管道檢測機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動仿真

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1、管道檢測機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動仿真 摘 要 管道檢測機(jī)器人主要包括三大系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)。本文在分析了機(jī)器人總體機(jī)械結(jié)構(gòu)和檢測原理的基礎(chǔ)上，通過精確的力學(xué)計(jì)算和細(xì)致的結(jié)構(gòu)分析，利用 AutoCAD 軟件對機(jī)器人的機(jī)械部分，包括整體結(jié)構(gòu)、電機(jī)、齒輪、軸等進(jìn)行了選擇與設(shè)計(jì)，并對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析與計(jì)算。然后利用 Solid Edge 軟件將管道檢測機(jī)器人的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)繪制成三維立體模型。所設(shè)計(jì)的機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，可通過履帶式移動機(jī)構(gòu)滿足城市排水管道的工況，并通過加裝支撐臂進(jìn)行 30 度的爬坡。通過細(xì)致研究，確定了機(jī)器人所使用的攝像系統(tǒng)和超聲波檢測系統(tǒng)。 關(guān)鍵

2、詞：排水管道，履帶式機(jī)器人，超聲波無損檢測 II Abstract A pipeline inspection robot mainly consists of three parts, the mechanical system, the control system and the detecting system. This paper, based on the analysis of overall mechanical structure and detecting principle of the robot, by accurate mecha

3、nical calculation together with comprehensive structure analysis, the author has worked out a unique design for overall structure in AutoCAD software, motor, gears as well as axles of the robot, and the design scheme has been analyzed and calculated. Then built overall mechanical structure of pipeli

4、ne inspection robot 3-D models in Solid Edge software. The design of mechanical system of the pipeline inspection robot is equipped with the tracked mobile mechanism moves along the urban drainage pipelines and two support arms can climb maximum gradient of 30 degrees. And after careful study, the c

5、amera system and the ultrasonic inspection system of the robot are also determined in the paper. Key words: Drainage pipeline, Tracked robot, Ultrasonic nondestructive inspection 管道檢測機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動仿真 目 錄 IV 第一章 緒 論 1 1.1 課題研究意義及背景 1 1.2 管道檢測機(jī)器人的發(fā)展 3 1.2.1 管道檢測機(jī)器人發(fā)展情況 3 1.2.2 管道檢測機(jī)器

6、人類型介紹 7 1.3 管道檢測機(jī)器人的技術(shù) 9 1.4 課題研究主要內(nèi)容 9 1.5 本章小結(jié) 10 第二章 管道檢測機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案確定 11 2.1 管道檢測機(jī)器人移動方式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 2.1.1 管道檢測機(jī)器人移動方式分析比較 11 2.1.2 管道檢測機(jī)器人移動方式選擇 13 2.2 管道檢測機(jī)器人總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 2.3 本章小結(jié) 15 第三章 管道檢測機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 16 3.1 管道檢測機(jī)器人力學(xué)分析計(jì)算 16 3.2 管道檢測機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 3.2.1 傳動齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 18 3.2.2 傳動軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 25

7、3.3 管道檢測機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29 3.3.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇 31 3.4 本章小結(jié) 33 第四章 管道檢測機(jī)器人附屬配置 35 4.1 能源供給方式的選擇 35 4.2 攝像系統(tǒng)的選擇 35 4.3 檢測系統(tǒng)的選擇 36 4.4 電源裝置的選擇 38 4.5 控制裝置的選擇 38 4.6 本章小結(jié) 38 第五章 管道檢測機(jī)器人三維模型設(shè)計(jì) 39 5.1 移動機(jī)構(gòu)三維模型設(shè)計(jì) 39 5.2 支撐臂機(jī)構(gòu)三維模型設(shè)計(jì) 41 5.3 車體結(jié)構(gòu)三維模型設(shè)計(jì) 41 5.3.1 車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維模型設(shè)計(jì) 41 5.3.2 車體上方結(jié)構(gòu)三維模型設(shè)計(jì) 42 5.3.3

8、車體前方結(jié)構(gòu)三維模型設(shè)計(jì) 43 5.4 整體結(jié)構(gòu)三維模型設(shè)計(jì) 43 5.5 本章小結(jié) 45 第六章 管道檢測機(jī)器人穩(wěn)定性分析 46 6.1 承載能力 46 6.2 檢測系統(tǒng) 47 6.3 質(zhì)量優(yōu)化 47 6.4 本章小結(jié) 48 第七章 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析報(bào)告 49 第八章 總結(jié)與展望 50 8.1 總結(jié) 50 8.2 展望 50 參考文獻(xiàn) 52 致 謝 54 聲 明 55 第一章 緒 論 1.1 課題研究意義及背景 近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市發(fā)展的步伐也逐漸加快，煤氣、輸水、油氣、通訊、化工以及其他用途的管道急劇增加。管道作為一種經(jīng)濟(jì)、

9、高效且安全的物料輸送手段一直被人們所關(guān)注。因此，管道成為城市建筑、工業(yè)、能源、軍事裝備等領(lǐng)域中使用廣泛的物料運(yùn)輸手段。 現(xiàn)如今石油、化工、城市水暖供應(yīng)、地下排水、核工業(yè)等部門所鋪設(shè)的管道累計(jì)長度急劇增長。僅以我國城市管道為例，截止到 1999 年底所鋪設(shè)管道的累計(jì)長 度已達(dá)到 238001 公里，平均每年增長 5.9%。其中，排水管道達(dá)到 134486 公里， 平均每年增長 5.9% [1]。由于歷史原因，國內(nèi)在役管道部分管材質(zhì)量較差，加上施工建設(shè)過程中存在一些焊接缺陷與涂層缺陷，這些給管道的安全使用埋下隱患。即使部分投產(chǎn)驗(yàn)收合格的管道，在運(yùn)行過程中也難免會受到介質(zhì)、溫度、疲勞、腐蝕、局

10、部載荷等因素的影響，服役一段時(shí)間后會產(chǎn)生缺陷或?qū)е氯毕輸U(kuò)展，并可能最終發(fā)生失效，給人民生命財(cái)產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)和社會穩(wěn)定帶來威脅。 以排水管道為例，排水管道是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，是城市水污染防治和城市排漬、排澇、防洪的骨干工程。但是隨著排水管道材料的老化，以及經(jīng)常受到工業(yè)中各種化學(xué)物質(zhì)的侵蝕等，管道會出現(xiàn)不同程度的損壞，致使污水外流造成環(huán)境污染，甚至影響地表結(jié)構(gòu)等。另一方面，新建成的排污管道，也必須在投入使用前進(jìn)行內(nèi)部檢測，驗(yàn)收合格之后才能投入使用。因此為了保護(hù)環(huán)境，以及城市道路的安全，需要對排水管道進(jìn)行定期的檢測和維護(hù)檢修。然而，由于排水管道大多都深埋地下，所處環(huán)境往往是人所不及的，工人在排

