創(chuàng)新設(shè)計管道履帶式機器人.doc

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. —－可編輯修改，可打印—— 別找了你想要的都有！ 精品教育資料 ——全冊教案，，試卷，教學課件，教學設(shè)計等一站式服務(wù)—— 全力滿足教學需求，真實規(guī)劃教學環(huán)節(jié) 最新全面教學資源，打造完美教學模式 履帶式管道機器人創(chuàng)新設(shè)計 專業(yè)班級： 機械設(shè)計 姓名： 學號： 引言 現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中使用著大量管道，如核電廠的蒸汽發(fā)生器傳熱管、石油、化工、制冷行業(yè)的工業(yè)管道和煤氣管道等，多數(shù)管道安裝環(huán)境人不能直接到達或不允許人直接介入，為了進行質(zhì)量檢測和故障診斷，采用傳統(tǒng)的全面挖掘法、隨機抽樣法或SCADA 系統(tǒng)法，工程量大，準確率低，因此需要開發(fā)管道機器人來解決這些實際問題。管道機器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部移動，攜帶一種或多種傳感器及操作器，在操作人員的遙控操作或計算機的自動控制下，能夠進行一系列管道作業(yè)的機電儀一體化系統(tǒng)。管道機器人可完成的作業(yè)有生產(chǎn)、安裝過程中的管內(nèi)外質(zhì)量檢測；使用過程中焊縫情況、表面腐蝕、裂縫破損等故障診斷；惡劣環(huán)境下管道清掃、噴涂、焊接、內(nèi)部拋光等維護；對埋地舊管道的修復(fù)；管內(nèi)外器材運送、搶救等其他用途。1緒論 管道機器人在人類社會中已經(jīng)迅速的漫延開來，這一切都應(yīng)歸公于它自身的特點。因此，國內(nèi)外都在不斷的開發(fā)和研制更適合管內(nèi)行走的管道機器人，并開始走向微型化、智能化，使之性能更宜人化，可控性更好，準確性更高。但是管道機器人由于受到它工作環(huán)境的限制和沉重的任務(wù)負擔，致使它也不斷面臨著更多，更嚴重的困難和問題。如何解決？已經(jīng)成為現(xiàn)代人的責任和發(fā)展方向。 1.1管道機器人發(fā)展概況 1.1.1國外管道機器人研究進展 國外關(guān)于燃氣管道機器人的研究始于20世紀40年代，由于70年代的微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動化技術(shù)的發(fā)展，管道檢測機器人技術(shù)于90年代初得到了迅猛發(fā)展并接近于應(yīng)用水平。 日本機器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期，70年代的實用期，到80年代進入普及提高期，開始在各個領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機器人。日本管道機器人眾多，東京工業(yè)大學航空機械系Shigeo Hirose和Hidetaka Ohno等于1993年開始研究管道機器人，先后研制成功適用于直徑50mm管道的Thes-Ⅰ、Thes-Ⅱ型管道機器人和適用于直徑150mm管道的Thes-Ⅲ型管道機器人。 德國工業(yè)機器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。德國學者Bemhard Klaassen、Hermann St—reich和Frank Kirchner等人在德國教育部的資助下于2000年研制成功了多關(guān)節(jié)蠕蟲式管道機器人系統(tǒng)—— MAKRO。 1.1.2國內(nèi)管道機器人研究進展 國內(nèi)管道機器人研究進展國內(nèi)在管道機器人方面的研究起步較晚，而且多數(shù)停留在實驗室階段。哈爾濱工業(yè)大學鄧宗全教授在國家“863”計劃課題“X”射線檢測實時成像管道機器人的研制” 的支持下，開展了輪式行走方式的管道機器人研制。 