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螺旋驅動管道機器人的結構設計
摘 要
本設計的主要內容是螺旋驅動管道機器人的組成及工作原理,對機器人的機械結構進行了設計,并且分析了其在彎管內的幾何與運動約束條件。新型的旋轉體和保持體結構的設計,使此管道機器人具有較大的牽引力和移動速度。隨著時間的推移，非工業(yè)領域的自動化程度越來越高，智能機器人的應用領域越來越廣泛?？傮w趨勢是，從狹義的機器人概念向廣義的機器人技術概念轉移，從工業(yè)機器人產業(yè)向解決方案業(yè)務的機器人技術產業(yè)發(fā)展。機器人技術的內涵已變?yōu)殪`活應用機器人技術的、具有實際動作功能的智能化系統(tǒng)。機器人結構越來越靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，其智能也越來越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。機器人采用節(jié)段式設計,使得其具有強大的功能擴展性。在制冷、化工、核電站等領域,采用常規(guī)方法對小型管道檢測存在中毒、輻射等危險,且費時費力。因此,螺旋驅動管道機器人在細小管道檢測方面具有良好的應用前景,并且其機械結構具有較高的實用價值和學術意義。螺旋輪式管道機器人特點：輪式行走具有結構簡單、行走連續(xù)平穩(wěn)的特點。
關鍵詞：螺旋推進；管道機器人；旋轉體管道檢測
Abstract
The main content of this design is the composition and working principle of the spiral propulsion pipe robot. The mechanical structure of the robot is designed, and the geometry and motion constraints of the robot are analyzed. The design of a new type of rotating body and keeping body structure makes the pipe robot have great traction force and moving speed. The robot adopts the segmental design, which makes it have a powerful function. In refrigeration, chemical industry, nuclear power plants and other fields, using conventional methods to detect small pipeline poisoning, radiation and other hazards, and time and effort. Therefore, the small pipeline robot has good application prospects in small pipeline detection, and its mechanical structure has high practical value and academic significance. Characteristics of the spiral wheel type pipeline robot: the characteristics of simple structure and stable running.Decided to 3 RRR spherical parallel mechanism geometry and movement characteristics of parameters for the four angles. How the four institutions within the scope of design parameters, reasonable choice makes the operator at the end of the working space is greater than or equal to the design index, and try to make the agency dexterity and simplified kinematics calculation is an important issue. This article is based on the designed work space launch institutions parameters selection criteria, determine the four angles of the 3-dof spherical parallel mechanism parameters, and good balance the other features of the organization. And using the parallel mechanism of three series branch work space intersection method of 3-dof spherical parallel mechanism of working space is greater than the target working space. At the same time in order to avoid the interference between each member and make different bar working on different spherical; In order to reduce the radial size and bevel gear drive through the upright will drive system.
Keywords: Spiral propulsion; Pipeline robot; Rotating body pipeline detection
III
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒 論 1
1.1 研究的目的和意義 1
1.2 機器人的發(fā)展歷程 2
1.3 機器人在各大領域的應用 2
1.4 螺旋驅動管道機器人的應用 3
第2章 管道機器人總體方案設計 4
2.1 設計方案 4
2.2 機械結構設計 4
2.3 傳動帶的選擇 8
2.4 本章小結 11
第3章 管道機器人變管徑自適應性方案設計 12
3.1 支腿單獨調整方式 12
3.2 支腿整體調整方式 12
3.3 本章小結 15
第4章 動力系統(tǒng)設計計算 16
4.1 管道機器人行駛阻力分析 16
4.2 減速器的選擇 18
4.3 機器人的速度和驅動能力校核 19
4.3.1 運動速度校核 19
4.3.2 驅動能力校核 19
4.4 本章小結 20
第5章 輸送系統(tǒng)的設計與校核 21
5.1 輸送系統(tǒng)的總體分析 21
5.2 輸送系統(tǒng)電動機的選擇 21
5.3 輸送系統(tǒng)減速機構的運動及參數(shù)計算 22
5.4 輸送系統(tǒng)各零件的設計及校核 24
5.5 本章小結 26
結 論 27
致 謝 28
參考文獻 29
V
第1章 緒 論
1.1 研究的目的和意義
1920年，捷克劇作家卡雷爾?卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機器人》，他在說劇本中首次提出了“機器人(Robot)”這個詞，并且把機器人描繪成像人一樣工作的機器，不知疲倦地工作。自此之后，不僅“機器人(Robot)”這個詞廣泛的流行，而且設計制造機器人的活動也異常風行。
現(xiàn)在，國際上對機器人的概念已經逐漸趨近一致。一般說來，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！?
