它利用一个电机同时驱动均布在机架上并与管内壁用弹簧力相封闭的六个行进轮，从而实现了可以轴向直进全驱动的管内行走。接着本论文重点对直进轮式管道机器人的运动机理和运动特征进行了分析和介绍。根据管道机器人的设计

2、要求选择电机，介绍了电机选择过程，对其中关键的机械部件如蜗轮蜗杆传动部件、齿轮等进行了设计。该机器人具有较大的承载能力，可以在较高的速度下实现连续移动，由于该机构采用弹性装置支撑，所以该机构的管径适应性增大，是一种具有实用价值的移动机构形式。关键词：管道机器人；行走机构；弹性装置AbstractIn our country, pipeline transportation is very universal, and pipeline is in high pressure circumstance. Because pipes are corroded by the water, the o

3、il mixture, the hydrogen sulfide, the noxious gas corrosion and so on. When these pipelines were corroded, their walls would become thin and result in cracks and oil leak, there is safety incipient fault in production and economic loss. So the key technology and further research development trend of

4、 in-pipe robot are discussed. According to these problems, we designed a new mobile mechanism and analyzed its machine structure. In this paper, the current states of in-pipe robot are described and a new type of mobile robot mechanism moving in pipe is presented. It uses two motor to drive six whee

5、ls which distribute symmetrically on the robot body and a wheels are pushed on the wall of pipe by spring force，so that the six driving wheels move along the axis of pipe. This kind of mobile robot mechanism has high efficiency，simple structure and easy to manufacture and to mount.Then the papers fo

6、cus on direct pipeline into the wheeled robots movement and the movement of an analysis and presentation. According to the pipeline robot design requirements choose Motors, introduced the motor selection process, of which the key mechanical components such as worm transmission parts, such as a gear

7、design. The robot with the larger carrying capacity, can achieve higher speeds for mobile, as the agencies adopt a flexible device support, the agency increased the diameter of adaptability, is a kind of practical value in the form of body movement.Keywords: In-pipe Robot; Mobile mechanism; Flexible

8、 device目 录摘要IAbstractII1绪论11.1本课题的研究目的和意义11.2国内外管道机器人的发展状况21.3国内外管道机器人的发展趋势81.4论文的研究内容102管道机器人总体方案设计112.1实现管内行走的几种典型机构112.1.1螺旋轮式112.1.2蠕动式122.1.3直进轮式132.2直进轮式全主动管内机器人的运动机理173管道机器人的移动机构分析与设计183.1管道机器人管内行走的基本条件183.2直进轮式移动机构分析193.2.1轮式移动机构的原理193.2.2轮式移动机构的特点193.3直进轮式移动机构的运动分析213.3.1运动自由度分析213.3.2运动速度分

9、析213.4移动机构的受力分析233.4.1受力分析时的一些假设条件233.4.2移动机构前进时的受力分析243.5直进轮式移动机构设计计算273.5.1直流电机的选择273.5.2传动部位的设计计算293.5.3机架的设计313.5.4标准件选择313.5.5拉伸弹簧的设计323.6管道机器人在管道中运动通过性分析323.6.1曲率半径大小的影响323.6.2微型管道机器人适用的管道口径334直进轮式管道机器人实体建模344.1Solidworks软件简介344.2关键零部件的实体建模过程354.3主要部位的连接364.4装配图的实现375总结38参考文献40致谢41附录4255 1 绪 论

10、管道作为一种有效的物料输送手段，在一般工业、核设施、石油天然气、军事装备等领域中都得到广泛的应用，本题目要求设计一个结构紧凑的管道内行走装置，提高驱动效率。本次设计重点在于设计一个直径轮式驱动装置，要求此驱动装置简便，拖动效率高且适应性好。1.1 课题的研究目的和意义深邃的大海中埋藏着长长的海底管道，用来传送石油、天然气。而一旦出现缺陷，不仅会造成能源浪费，还严重污染海洋环境。如何精确检测海底管道，防患于未然。我国海底管道铺设时间普遍较长，有30、40年之久,石油管道长期处于压力大、温度高的恶劣环境中，不仅受到水、油混合物的浸蚀，而且还受到硫化氢等有害气体的腐蚀,部分管段管壁变薄，强度变低，出