11、除管線故障時(shí)，也只能通過摸排和人工作業(yè)的方式進(jìn)行，當(dāng)遇到一些老舊的細(xì)小管線時(shí)，這些維護(hù)方式就顯得十分有限[2]。 目前，關(guān)于地下管道的質(zhì)檢通常采用兩種方法。其一，是工程量巨大的開挖抽檢方法，由于隨機(jī)抽檢法經(jīng)常出現(xiàn)漏檢，故準(zhǔn)確率低、效果不理想，不但勞動強(qiáng)度大、效益低，而且往往妨礙道路交通。其二，是靠人工來完成，在很多情況下，人無法進(jìn)入管道，如管道直徑較小、管道內(nèi)充斥對人體有害的氣體等，另外人工檢測速度慢、效率低、需要投入大量的人力和物力，因此這種工作方式也同樣存在很多 53 缺點(diǎn)。目前，國內(nèi)外主要應(yīng)用的泄漏檢測方法有壓力圖像法（壓力分布法）、壓力點(diǎn)法（PPA）、負(fù)壓波法、質(zhì)量平

12、衡法、聲波法、管道泄漏溶解法等等[3]。這些方法雖然可以檢測管道的泄漏情況，但需要進(jìn)行一定量的理論計(jì)算和推導(dǎo)，往往不如圖像信息簡單、直觀。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)已取得重大的進(jìn)步，廣泛應(yīng)用于采礦、冶金、石油、化學(xué)、船舶等傳統(tǒng)制造業(yè)領(lǐng)域，同時(shí)也逐步擴(kuò)大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域，以及家庭清潔、醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域。對于那些人力難以直接到達(dá)的極限環(huán)境，如城市污水、天然氣輸送、工業(yè)物料運(yùn)輸?shù)却罅繌?fù)雜隱蔽的管道，如何有效開展管道檢測，及時(shí)掌握管道結(jié)構(gòu)和功能的安全程度，運(yùn)用科學(xué)手段指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)及維修工作，已是當(dāng)務(wù)之急。因此，在人工檢測方式存在諸多缺點(diǎn)的情況下

13、，研發(fā)一種自動智能化的管道機(jī)器人具有重要意義。所謂管道機(jī)器人，就是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動行走、攜帶一種或多種傳感器件，如位置和姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器等，以及操作機(jī)械，如管道裂紋與管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置、操作手、噴槍、刷子等。在工作人員的遙控操縱或計(jì)算機(jī)控制下，可在極其惡劣的環(huán)境中，能夠完成一系列管道檢測、維修作業(yè)的機(jī)電一體化系統(tǒng)。管道機(jī)器人可完成的管道作業(yè)有：生產(chǎn)、施工過程中的管道內(nèi)外質(zhì)量檢測；管道內(nèi)部清掃、拋光、焊接、噴涂等維護(hù)；對接焊縫的探傷、補(bǔ)口作業(yè)；舊管道腐蝕程度、破損情況檢測和泄漏預(yù)報(bào)等等[4][5]。 通過管道機(jī)器人攜帶必要的檢測設(shè)備，在操作人員的遠(yuǎn)距離控

14、制下，沿管道內(nèi) 行走并實(shí)時(shí)連續(xù)拍攝，顯示出管道內(nèi)部的圖像，可以直觀、清晰地反映出管道內(nèi)的故障，克服了傳統(tǒng)檢測方法存在的諸多弊端，提高了管道檢測精度，及時(shí)有效的完成了對管道的維修與維護(hù)。 綜上所述，管道檢測機(jī)器人的研究為管道的檢測、維護(hù)提供了新的技術(shù)手段， 改變了傳統(tǒng)管道開挖抽檢的單一模式和人工檢測的諸多缺點(diǎn)。這種檢測技術(shù)提高了管道檢測的準(zhǔn)確性，便于管道工程的維護(hù)人員及時(shí)了解、分析管道缺陷產(chǎn)生的原因， 開展管道缺陷評估，制訂管道維護(hù)方案，消除管道安全隱患。在事故發(fā)生前有計(jì)劃地維修或更換故障管段，以便節(jié)約大量的管道維修費(fèi)用，降低管道維護(hù)成本，保障人民生活及財(cái)產(chǎn)安全，減少有毒氣體或液體泄漏造成的

15、環(huán)境污染等[6][7][8]。因此， 開展管道檢測機(jī)器人的研究具有重要的科學(xué)意義和顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 我國城市地下管道總長達(dá)數(shù) 10 萬公里[9]，設(shè)計(jì)出一款適用于我國城市管道檢測的 機(jī)器人既利國利民，又具有極高的使用價(jià)值。因此，城市排水管道檢測機(jī)器人的研究將成為一項(xiàng)十分重要的產(chǎn)業(yè)工程[10]。 1.2 管道檢測機(jī)器人的發(fā)展 1.2.1 管道檢測機(jī)器人發(fā)展情況 1、國外典型管道機(jī)器人 隨著 70 年代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，國外的管道機(jī)器人技術(shù)自 90 年代初以來，就得到了迅猛發(fā)展，并接近于應(yīng)用水平。1987 年， 日本學(xué)者T.Morimi

16、tsu等人，成功研制了一種振動式管內(nèi)移動機(jī)器人。1999 年，西班牙的Jorge Moraleda與Anibal Ollero等人，在西班牙軍工基金的資助下，利用水流噴射產(chǎn)生的沖力作為驅(qū)動力，研制出了用于檢測下水管道內(nèi)部狀況的管道機(jī)器人系統(tǒng)。2000 年，日本橫濱國立大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系Chi Zhu等人，研制成功了一種用于檢測排污管道的管道檢測機(jī)器人，它適用于直徑為 200 毫米的管道。2001 年，美國紐約煤氣集團(tuán)公司的Daphne D Zurko和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人技術(shù)學(xué)院的Hagen Schempf博士，在美國國家航空和宇宙航行局的資助下，開發(fā)出長距離、無纜方式的管道機(jī)器人系統(tǒng)。

17、 （1） PEARPOINT 公司開發(fā)的輪式自來水管道檢測機(jī)器人 如圖 1.1 所示，該機(jī)器人具有六個(gè)行走輪，能在自來水管道內(nèi)前進(jìn)或倒退行走， 適應(yīng)管徑為 Φ150-750mm，行走速度為 0-12m/min，行走距離大約 600m 左右。對于更大管徑的管道，加裝 20w 燈泡（選件），可提供更明亮、精確的圖像。電纜使用的是質(zhì)地牢固而重量較輕的合成纖維，具有堅(jiān)固和防水的特性，可抵抗 1.5kN 的張力。其高性能的帶馬達(dá)電纜盤，可提供超過 50kg 的牽引力。微處理器控制的離合器和剎車系統(tǒng)，可減少電纜回繞的摩擦力。在整個(gè)測量過程中，使用操縱桿可精確控制爬行器及攝像機(jī)。 圖 1.1 輪式

18、自來水管道檢測機(jī)器人 （2） RoboProbe Technologies Inc 的系列產(chǎn)品 此爬行器分為串聯(lián)式爬行器和并聯(lián)式爬行器兩種，如圖 1.2 和圖 1.3 所示。此爬行器系列采用不同的結(jié)構(gòu)形式，可適應(yīng)大范圍的管徑范圍，最小管徑為Φ100mm， 大管徑可達(dá)Φ900mm以上[11]。 主要技術(shù)參數(shù)： 行走距離：300m 左右 直視攝像頭：1/3"CCD 彩色工作溫度：0～50C 電源和控制箱：線性速度調(diào)節(jié)防水深度：30m 拖拉力：32kg/單履載重量：46kg/單履 尺寸：長 38cm寬 9cm高 10cm 重量：6kg/鋁；12kg/銅/不銹鋼爬行速度：0-1