機器人一般由執(zhí)行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)和復雜機械等組成。
執(zhí)行機構即機器人本體，其臂部一般采用空間開鏈連桿機構，其中的運動副(轉動副或移動副)常稱為關節(jié)，關節(jié)個數(shù)通常即為機器人的自由度數(shù)。根據(jù)關節(jié)配置型式和運動坐標形式的不同，機器人執(zhí)行機構可分為直角坐標式、圓柱坐標式、極坐標式和關節(jié)坐標式等類型。出于擬人化的考慮，常將機器人本體的有關部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部(夾持器或末端執(zhí)行器)和行走部(對于移動機器人)等。
驅動裝置是驅使執(zhí)行機構運動的機構，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機器人進行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機器人使用的驅動裝置主要是電力驅動裝置，如步進電機、伺服電機等，此外也有采用液壓、氣動等驅動裝置。
檢測裝置的作用是實時檢測機器人的運動及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設定信息進行比較后，對執(zhí)行機構進行調整，以保證機器人的動作符合預定的要求。作為檢測裝置的傳感器大致可以分為兩類：一類是內部信息傳感器，用于檢測機器人各部分的內部狀況，如各關節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成閉環(huán)控制。另一類是外部信息傳感器，用于獲取有關機器人的作業(yè)對象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機器人的動作能適應外界情況的變化，使之達到更高層次的自動化，甚至使機器人具有某種“感覺”，向智能化發(fā)展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對象、工作環(huán)境的有關信息，利用這些信息構成一個大的反饋回路，從而將大大提高機器人的工作精度。
控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機器人的全部控制由一臺微型計算機完成。另一種是分散(級)式控制，即采用多臺微機來分擔機器人的控制，如當采用上、下兩級微機共同完成機器人的控制時，主機常用于負責系統(tǒng)的管理、通訊、運動學和動力學計算，并向下級微機發(fā)送指令信息；作為下級從機，各關節(jié)分別對應一個CPU，根據(jù)作業(yè)任務要求的不同，機器人的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力(力矩)控制。
1.2 機器人的發(fā)展歷程
從我國古代的用木頭制成的能歌善舞的伶人，到1961年第一臺工業(yè)機器人在美國問世，再到機器人蓬勃發(fā)展的今天，機器人主要經歷了三個發(fā)展階段。
科技界把早期的機器人稱作第一代機器人，它們按人編寫的程序工作。這些機器人從嚴格意義上來說不屬于機器人，因為它們只能重復一種動作，以一種固定的模式工作。第二代機器人由電腦控制，可根據(jù)需要按不同的程序完成不同的動作，這就使得機器人在很多人類所不能完成的工作上大展拳腳，解決了很多工業(yè)生產和日常生活中的難題。第三代機器人也稱為智能機器人。隨著科學技術的不斷進步，機器人逐漸向智能化發(fā)展，智能機器人也應運而生。智能機器人具有人的智慧，可以認識周圍的環(huán)境和自身的狀態(tài)，并能進行分析和判斷，然后采取相應的策略完成任務。早期的智能機器人主要用于工業(yè)和軍事領域，我們看到的大多是機械手和機械臂。