上海大學研制了“細小工業(yè)管道機器人移動探測器集成系統(tǒng)”。其主要包含20mm內(nèi)徑的垂直排列工業(yè)管道中的機器人機構(gòu)和控制技術(shù)(包括螺旋輪移動機構(gòu)、行星輪移動機構(gòu)和壓電片驅(qū)動移動機構(gòu)等)、機器人管內(nèi)位置檢測技術(shù)、渦流檢測和視頻檢測應(yīng)用技術(shù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成管內(nèi)自動探測機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)20mm管道內(nèi)裂紋和缺陷的移動探測。 在北京市優(yōu)秀人才項目的資助下，進行了仿蝎型管道機器人的研究工作。仿蝎管道機器人可以相對較易地跨過比較大的障礙，并且機器人的足所具有的自由度可以使機器人的運動更加靈活，可以在可達到的管面上選擇最優(yōu)支撐點，即使在管面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴格選擇足的支撐點，也能夠行走自如，對凹凸不平表面的適應(yīng)能力更強，機構(gòu)模型如圖1-1所示。 圖1-1仿蝎管道機器人機構(gòu)模型 1.2典型的管道機器人 1） 蠕動式管道機器人 1988年，Ikuta等引用蚯蚓運動的原理開發(fā)出了蠕動機器人，后來隨著蠕動機器人技術(shù)的不斷完善，其開始向大型化發(fā)展，目前已可在200～300 mm的管道內(nèi)應(yīng)用。蠕動式管道機器人主要由蠕動部分、頭部、尾部組成，如圖1-2所示，1—頭部，2—蠕動部分，3—尾部。前部和尾部支撐分別裝有超越離合鎖死裝置，實現(xiàn)單向運動自鎖。中間蠕動部分提供機器人運動的動力。對于蠕動動力機構(gòu)，目前有很多實現(xiàn)形式：如上海大學利用氣壓伸縮驅(qū)動；上海交通大學利用形狀記憶合金伸縮驅(qū)動；昆明理工大學利用電磁吸合驅(qū)動如圖1-3，1—磁鐵，2—彈簧，3—線圈等。 下面以電磁驅(qū)動的蠕動式管道機器人為例，分析蠕動式管道機器人的運動機理。蠕動式管道機器人的運動原理如圖1-4所示，1—頭部，2—蠕動部分，3—尾部，一個動作循環(huán)分為3個步驟： (1)當初始狀態(tài)時，電磁鐵失電，彈簧處于自由狀態(tài)，故頭部與尾部分離； (2)當電磁鐵通電時，磁鐵與線圈吸合，安裝在頭部上的超越單向行走方式使頭部原位不動，尾部由于電磁吸力的作用向前移動； (3)斷開電源，電磁力作用消失，彈簧促使磁鐵與線圈分開，安裝在尾部上的超越單向行走方式使尾部原位不動，頭部由于彈簧力的作用向前移動。 至此，機器人回到了初始狀態(tài)，機器人前進了一步。 蠕動機器人優(yōu)點是可在細小的微型管道中行走。但由于速度的間斷性和緩慢性阻礙了它的發(fā)展。 圖1-2 蠕動式機器人總體結(jié)構(gòu)圖 圖1-3 蠕動驅(qū)動電磁鐵圖 圖1-4 蠕動機器人運動原理圖 2） 輪式管道機器人 目前，輪式管道機器人是實際工程中應(yīng)用最多的一種。輪式管內(nèi)移動機器人行走的基本原理是驅(qū)動輪靠彈簧力、液壓、氣動力，磁性力等壓緊在管道內(nèi)壁上以支承機器人本體并產(chǎn)生一定的正壓力，由驅(qū)動輪與管壁之間的附著力產(chǎn)生機器人前后行走的驅(qū)動力，以實現(xiàn)機器人的移動。輪式管道機器人的行走方式有2種：直進式和螺旋運動方式。 3） 無纜管道機器人 20世紀50年代，由于電子技術(shù)，計算機技術(shù)等還很落后，美、德、日等國開發(fā)了無動力管內(nèi)檢測設(shè)備。此種設(shè)備依靠首尾兩端管內(nèi)流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動力，隨管內(nèi)流體的流動向前移動。這就是所說的無纜管道機器人。隨著科學技術(shù)的進步，此類機器人也有了很大發(fā)展。 