19、0m/min 電壓：48V DC 運(yùn)載方式：mini 履帶/微型履帶 圖 1.2 串聯(lián)式爬行器 圖 1.3 并聯(lián)式爬行器 （3） 日本橫濱國立大學(xué)開發(fā)的檢測排污管道的機(jī)器人 2000 年，日本橫濱國立大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系 Chi Zhu 等人，成功研制出用于檢測排污管道的管道檢測機(jī)器人。該管道檢測機(jī)器人適用于管徑為 Φ200mm 的管道。整個(gè)管道檢測機(jī)器人系統(tǒng)由四部分組成：行走裝置、作業(yè)操縱裝置、用于污水采集的注射器系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)。該機(jī)器人采用視覺伺服定位方式，其工作原理是主控制計(jì)算機(jī)通過處理由攝像頭拍攝到的管道內(nèi)壁圖像，來獲得管道檢測機(jī)器人操作

20、裝置與管壁漏洞之間的相對位置。然后，根據(jù)管道檢測機(jī)器人的逆動力學(xué)模型，分別計(jì)算出每個(gè)電機(jī)所需轉(zhuǎn)動的角度。計(jì)算結(jié)果通過 RS232C 送到微處理器SH7050 中。在 SH7050 的控制下，每個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，從而使作業(yè)操縱裝置的位置正對著漏洞，進(jìn)而將墊圈牢牢地壓入漏洞中，防止污水泄漏造成的環(huán)境污染。 （4） 俄羅斯 TARIS 公司的管道機(jī)器人系列 俄羅斯的 TARIS 公司針對地下輸水管道的檢測、清理已研制出了多個(gè)系列的管道機(jī)器人系統(tǒng)，如圖 1.4 所示。這些管道機(jī)器人為輪式驅(qū)動，能源供給和通信采用拖纜方式，裝有可旋轉(zhuǎn)方向的彩色攝像頭，能進(jìn)行視頻探測，且采用防水材料制作，具有較好的

21、密封防水性。 （a）P-100 機(jī)器人系統(tǒng) （b）P-200 機(jī)器人系統(tǒng) （c）C-200 機(jī)器人系統(tǒng)圖 1.4 TARIS 公司的管道機(jī)器人系列 2、國內(nèi)典型管道機(jī)器人 我國管道機(jī)器人研制工作起步較晚，已見報(bào)道的管道機(jī)器人多為國外進(jìn)口。然而，近些年來管道機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和社會意義，逐漸為更多人所認(rèn)識。也有一些單位開始進(jìn)行研制，并在機(jī)構(gòu)模型、動力學(xué)分析，以及實(shí)驗(yàn)樣機(jī)等方面均有所建樹。較有代表性的有中科院、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東華大 學(xué)、大慶油建公司和中國石油天然氣管道局等。其中，中科院蘭州分院于 2004 年， 成功研制出我國第一臺管道機(jī)器人，提升

22、了我國在機(jī)器人研究開發(fā)領(lǐng)域的地位和影響力[12]。 （1） 上海交通大學(xué)的履帶式管道機(jī)器人 上海交通大學(xué)的履帶式管道機(jī)器人是仿造履帶式車輛行走的原理，采用帶齒輪減速箱的直流伺服電機(jī)驅(qū)動。該機(jī)器人上端裝有 CCD 圖像傳感器，由另一個(gè)直流伺服電機(jī)控制 CCD 圖像傳感器做俯仰運(yùn)動，以擴(kuò)大檢測范圍。另外，該機(jī)器人還裝有角度傳感器，如圖 1.5 所示。 主要技術(shù)參數(shù)： 電機(jī)功率：5w 減速箱減速比：100 輸出轉(zhuǎn)速：0-30r/min 最小管道直徑：≤Φ120mm 運(yùn)行速度：由計(jì)算機(jī)給定，一般為 1.2m/min[13] 圖 1.5 履帶式管道機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)簡圖 （2）

23、 清華大學(xué)研制的管道機(jī)器人 清華特種機(jī)器人研究小組（簡稱 THSR）先后研制了電致伸縮小型蠕動機(jī)器人 （圖 1.6a）、管道清淤機(jī)器人（四輪驅(qū)動，單螺旋槳式作業(yè)）（圖 1.6b）、小型長距離管道檢測機(jī)器人 Pipesbot-Ⅰ和 Pipesbot-Ⅱ（圖 1.6c 和圖 1.6d）。Pipesbot-Ⅰ適用于 Φ140-160mm 的管徑范圍，采用多級串連驅(qū)動方式，機(jī)器人本體前端攜帶 CCD 攝像頭，后部拖帶控制小車和電源小車，通過交流輸入和電源轉(zhuǎn)換模塊供電，采用PWM 調(diào)速，RS422 串行通訊。Pipesbot-Ⅱ?yàn)槿?qū)動直進(jìn)式結(jié)構(gòu)，由三個(gè)直流電機(jī) 通過蝸輪蝸桿副帶動三個(gè)徑向

24、均布的驅(qū)動輪，并通過一個(gè)剪形壓緊機(jī)構(gòu)，使驅(qū)動輪撐緊管壁，依靠摩擦力運(yùn)動。剪形壓緊機(jī)構(gòu)具有可調(diào)接合點(diǎn)，調(diào)節(jié)接合點(diǎn)的位置， 可使機(jī)器人的驅(qū)動輪向內(nèi)縮進(jìn)或向外擴(kuò)張，適應(yīng)一定范圍的管徑。 （a）電致伸縮小型蠕動機(jī)器人 （b）管道清淤機(jī)器人 （c）Pipesbot-Ⅰ （d）Pipesbot-Ⅱ 圖 1.6 清華大學(xué)研制的管道機(jī)器人 綜上所述，近幾年我國管道機(jī)器人技術(shù)的研究已取得了較多成果，在某些單項(xiàng)技術(shù)上也已具有世界領(lǐng)先水平。但限于我國總體技術(shù)發(fā)展水平的制約，所研制的管道機(jī)器人的綜合性能還遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國家，特別是在研制排水管道檢測機(jī)器人方面仍面臨不少的問題。如排水管道檢測機(jī)器人在管道內(nèi)的

25、越障問題、防腐技術(shù)問題等， 這些還有待進(jìn)一步的研究與完善。除此之外，使用國外管道機(jī)器人的費(fèi)用一般較高， 并不適合我國的國情。國內(nèi)這一領(lǐng)域的研究很少，目前還處于科研階段，所以本課題的研究對于提高管道檢測機(jī)器人技術(shù)十分重要，而且具有很大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。 1.2.2 管道檢測機(jī)器人類型介紹 目前，國內(nèi)外已研制出的管道機(jī)器人的類型很多，按能源供給方式可分為兩種， 即有纜方式和無纜方式。對于有纜方式供能的管道機(jī)器人，主要存在的問題是機(jī)器人行走距離遠(yuǎn)、轉(zhuǎn)彎較多時(shí)，線纜與管壁的摩擦力會變得很大，嚴(yán)重影響了機(jī)器人作業(yè)時(shí)的最大行走距離，而且還會帶來可靠性等一系列的問題。而采用無纜方式的能源供