隨著時間的推移，非工業(yè)領域的自動化程度越來越高，智能機器人的應用領域越來越廣泛。總體趨勢是，從狹義的機器人概念向廣義的機器人技術概念轉移，從工業(yè)機器人產業(yè)向解決方案業(yè)務的機器人技術產業(yè)發(fā)展。機器人技術的內涵已變?yōu)殪`活應用機器人技術的、具有實際動作功能的智能化系統(tǒng)。機器人結構越來越靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，其智能也越來越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。
1.3 機器人在各大領域的應用
工業(yè)機器人的應用領域日漸廣泛,經過四十多年的發(fā)展，工業(yè)機器人已在越來越多的領域得到了應用。在制造業(yè)中，尤其是在汽車產業(yè)中，工業(yè)機器人得到了廣泛的應用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，機器人都已逐步取代了人工作業(yè)。
隨著工業(yè)機器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機器人智能化水平的提高，機器人的應用范周還在不斷地擴大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進而推廣到諸如采礦機器人、建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)維護維修機器人等各種非制造行業(yè)。智能機器人的應用領域越來越廣泛?？傮w趨勢是，從狹義的機器人概念向廣義的機器人技術概念轉移，從工業(yè)機器人產業(yè)向解決方案業(yè)務的機器人技術產業(yè)發(fā)展。機器人技術的內涵已變?yōu)殪`活應用機器人技術的、具有實際動作功能的智能化系統(tǒng)。此外，在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務等領域機器人的應用也越來越多，如無人偵察機(飛行器)、警備機器人、醫(yī)療機器人、家政服務機器人等均有應用實例。機器人正在為提高人類的生活質量發(fā)揮著重要的作用。
隨著科技不斷進步，機器人的功能也越來越先進。最近，日本下結科研機構相繼推出了最新研制的機器人：索尼公司的人形機器人于3月9日在東京市舉行的節(jié)目彩排中登臺亮相，擔任指揮。身高只有58厘米的機器人，登上特制的指揮臺，面對約70人的樂隊它說心里感到緊張，然后用可愛的動作揮動指揮棒，指揮樂隊演奏貝多芬第五交響曲《命運》的第一樂章。3月21日，《日本經濟新聞》報道，日本京都大學信息學研究專業(yè)奧乃博教授領導的研究小組開發(fā)出一種會分辨親疏的機器人。對它好，它會做出可愛的動作，對它不好，它會生氣扭頭。去年圓形自動真空吸塵器在市場上大出風頭。有誰會想到，在21世紀初，飛碟形狀的吸塵器的技術水平竟然代表了當前家用機器人技術的最高水平。去年，iRobot公司生產的圓形自動真空吸塵器魯姆巴在市場上大出風頭，一年內超過20萬的消費者購買了魯姆巴，銷售額達數(shù)百萬美元現(xiàn)在看來，機器人真空吸塵器正在受到消費者的廣泛歡迎。家用機器人、工業(yè)機器人的市場前景看好，它有著56億美元的巨大市場，而且還以每年7%的速度增長。但據(jù)聯(lián)合國歐洲經濟委員會(UNECE)的報告預測，未來3年內需求增長速度最快的將會是家用機器人。從如此多的機器人用途中我們看到，機器人現(xiàn)在在我們的生活中扮演著越來越重要的作用。所以，在大學教育中，同學們能夠積極參加科研，對提高自己的能力以及對社會的發(fā)展都將是很重要的。
1.4 螺旋驅動管道機器人的應用
