管內(nèi)步伐式行走機(jī)器人設(shè)計

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青島濱海學(xué)院機(jī)械設(shè)計制造及其自動化畢業(yè)設(shè)計 1 管道機(jī)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(jié)萘，管內(nèi)萘堵塞管內(nèi)面積超過50%以上，嚴(yán)重影響煤氣的運輸，以清除管內(nèi)結(jié)萘為目標(biāo)，著手研制此管內(nèi)步伐式機(jī)器人。 1.2管內(nèi)機(jī)器人發(fā)展綜述 機(jī)器人是人類新世紀(jì)的偉大發(fā)明之一，是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運行、重復(fù)操作和精度較高的自動化設(shè)備，機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)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(yuǎn)的影響?？茖W(xué)技術(shù)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(shù)之間的競爭，作為機(jī)電一體化的最高成就——機(jī)器人技術(shù)作為高技術(shù)的一個重要分支，普遍受到了各國的重視，隨著計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計制造水平的不斷提高，極大的推進(jìn)了機(jī)器人的發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)器人已經(jīng)成為了一個龐大的家族。 1.2.1機(jī)器人的定義 機(jī)器人技術(shù)是一種面向未來的現(xiàn)代化技術(shù)，機(jī)器人技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、基因技術(shù)、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等一樣，屬于高新技術(shù)。它設(shè)計的學(xué)科有材料科學(xué)、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能、數(shù)學(xué)方法、仿生學(xué)等等很多學(xué)科，所以機(jī)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(rèn)的定義： 1979年美國機(jī)器人協(xié)會將機(jī)器人定義為：“可重復(fù)編程的多功能操縱器，設(shè)計成通過不同的編程動作為執(zhí)行多種任務(wù)移動原料、部件。工具或?qū)ｉT的設(shè)備?！? 1984年12月國際標(biāo)準(zhǔn)化組織中的工業(yè)自動化系統(tǒng)委員會所屬工業(yè)用機(jī)器人分會作出的定義：機(jī)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(jī)器。 1988年法國的埃斯皮奧將機(jī)器人學(xué)定義為：機(jī)器人學(xué)是指設(shè)計能根據(jù)傳感器信息實現(xiàn)預(yù)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(xué)家對機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)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(jī)器”。 1.2.2我國管道機(jī)器人的發(fā)展、 哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授自1987年以來開展管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，在國家自然科學(xué)基金的資助下，較全面的研究了不同類型的管道機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)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(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用，獲得成功。該機(jī)器人采用輪式行走機(jī)構(gòu)，雙電機(jī)驅(qū)動，PWM直流脈寬調(diào)速，由工控機(jī)和MCS-552單片機(jī)共同控制，可自動進(jìn)行圖像識別，在管內(nèi)移動距離300m，在技術(shù)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(dá)到國際先進(jìn)水平。 圖1.1哈爾濱工業(yè)大學(xué)Φ660管道機(jī)器人 哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1998年研制的水泥砂漿襯里噴涂補口作業(yè)機(jī)器人樣機(jī)（如下圖），該機(jī)器人采用輪履復(fù)合式行走方式，解決了穿越管內(nèi)凹型障礙的技術(shù)難題，針對水泥砂漿的流變學(xué)特性，所設(shè)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(xué)于2001年研制出了一種輪式管道檢測機(jī)器人Pipesbot-I，如下圖所示，該機(jī)器人采用全驅(qū)動直進(jìn)式結(jié)構(gòu)，由三個直流電機(jī)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(jī)構(gòu)使驅(qū)動輪撐緊管壁，依靠摩擦力運動。設(shè)計指標(biāo)為：行走速度1km/h，探測長度1km/次，使用管徑Ф140mm-180mm。 圖1.3 2機(jī)器人總體設(shè)計方案 2.1模塊化設(shè)計理念 2.1.1模塊化設(shè)計理論基礎(chǔ) 模塊化設(shè)計是在產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)不斷發(fā)展的過程中逐步形成的，是一種設(shè)計方法。而模塊化設(shè)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(chǔ)，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(yīng)具有四個基本含義：①必須具有一定數(shù)量的模塊；②應(yīng)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(jìn)行模塊化設(shè)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(jìn)行設(shè)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(jī)器人的模塊化設(shè)計 模塊的設(shè)計問題是模塊化設(shè)計的核心問題，因此合理的劃分模塊并構(gòu)造模塊的結(jié)構(gòu)是模塊化設(shè)計的關(guān)鍵。