1.3所需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題 1） 能源供給問題 2） 可靠性問題 3） 速度及位置識別 4） 管道機器人的越障能力 5） 高度自治的控制系統(tǒng) 1.4 管道X射線探傷技術(shù)最新進展 在五大常規(guī)無損檢測方法中，射線檢測和超聲檢測是比較可靠和有效的管道焊縫檢測方法。射線檢測對管道焊縫中的氣孔、夾渣、疏松等體積型缺陷的檢測靈敏度較高，對平面缺陷的檢測靈敏度較低，如當射線方向與平面缺陷（如裂紋）垂直時就很難檢測出來，只有當裂紋與射線方向平行時才能對其進行有效的檢測。對此，為了彌補X射線探傷的一些缺陷，大量的研究對其進行了分析和優(yōu)化。 1.4.1 X射線照相檢測技術(shù) 目前，工程中應(yīng)用的管道對接焊縫無損檢測方法都是基于X射線檢測技術(shù)的，如外部透照法，采用定向X射線源從管道外側(cè)透照，在管道另一側(cè)的膠片上感光成像，每道環(huán)形焊縫的檢測需轉(zhuǎn)換多次X射線源的投照角度。應(yīng)用于小管徑管道對焊縫的無損探傷，該方法存在雙層壁投影而導致評片困難的特點。而又如內(nèi)部透照法，智能移動載體攜帶周向X射線源進入管道，將X射線源焦點對準于管道環(huán)狀焊縫處，如圖1-9所示。該機器人采用CCD實現(xiàn)精確定位。 圖1-9 管道射線檢測機器 1.4.2 X射線實時成像檢測技術(shù) X射線實時成像檢測技術(shù)主要有兩大類：一種是基于X射線圖像增強器的實時成像技術(shù)的，另一種是X射線數(shù)字實時成像檢測技術(shù)?；赬射線圖像增強器的實時成像技術(shù)如圖1-10所示，1—X射線源，2—被檢測件，3—圖像增強器，4—圖像采集卡，5—計算機，被檢測件的X射線圖像經(jīng)圖像增強器成像后，由圖像采集系統(tǒng)采集并傳輸?shù)接嬎銠C中。 圖1-10 基于圖像增強器的X射線實時面像檢測系統(tǒng) 一種是X射線數(shù)字實時成像檢測技術(shù)，如圖1-11所示，1—X射線源，2—被檢測件，3—計算機，4—CMOS數(shù)字成像板，亦稱為X射線數(shù)字照相。被檢測件的X射線圖像經(jīng)由CMOS數(shù)字成像后，直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并傳輸?shù)接嬎銠C中。 圖1-11 X射線數(shù)字照相檢測系統(tǒng) 圖像增強器誕生于20世紀50年代初，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，主要是改進圖像增強器輸入屏材料以提高亮度。現(xiàn)在圖像增強器的亮度增益提高了10幾倍，亮度增益高達10000以上，輸出屏上的圖像亮度可達0.3x103cd/m2。 盡管如比，隨著CMOS技術(shù)的不斷完善，X射線數(shù)字照相是X射線實時成像檢測技術(shù)最終發(fā)展目標，也必將在我國得到應(yīng)用。 比較兩種X射線實時成像檢測技術(shù)，基于X射線圖像增強器的實時成像技術(shù)，就目前技術(shù)水平而言，比X射線數(shù)字實時成像檢測技術(shù)更具有工程意義，并且，其成像質(zhì)量與膠片照相底片相當甚至更好。 1.5本次設(shè)計的主要研究內(nèi)容和研究意義 本設(shè)計是針對中型管道安全檢測探傷的實現(xiàn)而提出的，并結(jié)合當今機器人的發(fā)展趨勢，利用現(xiàn)代先進科學技術(shù)，對管內(nèi)X射線無損檢測機器人的機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和優(yōu)化，充分利用現(xiàn)代視覺傳感器和人工智能方面的優(yōu)勢，對機器人的智能化做一些有意義的研究工作。其目的是通過對管道X射線無損檢測探傷機器人設(shè)計，及相關(guān)技術(shù)的查閱和應(yīng)用，能夠研制一臺具有良好的彎道通過能力、視覺定位能力并能適應(yīng)較長距離檢測作業(yè)的實用樣機。 