螺旋管道機器人在生活中有著極為廣泛的應用。煙道清洗機器人是專門針對酒店、賓館、學校、企事業(yè)單位等的油煙管道清晰的專用清洗機器人。它操作簡單、清洗效率高、清洗錄象可一次完成，它將徹底解決現(xiàn)有清洗方式中普遍存在的問題；檢測裝置的作用是實時檢測機器人的運動及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設定信息進行比較后，對執(zhí)行機構進行調整，以保證機器人的動作符合預定的要求。作為檢測裝置的傳感器大致可以分為兩類：一類是內部信息傳感器，用于檢測機器人各部分的內部狀況，如各關節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成閉環(huán)控制。另一類是外部信息傳感器，用于獲取有關機器人的作業(yè)對象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機器人的動作能適應外界情況的變化，使之達到更高層次的自動化，甚至使機器人具有某種“感覺”，向智能化發(fā)展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對象、工作環(huán)境的有關信息，利用這些信息構成一個大的反饋回路，從而將大大提高機器人的工作精度。智能機器人的應用領域越來越廣泛?？傮w趨勢是，從狹義的機器人概念向廣義的機器人技術概念轉移，從工業(yè)機器人產業(yè)向解決方案業(yè)務的機器人技術產業(yè)發(fā)展。機器人技術的內涵已變?yōu)殪`活應用機器人技術的、具有實際動作功能的智能化系統(tǒng)。對工作中的在線石油輸油管道進行全線檢測,可以細化了解全線管道內外壁受腐蝕損傷狀態(tài)分布,最終了解和預測管道的可持續(xù)使用壽命的在役輸油管道檢測機器人；還有用于窖井等搜尋的窖井機器人，取代了人工操作，避免了一些工作的危險性，同時也減少了由于環(huán)境而帶來的阻礙，提高了窖井工作的可操作性。這些都是螺旋式管道機器人對人們的生產生活帶來的方便。
第2章 管道機器人總體方案設計
2.1 設計方案
按照下述的過程方案，由三維建?？梢赃M一步確定機器人的可靠外形結構。安裝加工出的理想外形經過安裝調試環(huán)節(jié)成為完整的機器人，最后完善整個樣機使其在螺旋管道內能順利工作，幫助人們順利解決難題。
圖2-1 整體設計流程
2.2 機械結構設計
目前國內外已研制出的管道機器人類型很多，從機械結構來區(qū)分主要有以下幾種移動方式：
1.活塞移動式，其原理類似于活塞在汽缸內的運動，即把管道看作汽缸，把具有一定彈性和硬度的機器人看作活塞。在結構上，機器人其后面的流體壓力大于前面的壓力時，在壓差的作用下，機器人克服了管壁與活塞之間的摩擦阻力而向前運動。機器人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，利用滾輪驅動式的行走結構，以電機作原動機， 為了增加牽引力，一般采用多輪驅動式，由于輪徑太小，越障能力有限， 而且結構復雜。
圖2-2 滾輪移動式
3.履帶移動式，仿造履帶式車輛行走原理，采用帶齒輪減速箱的直流伺服電機驅動。
圖2-3 履帶移動式
4.足腿移動式，其基本原理是利用足腿推壓管壁來支撐機體，利用多腿可以方便地在各種形狀的彎管內移動。由撐腳機構、牽引機構和轉向機構構成，可在各種類型的管道里移動。
圖2-4 足腿移動式
5.蠕動移動式，模仿昆蟲在地面上爬行時蠕動前進與后退的動作設計，機構由蠕動絲杠、螺母、前后支撐足及前后封閉彈簧構成。在行走時，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。驅動蠕動絲杠依次左轉和右轉，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推動帶有彈性的驅動部件前進，該驅動螺旋部件可以自動越過小的臺階。
以上移動方式各有所長，我們在第六種螺旋移動的基礎上進行改進，來實現(xiàn)我們設計目的。
螺旋式上升的移動方式有著如下優(yōu)點：