我們依據(jù)功能劃分的模塊化設(shè)計方法，將管內(nèi)步伐式行走機(jī)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(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)械與電氣連接接口外，其設(shè)計相互獨立。 模塊化設(shè)計的核心思想是將產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分后，通過對某些模塊進(jìn)行重新設(shè)計或變異設(shè)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(jī)器人進(jìn)行各種變異設(shè)計，滿足不同使用要求和應(yīng)用環(huán)境要求。 2.2管內(nèi)步伐式行走機(jī)器人的用途及工作原理 2.2.1管內(nèi)步伐式行走機(jī)器人的用途 近年來煤氣回收萘不徹底，造成主管道內(nèi)結(jié)萘，管內(nèi)結(jié)萘堵塞管內(nèi)大部分面積，嚴(yán)重影響煤氣輸送，以清除管內(nèi)萘為目標(biāo),研制管內(nèi)步伐機(jī)器人，該機(jī)器人可以完成自動清除結(jié)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(jī)器人的工作原理 工作原理：管內(nèi)步伐式行走機(jī)器人的運動模仿人在井筒中四肢扶壁上下運動的模式。機(jī)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(yīng)管道彎度轉(zhuǎn)向，當(dāng)管道有彎道時,后腳踩住管壁向前推進(jìn),機(jī)器人的前腿機(jī)構(gòu)自動隨管道彎度轉(zhuǎn)向不需要專門控制。機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎最小曲率半徑由機(jī)構(gòu)決定。所以這種機(jī)器人是可以雙向運動的自動轉(zhuǎn)彎步伐式管內(nèi)機(jī)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(jìn)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(jī)構(gòu)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(jī)器人沒有前后運動。(圖1.1b到c) D、第二前進(jìn)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(jī)構(gòu)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(fù)到初始位置,機(jī)器人沒有前后運動。(圖1.1d到a) 2.3管內(nèi)步伐式行走機(jī)構(gòu) 管內(nèi)步伐式機(jī)器人的機(jī)構(gòu)主要分為3部分，有撐腳機(jī)構(gòu)及其傳動、牽引機(jī)構(gòu)及傳動、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等。下面分別介紹3種機(jī)構(gòu)，下圖為管內(nèi)步伐式機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡圖。 圖2.2 2.3.1撐腳機(jī)構(gòu)及其傳動 撐腳機(jī)構(gòu)的作用是使管道機(jī)器人被支承在管道中心線上。其機(jī)構(gòu)及傳動由電機(jī)(16)、小齒輪(15)、齒圈及平面螺紋(14)、滑桿(13)、腳靴(12)組成。當(dāng)電機(jī)(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(jī)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(jī)器人處在管道的中心線上。為了使機(jī)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(dāng)撐腳縮回時支承輪使機(jī)器人基本上維持在管道中心線上。當(dāng)機(jī)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(jī)構(gòu)及其傳動 牽引機(jī)構(gòu)的作用是拖動機(jī)器人前進(jìn)。 牽引機(jī)構(gòu)(見圖2) 由電機(jī)( 1)、 螺桿(2)、螺母(5)撥銷(4)、撥桿(7)和支承桿(9)組成。當(dāng)電機(jī)(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(jī)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(jī)器人前進(jìn)。當(dāng)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(jī)構(gòu) 　　轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的作用是使機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu),可使前后兩單元在任意方向上轉(zhuǎn)動。 當(dāng)管道彎曲時萬向節(jié)可自動轉(zhuǎn)向適應(yīng)彎曲管道,這樣機(jī)器人通過彎曲管道時無需專門進(jìn)行檢測和控制。 2.4步伐機(jī)器人的本體技術(shù)要求 機(jī)器人設(shè)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(biāo)是使機(jī)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(chǔ)上，進(jìn)一步的使機(jī)器人移動靈活，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，滿足一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性要求。 2.4.1支撐機(jī)構(gòu)的技術(shù)要求 根據(jù)步伐機(jī)器人的運動特點，撐腳機(jī)構(gòu)是主體，所產(chǎn)生的支撐力應(yīng)能保證機(jī)器人在單步運動中一端鎖定在管壁中，使機(jī)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(jìn)行，有一定的機(jī)械自鎖能力提高安全性。 對撐腳機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單、輕量化。 