26、給目前有兩種方案，一是攜帶蓄電池，二是攜帶燃油發(fā)電機(jī)組，這兩種方案除了體積龐大，以及增加機(jī)器人本體重量等這些共有的缺點(diǎn)外，還有就是所儲存的能量畢竟有限，并且還會受到電池質(zhì)量、充電工藝等因素的影響，因而機(jī)器人的行走距離仍然受限制[14] [15]。 管道機(jī)器人按其外型大小可分為，大型、普通和微型三種。其中，微型管道機(jī)器人又可按其電驅(qū)動技術(shù)的種類劃分為，基于正弦波驅(qū)動的微型管道機(jī)器人、基于電磁驅(qū)動的管道魚鰭機(jī)器人、直流電機(jī)驅(qū)動的蛇行機(jī)器人、壓電元件驅(qū)動的微型管道機(jī)器人、GMA 驅(qū)動的微型管道機(jī)器人、SMA 驅(qū)動的蚯蚓蠕動管道機(jī)器人。 而如果按行走方式劃分，管道機(jī)器人可分為以下幾種方式[16]：

27、 （1） 活塞移動式，其原理類似于活塞在汽缸內(nèi)的運(yùn)動，即把管道看作是汽缸，把具有一定彈性和硬度的 PIG 看作是活塞。在結(jié)構(gòu)上，當(dāng) PIG 其后面的流體壓力大于前面的壓力時(shí)，在壓差的作用下，PIG 克服了管壁與活塞之間的摩擦阻力而向前運(yùn)動。PIG 可以攜帶各種傳感器，一邊行走一邊用于管道檢測。 （2） 滾輪移動式，利用滾輪驅(qū)動式的行走結(jié)構(gòu)，以電機(jī)作為原動機(jī)，為了增加牽引力，一般采用多輪驅(qū)動式，由于輪徑太小，越障能力有限，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 （3） 履帶移動式，仿造履帶式車輛行走的原理，采用帶齒輪減速箱的直流伺服電機(jī)驅(qū)動。 （4） 足腿移動式，其基本原理是利用足腿推壓管壁來支撐機(jī)體，利用多條

28、腿能夠方便地在各種形狀的彎管內(nèi)移動。由支撐足機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)構(gòu)成，可在各種類型的管道里移動。 （5） 蠕動移動式，模仿昆蟲在地面上爬行時(shí)，蠕動前進(jìn)與后退的動作設(shè)計(jì)。機(jī)構(gòu)由蠕動絲杠、螺母、前后支撐足和前后封閉彈簧構(gòu)成。在行走時(shí)，分別使左右支撐足上端與管壁接觸，下端用滾輪與管壁接觸，驅(qū)動蠕動絲杠依次左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，使螺母在絲杠上左右移動。 （6） 螺旋移動式，利用螺旋原理，使管外電機(jī)推動帶有彈性的驅(qū)動部件前進(jìn)，該驅(qū)動螺旋部件可以自動越過小的臺階。 1.3 管道檢測機(jī)器人的技術(shù) 管道機(jī)器人系統(tǒng)是一種融合了多種先進(jìn)技術(shù)的機(jī)電一體化裝置，其研究內(nèi)容涉及機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、人機(jī)

29、工程、人工智能等多門學(xué)科。管道檢測機(jī)器人技術(shù)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在機(jī)器人的移動技術(shù)、自動操作技術(shù)、自動定位與跟蹤探傷技術(shù)、數(shù)據(jù)處理、信號識別與自動評估技術(shù)。通過對國內(nèi)外一些管道機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究，針對排水管道作業(yè)環(huán)境的特殊性分析可知，排水管道檢測機(jī)器人的研究應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮： （1） 具有良好的管徑適應(yīng)能力。 （2） 體積小，牽引力足夠大，能越過一定大小的障礙物和爬 30 度的斜坡。由于管道檢測機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，一方面機(jī)器人在管道中行走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牽引力來克服各種阻力，這就需要根據(jù)實(shí)際情況來選擇合理的驅(qū)動方式。 （3） 控制盒與管道

30、機(jī)器人小車間具備可靠的控制，保證通信質(zhì)量，并能為小車提供電源。 （4） 管道機(jī)器人小車上應(yīng)裝有高分辨率的攝像機(jī)和輔助照明裝置，并能控制攝像機(jī)進(jìn)行多角度和全方位的拍攝。 （5） 管道機(jī)器人小車內(nèi)應(yīng)裝有傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人小車在管道內(nèi)的姿態(tài)， 防止其在管道內(nèi)傾斜、翻倒。 （6） 當(dāng)管道機(jī)器人小車檢測到故障時(shí)，能及時(shí)判斷機(jī)器人小車的行走距離及位置，從而對故障進(jìn)行定位。 1.4 課題研究主要內(nèi)容 本課題要求：通過所設(shè)計(jì)的機(jī)器人，能夠檢測新管道內(nèi)有無異物、在役管道的腐蝕情況和程度，以便于確定最佳的維修方案。該機(jī)器人小車適用于管徑為Φ400-1200mm 的排水管道，能夠?qū)艿肋M(jìn)行多角度

31、和全方位的拍攝，并且具有較強(qiáng)的爬坡能力，能夠爬 30 度的管道進(jìn)行作業(yè)。因此，本課題要針對城市管道檢測機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，以滿足管道檢測的需要。整個(gè)設(shè)計(jì)從選取機(jī)器人小車的移動方式入手，初步設(shè)計(jì)機(jī)器人小車的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而確定適合的驅(qū)動方式， 然后選取合適的驅(qū)動電機(jī)，最后對機(jī)器人小車的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。 排水管道檢測機(jī)器人主要由四部分組成：移動載體、電源裝置、收放電纜裝置、控制盒，結(jié)合本課題要求，該機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要研究以下內(nèi)容： （1） 整體尺寸設(shè)計(jì)，機(jī)器人的尺寸要適合直徑為 400-1200mm 的管道。 （2） 移動載體設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)、控制系統(tǒng)

32、、照明裝置等的外形尺寸及位置設(shè)計(jì)。 （3） 爬坡能力設(shè)計(jì)，機(jī)器人在管道內(nèi)能夠爬 30 度的斜坡。 （4） 攝像系統(tǒng)選擇，機(jī)器人能夠?qū)艿纼?nèi)部進(jìn)行多角度和全方位的拍攝。 （5） 檢測系統(tǒng)選擇，機(jī)器人能夠檢測管道的腐蝕情況和程度。 1.5 本章小結(jié) 在本章中，主要對管道檢測機(jī)器人的研究意義及背景、管道檢測機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，包括國內(nèi)外管道檢測機(jī)器人的發(fā)展情況和類型進(jìn)行了介紹。針對管道檢測機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，并根據(jù)本課題的設(shè)計(jì)要求，提出基本的研究路線和需解決的主要問題。 第二章 管道檢測機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案確定 由于排水管道內(nèi)部的情況較復(fù)雜，會有許多突起的障礙，管壁的

33、環(huán)境也可能較為泥濘，行走條件相對苛刻，因此為滿足排水管道的工況，本課題所設(shè)計(jì)的管道檢測機(jī)器人選用履帶式的移動方式，其優(yōu)勢在于支撐面積大，適合在泥濘的環(huán)境中作業(yè)，通過性好，并且爬坡、越溝等性能均優(yōu)于其它移動類型的管道機(jī)器人，這樣才能保證機(jī)器人在排水管道環(huán)境下順利完成檢測任務(wù)。本章結(jié)合管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動特點(diǎn)，根據(jù)課題設(shè)計(jì)要求，對排水管道檢測機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)、分析與研究。 2.1 管道檢測機(jī)器人移動方式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 排水管道檢測機(jī)器人主要由四部分組成：移動載體、電源裝置、收放電纜裝置、控制裝置，其中移動載體較大程度上決定了機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。管道機(jī)器人移動載體的移動方式可分