移動速度穩(wěn)定，能夠實現(xiàn)中途停止，順應了多變的情況，便于應用于工業(yè)上實際作業(yè)。
在整個上升過程中利用了滾動原理，較為穩(wěn)定沒有震動，內部能夠安裝一些精密儀器。
旋轉過程中有著與管道相垂直的徑向轉動，接觸面較廣，不存在死角問題，便于實際應用中的勘測、清洗等實際工作的具體實施。
就螺旋式管道機器人各種設計也有個各自的優(yōu)點，就我們一些參考文獻中的設計方案進行對比來具體了解我們的機械結構原理。
下圖出自論文《URT螺旋輪式管道檢測機器人越障性能研究》中，與我們的方案類似的采用了三叉元結構，利用了三角形的穩(wěn)定性。
圖2-5 螺旋移動式
就單單上圖的設計我們提出了如下幾個沒有克服的問題：
驅動設計較少，在管道內部的環(huán)境中容易產生打滑等抱死的狀況。
彎半徑較大，無法適應復雜的管道內部狀況。
上升力矩太小，垂直時無法克服重力以及管道內部的一些阻力。
我們會在我們的設計過程中一一克服以上問題。
1.實施方案
2.螺旋頭的軸心偏移
圖2-6 螺旋頭的軸心偏移力學
在正常管道中, 3個沿管道周向120°均布的螺旋輪的初始預緊
力大小關系為: Fk1 = Fk2 = Fk3。
由于螺旋頭的重量與彈簧預緊力相比較小,故可以忽略其影響。
上升力矩太小，垂直時無法克服重力以及管道內部的一些阻力。
設3個螺旋輪預緊彈簧的剛度系數(shù)均為k， 則o1 輪的彈簧預緊力增量為: △F1 = k ( x - oo′) ;
o2 , o3 輪的彈簧預緊力增量為: △F2 = k·oo′/sin30°。由于3個輪子夾角不變,通過軸心處受力平衡易知: △F1 =△F2 ,即: x - oo′= oo′/ sin30°,故得軸心的偏移量為: oo′= x /3。
3.多節(jié)設計
圖2-7 多節(jié)設計
如圖是我們的設計方案，采用此種多節(jié)設計有著以下優(yōu)點：
(1) 采用多節(jié)設計能夠加大前進驅動力，不會出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象。
(2) 各節(jié)之間運用萬向接頭3連接，能夠在較小的半徑下轉彎。
(3) 多節(jié)半徑柔韌性好，出現(xiàn)局部受阻現(xiàn)象后其他部位依舊能夠正常工作。
4.伸縮裝置
為了能夠適應更多內徑的管道，在每一節(jié)的設計中還有一個鎖緊裝置。
該伸縮裝置一段與電機固定，另一端與一伸縮關節(jié)相連接。工作時帶有螺紋的主軸會隨著電機進行轉動，伸縮關節(jié)會隨著螺紋進行上下移動。在移動的同時帶動連桿，減少兩個連桿的角度，從而增加了輪子的中心距，達到了增大半徑鎖緊的目的。
伸縮關節(jié)的細節(jié)圖如2-8所示，呈現(xiàn)三葉草狀，每一個瓣對應相應的連桿。關
節(jié)與連桿中間通螺栓進行間隙連接，能夠自由移動。
5.舵機變速裝置
為了便于控制，我們將控制輪子運動速度的電機設置為固定的，而輪子的角度則有舵機進行控制，控制范圍為-20°～+20°。
如圖所示，假設有一個豎直管道，x軸為水平轉動速度，y 軸為豎直上升速度。輪子與水平夾角a可以在-20°～+20°之間進行改變，從而造成在y軸上的分速度進行改變，達到了改變上升速度的目的。
在更改a角的同時，也能夠增加上升力矩，正如同千斤頂一樣，用較小的力矩去克服較大的阻力，達到克服阻礙，順利上升的目的。
單節(jié)結構示意圖
伸縮關節(jié)示意圖
圖2-8伸縮裝置
2.3 傳動帶的選擇
機器通常是由原電機，傳動系統(tǒng)和工作機三部分所組成。
傳動系統(tǒng)是將原動機的運動和動力進行傳遞與分配的作用，可見，傳動系統(tǒng)是機器的重要組成部分。傳動系統(tǒng)的質量與成本在整臺機器中占有很大比重。因此，在機器中傳動系統(tǒng)設計的好壞，對整部機器的性能、成本以及整體尺寸的影響都是很大的。所以合理地設計傳動系統(tǒng)是機械設計工作地一重要組成部分。
