管內(nèi)步伐式行走機器人設計

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南京理工大學泰州科技學院 畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯 學院 (系)： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械工程及自動化 姓 名： 胡源 學 號： 0601610124 (用外文寫) 外文出處：Advanced Robotics, Vol. 17, No. 4, pp. 339–358 (2003) 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導教師評語： 該篇外文資料內(nèi)容與課題有一定的相關性，譯文比較正確地表達了原文的意義、概念描述基本符合漢語的習慣，語句較通暢，層次較清晰。 譯文較為準確地表達了原文的概念和主題，敘述較清晰，語句較通順。 簽名： 年 月 日 附件1：外文資料翻譯譯文 管道機器人爬行營救的概念與研究 摘要：—本文介紹了控制算法設計的一種管道爬行機器人可用于地震救援的目的和管道維修。該機器人的設計是能夠理智改變其體型，以適應管道或隧道狀空洞內(nèi)瓦礫。介紹了機器人的仿真，對如何改變其形體來適應的空洞?？刂扑惴ú捎玫牟檎冶矸椒ㄏ嘟Y合的方法來預測的形狀在對機器人的影響下使它的執(zhí)行變形機構。文章還提出了設計的硬件和軟件系統(tǒng)的機器人，并且在機器人身體模塊的實驗室實驗。計算機仿真結果運用梅雷比類比仿真軟件和實驗結果表明，方法是可行的，機器人形體變化控制算法的建議。 關鍵詞：管道機器人； 控制算法； 方法采用最小二乘法； 變形體內(nèi)； 救援機器人。 1 介紹 1．1管道爬行機器人 國際管道輸送油使用，天然氣管和水管在年齡增長，以及一些設施已經(jīng)在使用壽命之外運作，他們原先設計檢查管道是許多行業(yè)所面臨的重要任務。管道在煉油廠和蒸汽發(fā)電廠表面的惡化尤其常見。因此，管道的維護和檢查的日益的重要性，給管道運營商提供了手段準確、可靠地檢查他們的管道， 并獲得所需的信息對于決策對于安全運行，康復和維修[1] 。使用自動管道檢測，可減少停機時間和人力管子檢查過程，這是個需要很高的技術要求來開發(fā)各種管道機器人。 1．2 地震救援的機器人 地震是不幸的，非常危險的天然頻發(fā)現(xiàn)象。幾乎在每一個地震受難者都埋在倒塌的建筑物、橋梁、道路等下面的廢墟中。這是非常困難的到達的地方營救這些人可能會受傷，饑餓和虛弱。此外，這個結構在瓦礫堆下條件可以說是復雜、危險和未知。因此，是一種基本需要探索這些條件，確定了受害者的位置和他們的生存條件。救援這件事也急，因為它是最重要的盡快營救那些災民。以這個結果為目標，救援機器人已經(jīng)被開發(fā)中進行這些任務。在一篇文章塔庫達[2]， 一個原型“酷兒” （機器人與模擬軟件進行地貌的模擬）可用于地震救援和任務被描述，文章還介紹了試驗結果可行性研究。實驗結果表明了該方法的有效性、“酷兒”救援機器人的工作提出了建議。 2．陳述問題 2．1 現(xiàn)有的管道機器人的設計缺陷 管道機器人在大量的文件。例如，一個機器人卡戎系統(tǒng)[3] 配備了智能化多傳感器。這使得自動，可靠的檢測損壞的位置，它的類型和規(guī)模，并給予優(yōu)越的性能與多數(shù)的閉路電視系統(tǒng)相比。該系統(tǒng)已制定了對地下水和土壤污染的材料和液體的保護“東洋美”和“扣一吃”[4] 有1種微型檢查機器人可檢查1英寸口徑的管道。該機器人可以在管道進行檢查，并視檢索小對象[5] 。描述一個機器人進行自動管道檢測和已被證明是合適的當前管檢測技術的選擇。該系統(tǒng)的優(yōu)勢該系統(tǒng)采用一種廉價的原則生產(chǎn)機電設備，內(nèi)管缺陷的檢測能力。然而，所有的這些機器人只能工作管道具有一定的直徑的而且不能工作的管道的墻壁是破裂或嚴重損壞，如果管徑變化或管道已經(jīng)部分倒塌這些機器人就不能工作。 2．2畫筆的機器人 管道爬行機器人已發(fā)展為工業(yè)自動化制造的中心(CIAM)。英國杜倫大學。工程學院，設計的該機器人采用了獨特的，創(chuàng)新和專利的牽引系統(tǒng)，這個機器人的原則和它的驅(qū)動系統(tǒng)是簡單的。我解釋下他的意思，如果用一個直徑略大于孔的管子插入一個管道，其橫掃回來。在這種情況下， 更容易向前推刷，但管道，需要把它向后拉，因此，如果兩個刷互連由往復然后，通過循環(huán)缸，它能使該機器人沿著管道爬行[6]。該驅(qū)動系統(tǒng)已獲得在全球范圍內(nèi)的專利。如需對驅(qū)動系統(tǒng)的進一步詳情，請參見說明[6]和[7]。在由達勒姆開發(fā)的機器人大多采用氣動和抓地力，在這情況下，因此命名為管壁刷壁機器人只是像其他管道機器人，僅能在管道機器人在一個有限的直徑范圍內(nèi)工作，盡管有許多其他牽引系統(tǒng)，但刷子機人只能夠處理了部分的管道。 2．3一種改進的刷壁機器人地震救援和管道維修 該報告概述了一些改進刷壁機器人的原則，并將其應用到工作的目的都是為了地震救援和一些嚴重受損壓碎的房屋、或是破裂的管道。因此，它的目的是能夠改變它的體形狀態(tài)，在倒塌的建筑物或不同直徑的管道壁破裂或者兩者之一的任何一種可能的糟糕的狀況下。