2.4.2傳動機(jī)構(gòu) 傳動機(jī)構(gòu)應(yīng)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(yīng)高溫、低溫、無潤滑、水中，技術(shù)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(gòu)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(gòu)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(jié) 本章主要介紹了機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求，將機(jī)器人模塊劃分，為下面具體設(shè)計提供依據(jù)。 3管內(nèi)步伐式機(jī)器人的有關(guān)參數(shù)選擇 3.1步伐式機(jī)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(yīng)能力強 履帶磨損大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)動性較差。 腿式 越障礙能力強，承載能力大，機(jī)動性好，具有很強的壁面適應(yīng)能力。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，移動是間歇的，速度慢，關(guān)節(jié)和足數(shù)多，控制復(fù)雜。 蠕動式 承載能力大，運動平穩(wěn)，控制簡便，對壁面適應(yīng)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(shè)計了一種步伐式行走結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)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(jī)器人結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計，具有較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。 3.2機(jī)器人驅(qū)動方案的選擇 目前對于機(jī)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(jī)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(yīng)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(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。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(jī)械驅(qū)動 技術(shù)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(yīng)性好 不怕震動 要求高 一般 控制距離 中等 短 長 短 經(jīng)濟(jì)性 便宜 較貴 較貴 一般 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡單 復(fù)雜 復(fù)雜 稍復(fù)雜 使用維護(hù) 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(dá)1Mpa。氣壓驅(qū)動的優(yōu)點是響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)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(jī)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(jī)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(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動負(fù)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(jī)器人運動。由于電氣驅(qū)動具有易于控制，運動精度高，響應(yīng)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(yīng)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(jī)械驅(qū)動相結(jié)合的方案。 3.3電機(jī)類型的選擇 在上節(jié)中介紹到，電機(jī)驅(qū)動適合本步伐式機(jī)器人，在電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，有直流電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直接驅(qū)動電機(jī)等實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的電動機(jī)，以及實現(xiàn)直線運動的直線電機(jī)。目前在機(jī)器人的運動控制中較為常用的電機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，他們的特性、工作原理與控制方式如下表。 電機(jī)類型 主要特點 構(gòu)造與工作原理 控制方式 直流伺服電機(jī) 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(hù)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(gòu)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(jī) 沒有電刷和換向器，無需維護(hù)，驅(qū)動電路復(fù)雜，價格高 按結(jié)構(gòu)分為同步和異步電機(jī)。無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)與同步電機(jī)相同，特性與直流電機(jī)相同。 分為電壓控制與頻率控制兩種方式。異步電機(jī)通常采用電壓控制 步進(jìn)電機(jī) 直接用數(shù)字信號控制，與計算機(jī)接口簡單，沒有電刷，維護(hù)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(yīng)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(jìn)電機(jī)作為一種新型的自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，得到越來越廣泛的應(yīng)用，進(jìn)入了一些高、精、尖的控制領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)雖然有一些不足，如啟動頻率過高或負(fù)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(jī)來克服慣性力矩。但步進(jìn)電機(jī)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(fù)載力矩適當(dāng)?shù)那闆r下，以較小的成本與復(fù)雜度，實現(xiàn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。 