本論文主要設(shè)計內(nèi)置動力的履帶式管內(nèi)X射線無損檢測機器人的機械結(jié)構(gòu)。其主要內(nèi)容為： 1)通過查閱資料，了解管內(nèi)機器人常用機構(gòu)和先進技術(shù)，融合自己的知識，對內(nèi)置動力源的管內(nèi)X射線無損檢測機器人總體設(shè)計提出方案和實現(xiàn)辦法；并闡述機器人的結(jié)構(gòu)、特點、工作原理； 2)通過利用最優(yōu)化設(shè)計和機械手冊，并結(jié)合一些相似結(jié)構(gòu)，對設(shè)計的機器人的總體結(jié)構(gòu)進行分析和優(yōu)化，讓機體內(nèi)耗減到最小，包括機構(gòu)之間的摩擦，自身的重量，而有效的加強履帶與管壁之間的接觸面積，加大摩擦力，提高本體的牽引力和推動力； 3)通過利用三維軟件，將管道內(nèi)檢測機器人各機構(gòu)進行建模，同時進行各部分的裝配，目地是調(diào)整各配合部分、連接部分之間的配合尺寸，使各機構(gòu)能夠相互協(xié)調(diào)運動，使整個機體能夠協(xié)調(diào)平穩(wěn)的工作。 其主要目標設(shè)計管內(nèi)X射線無損檢測機器人調(diào)整機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)。 2管內(nèi)X射線檢測機器人方案的確定 管道機器人通常是由驅(qū)動器、移動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和工作裝置等幾部分組成。其中驅(qū)動機械和移動方式有較大程度上決定了機器人的整個機械結(jié)構(gòu)。管道機器人的移動方式可以分為輪式、履帶式、足式、蠕動式、螺旋式和流體推動式等，各自有各自的優(yōu)缺點。 2.1 管道機器人的驅(qū)動方式 2.1.1 管道機器人的驅(qū)動方式 由于管道機器人是在管道限定的環(huán)境里運行，尤其是在有彎曲的管道里運行，一方面，機器人在彎管(包括垂直管道)行走中要有足夠的摩擦力來克服重力的影響，另一方面需要提供足夠大的驅(qū)動力來克服各種阻力。驅(qū)動器的選擇在很大程度上決定了管道機器人的體積、重量和性能指標。 現(xiàn)在使用的驅(qū)動方式主要有： （1）電磁驅(qū)動。最常用的是微電機，微電機又分為有刷直流電機、無刷直流電機、步進電機和舵機等。 （2）壓電驅(qū)動。壓電材料是一種受力即產(chǎn)生應(yīng)變，在其表面出現(xiàn)與外力成比例電荷的材料，又稱壓電陶瓷。 （3）形狀記憶合金。形狀記憶合金是一種特殊的合金，其形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因是相變，其相變是由可逆的熱彈性馬氏體的相變產(chǎn)生，一旦使他記憶了任意形狀，當加熱到某一適當?shù)臏囟葧r，則恢復(fù)為變形前的形狀。 （4）超聲波驅(qū)動是利用超聲波振動作為驅(qū)動力，即由振動部分和移動部分組成，靠振動部分和移動部分之間的摩擦力來驅(qū)動的一種驅(qū)動器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、響應(yīng)快、力矩大，不需要減速就可以低速運行，常用于照相機快門的動作等。超聲波驅(qū)動由三種驅(qū)動方式：振動方向變換型、行進波型和復(fù)合振動型，這兩種驅(qū)動方式一般應(yīng)用在微機器人上。 （5）氣動驅(qū)動。利用壓縮空氣驅(qū)動氣動馬達或氣缸運動，適合潮濕惡劣的環(huán)境，不需要電源，但運動精度比較低。 （6）人工肌肉是一種新型的氣動橡膠驅(qū)動器（仿生物肌肉驅(qū)動），結(jié)構(gòu)是由內(nèi)部橡膠筒套及外部纖維編織網(wǎng)構(gòu)成，當對橡膠筒套充氣時，橡膠筒套因彈性變形壓迫外部編織網(wǎng)，由于編織網(wǎng)剛度很大，限制其只能徑向變形，直徑變大，長度縮短。