為實現(xiàn)這些功能，一個傳感器系統(tǒng)用來探測黑洞形狀和控制機器人身體形狀的改變，這是必要裝備。從而進行有目的的救援，一個CCD攝像機能有條件的看到洞里的情況。一個二氧化碳， 檢測器檢測無論受害者是活著都能找出他們的位置。準備一個麥克風，可以使受害者能夠順利的和救援人員溝通。此外，空軟管將由機器人為條件的空氣不足。 3． 研究方法 3．1輪廓 對于一個機器人關鍵是要生產(chǎn)出足夠的摩擦力使它能夠驅(qū)動機器本身，并進行必要的負荷。對于地震救援的目的，機器人應能穿過洞和由于地震產(chǎn)生了地震的廢墟裂紋。然而，這個洞和裂縫的廢墟里通常有不規(guī)則的形狀和大小。因此，機器人必須能改變自己的身體形狀使它產(chǎn)生足夠的形狀摩擦力。實現(xiàn)這一要求，必須要安裝一個傳感器系統(tǒng)放置在該機器人的頭部，它是用來檢測和裂紋的大致形狀的洞。在設計刷子機器的時候，四組驅(qū)動器需要安裝機器人身上。這些執(zhí)行機構將會改變機器人的形體，從而使傳感器信號返回到系統(tǒng)。在這個過程中控制系統(tǒng)將會認出來傳感器的信號，執(zhí)行計算基于信號的信息發(fā)送和適當?shù)闹噶顏砀淖凃?qū)動器，使它變形。利用安裝在機器人頭部的CCD相機可以觀察到洞內(nèi)的條件和裂縫，并對其進行研究。在機器人自動控制功能失敗的情況下手動控制功能也能處理異常情況。一個軟件系統(tǒng)基于電腦也是必需的運行數(shù)據(jù)傳輸和控制，把數(shù)據(jù)存儲等。更確切地說，這個軟件能夠記錄機器人的行走路線和遇到個各種洞和孔的形狀。 3．2機器人的工作機制的理論 3．2．1．這個機制理論的一個古老的筆刷的機器人。 建立一個真正的機器人之前模型，這是需要一些電腦模擬來驗證其可行性該控制算法。運動實現(xiàn)了機器人的筆刷的利用率彎曲的毛為手段的推進器和支持，就像在圖1。當開啟，最主要的筆刷，提供更低電阻的硬的曲率，前進；其后刷，因為它的高電阻落后的力量，保持靜止狀態(tài)。然而，當相反發(fā)生動力。鋼瓶關閉，最主要的筆刷，而保持固定現(xiàn)在落后刷，提供低電阻、拉向前。 根據(jù)這一理論，闡明牽引完全依賴于硬機構設置及其可在以下方式?？紤]一個單根為目的的簡單，當一個硬放進了一個管道，因為它的有效側維，它是彎曲的管子壁，會有一個垂直力P，如圖2。在移動核心刷毛，牽引F應該等于P。投影的短毛在這個方向的維度上標明“h”。 硬的長度是l。弦”兩個人之間的尖端的毛是表達的論文[6]，給出了結論之間的最佳天使和管壁硬在30±40±取得最佳的抓地力，雖然這個天使將會改變?nèi)Q于很多因素，例如潤滑。在文獻[7]，給我們h和l之間的關系。 （1） 注意： 和 的h值可以是眾所周知的， α。文章以漢族施舍一張桌子，所得結果表明:(1)采用如下圖所示表1。 圖1 刷機器人運動原理 圖2毛機制圖 表1 試算表，h和l的關系 圖3一個機器人的結構體模塊 3．3控制算法，在新刷的機器人 提出了一種改進的筆刷，使機器人能夠改變它的體形和適應的空隙中，一個復合控制算法，基于查表法和最小經(jīng)計算的方法。機器人的使用方法，來決定如何改變自己的身體形狀，洞的形狀和大小是參考數(shù)據(jù)文件，保存在一張盤里面。這張盤是組成數(shù)據(jù)文件，每個文件提供了一份計算的結果，通過使用ABAQUS軟件。圖3所示的一個機器人的結構體模塊。每個機器人身體的模塊組成，帶有4驅(qū)動器帶鋼圈和數(shù)百彈簧鋼互相安裝在地面的地帶。這里的每個驅(qū)動器的終點連接到盤里，就這樣的可以改變形狀，可變形成循環(huán)器和推進。如果是明顯的數(shù)百點圓圈，各點都被記錄為一次數(shù)據(jù)。圓形狀可以是唯一代表所有點的坐標能被人知道的。當執(zhí)行這些圓形坐標要點，可以推入一條圓變形等數(shù)據(jù)來推算。事實上，這里的形狀和實際形狀的圓圈代表了機器人身體的模塊。這些形狀與動荷載和是放在這個的機器人身體的方向和x獨立。因此，身體模塊機器人的形狀將會有所改變，不同驅(qū)動器負載和撓度都能進行改變。在這同時，坐標機器人身體上的點模塊將會改變，因為機器人身體無能為力。這些點坐標計算，預測可采用ABAQUS， 當已知動荷載作用下。這個數(shù)組的坐標機器人身體的形狀呈現(xiàn)在這樣的動荷載作用下的模塊。如果動荷載作用下的變化，提出了一種新的數(shù)組的坐標可獲得，這意味著該機器人身體模塊將會得到一個新的形狀。因此可以通過改變驅(qū)動器、輸入變量的計算，許多陣列ABAQUS坐標可獲得。他們每個人都代表了一種獨特的機器人身體模塊的形狀。這些元件的坐標可以存儲在數(shù)據(jù)文件，每個數(shù)據(jù)文件被用作記錄放在盤上。作為一個結果，本表格包含了許多機器人身體的形狀不同動荷載作用下的模塊。同樣的一個洞的獨特形狀也可以表示為一個數(shù)組的坐標的孔邊壁。機器人的控制算法是必需的，能夠找到最合適的形狀的洞中從這些數(shù)據(jù)文件的形狀的盤。 表2一個數(shù)據(jù)文件儲存以一個數(shù)組的形式返回點的坐標 …… 附件2：外文原文（復印件） 青島濱海學院機械設計制造及其自動化畢業(yè)設計 1 管道機器人的發(fā)展 1.1課題的背景及來源 本課題來源于實際運輸煤氣作業(yè)中所遇到的困難，許多城市煤氣回收萘不徹底，造成在主管道內(nèi)結萘，管內(nèi)萘堵塞管內(nèi)面積超過50%以上，嚴重影響煤氣的運輸，以清除管內(nèi)結萘為目標，著手研制此管內(nèi)步伐式機器人。 