11、现裂缝导致石油泄漏等故障,存在重大安全生产隐患。一般情况下，管道所处的环境往往是人们不易或不能直接接触的。因此，对于管道的检测和维护，成了工业生产中的一道难题。由此产生了管道机器人并且受到了国际各方面的广泛关注。管道机器人是一种可在管道内、外行走的机电一体化装置,它可以携带1种或多种传感器及操作装置(如CCD摄像机位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道接口焊接装置、防腐喷涂装置等操作装置),在操作人员的远距离控制下进行一系列的管道检测维修作业。一个完整的管道机器人系统应由移动载体(行走机构)、管道内部环境识别检测系统(操作系统)、信号传递和动力传输系统及控制系统组成。其中

12、移动载体和管道内部环境识别检测系统是管道机器人系统的核心部分。本次设计重点在于设计一个直径轮式驱动装置，要求此驱动装置简便，拖动效率高且适应性好。最近20年来，国内外对管道机器人驱动装置进行了较为深入和广泛的研究，设计出多种移动装置。根据移动载体和驱动原理的不同，可以分为全驱动直进式、螺旋驱动式、电磁驱动式、压电驱动式，以及履带式等。目前管道检测机器人只能对某种特定内径的管道检测。本人在分析现有管道检测机器人的基础上，进行了管道检测机器人驱动机构的研究。该检测机器人基于直进轮式驱动原理，采用可调整三轮驱动结构，以适应一定管径的变化。11.2 国内外管道检测技术的研究现状在工业、核工业、石油天然

13、气等领域中，管道作为一种有效的物料输送手段而得到广泛应用，为了提高管道寿命，防止泄漏等事故的发生，管道机器人作为满足高效准确的故障诊断、检测及维修的手段应运而生，其广泛地应用于管道的探伤、补口、维修、焊接等诸多领域。而管道中又存在着直径大小不等的细小管道，针对这种细小工业管道检测作业的研究，成为人们关注的一个热点，因其管径太小，不可能用常规的机构、元器件和加工方法制作，而要用密集的、集成度方面比过去高得多的元器件，针对微小型特点的制作方法去实现，这种技术在日本称为Micro Machine。近年来，由于微机械的出现，这种基于IC工艺和精密加工工艺发展起来的新技术，具有尺寸小、集成度高、功能独特

14、等特点，潜在应用价值较大，也为细小管道微机械的开发铺平了道路，引起世界各国重视。轮式驱动因在直管中具有效率高、运动平稳等特点而成为管道机器人的主要驱动方式。2但轮式驱动方式在遇到弯管或不规则管等情况时会发生运动干涉问题，严重限制了轮式管道机器人的应用。现有的解决办法是采用多个电机独立驱动，然而这种方法的实时性和柔顺性还不够理想，并且由于多个电机占据了大部分空间，而限制了轮式管道机器人在中小型管道中的应用。3下面介绍一下几种国内外的发明与探索。从20世纪5 0年代起,为满足长距离管道运输、检测的需要,美、英、法等国相继展开了管道机器人的研究,其最初成果就是一种无动力的管内检测设备,一般译名称“管

15、道猪”(Pipe Pig)4。该设备依靠其首尾两端管内流体形成的压力为驱动力,随着管内流体的流动向前运动。它是一种被动的无自主动力的检测设备,依靠外力的作用而实现在管道中移动。随着计算机、传感器、控制理论及技术的发展,近些年来,人们开始研究采用具有自主动力的机器人来进行管道检测。这种管道机器人能在管道中自主行走,可以准确接近管道的故障截面,获得故障状况的可靠信息,精确到达操作位置。经过分析与研究发现，直进轮式管道机器人主要有两种驱动方式：单电机驱动和多电机独立驱动。单电机驱动是由一个电机通过蜗杆传动机构或锥齿轮传动机构将动力传递给圆周均布的驱动轮，驱动机器人前进。3由于这种驱动方法是刚性传动，

16、使机器人在通过不规则管道时发生运动干涉，导致机器人工作效率下降，加速磨损，降低使用寿命。针对这个问题，人们提出多电机独立驱动，利用传感器采集管道参数，由控制系统进行分析和计算，再分别驱动多个电机来实现管道机器人对管道环境的适应。由于管道环境复杂，环境信息采集和处理困难，致使多电机驱动的机器人控制系统复杂且稳定性较差，实时性和柔顺性不够理想，并不能完全解决直进轮式管道机器人通过不规则管道时发生运动干涉的问题。下面为部分最新的科研成果。1.2.1 机械自适应管道机器人3为了使机械自适应管道机器人驱动单元有较大的负载能力、均匀的速度、较强的管道环境适应能力，通过对目前管道机器人结构特点进行分析比较，