如圖2-1所示，1—橡膠筒套，2—纖維層，3—螺絲口部，其缺點是：（1）氣動人工肌肉與傳統(tǒng)氣動執(zhí)行元件相比行程小；（2）氣動人工肌肉的變形為非線性環(huán)節(jié)，具有時變性，使準確控制其位移十分困難；（3）在工作過程中，氣動人工肌肉自身溫度會發(fā)生變化，隨著溫度的變化，其性能也會改變，這給高精度控制帶來困難。 圖2-1 人工肌肉結(jié)構(gòu)簡圖 2.1.2驅(qū)動方式的選擇 本設(shè)計的管道機器人選用電磁驅(qū)動的驅(qū)動方式，采用微型直流電動機進行驅(qū)動，選用充電電池作為電源，即可避免機器人拖纜線，減輕機器人的重量，減輕機器人在管道內(nèi)部運動的阻力。 2.1.3 驅(qū)動電機的選擇 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。 本機構(gòu)兩個履帶足由獨立的步進電機驅(qū)動，目的是為了簡化傳動機構(gòu)，使機構(gòu)更加緊湊。設(shè)機器人直線行走阻力、爬坡阻力和拖線阻力分別為F1、F2、F3。 本設(shè)計研究的管道機器人主要應(yīng)用于硬質(zhì)管道環(huán)境，直線行走時的地面變形阻力和外部行駛阻力可以忽略不計，故直線行走阻力只考慮履帶裝置運行內(nèi)阻力。履帶機構(gòu)驅(qū)動力主要表現(xiàn)為履帶與地面之間的摩擦力，即附著力。履帶裝置運行內(nèi)阻力是由同步帶和帶輪，傳動齒輪之間的摩擦阻力形成，一般可用以下經(jīng)驗公式計算： F1=kGg (2-1) 式中： k—內(nèi)阻力系數(shù)； G—機器人重； g—重力加速度； 內(nèi)阻力系數(shù)可取0.03-0.07，考慮到本機構(gòu)的實際情況，取0.06。設(shè)機器人機重G=15kg，則直線行走阻力： F1=9N。 其爬坡阻力為： （2-2） 式中： G—機器人重 —機器人爬坡坡度 則 F=73.5N 設(shè)爬坡坡度為30，線纜重8kg，線長25m，與地面問摩擦系數(shù)0.4，則拖動一整根電纜所需要的拖線力F為31.4N。 則機器人的總阻力為： =F+F+F （2-3） 式中： F—行走阻力 F—爬坡阻力 F—拖線所需的力 則 F0=113.9N 每只履帶上的阻力F為： F==57N。 （2-4） 履帶足電機輸出功率： P= （2-5） 式中： T—每支履帶所受阻力鉅 n—電機輸出轉(zhuǎn)速 設(shè)帶輪節(jié)徑d=40mm，則每只履帶所受阻力矩T為1.14Nm。假設(shè)機器人行進速度為6m/min，則電機輸出轉(zhuǎn)速n=48rpm。 則 P=5.8（KW）=5.8（W） 考慮到管內(nèi)可能碰到比較惡劣的情況，而且為越障預(yù)留一些功率，以使其在拖線30m的情況下仍然可以比較輕松的攀爬障礙，取足夠的安全系數(shù)，確定步進電機的步距角，靜力矩和電流，并考慮電機的性價比和安裝尺寸，選取適當?shù)牟竭M電機。 2.2管道機器人的移動方式 2.2.1機器人移動方式 管道機器人的移動方式可以分為輪式、履帶式、足式、蠕動式和螺旋式等（如圖2-2）。A為輪式 ，B為履帶式 ，C為足式， D為螺旋式，E為張緊式， F為流體推動式 ，G為蠕動式。 圖2-2 管道機器人的移動方式 輪式機器人以其運動的連續(xù)性、平穩(wěn)性和車輛技術(shù)的成熟性而廣為應(yīng)用。然而對于輪式也還有限制：輪式越障礙能力比較差，牽引力相對履帶式要?。辉诓黄秸孛姝h(huán)境下，運動不平穩(wěn)，易傾斜；微型化比較難。 履帶式機器人具有牽引力大，抓地性好，適應(yīng)地面環(huán)境能力強的特點，同等條件下，可以跨越的障礙是所有驅(qū)動方式中最大的。 足式是一種模仿昆蟲結(jié)構(gòu)功能的移動方式，地形適應(yīng)能力強，能越過較大的壕溝和臺階，其缺點是速度和效率低，轉(zhuǎn)向比較困難，控制系統(tǒng)復(fù)雜。如圖2-3所示，1—三叉支架，2—三叉支架二。 螺旋式機器人是利用旋轉(zhuǎn)摩擦管壁產(chǎn)生推力。適合在管徑很小的管道中運動，缺點是效率低，推力比較小。 張緊式移動機構(gòu)主要是適合在垂直管道或大坡度管道中運動，它通過可變形的機構(gòu)始終張緊管壁，保持與管壁的緊配合。