1.2管內(nèi)機器人發(fā)展綜述 機器人是人類新世紀的偉大發(fā)明之一，是傳統(tǒng)的機構學與近代電子技術相結合的產(chǎn)物，是計算機科學、控制論、機構學、信息科學和傳感技術等多學科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運行、重復操作和精度較高的自動化設備，機器人技術的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學研究發(fā)生根本性的變化，而且將對人類的社會生活產(chǎn)生深遠的影響?？茖W技術是第一生產(chǎn)力，在各國之間綜合國力的競爭，很大程度上取決于高技術之間的競爭，作為機電一體化的最高成就——機器人技術作為高技術的一個重要分支，普遍受到了各國的重視，隨著計算機技術和現(xiàn)代設計制造水平的不斷提高，極大的推進了機器人的發(fā)展，現(xiàn)代機器人已經(jīng)成為了一個龐大的家族。 1.2.1機器人的定義 機器人技術是一種面向未來的現(xiàn)代化技術，機器人技術與網(wǎng)絡技術、基因技術、通信技術、計算機技術等一樣，屬于高新技術。它設計的學科有材料科學、計算機技術、控制技術、傳感器技術、微電子技術、通訊技術、人工智能、數(shù)學方法、仿生學等等很多學科，所以機器人的定義也是多種多樣的，其原因是它具有一定的模糊性。目前有幾個國際公認的定義： 1979年美國機器人協(xié)會將機器人定義為：“可重復編程的多功能操縱器，設計成通過不同的編程動作為執(zhí)行多種任務移動原料、部件。工具或?qū)ｉT的設備?！? 1984年12月國際標準化組織中的工業(yè)自動化系統(tǒng)委員會所屬工業(yè)用機器人分會作出的定義：機器人是一種自動控制下通過變成可完成某些操作或移動作業(yè)的機器。 1988年法國的埃斯皮奧將機器人學定義為：機器人學是指設計能根據(jù)傳感器信息實現(xiàn)預先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)的使用方法作為研究對象。 我國科學家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器人具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。 1.2.2我國管道機器人的發(fā)展、 哈爾濱工業(yè)大學鄧宗全教授自1987年以來開展管內(nèi)機器人行走機構，在國家自然科學基金的資助下，較全面的研究了不同類型的管道機器人行走機構模型，取得了很多的成果。在1995年哈工大與大慶油建公司合作研制成功的Φ660野外大孔徑管線對接焊縫工業(yè)X射線檢測系統(tǒng)，于1996年通過黑龍江科委主持的鑒定，在陜京管線上進行了工業(yè)應用，獲得成功。該機器人采用輪式行走機構，雙電機驅(qū)動，PWM直流脈寬調(diào)速，由工控機和MCS-552單片機共同控制，可自動進行圖像識別，在管內(nèi)移動距離300m，在技術上解決了收放線的控制問題和長距離強弱信號混傳干擾問題。該項目以達到國際先進水平。 圖1.1哈爾濱工業(yè)大學Φ660管道機器人 哈爾濱工業(yè)大學于1998年研制的水泥砂漿襯里噴涂補口作業(yè)機器人樣機（如下圖），該機器人采用輪履復合式行走方式，解決了穿越管內(nèi)凹型障礙的技術難題，針對水泥砂漿的流變學特性，所設計的螺旋送料裝置及離心噴涂裝置解決了水泥砂漿的補口難題。 圖1.2 清華大學于2001年研制出了一種輪式管道檢測機器人Pipesbot-I，如下圖所示，該機器人采用全驅(qū)動直進式結構，由三個直流電機通過蝸輪蝸桿副，帶動三個徑向均布的驅(qū)動輪，通過一個剪形彈簧壓緊機構使驅(qū)動輪撐緊管壁，依靠摩擦力運動。設計指標為：行走速度1km/h，探測長度1km/次，使用管徑Ф140mm-180mm。 圖1.3 2機器人總體設計方案 2.1模塊化設計理念 2.1.1模塊化設計理論基礎 模塊化設計是在產(chǎn)品設計和生產(chǎn)不斷發(fā)展的過程中逐步形成的，是一種設計方法。而模塊化設計思想?yún)s由來已久，其基本思想是以產(chǎn)品（系統(tǒng)）的總功能為對象，以功能分析為基礎，將整個產(chǎn)品分解為若干特定的模塊，然后通過模塊的不同組合，可以得到不同產(chǎn)品、不同功能的產(chǎn)品，以滿足市場的各種需求。 模塊化又稱模件化，模塊化的定義有很多種，但是按其概念有如下的定義：由若干具有不同用途（或性能）并可互換的模塊，經(jīng)不同的組合，以滿足不同需要的這種方法稱之為模塊化。由此可見模塊化應具有四個基本含義：①必須具有一定數(shù)量的模塊；②應用系統(tǒng)組合原理；③最終要獲得能基本滿足各種不同功能的需要；④模塊化的可分性。 進行模塊化設計時，必須首先把產(chǎn)品劃分為若干模塊，然后以模塊為基本單元進行設計。因此，模塊合理劃分與否將直接影響產(chǎn)品的性能、外觀以及模塊通用化的程度和成本。