34、為輪式、履帶式、足腿式、螺旋式、張緊式、流體推動式和蠕動式等，這些移動方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)。為了確定更適合排水管道工作環(huán)境下機(jī)器人的移動方式，首先針對各種管道機(jī)器人移動方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較。 2.1.1 管道檢測機(jī)器人移動方式分析比較 如圖 2.1 所示，移動載體按運(yùn)動方式可分為（a）輪式、（b）履帶式、（c）足腿式、（d）螺旋式、（e）張緊式、（f）流體推動式、（g）蠕動式等幾種不同的形式。 圖 2.1 機(jī)器人小車移動載體的移動方式 1、輪式機(jī)器人 輪式機(jī)器人以其運(yùn)動的連續(xù)性、平穩(wěn)性和車輛技術(shù)的成熟性而被廣泛應(yīng)用。然而，對于輪式機(jī)器人還有一些限制，如輪式機(jī)器人越障能力

35、較差；牽引力相對履帶式機(jī)器人要小；在不平整地面環(huán)境下，運(yùn)動不平穩(wěn)，易傾斜；微型化較困難。 2、履帶式機(jī)器人 履帶式機(jī)器人具有牽引力大，抓地性好，適應(yīng)地面環(huán)境能力較強(qiáng)等特點(diǎn)，如圖 2.2 所示。同等條件下，可以跨越的障礙是所有驅(qū)動方式中最大的。 圖 2.2 履帶式機(jī)器人 3、足腿式機(jī)器人 足腿式是一種模仿昆蟲結(jié)構(gòu)功能的移動方式。這種機(jī)器人對地形的適應(yīng)能力較強(qiáng)，能越過較大的壕溝和臺階，其缺點(diǎn)是速度和效率低，轉(zhuǎn)向比較困難，控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，如圖 2.3 所示。由于足腿和地面的接觸面積較小，使得單位面積上的壓強(qiáng)較大，因此應(yīng)用起來比較困難。 圖 2.3 微型六足機(jī)器人

36、 4、螺旋式機(jī)器人 螺旋式機(jī)器人是利用旋轉(zhuǎn)摩擦管壁產(chǎn)生推力。這種機(jī)器人適合在管徑較小的管道中運(yùn)動，其缺點(diǎn)是效率低，推力較小。螺旋式管道機(jī)器人通常是由靜止部分和旋轉(zhuǎn)部分組成，如圖 2.4 所示。兩部分之間由萬向節(jié)連接，萬向節(jié)除了起到基本連接作用外，還能夠傳遞扭矩。靜止部分裝有一組導(dǎo)向輪，只能沿管道軸線運(yùn)動，而不能繞管道軸線旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)部分裝有一組滾輪，各滾輪軸線與管道軸線形成一個(gè)夾角， 稱為螺旋角。當(dāng)旋轉(zhuǎn)部分在電機(jī)的驅(qū)動下，相對于靜止部分轉(zhuǎn)動時(shí)，旋轉(zhuǎn)部分的各個(gè)滾輪將沿著管壁上的一條螺旋線軌跡開始運(yùn)動，從而帶動靜止部分沿管道軸線運(yùn)動，這就是螺旋式管道機(jī)器人的基本運(yùn)動原理。 圖 2.4

37、 螺旋式管道機(jī)器人 2.1.2 管道檢測機(jī)器人移動方式選擇 這些移動方式相比較而言：輪式移動方式，移動速度快、轉(zhuǎn)彎容易，但其著地面積小，維持一定的附著力較困難；履帶式移動方式，具有牽引力大、抓地性好、適應(yīng)地面環(huán)境能力強(qiáng)，在同等條件下，其跨越障礙的能力是所有移動方式中表現(xiàn)最好的；足腿式移動方式，對粗糙路面適應(yīng)性較好、帶載能力強(qiáng)，但其控制系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、移動困難、行走速度慢；螺旋式移動方式，比較適合在管徑很小的管道中運(yùn)動，其缺點(diǎn)是效率低、推力較小。 以上是對四種不同移動方式的機(jī)器人在管內(nèi)運(yùn)動的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較。結(jié)果表明，每種移動方式在管內(nèi)運(yùn)動都有各自的特點(diǎn)，都有各自適用的

38、環(huán)境，也都存在不同的問題。分析比較這些移動方式的目的，是為了選擇一種適用于城市排水管道工作環(huán)境下的機(jī)器人移動方式，為此還要結(jié)合實(shí)際生活中城市排水管道內(nèi)部較復(fù) 雜的工況，如生活用水排水管內(nèi)的沉積物多為生活垃圾，建筑工地排水管內(nèi)可能有水泥漿、石灰漿、沙子等沉積物，是一種特殊的管道環(huán)境。這些使得排水管內(nèi)存在許多突起的障礙，管壁環(huán)境較為泥濘，行走條件相對苛刻等，因此本課題所設(shè)計(jì)的管道檢測機(jī)器人最終確定選用履帶式移動方式作為機(jī)器人的行走方式，其優(yōu)勢在于支撐面積大，適合在泥濘的環(huán)境中作業(yè)，通過性好，并且爬坡、越溝等性能均優(yōu)于其它移動類型的管道機(jī)器人。 2.2 管道檢測機(jī)器人總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

39、 本課題要求管道檢測機(jī)器人需要達(dá)到如下性能指標(biāo)： （1） 適用管徑范圍：Φ400-1200mm。 （2） 負(fù)載能力：5 公斤左右。 （3） 移動速度：0.1m/s 左右。 （4） 最大可通過坡度：30 度。 （5） 最大檢測距離：60 米以上。 （6） 檢測系統(tǒng)可對管道內(nèi)部進(jìn)行全方位檢測。 （7） 攝像系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可對管道內(nèi)部進(jìn)行全方位拍攝。 經(jīng)過上述分析確定了管道檢測機(jī)器人采用履帶式移動方式作為機(jī)器人的行走方式，實(shí)際上解決了機(jī)器人小車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要問題。下面將以履帶式機(jī)器人為基礎(chǔ)，來進(jìn)一步研究確定管道檢測機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 由于機(jī)器人采用履帶式移動機(jī)構(gòu)，機(jī)器人

40、小車在行進(jìn)時(shí)會比較平穩(wěn)，因此車體可采用箱式結(jié)構(gòu)。在車體內(nèi)部可裝有電源裝置、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)等。在車體上方可裝有攝像系統(tǒng)、收放電纜盒等。在車體前方可裝有照明裝置等。設(shè)計(jì)思路如下： （1） 管道機(jī)器人小車的驅(qū)動輪定為后輪驅(qū)動，考慮到驅(qū)動輪在后方時(shí)，履帶上的分支受力較小，導(dǎo)向輪受力較小，履帶承載分支處于微張緊狀態(tài)，運(yùn)行阻力也較小。 （2） 由于履帶具有良好的撓性，能吸收振動，緩和沖擊，傳動平穩(wěn)，噪聲小，結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝和維護(hù)方便等特點(diǎn)，并根據(jù)管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)的需要，綜合考慮傳動性能、成本等方面的原因，決定由電機(jī)驅(qū)動主動輪（后輪）轉(zhuǎn)動，依靠履帶與從動輪（前輪）嚙合，使前輪一