合理的傳動方案首先應滿足工作機的性能要求，其次是滿足工作可靠、結構簡單、尺寸緊湊、傳動效率高、使用維護方便、工藝性和經濟性好等要求。很顯然，要同時滿足這些要求肯定比較困難的，因此，要通過分析和比較多種傳動方案，選擇其中最能滿足眾多要求的合理傳動方案，作為最終確定的傳動方案。
機器人常用的驅動方式有:液壓驅動、氣動驅動、電動驅動三種基本方式。電動驅動主要有步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機。液壓與氣動方式對環(huán)境要求較高，實現(xiàn)起來較復雜，而電機驅動結構簡單，較易實現(xiàn)密封與調速控制。故在本設計中選用步進電機作為機器人本體的驅動動力;減速器選用行星齒輪減速器。驅動動力從電機經由減速器減速后，在滿足管徑自適應性的基礎上，如何更好地將動力傳遞到主動輪上，是選擇機器人傳動方式過程中重點考慮的問題。結合徑向輻射管道射流清洗機器人的結構布局方式的特點，在本設計中主要通過一套動力變換裝置和同步鏈傳動機構來實現(xiàn)。
1.動力變換裝置的設計
在如圖所示的徑向輻射輪式移動結構中，當預緊彈簧給于基本的預緊力后，剛好使得位于最上側的輪處于與管壁相接觸的臨界狀態(tài)，也就是說上輪與管壁間的接觸壓力剛好為零，所以機器人整體的驅動力絕大部分來自輪1和輪3，而且機器人本體的重心位置位于管道的軸線下方40mm左右，增強了機器人的穩(wěn)定性。下面兩輪所在支腿中心線與減速器輸出軸線垂直，且兩支腿中心線的夾角為120°，故需要一動力變換裝置來實現(xiàn)動力的分流。
蝸桿傳動是空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動機構，兩軸線交錯的夾角可為任意值，由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒，它和蝸輪齒是逐漸進入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時嚙合的次對又較多，故沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低。在設計中蝸桿與兩蝸輪之間的軸線夾角為90°，兩蝸輪軸線之間的夾角為120°。如圖2-9所示。
圖2-9 車輪端面圖
2.同步鏈傳動設計
由于設計的機器人具備在一定的管徑變化范圍內行走的能力，在管徑發(fā)生變化的時候，主動輪與管道中心的距離也相應發(fā)生改變，在現(xiàn)有的相關管道機器人傳動方案中，更多的是采用全齒輪傳動方式，即動力經變換后，通過增加惰輪的方式，將動力傳遞到主動輪，雖然該方案的傳動效率較高，但是結構復雜，對環(huán)境的適應能力較差，可適應管徑變化范圍較小，傳動系統(tǒng)是將原動機的運動和動力進行傳遞與分配的作用，可見，傳動系統(tǒng)是機器的重要組成部分。傳動系統(tǒng)的質量與成本在整臺機器中占有很大比重。因此，在機器中傳動系統(tǒng)設計的好壞，對整部機器的性能、成本以及整體尺寸的影響都是很大的。所以合理地設計傳動系統(tǒng)是機械設計工作地一重要組成部分。在本設計中，動力經蝸輪蝸桿裝置變換后，通過傳動比為1:1的齒輪傳動，將動力傳遞到各支腿，因為空間尺寸關系，在兩者之間增加一惰輪機構，再應用同步鏈將動力傳送到主動輪1和輪3。同步帶輪軸1與支腿與安裝底座的連接軸同軸，故無論管徑如何變化，兩個同步鏈輪間的軸線距離是保持不變的，只要支腿的長度足夠長，就可適應足夠大的管徑變化范圍。
1,2圓盤式舵機 4腿部支架 3輪子
圖2-10 輪子組合
1、2之間可以進行相對的精確轉動，從而調整輪子與水平面的角度。
5.多節(jié)結構之間的連接
多節(jié)之間要能相對轉動，但是卻要保持連接。于是我們采用了三節(jié)萬向接頭的連接方式(如圖2-11所示)。
1-套筒 2-十字軸 3-傳動軸叉 4-卡環(huán) 5-軸承外圈 6-套筒叉??
