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一種蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
在現(xiàn)代，無(wú)論是工業(yè)、農(nóng)業(yè)還是國(guó)防領(lǐng)域中都有縱橫交錯(cuò)的管道。如何保障這些管道系統(tǒng)的安全性和有效性，對(duì)于我困經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。管道機(jī)器人是工作在輸送管道內(nèi)，用于完成管道缺陷檢測(cè)、修復(fù)等的智能裝置，是保障管道安全的重要工具。由于管道內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，對(duì)管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)效率高，同時(shí)對(duì)復(fù)雜的管內(nèi)環(huán)境具有自適應(yīng)能力。因此研制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)效率高、具有管內(nèi)環(huán)境自適應(yīng)能力的管道機(jī)器人具有重要意義。
該蠕動(dòng)式管道機(jī)器人由三部分組成，包括一個(gè)伸縮模塊和兩個(gè)支撐夾緊模塊。伸縮模塊主要由主執(zhí)行器和四組齒輪齒條構(gòu)成，利用齒輪齒條的往復(fù)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走；兩個(gè)支撐夾緊模塊結(jié)構(gòu)上完全一樣，通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)使機(jī)器人的腳與管壁壓緊，從而產(chǎn)生機(jī)器人行走所需的靜摩擦力。伸縮模塊和支撐模塊按一定的順序循環(huán)工作，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)的行走。
本文首先通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)況和現(xiàn)有管道機(jī)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及原理提出自己的設(shè)計(jì)方案，接著從動(dòng)作原理和運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力特性等角度分析了該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)，讓后對(duì)機(jī)器人各模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)與校核，最后采用Pro/E對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)以及采用AutoCAD繪圖軟件繪制了該機(jī)器人的裝配圖和主要零件圖。
關(guān)鍵字：蠕動(dòng)，管道，機(jī)器人，設(shè)計(jì)
Abstract
In modern times, whether industrial, agricultural or defense in both pipelines criss-cross. How to protect the safety and effectiveness of these piping systems, economic development is essential for me sleepy. Pipeline robot is working in the pipeline for the completion of the pipeline defect inspection, repair, and other smart devices, is an important tool to protect the safety of pipelines. Due to the complexity of the environment in the pipeline, the pipeline robot design requirements driving a simple cell structure, high drive efficiency, while the inner tube environments with complex adaptive capacity. Therefore, the development of a simple structure, high drive efficiency, environmental adaptive ability of the tube pipe robot is important.
The peristaltic pipe robot consists of three parts, including a telescoping clamp module and two support modules. Telescopic module is composed primarily of four main actuator and gear rack, the gear rack to achieve the reciprocating movement of the walking robot; two supporting structures are completely the same as the clamping block, slider-crank mechanism of the robot through the feet and the tube pressing the walls to produce the required static friction walking robot. Telescoping module and support module cycle work according to a certain order to achieve the robot to walk in the pipeline.
Firstly, make their own designs by analyzing the structural characteristics and the principle of status quo and existing domestic pipeline machines, then from the action principle and motion characteristics, dynamic characteristics, such as paper analyzes the structure and performance characteristics of the robot, so that after Each module is a detailed robot design and verification, finally using Pro/E the robot uses a three-dimensional design and drawing software AutoCAD drawing the assembly drawing of the robot and the main parts diagram.