模塊化產(chǎn)品，通常按功能將產(chǎn)品劃分為若干單元，并使功能單元獨立化，這些單元被稱為功能模塊，然后由功能棉毛褲系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品的總共能。 2.1.2管內(nèi)步伐機器人的模塊化設計 模塊的設計問題是模塊化設計的核心問題，因此合理的劃分模塊并構造模塊的結構是模塊化設計的關鍵。我們依據(jù)功能劃分的模塊化設計方法，將管內(nèi)步伐式行走機器人劃分為加緊模塊和傳動模塊兩個主要部分，模塊之間除標準化的機械與電氣連接接口外，其設計相互獨立。 模塊化設計的核心思想是將產(chǎn)品進行模塊劃分后，通過對某些模塊進行重新設計或變異設計得到新的產(chǎn)品。根據(jù)此思想，我們可以對管內(nèi)步伐式行走機器人進行各種變異設計，滿足不同使用要求和應用環(huán)境要求。 2.2管內(nèi)步伐式行走機器人的用途及工作原理 2.2.1管內(nèi)步伐式行走機器人的用途 近年來煤氣回收萘不徹底，造成主管道內(nèi)結萘，管內(nèi)結萘堵塞管內(nèi)大部分面積，嚴重影響煤氣輸送，以清除管內(nèi)萘為目標,研制管內(nèi)步伐機器人，該機器人可以完成自動清除結在煤氣管道內(nèi)壁的萘，可實現(xiàn)在管道內(nèi)雙向行走、自動隨管道彎度轉(zhuǎn)向，可在重載條件下使用。、 2.2.2管內(nèi)步伐式機器人的工作原理 工作原理：管內(nèi)步伐式行走機器人的運動模仿人在井筒中四肢扶壁上下運動的模式。機器人由鏡面對稱的兩個單元組成, 二單元中間由萬向節(jié)鉸鏈連接,可以自動適應管道彎度轉(zhuǎn)向，當管道有彎道時,后腳踩住管壁向前推進,機器人的前腿機構自動隨管道彎度轉(zhuǎn)向不需要專門控制。機器人的轉(zhuǎn)彎最小曲率半徑由機構決定。所以這種機器人是可以雙向運動的自動轉(zhuǎn)彎步伐式管內(nèi)機器人。 主要工作過程： 圖2.1 A、初始狀態(tài):前腳踩在管壁上,后腳在抬起狀態(tài)前后腿外擺到最大角度.(見圖1.1a) B、第一前進步:前后腿同時內(nèi)擺到最大角度,在腿內(nèi)擺過程中,前腳踩住管壁不動,連桿機構拖動身軀和后單元向前移動一步(圖1.1a到b) C、第一次交換支撐腳:后腳外伸踩住管壁,同時前腳縮回抬起離開管壁,實現(xiàn)支撐腳轉(zhuǎn)換,在交換支撐腳過程中,機器人沒有前后運動。(圖1.1b到c) D、第二前進步:前后單元的腿同時外擺到最大角度,在擺腿過程中,后腳踩住管壁不動,連桿機構拖動身軀和前單元向前移動了第二步.(圖1.1c到d) E、第二次交換支撐腳:后腳縮回抬起,前腳伸出踩住管壁, 同時前后腿外擺到最大角度恢復到初始位置,機器人沒有前后運動。(圖1.1d到a) 2.3管內(nèi)步伐式行走機構 管內(nèi)步伐式機器人的機構主要分為3部分，有撐腳機構及其傳動、牽引機構及傳動、轉(zhuǎn)向機構等。下面分別介紹3種機構，下圖為管內(nèi)步伐式機器人的機構簡圖。 圖2.2 2.3.1撐腳機構及其傳動 撐腳機構的作用是使管道機器人被支承在管道中心線上。其機構及傳動由電機(16)、小齒輪(15)、齒圈及平面螺紋(14)、滑桿(13)、腳靴(12)組成。當電機(16)帶動小齒輪(15)和齒圈(14)旋轉(zhuǎn)時，齒圈背面的平面螺紋驅(qū)動滑桿(13)在筒體(10)的徑向軌道內(nèi)外伸推動腳靴踩在管壁上，電機反向旋轉(zhuǎn)時，滑桿內(nèi)縮帶動腳靴徑向抬起離開管壁。腳靴三套在圓周上間隔120°布置，三套腳靴同步伸縮,其動作與車床三爪卡盤的動作類同。三套腳靴伸出踩在管壁上時,使機器人處在管道的中心線上。為了使機器人在腳靴縮回時, 仍能維持在中心線上,安裝4 組輔助支承輪(18),每組三套, 在圓周上間隔120°安裝,支承輪通過支承柱(19)、彈簧(20)分別與支架(3)和筒體(10)固連。當撐腳縮回時支承輪使機器人基本上維持在管道中心線上。當機器人行走過程中支承輪遇到障礙時彈簧被壓縮通過障礙。 2.3.2牽引機構及其傳動 牽引機構的作用是拖動機器人前進。 牽引機構(見圖2) 由電機( 1)、 螺桿(2)、螺母(5)撥銷(4)、撥桿(7)和支承桿(9)組成。當電機(1)帶動螺桿轉(zhuǎn)動時,螺母受撥桿的約束不能轉(zhuǎn)動而沿螺桿軸向移動,固連其上的撥銷(4) 撥動撥桿(7)順時針方向轉(zhuǎn)動, 由于腳靴(12) 鎖死在管壁上, 支承桿(9)不能向后運動,撥桿(7)通過銷(6)帶動支架(3)及其固連在(3)上的套筒(11)在筒體(10)內(nèi)向前滑動, 同時通過萬向節(jié)(21)拖動機器人的后單元，此時后單元的腳靴在抬起狀態(tài))向前運動,整個機器人前進。當腳靴( 12)處在抬起位置時, 撥桿( 7)通過支承桿( 9)推動筒體在套筒(11)上向萬向節(jié)方向滑動改變了腿的姿勢。 2.3.3轉(zhuǎn)向機構 　　轉(zhuǎn)向機構的作用是使機器人能隨管道的彎曲自動轉(zhuǎn)向通過彎曲管道。管道行走機器人由兩個鏡面對稱的單元組成,兩個單元的套筒間由萬向節(jié)( 21)連接, 這是一個十字萬向節(jié)機構,可使前后兩單元在任意方向上轉(zhuǎn)動。 當管道彎曲時萬向節(jié)可自動轉(zhuǎn)向適應彎曲管道,這樣機器人通過彎曲管道時無需專門進行檢測和控制。 