圖2-11 萬向接頭連接
工作原理：十字軸式萬向節(jié)由一個十字軸，兩個萬向節(jié)叉和四個滾針軸承等組成。兩萬向節(jié)叉1和3上的孔分別套在十字軸2的兩對軸頸上。這樣當主動軸轉動時，從動軸既可隨之轉動，又可繞十字軸中心在任意方向擺動，這樣就適應了夾角和距離同時變化的需要。在十字軸軸頸和萬向節(jié)叉孔間裝有滾針軸承5，滾針軸承外圈靠卡環(huán)軸向定位。
十字軸式剛性萬向節(jié)具有結構簡單，傳動效率高的優(yōu)點，但在兩軸夾角α不為零的情況下，不能傳遞等角速轉動。
6.預期的一些設計圖
圖2-12 設計方案圖
預期基本參數(shù)
凈重：2-5kg
行走速度：16r/min無級調速
適應圓形管道：直徑范圍195mm～297mm；管內越障高度：5mm
最小轉彎半徑:100mm
2.4 本章小結
本章利用機器人的方法，研究了工作空間；由目標工作空間推出了參數(shù)的選擇范圍，并以此為基礎確定了參數(shù)值。選取在工作空間、簡化運動學計算等機構特性方面取得較好的平衡。在機構的具體形狀設計時，為了避免干涉而使不同桿件工作在不同的球面上；同時為了縮小徑向尺寸，驅動系統(tǒng)采用錐齒輪傳動而豎直放置。總結本機構設計具特點: 通過各個參數(shù)的選取使機構模型工作空間達到了最大。
第3章 管道機器人變管徑自適應性方案設計
管道由于制作誤差、使用過程中局部結垢、局部壓力過大而產生變形以及內表面雜物的存在，清洗機器人在碰到變形部位及雜物時，由于阻力而使支撐臂收縮，同時在驅動力的作用下通過變形部位，當再次達到管道正常段時，支撐臂能夠在彈簧的作用下像傘一樣張開，使機器人重新恢復原來的平穩(wěn)狀態(tài)。這個過程就是機器人的自適應過程。有了自適應性，機器人就能穿過一個個變形部位，以達到對管道進行有效清洗的目的，在本設計中，對于自適應性的設計主要包括兩方式:各支腿單獨調整和支腿整體調整。
3.1 支腿單獨調整方式
各支腿的單獨調整方式。當機器人在行進過程中，其中的一個或多個支腿遇到障礙物(包括突起和凹陷)時，利用支腿內部的調整彈簧來改變支腿的長度使得支腿與管壁處于理想的接觸狀態(tài)，以滿足穩(wěn)定作業(yè)要求。同時調整彈簧也能起到一定的緩沖減震作用。該裝置主要是針對相同管徑或管徑變化范圍不是很大的情況下，當管徑變化范圍較大時，則應使用支腿的整體調整方式。
3.2 支腿整體調整方式
目前管道機器人在適應不同管徑的調節(jié)機構常用的有:蝸輪蝸桿調節(jié)方式,升降機調節(jié)方式、滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式和彈簧壓緊調節(jié)方式。比較研究了各種調節(jié)機構的優(yōu)缺點，針對本課題的工程實際需要，并根據(jù)前后支腿的特性要求，在前支腿(即從動輪支腿)選用彈簧壓緊調節(jié)方式，后支腿(即主動輪支腿)選用滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式。這兩種調節(jié)機構能保證機器人具有充裕并且穩(wěn)定的牽引力，并且管徑變化范圍比較大，下面綜合分析該兩種調節(jié)方式。
1.滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式自適應方案。其具體設計如圖2-2所示是滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式示意圖，其工作原理是:安裝在軸套和絲杠螺母之間的壓力傳感器間接檢測驅動車輪和管道內壁之間的壓力Fy，并實時將壓力值回饋回監(jiān)控裝置，當壓力Fy的值小于所允許的最小壓力值Fy’時，連桿AB的一端和車輪軸鉸接在一起，另一端鉸接在固定支點A，推桿CD與連桿AB鉸接在B點，另一端鉸接在軸套上C點，軸套在圓周方向相對固定，因此滾珠絲杠的轉動將帶動絲杠螺母沿軸線方向在滾珠絲杠上來回滑動，從而帶動推桿運動，進而推動連桿AB繞支點A轉動，使車輪撐開或者緊縮以達到適應不同的管徑的目的。同時調整彈簧也能起到一定的緩沖減震作用。該裝置主要是針對相同管徑或管徑變化范圍不是很大的情況下，當管徑變化范圍較大時，則應使用支腿的整體調整方式。保證管道機器人以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管道內壁上，使機器人具有充足且穩(wěn)定的牽引力。
圖3-1 滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式