Keywords: Motility, Pipes, Robotics, Design
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1 研究背景及意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究概況 1
1.3 蠕動(dòng)式管道機(jī)器人概述 4
第二章 總體設(shè)計(jì)與特性分析 6
2.1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 6
2.2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 6
2.2.1 蠕動(dòng)方式選定 6
2.2.2 支撐夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
2.3 總體方案確定 8
2.4 運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)特性分析 9
2.4.1直線運(yùn)動(dòng) 9
2.4.2轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng) 11
第三章 各組成部分的設(shè)計(jì) 14
3.1 性能參數(shù)的選定 14
3.2 蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14
3.2.2 伺服電機(jī)的選定 14
3.2.1 運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 15
3.2.3 減速器的選定 15
3.2.3 圓錐齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 16
3.2.4 齒輪齒條傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 19
3.2.5 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)及軸上零件的選定 22
3.2.6 機(jī)架的設(shè)計(jì) 25
3.3 支撐夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 26
3.3.1 伺服電機(jī)的選定 26
3.3.2 運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)選定 26
3.3.3減速器的選定 26
3.3.4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 27
3.3.5 機(jī)架的設(shè)計(jì) 30
3.4 機(jī)器人各模塊基于Pro/E的三維設(shè)計(jì) 30
3.4.1 蠕動(dòng)行走模塊 30
3.4.2 上部支撐夾緊模塊 31
3.4.3 下部支撐夾緊模塊 31
3.4.3 機(jī)器人整體設(shè)計(jì) 32
第四章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 33
4.1 控制系統(tǒng)組成 33
4.1.1 蠕動(dòng)式機(jī)器人控制系統(tǒng) 33
4.1.2核心器件的選擇 33
4.2蠕動(dòng)式機(jī)器人的具體控制方法 35
結(jié) 論 36
參考文獻(xiàn) 37
致 謝 38
0
第一章 緒論
1.1 研究背景及意義
隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，空調(diào)和天然氣管道以及各種輸送管道的應(yīng)用越來(lái)越多。在我國(guó)及世界各個(gè)國(guó)家內(nèi)，由于地形的限制和土地資源的有限，在地下都埋設(shè)了很多的輸送管道，例如天然氣管道、石油管道等，在埋有管道的地面上面都已經(jīng)建成了很多的建筑物、公路等，給管道的維修和維護(hù)造成了很大的困難。當(dāng)這些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等問(wèn)題時(shí)，人們普通的做法是挖開(kāi)道路進(jìn)行維修，有些時(shí)候如果不能準(zhǔn)確判斷泄露和堵塞的具體位置時(shí)，會(huì)浪費(fèi)很多的時(shí)間和精力，同時(shí)降低了工作效率。
隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，以及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和管道測(cè)試等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相互之間的滲透程度越來(lái)越深，人們制造出各種各樣的管道機(jī)器人來(lái)進(jìn)行對(duì)各種管道的維修、維護(hù)和檢測(cè)。管道機(jī)器人可以進(jìn)入人們無(wú)法進(jìn)入的管道中，完成一定的規(guī)定任務(wù)如檢測(cè)管道的裂縫、清掃管道，這樣的話，人們不再為了維修、維護(hù)管道時(shí)挖開(kāi)道路，或是對(duì)空調(diào)等完全拆卸開(kāi)，節(jié)省了大量的人力，物力和財(cái)力。
目前的管道機(jī)器人都是以履帶、輪子等實(shí)現(xiàn)在管道中的移動(dòng)，這樣有很多的缺點(diǎn)。例如目前的管道機(jī)器人都是為了專門(mén)的管道而設(shè)計(jì)的，通用性不好，舉個(gè)例子，當(dāng)輪式或是履帶式的管道機(jī)器人在有一定的液體的管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，使機(jī)器人在管道中不能行走，不能完成指定的任務(wù)。還有就是這些機(jī)器人的設(shè)計(jì)不能實(shí)現(xiàn)在傾斜的或是垂直的管道中行走，有些即使能在垂直的管道中行走但是不能適應(yīng)有液體的管道，以上的原因大大的限制了管道機(jī)器人的工作范圍。
因此設(shè)計(jì)一種通用性更強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更緊湊，動(dòng)作運(yùn)行平穩(wěn)，能夠適應(yīng)管道截面變化的新型管道機(jī)器人非常必要。
研制該機(jī)器人的目的是為了幫助人們擺脫繁重的勞動(dòng)和簡(jiǎn)單的重復(fù)勞動(dòng)，以及替