2.4步伐機器人的本體技術要求 機器人設計的目的是靠行走來清除管道內(nèi)的堵塞物，因此，首要的目標是使機器人能夠在較長的管道空間內(nèi)安全可靠的爬行，在此基礎上，進一步的使機器人移動靈活，結構簡單，操作方便，滿足一定的技術經(jīng)濟性要求。 2.4.1支撐機構的技術要求 根據(jù)步伐機器人的運動特點，撐腳機構是主體，所產(chǎn)生的支撐力應能保證機器人在單步運動中一端鎖定在管壁中，使機器人在單步工作中保持穩(wěn)定。在支撐-放松過程中能自如的進行，有一定的機械自鎖能力提高安全性。 對撐腳機構的要求是：能夠產(chǎn)生足夠大的支撐力；放松和支撐能夠收放自如；結構簡單、輕量化。 2.4.2傳動機構 傳動機構應能保證一定的驅(qū)動力和傳送速度，有較高的工作效率，能夠有較高的傳動穩(wěn)定性。因此擬采用滾珠絲桿副。實用滾珠絲桿副有很多有點： ①滾珠絲桿副是一種新型的螺旋傳動元件，能夠適應高溫、低溫、無潤滑、水中，技術比較成熟。 ②滾珠絲桿副具有高效率和高精度的特點。 ③具有高速特性和耐磨損性及運動可逆性等特性，而且無回程間隙。 ④構件間的可動聯(lián)接通常不是借助于運動副本身，而是在絲杠和螺母兩構件間利用中間元件（滾珠）來實現(xiàn)。 ⑤軸向高度高，摩擦阻力小，運動平穩(wěn)。 2.5本章小結 本章主要介紹了機器人的本體結構及技術要求，將機器人模塊劃分，為下面具體設計提供依據(jù)。 3管內(nèi)步伐式機器人的有關參數(shù)選擇 3.1步伐式機器人移動方式的選擇 各常用移動方式的優(yōu)缺點見表1.1 移動方式 優(yōu)點 缺點 輪式 移動速度快，控制方便，轉(zhuǎn)彎容易 與壁面接觸面積小，越障礙能力差，易產(chǎn)生打滑。 履帶式 與壁面接觸面積大，承載能力大，移動速度快，對壁面的適應能力強 履帶磨損大，結構復雜，機動性較差。 腿式 越障礙能力強，承載能力大，機動性好，具有很強的壁面適應能力。 結構復雜，移動是間歇的，速度慢，關節(jié)和足數(shù)多，控制復雜。 蠕動式 承載能力大，運動平穩(wěn)，控制簡便，對壁面適應能力比較強 運動速度慢，越障礙能力差 表3.1 我們經(jīng)過多方案比較，設計了一種步伐式行走結構形式，該結構形式有前后兩段相互獨立的主體，主體上的接觸腳可伸縮鎖死在管壁上，能承受大載荷，適合在重載中使用。在行走機器人結構中用步伐式行走具有很多優(yōu)點，可實現(xiàn)在規(guī)則形狀的任意長的管道內(nèi)運動。結構簡單緊湊、運行平穩(wěn)，控制簡便，還可以根據(jù)使用要求，做各種變形設計，具有較好的經(jīng)濟技術效果。 3.2機器人驅(qū)動方案的選擇 目前對于機器人的動力系統(tǒng)有多種不同的選擇方案，可以采用電氣驅(qū) 動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、機械驅(qū)動等不同的方式。不同的動力系統(tǒng)具有不同的特點，根據(jù)不同的工作環(huán)境和應用場合，按照具體的要求來選擇最合適的動力系統(tǒng)可以達到預定的目標。下表為不同的驅(qū)動方式的性能對照表。 項目 氣壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動 電氣驅(qū)動 機械驅(qū)動 技術要求 較低 較高 最高 較低 動作快慢 較快 較慢 快 慢 速度穩(wěn)定性 較差 良好 較好 很好 驅(qū)動力 中等 最大 較大 較大 環(huán)境要求 適應性好 不怕震動 要求高 一般 控制距離 中等 短 長 短 經(jīng)濟性 便宜 較貴 較貴 一般 系統(tǒng)結構 簡單 復雜 復雜 稍復雜 使用維護 簡單 稍高 較高 簡單 速度調(diào)整 容易 很容易 稍困難 困難 表3.2 氣壓驅(qū)動使用壓力通常在0.4-0.6Mpa，最高可達1Mpa。氣壓驅(qū)動的優(yōu)點是響應速度快，結構簡單，控制方便。氣壓驅(qū)動的缺點是功率質(zhì)量比少，裝置體積大，同時由于空氣的可壓縮性使得機器人在任意定位時，位姿精度不高。氣壓驅(qū)動不可避免的存在漏氣的問題和氣壓裝置體積較大，這一點不符合本步伐式機器人的工作空間要求，不適合在本系統(tǒng)中使用。液壓驅(qū)動系統(tǒng)用2-15Mpa的油液驅(qū)動，體積較氣壓驅(qū)動小，功率質(zhì)量比大，驅(qū)動平穩(wěn)，液壓驅(qū)動的缺點是易漏油，這影響工作穩(wěn)定性和定位精度。由于有漏油的問題，也不適合在本系統(tǒng)中使用。 電氣驅(qū)動是利用各種電機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機構去驅(qū)動負載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機器人運動。由于電氣驅(qū)動具有易于控制，運動精度高，響應快，使用方便，信號檢測、傳遞和處理方便，成本低廉，驅(qū)動效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點，電氣驅(qū)動已經(jīng)成為最為普遍，應用最多的驅(qū)動方式，符合本系統(tǒng)要求。所以選擇電氣驅(qū)動與機械驅(qū)動相結合的方案。 