17、 来自哈尔滨工业大学和北京大学的唐德威、梁涛、姜生元、邓宗全、于伟真等人设计了一种具有管道自适应能力、单电机驱动的直进轮式管道机器人驱动系统，其原理图1.1所示。该机器人驱动系统由控制单元、行走单元、中央差速单元及预紧变径单元组成。1-预紧变径单元 2-行走单元 3-同步带 4-驱动轮 5-管壁 6-控制单元 7-中央差速单元 8-离合器 图1.1 机械自适应管道机器人原理图1.2.2 机械自适应管道机器人工作原理如下：(1)电机输出的动力经由离合器，通过控制单元控制，可分别传递到预紧变径单元和中央差速单元。(2)中央差速单元根据管道环境条件进行自动差速分配，再通过行走单元传递到各驱动轮，驱动

18、机器人本体向前或向后移动。(3)预紧变径单元中装有压力传感器，控制单元通过该传感器测量预紧力，当预紧力超过系统设定值时，控制离合器改变动力传递方向至预紧变径单元，调节预紧力大小直至满足系统设定要求。1.2.3 机械自适应管道机器人的特点机械自适应管道机器人最大的特点就是具有机械自适应能力，利用机械方法，解决了直进轮式管道机器人遇到弯管或不规则管时发生运动干涉的问题；同时，系统中采用圆周三点、前后两排轮的支撑和驱动方式，大大提高了管道机器人的负载能力与越障能力。该机器人的前后两组支撑中的三个行走轮都是沿径向均匀分布的，而前后两部分都是沿轴向对称的，支撑点共六个，满足形封闭条件。当移动机构行走时，

19、三个轮子呈径向均匀分布，可以实现自定心要求。在支撑装置的作用下，行走轮被紧紧压在管道内壁上，具有较强的适应性。机构设计中利用对称性，抵消了机器人在运动过程中不平衡力偶的干扰，使所有的力集中到电机运转轴线所在的竖直平面上。同时，在通过电机轴线的竖直平面上保证机器人的重心与电机运转轴心之间保持适当的距离，保证了整个机器人运行过程中的平稳性。（1）直进轮式微型管道机器人为了使管内移动机构具有较大的负载能力，较高和均匀的速度，适应一定曲率的弯管和适应一定的管径变化， 北京石油化工学院机械工程系的田海晏、薛龙和北京化工大学的孙章军在分析目前微型管道机器人结构特点的基础上，设计了蜗轮蜗杆和齿轮组啮合、单电

20、机驱动的直进轮式微型管道检测机器人系统。该机器人系统由直进轮式移动机构、CCD摄像头和监视器组成。机器人移动机构包括驱动体、微电机系统和支撑体3部分，驱动体部分通过连接体将直流伺服电机与蜗轮蜗杆副连接，驱动轮通过支撑体部分保证在驱动过程中有足够的摩擦力。1.微型管道机器人的运动机理微型管道机器人采用了有缆驱动的驱动方式，其运动机理由车轮沿径向呈三等分均布，它们分别在扭簧的作用下被支撑在管道的内壁上。由于结构对称，此处只对其中一个车轮机构做详述分析。其机构简图如图1.1所示。电机带动蜗杆、蜗轮和三个齿轮运动，最后车轮通过作用于管道内壁的正压力而产生的摩擦力使得机器人沿管道内壁直线向前或向后移动，

21、成为微型机器人的主驱动系统。而尾部为对称分布的三个柔性从动拖轮，用以支撑平衡电机，维持机器人系统在管道中平衡运动。2.微型管道机器人的移动机构的特点机器人的移动机构具有结构紧凑和较大的负载能力，满足管道内行走的基本条件。移动机构的前后两组支撑中，三个车轮都是沿径向均匀分布的，而前后两部分都是沿轴向对称的，支撑点共六个，因此满足形封闭条件。当移动机构行走时，三个轮子呈径向均匀分布，三点确定一个平面，三点始终在一个圆柱面上，因此可以实现自定心，在支撑装置的作用下，驱动轮被紧紧压在管道内壁上，具有较强的适应性。整个系统由于利用了对称性，抵消了机器人在运动过程中各方面不平衡力偶的干扰，从而使所有的力集