一般與其他移動方式（如輪式和履帶式）結(jié)合使用，缺點是不能適合L型等沒有圓弧過渡的彎道，適應(yīng)得管道直徑范圍比較小。如圖2-4所示，（適合直徑85-105mm）。 圖2-3 微型六足機器人 圖2-4 Sungkyunwan University 的管道機器人 蠕動式機器人是依靠柔性形體的變形產(chǎn)生移動，具有較大的吸引力，運用的驅(qū)動元件不同，但蠕動原理大致相同，對于不同的蠕動機理，蠕動規(guī)律及控制尚需深入研究，缺點是轉(zhuǎn)向困難，速度和效率低，牽引力小。 2.2.2移動方式的選擇 由于管道內(nèi)避的情況復(fù)雜，會有許多突起的障礙，管壁的環(huán)境也可能較泥濘，行走條件苛刻，因此選擇履帶式為管道機器人的移動方式。 本設(shè)計的履帶式機器人具有以下特點： 1）履帶式移動機器人支撐面積大，接地比壓小，適合于松軟或泥濘場地作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小，通過性能好；越野機動性能好，爬坡，越溝等性能均優(yōu)于輪式移動機器人。 2）履帶式移動機器人轉(zhuǎn)向半徑極小，可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，其轉(zhuǎn)向原理是靠兩條履帶之間的速度差即一側(cè)履帶減速或剎死而另一側(cè)履帶保持較高的速度來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 3）履帶支撐面上有履齒，不易打滑牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。 4）履帶式移動機器人具有良好的自復(fù)位和越障能力，帶有履帶臂的機器人可以像腿式機器人一樣實現(xiàn)行走。 2.3本設(shè)計的內(nèi)容及注意的幾個問題 本設(shè)計是利用X射線來完成對于油氣管道的檢測，其主要方面是對于管道機器人行走機構(gòu)的設(shè)計。通過查閱相關(guān)資料和自身對知識的掌握，能夠研制一臺具有良好的彎道通過能力、越障礙能力、視覺定位能力并能適應(yīng)較長距離檢測及不同管徑范圍內(nèi)作業(yè)的實用樣機。 在設(shè)計管道機器人時需要重點考慮的幾個關(guān)鍵性問題是： 1）移動機構(gòu)的設(shè)計問題。 2）驅(qū)動方式的選擇問題。 3）信號、電力的傳輸和供給方式問題。 4）控制系統(tǒng)和傳感器的設(shè)置問題。 2．4本設(shè)計的管道射線探傷機器人的整體結(jié)構(gòu) 經(jīng)過文獻查閱比較，履帶式行走機構(gòu)優(yōu)于其它機構(gòu)：首先，履帶與管壁之間的接觸面積比較大，這樣可以在之間產(chǎn)生較大的摩擦力，防止打滑，減小無用功，提高效率，在越障礙能力上，履帶式有很大優(yōu)勢。機器人在行走過程中，受到行走阻力、轉(zhuǎn)彎阻力、爬坡阻力以及拖線阻力的作用，另外，越障因為過程復(fù)雜，其所受阻力不易詳細估計，因此驅(qū)動器必須要產(chǎn)生足夠的扭矩，所以驅(qū)動器的選擇也是至關(guān)重要的，在很大程度上決定了管道機器人的體積、重量和性能指標，本設(shè)計選擇步進電機為驅(qū)動方式。機器人的驅(qū)動機構(gòu)與支架之間也是可以相對轉(zhuǎn)動的，通過絲桿套的調(diào)整和驅(qū)動機構(gòu)同支架之間角度的調(diào)整，可以改變機器的高度，使之適應(yīng)一些特殊的管道，如形狀較矮的管道等。如圖2-5所示，為本課題的結(jié)構(gòu)原理圖。 圖2-5 機器人的整體結(jié)構(gòu)原理圖 3履帶式管道機器人的機構(gòu)設(shè)計 3.1管道機器人設(shè)計思想 如圖3-1所示，機器人每條擺腿都通過腿部關(guān)節(jié)與機器人本體相連。通過手動調(diào)節(jié)兩側(cè)擺腿的張開角度，使管道機器人實現(xiàn)柔性適應(yīng)不同直徑圓管的功能，保證了履帶足與圓管管壁充分接觸，使機器人在運行中牽引力和穩(wěn)定性都得以保證。 