3.4 夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計 在管內(nèi)步伐機(jī)器人當(dāng)中，夾緊機(jī)構(gòu)是保證機(jī)器人具有良好的爬坡能力和越障能力的關(guān)鍵。夾緊機(jī)構(gòu)分為機(jī)械式和液壓式兩種，機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)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(dá)到鎖緊的目的。平面螺旋盤的驅(qū)動靠電機(jī)一凸輪副或電機(jī)一輪副驅(qū)動。液壓式夾緊機(jī)構(gòu)采用液性介質(zhì)彈性夾緊機(jī)構(gòu)。為此我們提出了三種結(jié)構(gòu)方案： ①電機(jī)一凸輪副結(jié)構(gòu)方案 圖3.4 電機(jī)--凸輪服結(jié)構(gòu)圖 工作原理為：電機(jī)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(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu) 液壓式夾緊機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)。其工作原理為電機(jī)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(jī)構(gòu) ③電機(jī)一齒輪副結(jié)構(gòu)方案 圖3.6 電機(jī)--齒輪副結(jié)構(gòu)圖 工作原理為：電機(jī)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(jié)： 相比較幾種夾緊機(jī)構(gòu)，液壓夾緊機(jī)構(gòu)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(dá)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(jī)構(gòu)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(jī)器人的工作空 間的要求。電機(jī)一凸輪副雖然可以達(dá)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。可產(chǎn)生較大的動力，適應(yīng)性能好，所以爬行機(jī)器人本體的夾緊機(jī)構(gòu)選用電機(jī)一齒輪副夾緊結(jié)構(gòu)。即方案③ 3.5 減速結(jié)構(gòu)設(shè)計 常用的機(jī)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(yuǎn)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(zhǔn)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(dá)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(jié)構(gòu)鋼等. 圖3.8 帶傳動(皮帶傳動)特點(優(yōu)點和缺點):①結(jié)構(gòu)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(hù)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(zhǔn)確可靠;②傳遞的功率和速度范圍較大;③結(jié)構(gòu)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(jié) 本章介紹了有關(guān)機(jī)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(jī)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(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動元件。 4管內(nèi)步伐式行走機(jī)器人的力學(xué)分析 4.1機(jī)器人腳底對管壁的壓緊力（見圖2.2）{機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖} 根據(jù)虛位移原理撐腳電機(jī)6的有效虛功與腳底虛功相等 =3 η1T1△θ= 3F1△L1 其中:　T1——電機(jī)6 的扭矩 　　 F1——單腳在管壁上的壓力 ——電機(jī)的微小轉(zhuǎn)角 　——電機(jī) 6微小轉(zhuǎn)角對應(yīng)的腳底伸出量 　　——傳動效率 由于 其中，i——電機(jī)6到腳的傳動比；P1——平面螺紋的節(jié)距。 將機(jī)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(jī)1的有效虛功與牽引虛功相等： 其中，T2——電機(jī)1的扭矩； ——電機(jī)1的微小轉(zhuǎn)角； ——電機(jī)1微小轉(zhuǎn)角對應(yīng)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(jī)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(jī)構(gòu)條件下管壁壓力與牽引力的關(guān)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(jī)器人參數(shù)帶入不等式右端并取得： T1/T2>11.1 在無防滑機(jī)構(gòu)情況下，撐腳電機(jī)扭矩要大于扭矩11.1倍，機(jī)器人才能不打滑正常牽引行走，即該機(jī)器人產(chǎn)生209kg牽引力，牽引電機(jī)扭矩9kgcm,撐腳電機(jī)扭矩需100kgcm以上。 4.4　管內(nèi)步伐式機(jī)器人的防滑機(jī)構(gòu)及力學(xué)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(jī)器人行走時不打滑的條件為：撐腳電機(jī)的扭矩大于牽引電機(jī)扭矩11.1 倍。這必然導(dǎo)致?lián)文_傳動機(jī)構(gòu)龐大,機(jī)器人自重增加,這樣機(jī)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(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主要做功電機(jī)是不合理的,因此設(shè)計了撐腳防滑機(jī)構(gòu)。 4.4.1撐腳防滑機(jī)構(gòu)的工作原理 撐腳防滑機(jī)構(gòu)如圖3所示.其中長銷(2)靠過盈配合固連在膠靴(3)上，當(dāng)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(dāng)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(shè)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(jī)構(gòu)受力分析， 防滑機(jī)構(gòu)受力分析圖如下圖： 當(dāng)機(jī)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(dāng)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(jī)器人支撐機(jī)構(gòu)鎖死，當(dāng)牽引力F消失后Q 也隨之消失。 