22、中到电机运转轴线上所在的竖直平面上，同时，又在通过电机轴线的竖直平面上保证机器人的重心与电机运转轴心之间适当的距离，从而保证了整个机器人运行过程中的平稳性。分析了直进轮式微型管道机器人的运动机理和运动特征，对其机构设计进行了分析和介绍。对其中关键的机械部件如蜗轮蜗杆传动部件、弹簧等进行了设计计算。该机器人具有较大的承载能力，可以在较高的速度下实现连续移动，由于该机构的驱动体部分采用弹性装置来支撑，所以该机构的管径适应性增大，是一种具有实用价值的移动机构形式。该移动机构具有结构紧凑，驱动效率高，安装方便，工作可靠，成本较低的特点。（2）直进轮式全驱动管内行走机构的研究1.机构的原理如图1.2所示

23、，轮l在机构的前后3等份均布，分别在弹簧2的拉力作用下使之压在管内壁上，电机3通过蜗杆4与蜗轮5等轮系驱动前后6个轮向同一方向转动，弹簧封闭力的大小可以通过齿轮6至7及对称3等份均布的3个齿轮8来调螺纹的伸出及缩小来调整。这样便产生驱动力驱动管内行走机构沿轴向前进或后退。图1.2 机构的原理图2.机构设计的要点蜗轮蜗杆行星驱动系统：由于前后各3个均布的驱动轮，那么与电机相联的前后每个蜗杆必须同时驱动3个蜗轮，由于通过蜗轮及若干个齿轮传至驱动轮而且这些齿轮及驱动轮必须能够绕蜗轮中心回转，这里应注意这个轮系的相互干涉问题由于3个蜗轮同时与一个蜗杆啮合并联传动，结构新颖，传动效率也高。机构直进性好：

24、电机力矩由蜗杆传至蜗轮，蜗轮回转轴与机壳相联结。而电机也与机壳相联，电机传出的转动力矩完全由机壳内平衡，这样驱动轮与管内壁之间只有前进的驱动力，不会产生机器人边走边旋转的力矩，确保机器人的轴向移动特性。弹簧自定心作用：弹簧力的大小要考虑行走轮与管壁之间要有足够的正压力，使电机能够有较大的功率输出，使行走机构拖动力最大;同时，还要考虑保证机器人能够在弹簧力的作用下不会因其重力作用而明显地偏离管道中心。由于弹簧机械性能及参数变化该机构设计上有调正环节，以使3个弹簧拉力基本平衡自定心。当机器人放入管内后，弹簧力的大小仍可由外面的轴杆来调节。实验分析：通过实验和理论分析，该种形式管内行走机构结构紧凑，

25、拖动能力大，特别适用于直管内拖动，是一种理想的管内行走机器人载体。可以进行工业的应用和推广。1.3 国内外管道作业机器人的发展趋势管道检测微型机器人是国家863计划微型机电系统（MEMS）预先启动项目指南（B）应用系统技术支持的项目之一，面向化工、制冷、电站等行业存在的众多细小管道。主要研究内容包括：（1）驱动和控制技术研究；（2）无损检测微型传感器研究；（3）系统集成技术研究。主要参考技术指标为：适应管径20mm；水平管道内移动速度14mm/s，垂直管道内移动速度10mm/s；携带微型CCD或其他探伤传感器，能可靠地进行无损探伤。目前，国内研究管道机器人有代表性的单位有清华大学特种机器人研究

26、小组、哈尔滨工业大学机器人研究所、上海大学机械电子工程学院和精密机械研究所、上海交通大学信息检测技术及仪器系、天津大学机械工程系、太原理工大学和国防科技大学等。国外细小管道机器人的研究方面，日本、美国、德国等发达国家已走在世界的前列，其中以日本最为活跃。德国西门子公司研制出仿蜘蛛的爬管微机器人，这类机器人有4、6、8只脚三种类型，可在各种类型的管内移动,其运动原理是利用腿推压管壁来获得驱动力，多腿可以很方便地在各种形状的管道内移动作业，但其控制较复杂。法国HYTEC公司设计生产的核工业用管道检测机器人具有抗高温、抗腐蚀、抗辐射的优良性能，最小可在20mm的管道内进行检测与维修。加拿大制造的管道