41、起轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)動力傳遞。 （3） 為有效解決管道機(jī)器人在管內(nèi)的越障及爬坡問題，可在機(jī)器人小車前輪處加 裝一對成一定角度的支撐臂結(jié)構(gòu)，有助于機(jī)器人通過各種障礙物，增加機(jī)器人移動的靈活度。此支撐臂與從動輪（前輪）直接相連，無需單獨(dú)驅(qū)動，既可簡化結(jié)構(gòu)， 還可增強(qiáng)小車的爬坡能力。 （4） 管道機(jī)器人小車通過電機(jī)的驅(qū)動，依靠前、后輪及履帶的支撐可以行走。但當(dāng)機(jī)器人小車遇到障礙物時(shí)，且障礙物處于前、后輪之間時(shí)，會對履帶產(chǎn)生非常大的壓力，甚至還有可能損壞履帶，為此必須加裝承載輪來分擔(dān)履帶的受力。 （5） 同理，在支撐臂機(jī)構(gòu)上加裝承載輪，可起到保護(hù)支撐臂所用的履帶，同時(shí)延長其使用壽命。 綜

42、上所述，結(jié)合本課題要求及以上對管道檢測機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的管道檢測機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，如圖 2.5 所示。 圖 2.5 管道檢測機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖 在圖 2.5 中，1 為大履帶，2 為車輪，3 為上箱體，4 為收放電纜盒，5 為下箱體，6 為攝像系統(tǒng)，7 為小履帶，8 為支撐臂，9 為承載輪。 2.3 本章小結(jié) 在本章中，針對管道檢測機(jī)器人幾種不同移動方式在管內(nèi)運(yùn)動的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較，最終確定選擇履帶式移動方式作為機(jī)器人的行走方式。進(jìn)而以履帶式機(jī)器人為基礎(chǔ)，并根據(jù)本課題的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步研究確定了管道檢測機(jī)器人的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括車體、車體內(nèi)外部

43、安裝的各種工作系統(tǒng)及裝置、支撐臂等等。 第三章 管道檢測機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 本章根據(jù)上文所確定的管道檢測機(jī)器人的移動方式及整體結(jié)構(gòu)，并結(jié)合課題設(shè)計(jì)要求，對管道檢測機(jī)器人的整體受力情況進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，最后對管道檢測機(jī)器人的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算校核。 3.1 管道檢測機(jī)器人力學(xué)分析計(jì)算 首先，根據(jù)管道檢測機(jī)器人結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)，對各個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸及質(zhì)量做出初步的估算。對滿足本課題設(shè)計(jì)要求的管道檢測機(jī)器人所需主要物理量（牽引力）的計(jì)算。隨后，根據(jù)牽引力的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后續(xù)所需物理量的計(jì)算。 在本課題設(shè)計(jì)要求中規(guī)定管道檢測機(jī)器人能夠爬 30的坡，因此機(jī)器人在 30 斜坡上行走時(shí)

44、所需的牽引力是最大的。所設(shè)計(jì)的管道檢測機(jī)器人主要由履帶、車輪、車架、支撐臂和攝像頭等組成，質(zhì)量估計(jì)值 m 的計(jì)算過程如下： （1） 車輪：車輪直徑 D=90mm，車輪寬度 L=25mm，數(shù)量 i=4，車輪的材料初選為鋁合金。 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得知：可鑄鋁合金的密度為 2.7，r =2.7 g/cm3，由此可得車輪的質(zhì)量m1為： 1 m = p r 2 L r i = 3.14 4.52 2.5 2.7 4 =1717g （2） 車體：車體長 L=350mm，寬 D=250mm，高 h=150mm，數(shù)量 i=1。車體的材料初選為鋁合金。 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得知：可鑄鋁合金

45、的密度為 2.7，r =2.7 g/cm3，由此可得車體的質(zhì)量m2為： m2 = L D h r i = 35 2515 2.7 1 = 35438g 鑒于選材和整體設(shè)計(jì)的需要，車架不為實(shí)心，乘以 1 3  ，m2大概為 11813g。 （3） 支撐臂：支撐臂長 L=200mm，寬 D=20mm，高 h=120mm，數(shù)量 i=1。支撐臂 的材料初選為鋁合金。 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得知：可鑄鋁合金的密度為 2.7，m =2.7 g/cm3，由此可得支撐臂的質(zhì)量m3為： m3 = L D h r i = 20 212 2.7 1

46、 = 1296g 鑒于選材和整體設(shè)計(jì)的需要，支撐臂不為實(shí)心，乘以 1 3  ，m3大概為 432g。 （4） 攝像頭：攝像頭長 L=250mm，直徑為 45mm，數(shù)量 i=1。機(jī)器人全方位攝像頭的質(zhì)量m4為 850g。 管道檢測機(jī)器人小車的總質(zhì)量（估計(jì)值）m 為車輪、車體、支撐臂和攝像頭質(zhì)量的總和。 m = m1 + m2 + m3 + m4 =1717g+11813g+432g+850g =14812g 由上述計(jì)算結(jié)果可知，管道檢測機(jī)器人自重大約為 14812g。 管道檢測機(jī)器人受力簡圖（圖 3.1）可以直觀地表示出機(jī)器人的受力情況，由此可以計(jì)算出

47、機(jī)器人在 30的斜坡上行走時(shí)，所需的最大牽引力 Fapp。圖中 G 為地心引力，F(xiàn) 為平行于斜面的受力，計(jì)算過程如下： 圖 3.1 管道檢測機(jī)器人受力簡圖 由圖可知，要使管道檢測機(jī)器人靜止在 30的斜坡上，所需要的力至少為： Fapp = mg sinq + mmg cosq 式中 為摩擦系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第五版的表 1.1-20 得知，鑄鐵——橡膠 的摩擦系數(shù)為 0.8（無潤滑），m為車載質(zhì)量， g 為重力加速度（9.8m/s2），q 為斜坡與水平面的夾角。設(shè)q = 30 ，m=14812g， m = 0.8 ，則： Fapp =14.812 9.8

48、 sin 30 + 0.814.812 9.8 cos 30 =173N 通過上述計(jì)算，可得出管道檢測機(jī)器人在 30斜坡上處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的整體受力Fapp=173N。 3.2 管道檢測機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.2.1 傳動齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 在本課題中，由于受到管道檢測機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的限制，因此電機(jī)的擺放位置也要重點(diǎn)考慮。故使電機(jī)直接連接到小齒輪上，由小齒輪作為傳遞動力的元件驅(qū)動大齒輪，進(jìn)而帶動履帶的運(yùn)動。所以，只需設(shè)計(jì)兩個(gè)大小不同的齒輪，使它們形成外嚙合連接形式進(jìn)行動力傳遞即可。由于這些齒輪處于長期工作的狀態(tài)，所以在設(shè)計(jì)完成后還要對其進(jìn)行強(qiáng)度校核。 1、初步設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)公式：

49、 載荷系數(shù)：K=1.5 齒數(shù)比：u=i=1 估算齒輪接觸應(yīng)力： a=1500MPa 式中，試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限，估算安全系數(shù)=1.1。估算結(jié)果： 2、幾何計(jì)算 齒數(shù)：取 Z=24 大端模數(shù)： mm 式中，取 大端分度圓直徑： 齒寬系數(shù)：取齒寬： 實(shí)際齒寬系數(shù)： 中點(diǎn)模數(shù)： 中點(diǎn)分度圓直徑： 切向變位系數(shù)： 高變位系數(shù)： 頂隙： 大端齒頂高： 大端齒根高： 全齒高： 大端齒頂圓直徑：  ，取 （GB12369-19