3.3電機類型的選擇 在上節(jié)中介紹到，電機驅(qū)動適合本步伐式機器人，在電動執(zhí)行機構中，有直流電機、交流電機、步進電機和直接驅(qū)動電機等實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的電動機，以及實現(xiàn)直線運動的直線電機。目前在機器人的運動控制中較為常用的電機有直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機，他們的特性、工作原理與控制方式如下表。 電機類型 主要特點 構造與工作原理 控制方式 直流伺服電機 接通直流電即可工作，控制簡單；啟動轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制、效率高；需要定時維護和更換電刷，使用壽命短、噪聲大 由永磁體定子、線圈轉(zhuǎn)子、電刷和轉(zhuǎn)向器構成。通過電刷和換向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度而變化，實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動。 轉(zhuǎn)速控制采用電壓控制方式，兩者成正比。轉(zhuǎn)矩控制采用電流控制方式，兩者成正比。 交流伺服電機 沒有電刷和換向器，無需維護，驅(qū)動電路復雜，價格高 按結構分為同步和異步電機。無刷直流電機結構與同步電機相同，特性與直流電機相同。 分為電壓控制與頻率控制兩種方式。異步電機通常采用電壓控制 步進電機 直接用數(shù)字信號控制，與計算機接口簡單，沒有電刷，維護方便，壽命長，缺點是能量轉(zhuǎn)換效率低，易失歩，過載能力弱 按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可分為：永磁式。反映式和混合式 永磁式是單向勵磁，精度高，但容易失步，反應式是雙相勵磁，輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子過沖小，但效率低，混合式是單雙相勵磁，分辨率高，運轉(zhuǎn)平穩(wěn) 表3.3 步進電機作為一種新型的自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，得到越來越廣泛的應用，進入了一些高、精、尖的控制領域。步進電機雖然有一些不足，如啟動頻率過高或負載過大時易出現(xiàn)失步或堵轉(zhuǎn)，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖，且一般無過載能力，往往需要選取有較大轉(zhuǎn)矩的電機來克服慣性力矩。但步進電機點位控制性能好，沒有累積誤差，易于實現(xiàn)開環(huán)控制，能夠在負載力矩適當?shù)那闆r下，以較小的成本與復雜度，實現(xiàn)電機的同步控制。綜合考慮控制要求、成本等多方面因素，本系統(tǒng)選用步進電機作為驅(qū)動電機。 3.4 夾緊機構設計 在管內(nèi)步伐機器人當中，夾緊機構是保證機器人具有良好的爬坡能力和越障能力的關鍵。夾緊機構分為機械式和液壓式兩種，機械式夾緊機構采用平面螺旋副。驅(qū)動在圓周上均布的三個接觸腳壓向管壁達到鎖緊的目的。平面螺旋盤的驅(qū)動靠電機一凸輪副或電機一輪副驅(qū)動。液壓式夾緊機構采用液性介質(zhì)彈性夾緊機構。為此我們提出了三種結構方案： ①電機一凸輪副結構方案 圖3.4 電機--凸輪服結構圖 工作原理為：電機經(jīng)偏心圓弧凸輪，驅(qū)動平面螺旋盤在一定的角度內(nèi)轉(zhuǎn)動，再推動接觸腳外伸或回縮從而與管道鎖緊與放松。此結構需在平面螺旋盤的背面徑向開一個配合凸輪的滑槽。 ②液壓式夾緊機構 液壓式夾緊機構是利用液性介質(zhì)將壓力傳遞給薄壁彈性套筒，使薄壁套筒產(chǎn) 生均勻的徑向變形，與管壁夾緊。如圖 所示為液壓式夾緊機構。其工作原理為電機經(jīng)柱塞驅(qū)動液性介質(zhì)，使基體外圓四周的薄壁發(fā)生彈性變形，夾緊管道內(nèi)壁。 液性介質(zhì)一般采用液性塑料或油液。 圖3.5 液壓式夾緊機構 ③電機一齒輪副結構方案 圖3.6 電機--齒輪副結構圖 工作原理為：電機經(jīng)內(nèi)齒輪副，驅(qū)動平面螺旋盤回轉(zhuǎn)。推動接觸腳外伸或回縮，與管道內(nèi)壁夾緊或放松。 總結： 相比較幾種夾緊機構，液壓夾緊機構可在管壁的一個環(huán)形帶上獲得較大且均 布的夾緊力。采用液性塑料介質(zhì)，單位壓力可達而且還有較高的 定心精度,一般可保證同軸度在,但是液壓夾緊機構夾緊效果但是 不易放松.還有一個不可忽視的問題是油漏，這特性不適合爬行機器人的工作空 間的要求。電機一凸輪副雖然可以達到夾緊的功能要求，但是只能在一定的角度 內(nèi)回轉(zhuǎn)，性能不優(yōu)越且對制造的要求較高。齒輪副的傳動精度和效率較高，控制方便?？僧a(chǎn)生較大的動力，適應性能好，所以爬行機器人本體的夾緊機構選用電機一齒輪副夾緊結構。