27、爬行机器人携带CCD摄像机，应用于热电厂、核电厂、水电厂、石油化工等管道的检测，三足竖管爬行器可以在垂直的管道爬行检测，增加二级三足爬行器，可以由垂直管转弯爬行到水平管道中。美国一公司研制的智能爬行器系列Mag Steer是一个智能爬行系统，它能出色的检测有保温层或无保温层或无保温层管道内部及外部缺陷。通过计算机远程控制，爬行器可以自动爬行在有保温层或无保温层的管道上。Mag Steer可以装配橡胶轮子来检测有保温层或非磁性材料的管道，也可以装配强磁性的轮子检测无保温层的管道。1.4 论文的主要内容(1)方案的确定：考虑课题所要求的变径需要，拟订几个可行的变径方案，并对每个方案进行可行性分析。

28、最终，经过方案比较和各方面的综合考虑，确定最佳方案。(2) 机械结构的设计：根据所确定的方案原理和管道检测机器人在石油管道中的工作情况，如：要克服5mm高的凸起、凹坑，要通过拐弯半径为R933mm的弯道，还要保证超声传感器的探头探测范围覆盖内径为297mm的管道环面等，设计出能够满足实际要求的机械结构形式和各个零件的具体尺寸，并绘制出变径装置的零件图、装配图。(3)结构优化分析：根据管道检测机器人在石油管道中的工作情况，如在5mm高的凸起、凹坑处以及在拐弯半径为R933mm的弯道处，对设计出来的机械装置进行受力分析，优化部分结构参数，从而使超声检测装置既能正常工作，又能不大幅度增加对爬行器的负

29、载。(4)、基本尺寸的确定，使机构满足一定的几何限制条件，如：使机构能越过凸起和凹坑，能够顺利通过弯道而不会卡住。(5)绘制出变径装置的零件图和装配图，并最终用solidworks终绘制出该装置的三维实体模型。2 直进轮式全主动管内机器人的总体方案计2.1 机器人管内运动方式对比分析2.1.1 蠕动式蠕动式驱动是基于仿生学原理，参考蚯蚓、毛虫等生物的运动而实现的。首先，尾部支撑，身体伸长带动头部向前运动；然后，头部支撑，身体收缩带动尾部向前运动，如此循环实现机器人的行走。蠕动式驱动的优点在于可适用管径及曲率的变化。但是，蠕动式机构运动是间歇式的，速度波动大，不容易实现和传感器的集成。实现蠕动的

30、方法复杂，附带的元件多，如气动蠕动，就需要外接多根导气管。1988年,Ikuta等引用蚯蚓运动的原理开发出了蠕动机器人,后来随着蠕动机器人技术的不断完善,其开始向大型化发展,目前已可在200300 mm的管道内应用。蠕动式管道机器人主要由蠕动部分、头部、尾部组成，如图2.1所示。前部和尾部支撑分别装有超越离合锁死装置，实现单向运动自锁。中间蠕动部分提供机器人运动的动力。对于蠕动动力机构,目前有很多实现形式，如上海大学利用气压伸缩驱动；上海交通大学利用形状记忆合金伸缩驱动;昆明理工大学利用电磁吸合驱动。下面以电磁驱动的蠕动式管道机器人为例,分析蠕动式管道机器人的运动机理。蠕动式管道机器人的运动原

31、理如图2.1所示,一个动作循环分为3个步骤:(1)当初始状态时,电磁铁失电,弹簧处于自由状态,故头部与尾部分离;(2)当电磁铁通电时,磁铁与线圈吸合,安装在头部上的超越单向行走方式使头部原位不动,尾部由于电磁吸力的作用向前移动;(3)断开电源,电磁力作用消失，弹簧促使磁铁与线圈分开,安装在尾部上的超越单向行走方式使尾部原位不动,头部由于弹簧力的作用向前移动。至此,机器人回到了初始状态,机器人前进了一步。蠕动机器人优点是可在细小的微型管道中行走,但由于速度的间断性和缓慢性阻碍了它的发展。图2.1 蠕动机器人的运动原理2.1.2 轮式目前,轮式管道机器人是实际工程中应用最多的一种。轮式管内移动机器

32、人行走的基本原理是驱动轮靠弹簧力、液压、气动力,磁性力等压紧在管道内壁上以支承机器人本体并产生一定的正压力,由驱动轮与管壁之间的附着力产生机器人前后行走的驱动力,以实现机器人的移动。轮式管道机器人的行走方式有2种：(1)如果驱动轮轴线与管道轴线垂直,驱动轮沿管道母线滚动,机器人在管内做平移运动,此为轮式直进式管内移动机器人,它的优点是机器人行走时,不产生姿态旋转。下面以上海交通大学研制的轮式管道机器人(图2.2)为例说明其工作原理。驱动电机通过轴驱动与之相连接的蜗杆,蜗杆驱动沿圆周方向成120均匀分布的3个蜗轮,蜗轮又通过链轮和链条带动机器人本体的车轮转动,实现机器人本体在管道内的前进或后退。