50、90 齒制） 安裝距： 冠頂距： 大端分度圓弧齒厚： （標(biāo)準(zhǔn)壓力角） 大端分度圓弦齒厚： 大端分度圓弦齒高： 當(dāng)量齒數(shù)： 當(dāng)量齒輪分度圓直徑： 當(dāng)量齒輪頂圓直徑： 當(dāng)量齒輪根圓直徑： 當(dāng)量齒輪傳動中心距： 當(dāng)量齒輪基圓齒距： 嚙合線長度： 端面重合度： 齒中部接觸線長度： 3、齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核強(qiáng)度條件：  1.7 齒面接觸應(yīng)力計(jì)算公式： 許

51、用接觸應(yīng)力計(jì)算公式： 中點(diǎn)分度圓上的切向力： 使用系數(shù)： 中點(diǎn)節(jié)速度：  （3-1） （3-2） 動載系數(shù)：由 6 級精度和中點(diǎn)線速度 可得， 齒向載荷分布系數(shù)：取，有效工作齒寬，由此可以得出分布系數(shù) 端面載荷系數(shù)： 取值： 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)： 中點(diǎn)區(qū)域系數(shù)計(jì)算： 參數(shù)F1和F2計(jì)算： 彈性系數(shù)： 螺旋角系數(shù)：直齒輪 載荷分配系數(shù)： 計(jì)算接觸應(yīng)力： 1110MPa 試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限： 潤滑油影響系數(shù)： 壽命系數(shù)： 工作硬化系數(shù)： 尺寸系數(shù)： 最小安全系數(shù)： 許用

52、接觸應(yīng)力值：  （長期工作，取為無限壽命設(shè)計(jì)） 齒面接觸強(qiáng)度校核結(jié)果： 經(jīng)過上述計(jì)算，接觸應(yīng)力小于許用接觸應(yīng)力?？傻贸鼋Y(jié)論，此齒輪的接觸應(yīng)力校核符合本課題要求。 4、齒根抗彎疲勞強(qiáng)度校核強(qiáng)度條件： 齒面接觸應(yīng)力計(jì)算公式： 齒根彎曲應(yīng)力基本值計(jì)算公式： 許用彎曲應(yīng)力計(jì)算公式：  （3-3） （3-4） （3-5） 通用系數(shù)同前： 復(fù)合齒形系數(shù)： 按照當(dāng)量齒輪齒數(shù)： 重合度系數(shù)： 齒輪系數(shù)計(jì)算： 載荷分配系數(shù)： 齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算值： N/ 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度基

53、本值： 壽命系數(shù)： （長期工作，取為無限壽命設(shè)計(jì)） 相對齒根圓角敏感系數(shù)： 相對齒根表面狀況系數(shù)： 尺寸系數(shù)： 最小安全系數(shù)： 許用彎曲應(yīng)力值： 齒根彎曲強(qiáng)度校核結(jié)果： 經(jīng)過上述計(jì)算，彎曲應(yīng)力小于許用彎曲應(yīng)力。可得出結(jié)論，此齒輪的彎曲應(yīng)力校核符合本課題要求。 3.2.2 傳動軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 本課題中，齒輪與電機(jī)兩者之間需要有連接部分，起到固定和傳遞扭矩的作用， 因此設(shè)計(jì)一款合適的傳動軸顯得尤為重要。 進(jìn)行傳動軸強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體載荷分布及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計(jì)算方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。對于僅僅（或主要）承受扭矩的（傳動） 軸，應(yīng)按

54、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算；對于只承受彎矩的軸（心軸），應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算；對于既承受彎矩，又承受扭矩的軸（轉(zhuǎn)軸），應(yīng)按彎矩合成強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算，需要時(shí)還應(yīng)按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核。此外，對于瞬時(shí)過載很大或應(yīng)力循環(huán)不對稱性較為嚴(yán)重的軸，還應(yīng)按峰尖載荷校核其靜強(qiáng)度，以免產(chǎn)生過量的塑性變形。1、按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算是按照軸所受的扭矩來計(jì)算軸的強(qiáng)度。在對軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常用這種方法初步估算軸的直徑。 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： （3-6） 式中： 為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為 MPa； T 為軸所受的扭矩，單位為； 為軸的抗扭截面系數(shù)，單位為； n 為軸的轉(zhuǎn)速，單位為 r/

55、min； P 為軸的傳動功率，單位為 kw； d 為截面處軸的直徑，單位為 mm； 許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為 MPa。 因此，由上式可得軸的直徑： 經(jīng)上述計(jì)算，初步選定傳動軸的最小直徑為 ?？紤]到彎扭組合的作用，以及需要鍵槽來固定，直徑可稍微增大至 8mm 和 10mm。 傳動軸的初步尺寸確定之后，進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。 2、按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算 （1） 齒輪受力分析及其扭矩計(jì)算： 切向力： 徑向力： 軸向力： 法向力： （壓力角） N N （2） 彎矩扭矩計(jì)算 由于軸承為向心軸承，在受力分析時(shí)將軸簡化為簡支梁。豎直方

56、向受力分析，如圖 3.2（a）所示。 分別計(jì)算 和 ： 解得， 分析并畫出其豎直方向所受剪切力 和彎矩 的簡圖，如圖 3.2（b）和圖 3.2 （c）所示。 水平方向受力分析，如圖 3.2（d）所示。分別計(jì)算和： 解得， 分析并畫出其水平方向所受剪切力和彎矩的簡圖，如圖 3.2（e）和圖 3.2 （f）所示。 由公式，計(jì)算總彎矩 M，并畫出總彎矩圖，如圖 3.2（g）；總扭矩，如圖 3.2（h）所示。 （a）軸豎直方向受力簡圖 (b)軸豎直方向剪切力圖 (c)軸豎直方向彎矩圖 （d）軸水平方向受力簡圖 (e)軸水

57、平方向剪切力圖 (f)軸水平方向彎矩圖 （g）軸的總彎矩圖 （h）軸的總扭矩圖 圖 3.2 軸豎直和水平方向受力、剪切力、彎矩圖 3、由第三強(qiáng)度理論進(jìn)行彎扭合成校核 由彎矩圖 M 可知，b 處為危險(xiǎn)截面。對 b 截面進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。計(jì)算公式為： 式中，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對稱循環(huán)應(yīng)力， 取 1。對于直徑為 d 的圓軸，彎曲應(yīng)力 為s = M W ，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為t = T WT = T 。 2W 將 和 帶入上式中，則傳動軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為： 式中： 為軸的計(jì)算應(yīng)力，單位為 MPa； M 為軸所受的彎矩，單位為； T