即方案③ 3.5 減速結構設計 常用的機械傳動裝置有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和蝸桿傳動等 圖3.7 鏈傳動的特點:①和齒輪傳動比較,它可以在兩軸中心相距較遠的情況下傳遞運動和動力;②能在低速、重載和高溫條件下及灰土飛揚的不良環(huán)境中工作;③和帶傳動比較,它能保證準確的平均傳動比,傳遞功率較大,且作用在軸和軸承上的力較小;④傳遞效率較高,一般可達0.95～0.97;⑤鏈條的鉸鏈磨損后,使得節(jié)距變大造成脫落現(xiàn)象;⑥安裝和維修要求較高.鏈輪材料一般是結構鋼等. 圖3.8 帶傳動(皮帶傳動)特點(優(yōu)點和缺點):①結構簡單,適用于兩軸中心距較大的傳動場合;②傳動平穩(wěn)無噪聲,能緩沖、吸振;③過載時帶將會在帶輪上打滑,可防止薄弱零部件損壞,起到安全保護作用;④不能保證精確的傳動比.帶輪材料一般是鑄鐵等. 圖3.9 齒輪傳動的特點:①能保證瞬時傳動比恒定,平穩(wěn)性較高,傳遞運動準確可靠;②傳遞的功率和速度范圍較大;③結構緊湊、工作可靠,可實現(xiàn)較大的傳動比;④傳動效率高,使用壽命長;⑤齒輪的制造、安裝要求較高.齒輪材料一般是鑄鐵等. 圖3.10 渦輪蝸桿傳動最主要的特點就是具有反向自鎖的功能，而且相比其它傳動具有較大的速比，渦輪蝸桿的輸入、輸出軸不在同一軸線上，甚至不在同一個平面上。自身的缺點，那就是渦輪蝸桿的傳動效率不夠高，精度也不是很高。 3.6本章小結 本章介紹了有關機器人一些參數(shù)數(shù)據(jù)的選擇，包括移動方式、驅(qū)動方式、及電動機的選擇，對整體方案比較選型給出了依據(jù)和要求，確定了動力系統(tǒng)的方案，選擇步進電機作為驅(qū)動元件。 4管內(nèi)步伐式行走機器人的力學分析 4.1機器人腳底對管壁的壓緊力（見圖2.2）{機器人結構簡圖} 根據(jù)虛位移原理撐腳電機6的有效虛功與腳底虛功相等 =3 η1T1△θ= 3F1△L1 其中:　T1——電機6 的扭矩 　　 F1——單腳在管壁上的壓力 ——電機的微小轉(zhuǎn)角 　——電機 6微小轉(zhuǎn)角對應的腳底伸出量 　　——傳動效率 由于 其中，i——電機6到腳的傳動比；P1——平面螺紋的節(jié)距。 將機器人參數(shù)T1=6kgcm,n1=159,p1=1cm， =0.5代入方程 得F1=8.37kgf 4.2 管內(nèi)步伐式器人的牽引力 根據(jù)虛位移原理牽引電機1的有效虛功與牽引虛功相等： 其中，T2——電機1的扭矩； ——電機1的微小轉(zhuǎn)角； ——電機1微小轉(zhuǎn)角對應的螺母3相對于螺桿的移動量； ——傳動效率； L1——擺桿4上臂長度； L2——擺桿4下臂長度 F2——牽引力 由于： 將機器人參數(shù)T2=9kgcm,L1=75mm,P2=3mm, =0.8 代入方程 得：F2=209kgf 4.3 無防滑機構條件下管壁壓力與牽引力的關系及打滑條件 其中，f支撐腳底與管壁的摩擦系數(shù)。 又有： 將該機器人參數(shù)帶入不等式右端并取得： T1/T2>11.1 在無防滑機構情況下，撐腳電機扭矩要大于扭矩11.1倍，機器人才能不打滑正常牽引行走，即該機器人產(chǎn)生209kg牽引力，牽引電機扭矩9kgcm,撐腳電機扭矩需100kgcm以上。 4.4　管內(nèi)步伐式機器人的防滑機構及力學分析 如前分析由加大腳底對管壁的正壓力,使腳底與管壁間存在足夠的摩擦力,以保證機器人行走時不打滑的條件為：撐腳電機的扭矩大于牽引電機扭矩11.1 倍。這必然導致?lián)文_傳動機構龐大,機器人自重增加,這樣機器人可轉(zhuǎn)彎的最小半徑將加大,通過彎曲管道的能力減小,而且非主要做功電機遠遠大于主要做功電機是不合理的,因此設計了撐腳防滑機構。 4.4.1撐腳防滑機構的工作原理 撐腳防滑機構如圖3所示.其中長銷(2)靠過盈配合固連在膠靴(3)上，當滑桿(1)與膠靴(3)相對移動時，長銷(2)在滑桿(1)的長槽中滑動，在膠靴踩上管壁前，由于彈簧(6)的作用使滑桿(1)相對于膠靴上移，固聯(lián)在滑桿(1)上的短銷(5)迫使兩擺桿(4)的夾角增大，使兩擺桿(4)的端部縮回到膠靴底面以上。當滑桿外伸時首先膠靴底與管壁接觸，膠靴底接觸管壁后，滑桿壓縮彈簧(6)繼續(xù)下移，短銷也隨滑桿下移，放松了兩擺桿(4)，在彈簧(7)的作用下，兩擺桿(4)的夾角減小，兩擺桿的端部從膠靴底面上伸出壓在管壁上，擺桿長度設計保證擺桿此時與種新鮮的夾角小于擺桿材料與管壁摩擦角，膠靴左右滑動時右擺桿起作用，向左滑動擺桿起作用，被鎖死在管壁上不能左右滑動，起防滑作用。 圖4.1 4.4.2防滑機構受力分析， 防滑機構受力分析圖如下圖： 當機器人受力F 時支撐腳上的擺桿OA 和O′A′有分別繞 O 和 O′向右轉(zhuǎn)動傾向，A 點和A′ 點受管壁限制，管壁產(chǎn)生了反作用力Q, 銷軸產(chǎn)生反作用力Q′ , Q 和Q′ 的作用線在擺桿與管壁的接觸點A、銷軸磨擦圓的相切線上。當角小于磨擦角時，接觸點A 不能移動，而使O 和 O′ 有向管道中心運動的趨向而將機器人支撐機構鎖死，當牽引力F消失后Q 也隨之消失。 圖4.2 防滑機構受力分析 4.5 有防滑機構情況下支撐電機計算 按支承電機維持機器人在管道中心的要求 其中: Q——機器人的半重量 　P1——平面螺紋的節(jié)距 ——傳動效率 機器人的半重量Q= 21kg ,將機器人參數(shù)代入上式得 T1＞4.2kgcm 本機選用的支撐電機扭矩為6kgcm. 4.6本章小結 本章主要對機器人的力學設計做了分析，對壓緊力，牽引力等做了分析，按照模塊化設計思想進行結構設計，便于后續(xù)工作。