33、车轮与管道壁面之间的正压力由调节部分提供,调节电机驱动滚珠丝杠转动,丝杠螺母将在丝杠上来回轴向移动,并带动推杆通过铰链使摇杆转动,从而实现预紧力的调节。1-蜗杆 2-驱动电机 3-驱动电机安装座 4-调整电机 5-铰链 6-推杆 7-丝杠螺母 8-丝杠 9-蜗杆 10-蜗轮 11-链条 12-车轮图2.2 驱动机构原理图(2)如果驱动轮轴线不与管道轴线垂直,驱动轮实际上沿着管道中某一螺旋线行走,机器人在管中一边向前移动,一边绕管道轴线转动。螺旋运动沿管轴上的速度分量即为机器人本体的移动速度,降低速度来提高驱动力,其行走机理如图2.3所示,它由驱动电机、旋转体和支撑体组成。3组驱动轮均匀分布于旋

34、转体上,且与管壁呈一定的倾斜角.随着电机的转动,驱动电机带动旋转体转动,使驱动轮沿管壁作螺旋运动,保持机构沿管道中心轴线移动。改变施加于电机的电流极性,可改变机器人的移动方向,从而使机器人在管内进退自如。图2.3 螺旋行走方式的管内机器人上述2种轮式管道机器人的主要难点是机器人的能源供应问题。2.2 直进轮式管内机器人的运动机理2.2.1 机构的原理如图所示，轮l在机构的前后3等份均布，分别在弹簧2的拉力作用下使之压在管内壁上，电机3通过蜗杆4与蜗轮5等轮系驱动前后6个轮向同一方向转动，弹簧封闭力的大小可以通过齿轮6至7及对称3等份均布的3个齿轮8来调螺纹的伸出及缩小来调整。这样便产生驱动力驱

35、动管内行走机构沿轴向前进或后退。图2.4 机构的原理图2.2.2 机构设计要点（1）蜗杆蜗轮行星驱动系统由于前后各3个均布的驱动轮，那么与电机相联的前后每个蜗杆必须同时驱动3个蜗轮，由于通过蜗轮及若干个齿轮传至驱动轮而且这些齿轮及驱动轮必须能够绕蜗轮中心回转，这里应注意这个轮系的相互干涉问题由于3个蜗轮同时与一个蜗杆啮合并联传动，结构新颖，传动效率也高。（2）机构直进性好电机力矩由蜗杆传至蜗轮，蜗轮回转轴与机壳相联结。而电机也与机壳相联，电机传出的转动力矩完全由机壳内平衡，这样驱动轮与管内壁之间只有前进的驱动力，不会产生机器人边走边旋转的力矩，确保机器人的轴向移动特性。（3）弹簧自定心作用弹簧

36、力的大小要考虑行走轮与管壁之间要有足够的正压力，使电机能够有较大的功率输出，使行走机构拖动力最大;同时，还要考虑保证机器人能够在弹簧力的作用下不会因其重力作用而明显地偏离管道中心。由于弹簧机械性能及参数变化该机构设计上有调正环节，以使3个弹簧拉力基本平衡自定心。当机器人放入管内后，弹簧力的大小仍可由外面的轴杆来调节。通过理论分析与比较，直进轮式管内行走机构结构紧凑，拖动能力大，特别适用于直管内拖动，是一种理想的管内行走机器人载体。可以进行工业的应用和推广。3 管道机器人移动机构的分析与设计3.1 管道机器人管内行走的基本条件受管道形状、管内空间的影响，一般管道机器人欲在管内平稳、可靠的启停、行

37、走，必须满足以下几个基本条件：（1）形封闭：机器人在管道中工作时，为了能够保持一定的姿态，不出现倾覆、扭转等现象，这就要求管道对机器人施加的一个封闭的形状约束。（2）力封闭：移动机构在行走过程中，应具备支撑在管道内壁上而不失稳的能力，即机器人的支撑机构受到管道的径向支反力而组成的一个封闭力多边形。从形封闭和力封闭的角度来分析，行走机构至少需要三个对称支撑点，一般为了提高姿态的稳定性，可以采用更多的支撑点。（3）驱动行走：指行走机构具有主动驱使机构。结合本课题实际情况，同时还要满足以下几个条件：（1）结构简单；（2）在满足检测和维修效率的前提下，微机器人应具有一定的运动速度；（3）机器人在行走过