圖3-1 管道機器人移動機構(gòu)示意圖 圖3-2所示為機器人不同管徑時調(diào)整擺腿角度的示意圖，通過手動調(diào)節(jié)移動本體的擺腿機構(gòu)，調(diào)節(jié)履帶足底面與管壁接觸位置，保持機器人履帶在圓管中接觸狀態(tài)良好，使機器人足夠的附著力和牽引力。由圖3-1可見當管徑發(fā)生變化時機器人通過改變擺腿的角度，調(diào)整到履帶足平面與管壁充分接觸的狀態(tài)。 圖3-2 管道機器人適應(yīng)管徑示意圖 其次，機器人履帶足部關(guān)節(jié)可以調(diào)節(jié)，使機器人整體高度降低，從而可以進入更矮小的管道，完成相應(yīng)的作業(yè)，增強了機器人的適應(yīng)性。機器人調(diào)整高度過程如圖3-3所示。 圖3-3 管道機器人高度調(diào)整示意圖 3.2適應(yīng)管徑功能 對于圓形管徑變化的情況，一般同一輸油管道中，管道的尺寸較統(tǒng)一，突然變徑的情況較少見，同時考慮到研發(fā)的成本和管道實際情況， 本設(shè)計提出的管道機器人移動機構(gòu)具有可調(diào)整適應(yīng)管徑功能，以解決不同管徑環(huán)境下，履帶與管壁接觸不良的難題，如圖3-4所示，其基本原理是，事先根據(jù)管道的實際情況，調(diào)節(jié)長螺栓使得機器人的兩個擺腿作橫向擺動而張開，再調(diào)節(jié)履帶足和擺腿的連接關(guān)節(jié)，確保履帶足的履帶面與管壁保持充分接觸，以提供履帶機器人行走時必要的摩擦力。 圖3-4 管道機器人管徑調(diào)整示意圖 如圖3-4所示，設(shè)機器人機體寬度b，腿長a，履帶足關(guān)節(jié)距履帶底面x，履帶足關(guān)節(jié)距履帶足中心線p，兩側(cè)擺腿角度均為0。一般來說履帶寬度遠小于管道半徑，所以可以近似的認為圓心O到履帶足中心線底部O1的連線為管道半徑。履帶足裝置置于擺腿之外時，可視為一個寬度為B，擺腿長度為A的等效機構(gòu)，如圖3-5所示。 可以根據(jù)幾何關(guān)系算得： B=b+ （3-1） A=a+x-ptan （3-2） 則相應(yīng)的管徑為： R=+a+x-ptan （3-3） 該式可以在做結(jié)構(gòu)設(shè)計時選用尺寸參數(shù)，也可用于確定機器人的適用管道范圍。 圖3-5 管道機器人簡化機構(gòu)圖 圖3-6 管道機器人受力分析圖 如圖3-6所示為管道機器人在圓形管道內(nèi)的受力分析，圖中G為機器人機重，N為管壁對機器人履帶的支撐反力。根據(jù)力平衡關(guān)系易得管道壁面對履帶的正壓力N與擺腿擺角的關(guān)系為： N= （3-4） 隨著擺角的增大，管道壁面對履帶的正壓力N也隨之增大，當擺角為90時，N將為無窮大。因此機構(gòu)設(shè)計時限定擺角不超過60，并由此確定機器人能進入的最小管道直徑。 3.3高度調(diào)整功能 將機器人兩腿向兩側(cè)對稱擺開，再調(diào)整機器人履帶足的相對位置，即可降低機器人的整體高度，如圖3-7所示。 圖3-7 管道機器人高度調(diào)整示意圖 設(shè)機器人機體寬為b，腿長為a，機器人擺腿角度為，履帶足部關(guān)節(jié)到地面距離為x，尺寸如圖3-8所示。 圖3-8 管道機器人高度調(diào)整尺寸示意圖 設(shè)機器人原始高度為H，調(diào)整后高度為h，則 H=a+x （3-5） h=acos+x （3-6） 高度差△h為： △h=H-h=a（1-cos） （3-7） 此時機器人兩側(cè)履帶寬度變?yōu)閎+2asin，因此當機器人高度降低后，彎管的通過性會發(fā)生變化，對于進入扁平管道的機器人要注意管道寬度是否滿足要求。 3.4車載傳感器 紅外攝像機： 日/夜兩用,在正常光線下和普通攝像機一樣工作;在無光線情況下紅外燈自動打開,攝像機進入夜色視狀態(tài)。 氣體傳感器： 一氧化碳、二氧化碳、氮氣、甲烷等四種傳感器，需要時可增加氣體傳感器種類。 