對本體進行了受力分析，推導出壓緊力和牽引力計算公式，對電機扭矩進行了計算。 5管內(nèi)步伐行走機器人控制系統(tǒng) 5.1控制系統(tǒng)的具體要求及控制對象 5.1.1控制系統(tǒng)的要求 ①控制系統(tǒng)應有快速響應性。 ②可靠性高，控制簡單，成本低 ③良好的速度、位移控制能力。 5.1.2具體的控制對象 ①機器人支撐機構的控制。步伐行走機器人采用前部和后部相互配合的一種尺蠖蠕動爬行機構，前部和后部的支撐機構采用平面螺旋副來進行工作，通過小齒輪來驅(qū)動平面螺旋副，前部和后部分別有一個電機作為動力源。因此需要控制2個步進電機。 ②機器人的傳動機構的控制。步伐行走機器人的傳動機構是滾珠絲桿副，絲桿與前部相連，螺母與后部相連，用一個步進電機通過齒輪副來驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)，靠軸向力使機器人不斷的進行運動。 在管內(nèi)步伐行走機器人中，所有部件的運動均是通過電機進行動力傳遞的，對支撐機構和傳動機構有穩(wěn)定性好、操作方便的要求，因此對電機的控制方式選擇是非常重要的，根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，選用采用可編程控制器（PLC）對電機進行控制。 5.2PLC的組成結構與特點 從機構上分，PLC分為固定式和模塊式兩種。固定PLC板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定的規(guī)則組合配置。圖4.1為PLC的結構框圖。 圖5.1PLC結構框圖 本系統(tǒng)選用采用PLC對電機進行控制，主要是因為它有下列優(yōu)點：①PLC的軟硬件功能非常強大，其內(nèi)部具有很多功能；②使用維護方便，PLC不需要像用計算機控制那樣在輸入輸出接口上做大量工作，它的輸入輸出接口是已經(jīng)按不同需求做好的，可以直接與控制現(xiàn)場的設備相連接的接口；③運行穩(wěn)定可靠，同時采用了微電子技術，大量的開關動作由無觸電點的半導體電路來完成，同時還才用了屏蔽、濾波、隔離等抗干擾措施，所以其平均為故障時間在兩萬小時以上；④設計施工周期短，PLC采用面向控制過程和面向問題的梯形語言編程方法，既繼承了傳統(tǒng)控制路線清晰直觀的優(yōu)點，又考慮了大多數(shù)電氣控制技術人員的讀圖習慣及應用微機水平，很容易被電氣技術人員接受。 5.3PLC控制單元的組成 PLC控制單元主要有PC+PLC的上下位機、點擊驅(qū)動器、電機四大部分組成。上位機為高性能的PC機，下位機PLC通過位置模塊控制各個步進電機的運動，通過開關量輸入/輸出模塊接受和輸出各類開關量；上下位機之間的通過串行通訊進行數(shù)據(jù)聯(lián)系。本系統(tǒng)選用了LG公司的MasterK200系列中的K3P-07BS PLC。其組成框圖如4.2所示。系統(tǒng)的主要配置如下，PLC硬件配置。 CPU模塊 K3P-07BS 電源模塊 G6M-PAFA 輸入模塊 1 G6I-D222A 輸入模塊 2 G6Q-RY2A 輸出模塊 1 G6Q-RY2A 輸出模塊 2 G6Q-RY2A 位置模塊 1 G6F-PP30 位置模塊 2 G6F-PP30 圖5.2 PLC控制單元組成框圖（The structure of PLC control system） 5.4 PLC控制單元工作流程及程序框圖 PLC控制單元的工作流程是：首先通過PLC控制頭部的夾緊電機工作，使頭部鎖止在管壁中，傳動電機是絲桿帶動尾部前進，達到指定位置時，尾部夾緊電機工作，使其鎖止在管壁中，頭部夾緊電機逆向轉(zhuǎn)動使頭部放松，使頭部向前移動。 程序控制框圖如 5.3 所示 。 圖5.3 5.5本章小結 本章主要介紹了機器人的控制系統(tǒng)，對控制系統(tǒng)提出了設計要求及PLC電機控制單元分析。 6結論 本文提出了管道步伐式機器人的設計方案，對系統(tǒng)中的關鍵技術環(huán)節(jié)進行了深入的分析，成功地完成了系統(tǒng)的設計。對移動方式及受力分析等進行了分析，對系統(tǒng)技術單元的穩(wěn)定性、可靠性進行了分析。 本文的主要研究成果如下： ①廣泛的查閱了當前有關管內(nèi)機器人的文獻，了解了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，通過對管內(nèi)機器人的移動結構的對比、分析和設計，結合本課題的設計要求，提出了一種管內(nèi)步伐式行走機器人。 ②系統(tǒng)的研究了管內(nèi)機器人的運動原理、驅(qū)動方式以及結構形式，詳細的討論了管內(nèi)機器人本體研制的相關技術問題。管內(nèi)機器人的本體結構是本文的重點內(nèi)容，對本體的支撐結構和傳動機構進行了具體的分析設計，在動力系統(tǒng)的驅(qū)動下在規(guī)定的管道中做步伐運動。機器人本體部分按功能劃分的模塊化設計方法進行設計，將本體結構分為支撐結構和傳動結構兩大模塊，對獨立的模塊可進行相應的變形設計。 ③設計了一種自鎖式安全保護裝置。 ④應用PLC作為控制核心，實現(xiàn)準確控制。 25