38、程中应保持姿态稳定，有利于检测装置作业；（4）机器人在管道内部可以实现水平方向前进后退，竖直方向上升和下降运动，以使对管道进行全方位作业，具有快速检测和局部精检测功能；（5）考虑搭载检测装置的需要，微机器人应具有一定的负载能力；（6）机器人驱动方式应容易实现。3.2 直进轮式移动机构分析3.2.1 轮式移动机构的原理该微型管道机器人采用了有缆驱动的驱动方式，其运动机理由车轮沿径向呈三等分均布，它们分别在拉簧的作用下被支撑在管道的内壁上。由于结构对称，此处只对其中一个车轮机构做详述分析。其机构简图如图3-1所示:1为拉簧；2为车轮；3为末端齿轮；4为摆臂；5为中间齿轮；6为蜗轮；7为齿轮轴齿轮；

39、8为蜗杆。电机带动蜗杆、蜗轮和三个齿轮运动，最后车轮通过作用于管道内壁的正压力而产生的摩擦力使得机器人沿管道内壁直线向前或向后移动，成为微型机器人的主驱动系统。而尾部为对称分布的三个柔性从动拖轮，用以支撑平衡电机，维持机器人系统在管道中平衡运动。该机器人的移动机构具有结构紧凑和较大的负载能力。图3.1 轮式移动机构的特点3.2.2 蜗杆蜗轮驱动原理分析图3-1中的移动机构，电机输出带动蜗杆(8)转动，尔后传递到蜗轮(6)，蜗轮通过与其固定在同一轴上的齿轮(7)带动齿轮(5)转动，齿轮(5)又带动齿轮(3)转动，齿轮(3)与车轮固定在同一轴上，最后车轮通过作用于管道内壁的正压力而产生的摩擦力使得

40、机器人沿管道内壁直线向前或向后移动，成为微型机器人的主驱动系统。这种机构的最大特点是设计简单、结构紧凑而且具有较大的负载能力。该移动机构满足管道内行走的基本条件。3.2.3 形封闭移动机构的前后两部分车轮的每一部分中，三个车轮机构都是沿径向均匀分布的(沿电机轴向看如图3-2所示)。而前后两部分都是沿轴向对称的，支撑点共有六个，因此满足形封闭条件。图3.2 移动机构的轴向视图3.2.4 力封闭和自定心的实现同样如图3-2所示，当移动机构行走时，三个轮子呈径向均匀分布，三点确定一个平面，三点始终在同一个圆柱面上，因此可以实现自定心，在支撑装置的作用下，驱动轮被紧紧压在管道内壁上，具有较强的适应性。

41、整个系统由于利用了对称性，抵消了机器人在运动过程中各方面不平衡力偶的干扰，从而使所有的力集中到电机运转轴线所在的竖直平面上，同时，又在通过电机轴线的竖直平面上保证机器人的重心与电机运转轴心之间适当的距离，从而保证了整个机器人运行过程中的平稳性。3.3 直进轮式移动机构的运动分析从上面的分析可知，整个移动机构是依靠电机驱动，驱动轮紧紧压着管壁，驱动轮转动时与管壁之间产生纯滚动，依靠管壁对驱动轮的摩擦力作用而实现行走的，因此，机器人在管道内部的前进、后退、启停、加减速等动作只需控制电机的正反转、启停和调整电机电压大小来实现。3.3.1 运动自由度分析移动机构自由度的设计与其要完成的任务是相关的，往

42、往采用完成任务时所需的最小自由度数。本设计任务中对移动机构的自由度要求是能够在管道的约束下沿管道的轴线方向移动，且不能作沿管道轴心线的旋转运动，即只要求是一个单自由度移动机构。由上一节的分析可知，在所设计的双电机驱动直进式移动机构中，电机壳体与机架固连，电机座的反力在电机内部被平衡掉，驱动轮仅受平面力系的作用，只能作沿轴线方向的运动而不会产生沿管道轴心线的转动，即整个移动机构是一个单自由度移动机构。3.3.2 运动速度的分析如图所示，假设驱动轮和管壁之间是纯滚动，n1、n2、n3、n4、n5、n6代表电机轴转速、蜗杆轴、蜗轮、与蜗轮固定连接在同一轴的齿轮、中间齿轮、末端齿轮、车轮的转速，电机所