圖4.2 防滑機(jī)構(gòu)受力分析 4.5 有防滑機(jī)構(gòu)情況下支撐電機(jī)計算 按支承電機(jī)維持機(jī)器人在管道中心的要求 其中: Q——機(jī)器人的半重量 　P1——平面螺紋的節(jié)距 ——傳動效率 機(jī)器人的半重量Q= 21kg ,將機(jī)器人參數(shù)代入上式得 T1＞4.2kgcm 本機(jī)選用的支撐電機(jī)扭矩為6kgcm. 4.6本章小結(jié) 本章主要對機(jī)器人的力學(xué)設(shè)計做了分析，對壓緊力，牽引力等做了分析，按照模塊化設(shè)計思想進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于后續(xù)工作。對本體進(jìn)行了受力分析，推導(dǎo)出壓緊力和牽引力計算公式，對電機(jī)扭矩進(jìn)行了計算。 5管內(nèi)步伐行走機(jī)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(yīng)有快速響應(yīng)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(jī)器人支撐機(jī)構(gòu)的控制。步伐行走機(jī)器人采用前部和后部相互配合的一種尺蠖蠕動爬行機(jī)構(gòu)，前部和后部的支撐機(jī)構(gòu)采用平面螺旋副來進(jìn)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(jī)作為動力源。因此需要控制2個步進(jìn)電機(jī)。 ②機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)的控制。步伐行走機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)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(jìn)電機(jī)通過齒輪副來驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)，靠軸向力使機(jī)器人不斷的進(jìn)行運動。 在管內(nèi)步伐行走機(jī)器人中，所有部件的運動均是通過電機(jī)進(jìn)行動力傳遞的，對支撐機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)有穩(wěn)定性好、操作方便的要求，因此對電機(jī)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(jī)進(jìn)行控制。 5.2PLC的組成結(jié)構(gòu)與特點 從機(jī)構(gòu)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(jī)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(jié)構(gòu)框圖。 圖5.1PLC結(jié)構(gòu)框圖 本系統(tǒng)選用采用PLC對電機(jī)進(jìn)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(hù)方便，PLC不需要像用計算機(jī)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(shè)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(shù)，大量的開關(guān)動作由無觸電點的半導(dǎo)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(shè)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(shù)人員的讀圖習(xí)慣及應(yīng)用微機(jī)水平，很容易被電氣技術(shù)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(jī)、點擊驅(qū)動器、電機(jī)四大部分組成。上位機(jī)為高性能的PC機(jī)，下位機(jī)PLC通過位置模塊控制各個步進(jìn)電機(jī)的運動，通過開關(guān)量輸入/輸出模塊接受和輸出各類開關(guān)量；上下位機(jī)之間的通過串行通訊進(jìn)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(jī)工作，使頭部鎖止在管壁中，傳動電機(jī)是絲桿帶動尾部前進(jìn)，達(dá)到指定位置時，尾部夾緊電機(jī)工作，使其鎖止在管壁中，頭部夾緊電機(jī)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(jié) 本章主要介紹了機(jī)器人的控制系統(tǒng)，對控制系統(tǒng)提出了設(shè)計要求及PLC電機(jī)控制單元分析。 6結(jié)論 本文提出了管道步伐式機(jī)器人的設(shè)計方案，對系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行了深入的分析，成功地完成了系統(tǒng)的設(shè)計。對移動方式及受力分析等進(jìn)行了分析，對系統(tǒng)技術(shù)單元的穩(wěn)定性、可靠性進(jìn)行了分析。 本文的主要研究成果如下： ①廣泛的查閱了當(dāng)前有關(guān)管內(nèi)機(jī)器人的文獻(xiàn)，了解了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，通過對管內(nèi)機(jī)器人的移動結(jié)構(gòu)的對比、分析和設(shè)計，結(jié)合本課題的設(shè)計要求，提出了一種管內(nèi)步伐式行走機(jī)器人。 ②系統(tǒng)的研究了管內(nèi)機(jī)器人的運動原理、驅(qū)動方式以及結(jié)構(gòu)形式，詳細(xì)的討論了管內(nèi)機(jī)器人本體研制的相關(guān)技術(shù)問題。管內(nèi)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)是本文的重點內(nèi)容，對本體的支撐結(jié)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了具體的分析設(shè)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(jī)器人本體部分按功能劃分的模塊化設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，將本體結(jié)構(gòu)分為支撐結(jié)構(gòu)和傳動結(jié)構(gòu)兩大模塊，對獨立的模塊可進(jìn)行相應(yīng)的變形設(shè)計。 ③設(shè)計了一種自鎖式安全保護(hù)裝置。 ④應(yīng)用PLC作為控制核心，實現(xiàn)準(zhǔn)確控制。 25