58、為軸所受的扭矩，單位為； W 為軸的抗彎截面系數(shù)，單位為。實(shí)心軸的抗彎截面系數(shù)公式為： 式中，s -1 為對稱循環(huán)變應(yīng)力軸的許用彎曲應(yīng)力。由以上條件可計(jì)算出 ： 軸的常用材料及其主要力學(xué)性能可查 45 號鋼的許用彎曲應(yīng)力為 55-60， 所以可比較： 經(jīng)過上述校核計(jì)算，可得出結(jié)論，此傳動軸校核符合本課題要求。傳動軸與車體之間使用軸承進(jìn)行連接，軸承使用向心球軸承。 3.3 管道檢測機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本課題所設(shè)計(jì)的管道檢測機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)，包括動力提供裝置、履帶及車輪系統(tǒng)。 目前，管道檢測機(jī)器人常用的驅(qū)動方式主要有： （1） 電磁驅(qū)動：最常用的是微電機(jī)，微

59、電機(jī)又分為有刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)等。電磁驅(qū)動方式對電機(jī)的控制比較成熟，目前小型電機(jī)常采用PWM 控制方法，這種控制方法簡單、精度較高。 （2） 壓電驅(qū)動：通常壓電元件的能量變換率高、驅(qū)動力大、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、驅(qū)動精度高。故常用的壓電元件有兩種驅(qū)動方式：一種是利用動態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)，做高頻振動，把振動作為動力源；另一種是利用驅(qū)動力大、精度高的特點(diǎn)，驅(qū)動位移或力作為驅(qū)動源。 （3） 形狀記憶合金驅(qū)動：形狀記憶合金是一種特殊的合金。其特點(diǎn)：一是變化率大，是普通金屬的近十倍；二是變位方向的自由度大，形狀記憶合金是單一材料， 沒有方向的依賴性，可向任何方向變位；三是在

60、特定的溫度下，變位急劇發(fā)生，并且具有溫度的遲滯性，適合于開關(guān)動作。 （4） 超聲波驅(qū)動：具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、響應(yīng)快、力矩大等特點(diǎn)，不需要減速就可以低速運(yùn)行，常用于照相機(jī)快門的動作等。超聲波驅(qū)動有三種驅(qū)動方式：振動方向變換型、行進(jìn)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(jī)器人上。 （5） 氣動驅(qū)動：利用壓縮空氣驅(qū)動氣動馬達(dá)或氣缸運(yùn)動，適合潮濕惡劣的環(huán)境， 不需要電源，但運(yùn)動精度較低。 （6） 人工肌肉驅(qū)動：是一種新型的氣動橡膠驅(qū)動器，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。氣動人工肌肉具有重量輕、輸出力大、柔順性好等特點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：與傳統(tǒng)氣動執(zhí)行元件相比行程??；氣動人工肌肉的變形為

61、非線性環(huán)節(jié)，具有時(shí)變性，使準(zhǔn)確控制其位移十分困難；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。 對于復(fù)雜的排水管道布局來說，管道機(jī)器人在工作時(shí)難免會遇到許多狹窄的拐彎，因此對于管道機(jī)器人的驅(qū)動精度要求較高。由于電磁驅(qū)動方式具有控制簡單、精度較高等特點(diǎn)，所以初選電磁驅(qū)動方式較為合適。 目前，管道檢測機(jī)器人常用的電機(jī)主要有以下幾種： （1） 直流電機(jī)：直流電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)“平滑而經(jīng)濟(jì)的調(diào)速”。直流電機(jī)的調(diào)速不需要其它設(shè)備的配合，可通過改變輸入電壓/電流或者勵磁電壓/電流來調(diào)速，這些是交流電機(jī)無法取代的。直流電機(jī)過載能力較強(qiáng)，

62、熱動和制動轉(zhuǎn)矩較大，雖不需要其它設(shè)備來幫助調(diào)速，但其自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換向困難，還會產(chǎn)生火花， 壽命短，需要經(jīng)常維護(hù)，制造成本高，價(jià)格也貴一些。 （2） 交流電機(jī)：交流電機(jī)必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。 （3） 伺服電機(jī)：伺服電機(jī)可使控制速度、位置精度非常準(zhǔn)確。將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。但其價(jià)格較高，維護(hù)較麻煩，不宜推廣。 （4） 步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)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(jī)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(fù)載變化的影響。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū) 動步進(jìn)電

63、機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)，還可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。由于脈沖信號數(shù)與步距角具有線性關(guān)系，再加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得步進(jìn)電機(jī)在速度、位置等控制領(lǐng)域變得非常簡單，而且其價(jià)格也比較便宜。 通過上述比較，步進(jìn)電機(jī)具有較好的控制性、精確性、可操作性等特點(diǎn)， 且性價(jià)比較高，滿足管道的工況和設(shè)計(jì)要求，因此選擇步進(jìn)電機(jī)作為所設(shè)計(jì)管道檢測機(jī)器人的驅(qū)動電機(jī)較為適合。 3.3.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇 確定步進(jìn)電機(jī)的三大要素是步距角（包括相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩和

64、電流。一旦三大要素被確定，步進(jìn)電機(jī)的型號便確定了。 1、步距角的選擇 步進(jìn)電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求。將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速），電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小 于此角度。目前，市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有 0.36/0.72（ （二、四相電機(jī)）、1.5/3 （三相電機(jī)）等。 五相電機(jī)）、0.9/1.8 本課題所設(shè)計(jì)的管道檢測機(jī)器人的主要任務(wù)是在行進(jìn)中對管道進(jìn)行檢測，對精度的要求不是很嚴(yán)格。本課題所設(shè)計(jì)的管道檢測機(jī)器人的車輪直徑為 90mm，步距角以 1.8來計(jì)算，電機(jī)每轉(zhuǎn)一周，車輪所轉(zhuǎn)的距離大約是=1mm， 因此可以滿足

65、檢測要求。同時(shí)，二相步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用廣泛，傳動效果好，性價(jià)比高， 基本可以滿足本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)器人需要。 2、靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)力矩很難確定，通常需要先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩的選擇依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載又可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載兩種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。（一般由低速）直接起動時(shí)，兩種負(fù)載均要考慮； 加速起動時(shí)，主要考慮慣性負(fù)載；恒速運(yùn)行時(shí)，只考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)在摩擦負(fù)載的 2 倍內(nèi)為好。靜力矩一旦確定，電機(jī)的幾何尺寸便能確定下來。 根據(jù)之前所計(jì)算出的管道檢測機(jī)器人整體受力的大小，便可方便地計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)的靜力矩。由機(jī)器人整體受力的大小，

66、便可求出機(jī)器人在本課題要求工況下所 需的功率為：  P = Fappv 式中 v 為管道檢測機(jī)器人運(yùn)動的線速度。假設(shè) v = 0.1m / s ，則所需功率 P=17.3W。 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用，其功率是變化的，一般只用力矩來衡量， 力矩 M 與功率 P 換算如下： v /r 式中 P 為功率，單位為瓦； 為每秒角速度，單位為弧度；n 為每分鐘轉(zhuǎn)速；r 為車輪半徑的初步設(shè)計(jì)尺寸；M 為力矩，單位為牛米。 因此，管道檢測機(jī)器人所需的摩擦力矩為： M=P/ =17.3/1.25 =13.84Nm 假設(shè)管道檢測機(jī)器人的四個(gè)車輪所處的工況完全相同，則每個(gè)車輪的受力情況可用圖 3.3 表示。 圖 3.3 管道檢測機(jī)器人車輪受力簡圖 假設(shè)機(jī)器人為一個(gè)質(zhì)量均勻分布的整體，如果使用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動兩個(gè)后 輪，則每個(gè)車輪所需的摩擦力矩應(yīng)為： M = M = 13.84 = 6.92N m