43、带的减速箱的减速比是i1。图3.3 移动机构速度分析图根据电机轴与减速箱的传动关系可得减速箱输出轴即蜗杆轴转速为: (3-1)又根据蜗轮蜗杆传动关系可得蜗轮蜗杆传动比为齿数比倒数，且与转速成反比： (3-2)由于与蜗轮同心固定连在一起的齿轮具有相同的转速，所以n2=n3。又因为三个齿轮的齿数相等，所以n3=n4=n5。同样，末端齿轮与车轮同心固定在同一轴上，从上面的分析可以得出，n5=n6。最后综合(3-l)、(3-2)式，可得到机器人移动机构沿管道内壁直线运动时的线速度： (3-3)上面各式中：z表示杆蜗轮传动减速比；z1、z2分别表示蜗杆、蜗轮的齿数；i1、i2分别代表减速箱和蜗杆蜗轮的传

44、动比；r6代表车轮半径；v代表移动机构的移动速度；由式可知，当机构的参数确定后，可以通过改变电机的输出转速来调整整个移动机构的移动速度，一般情况下，电机的输出转速与加在电机上的电压成正比，故最终应通过调整电压来改变移动机构的速度，移动机构的最大移动速度亦可得到，当电机输入电压达到最大时，电机的输出转速最大，同时移动机构的移动速度也将达到最大。移动机构的最大速度不仅与电机的容量有关，同时在不同负载下，其所能达到的最大速度也不同。3.4 移动机构的受力分析微型管道内机器人其移动机构的主要任务是携带探测、修补或维护所需的设备，如CCD传感器，涡流传感器或复杂的微操作手等，这就要求移动机构有一定的负载

45、能力。该机器人的供电方式为拖缆供电，随着机器人在管道内部行走的距离的加大，拖动电缆也就越长，这样电缆与管壁的摩擦力也就加大，所以要求机器人的移动机构有一定的带载能力。当检测不同的管道时，管道内径可能是在一定范围内变化的，这种变化也会影响到移动机构负载能力的变化。一般情况下，在不使机器人打滑的同时，管径增大时，撑紧机构施加到车轮上的正压力减小，从而摩擦力减小，负载减小，电机所需的驱动力降低。反之在管径变小时，撑紧机构施加到车轮上的正压力增大，从而摩擦力增大，负载增大，电机所需的驱动力降低。因此有必要将机构的负载能力，或说轴向输出牵引力，作为一个重要的指标来分析。由前面的分析可知，移动机构在管道中

46、行走时，要实现力封闭及驱动行走。下面分析移动机构在管道中行走时的受力情况。3.4.1 受力分析时的一些假设条件因为管道机器人的实际受力情况比较复杂，为了简化分析和计算，所以对管道机器人的移动机构的受力情况，先做一些假设，以满足分析的需要。下面是一些假设条件:（1）移动机构是在直管中运动，忽略管道的内径的不均匀性;（2）管道机器人的移动机构的车轮在管道内作纯滚动，而忽略掉零件加工中的误差而导致的机构其他形式的运动;（3）整个移动机构作匀速运动，不考虑其惯性力的影响;（4）移动机构移动时共有六个轮子与管道内壁接触，假设每个轮子的封闭力都相同;（5）忽略一切损失;（6）负载无波动;（7）分析时采用标

47、量，当所求值为负时表示实际方向与图示方向相反。3.4.2 移动机构前进时的受力分析受力分析图如下图所示:图3.4 移动机构受力分析图如图3-4所示，该图中假定移动机构的运动方向为前进方向，图中参数的意义如下:F:总负载，包括移动机构本体的重量及携带设备的重量;V:移动机构的运动速度;f:管壁对驱动轮的摩擦力;f:管壁对从动轮的摩擦力;N:管壁对驱动轮的正压力;N:管壁对从动轮的正压力;T1:电机输出转矩(未知量)。下面分别以蜗杆、蜗轮及车轮为研究对象，进行受力分析，从而为下面的机械设计计算打下基础。（1）蜗杆受力分析如图3-5所示，以蜗杆为研究对象，P为切向力，Pn21为轴向力，Pr21为法向力，有 (3-4) (3-5) (3-6)上式中，是压力