測距傳感器： 測距傳感器采用紅外測距傳感器，分別安裝在機器人的兩側(cè)和最前端，分別測出機器人到兩側(cè)管道或障礙的距離和到正前方管道或障礙的距離。 機器人傾斜傳感器： 當機器人在X’O’Y’、Y’O’Z’平面傾斜時，機器人傾斜傳感器就可以檢測出兩個方面的傾斜角，分別是管道軸線的水平面和管道軸線垂直面，機器人傾斜傳感器采用數(shù)字式傾斜計，安裝在機器人的中央主箱體內(nèi)，用于測量機器人管道截面上與垂直線的夾角。 電機編碼器：測量電機轉(zhuǎn)動角度值。 3.5擺腿設(shè)計 圖3-9 管道機器人擺腿設(shè)計示意圖 在機器人移動機構(gòu)中，擺腿的作用是不容忽視的。擺腿有兩個關(guān)節(jié)，一個是與機體連接處，一個是與履帶足連接處，分別實現(xiàn)適應(yīng)管徑和調(diào)整高度的作用。 如圖3-9所示，由于自適應(yīng)管徑是自主適應(yīng)，而進入扁平管道是需要手工調(diào)節(jié)的，故關(guān)節(jié)l，關(guān)節(jié)2為手動調(diào)節(jié)。關(guān)節(jié)1的設(shè)計應(yīng)該遵循機械傳動的基本規(guī)則和原理，關(guān)節(jié)2在設(shè)計時應(yīng)考慮到手工操作的方便性以及調(diào)整以后結(jié)構(gòu)的自鎖性。 3.6履帶的越障礙分析 履帶行走裝置的越野通過性是指在不用任何輔助裝置而能克服各種天然和人工障礙的能力，履帶的通過性主要取決于履帶本身的性能參數(shù)和幾何參數(shù)。履帶通過性的評價性能主要由跨越壕溝和克服垂直壁。 對于不同結(jié)構(gòu)形式的履帶行走裝置，它們的越障礙性能也不同。一般來說雙節(jié)式要比單節(jié)式具有更好的越障礙性能，針對本課題的管道機器人，對單節(jié)式的進行分析。 3.6.1跨越壕溝能力 1）跨越水平壕溝 履帶通過壕溝的寬度與履帶的接地長度，重心位置有關(guān)。 克服壕溝可以用靜力法（即履帶緩慢行駛）和動力法（履帶高速行駛或利用動能來克服）。壕溝的靜力克服受履帶穩(wěn)定性喪失的限制。穩(wěn)定性的喪失是在履帶的重力作用線超出負重面的界限的情況下發(fā)生。如果重力作用線是在車首和對面壕壁之前超出負重面的，那么履帶行走裝置的前部就落入壕溝中。如果重力作用線還未到達對面的壕壁，而履帶行走裝置的尾部已經(jīng)和第一壁脫離，那么履帶行走裝置的尾部就落入壕內(nèi)。 所以用靜力法克服壕溝的可能性決定于履帶行走裝置兩端支撐點和履帶重心在行駛平面上的投影間的距離。 3-11履帶行走裝置以靜力法通過壕溝 如圖3-11所示，如果要克服寬為B=b。且ab的壕溝時，當履帶行走裝置尾部已失去壕溝后緣的支撐時，履帶行走裝置中心尚未靠近壕溝之前緣，于是履帶行走裝置尾端就落入壕溝中。為了能克服較寬的壕溝，在設(shè)計履帶行走裝置時應(yīng)盡量使其中心布置在履帶接地段中心處。 用動力法克服壕溝就是以較高的速度駛過壕溝，這樣可以增加越壕的寬度。在履帶高速通過壕溝時，當?shù)谝回撝剌喢撾x支撐面后，車體便開始向溝底下傾。顯然，如果履帶的行駛速度越高，在同一距離內(nèi)，履帶車體前部向溝底下落的程度便越小。 應(yīng)用動力法克服壕溝兩邊緣的相互位置和形狀有很大的關(guān)系，如果壕溝的前邊緣比后邊緣高則難以克服，反之則較容易克服。如果后邊緣成下坡的斜面，則不易通過。如果上坡狀斜面，則較易克服。 3-12壕溝邊緣呈坡狀時越壕 2）跨越坡度壕溝 現(xiàn)在只研究靜力克服法。上坡克服壕溝的第一階段（即履帶前端跨過壕溝時）與克服水平地面上的壕溝比起來，車輛中心是不容易超過后邊緣的。因此就第一階段來說，履帶能夠克服的壕寬為 A=a+htg （3-8） 式中 —上坡坡度角； h—履帶行走裝置重心高度； 可是在第二階段，履帶行走裝置尾端跨過壕溝時，履帶行走裝置可以克服的壕寬將減少為： A=a-htg （3-9） 所以，履帶在上坡時克服壕寬較在水平地面上要小。 反之，履帶在下坡時第一階段能克服的壕寬較平地時要減小。 圖3-13跨越有坡度的壕溝 25 .