下面分析滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式的力學特性，如圖所示，以固定支點A為坐標系的原點，建立如圖所示的坐標系XOY,石為連桿AB的長度，幾是推桿CD的長度，烏是支點D到固定支點A之間的距離，“是推桿CD與水平方向之間的夾角，尹是連桿AB與水平方向之間的夾角，凡為管道內壁作用在車輪上的壓力即封閉力，藝F是滾珠絲杠螺母作用在推桿上的軸向推力，T是作用在滾珠絲桿軸上的有效扭矩。Tmda是電機軸的輸出扭矩。
在坐標系XOY中，由幾何關系可得
Lsin=Lsin (3-1)
y=Lsin (3-2)
x=Lcos+Lcos (3-3)
對上式兩邊分別取微分可得
=Lcos (3-4)
Lcos=Lcos (3-5)
=-Lsin-Lsin (3-6)
化簡上式得
=-(tan+tan) (3-7)
由虛功原理得
+=0 (3-8)
將式代入上式并化簡得
= (3-9)所采用的滾珠絲杠螺母副的導程記為， 為滾珠絲杠和絲杠螺母之間的相對轉角，則絲杠螺母的位移為
S= (3-10)
對上式等號兩邊分別取微分得
= (3-11)
考慮滾珠絲杠螺母副，由虛位移原理可得
(3-12)
式中 ——滾珠絲杠螺母副的傳動效率。
合并整合上兩式得:
T (3-13)此式即為滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式的力學特性。
2.彈簧壓緊調節(jié)方式
如圖所示的是從動輪的彈簧壓緊調節(jié)方式示意圖，其工作原理與滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式原理類似，只是在張緊力調整方面采用被動調整方式。當管徑發(fā)生變化時，作用在從動輪上的壓力變化，使得壓緊彈簧產生伸縮，而帶動推桿運動，進而推動連桿AB繞支點A轉動，使車輪撐開或者緊縮以達到適應不同的管徑的目的。因此該機構具有負反饋作用，在一定的管徑變化范圍內，封閉力之和N變化不大。由此可見該機構具有常封閉特性，這樣便增加了載體的穩(wěn)定性和可靠性，同時由于彈簧壓緊力的回饋作用可使機構具有自適應調節(jié)的功能與滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式的主要區(qū)別就在于在壓緊力的調節(jié)方面由調整電機的的主動調整變?yōu)閴壕o彈簧的被動調整。故在彈簧壓緊調節(jié)方式的力學特性如下:
圖3-1 彈簧壓緊調節(jié)方式
選取其中的一個支承臂作為研究對象，其受力分析如圖所示，由前述滾珠絲杠螺母副調節(jié)方式的分析可知，彈簧壓緊調節(jié)方式的力學平衡方程為:
(3-14)
式中 f——彈簧的壓緊力，N。
整理得
f= (3-15)
彈簧壓緊力可表示為
f=k (3-16)
式中 f——彈簧的初始長度(mm) 。
從上邊的式子可以看出，彈簧壓緊力f只是位移函數(shù)，因此該機構具有負反饋作用，在一定的管徑變化范圍內，封閉力之和N變化不大。
3.3 本章小結
在俯仰運動、搖頭運動和擺頭運動仿真時，首先用運MATLAB通過運動學逆解求出目標姿態(tài)相對于初始姿態(tài)的三個輸入角度后，然后在相同的時間內對各個軸施加勻速運動并同時完成各個輸入；對于環(huán)轉運動，則是通過插補運動來完成圓弧軌跡。在完成以上各項仿真后，通過測量功能測量最后的姿態(tài)，都是仿真前設定的目標姿態(tài)，這證明了本文運動學推算正確，面向頸關節(jié)的運動規(guī)劃正確。
第4章 動力系統(tǒng)設計計算
4.1 管道機器人行駛阻力分析
在計算前，我們先設定我們所設計的機器人的行進速度是1.8m/min。
機器人在管道內進行清洗作業(yè)時，必須克服來自管道內表面的滾動摩擦阻力，
(4-1)
式中 f—— 是滾動摩擦因數(shù)，即輪子在一定條件下滾動所需要的推力。
——機器人輪子負荷之和。也就是
Gcos( (4-2)
Gcos( (4-3) 式中 ——機器人管內作業(yè)姿態(tài)角，
——機器人本體重量，kg。
當姿態(tài)角分別為60°或者-60°時候，系統(tǒng)的阻力最大。
預設為0.5，機器人重量為10kg，由于輪子手的是彈簧調節(jié)，則彈簧對輪子又很大的壓力，由于我們采用的是型芯磨頭切削，對車身的穩(wěn)定性要求較其他更為嚴格，假設彈簧對輪子的壓力是40x9.8N，=109.8=490N。
∵總阻力= =4900.5=245N.
根據(jù)實際情況，我們設計主動輪半徑r=50mm，總阻力矩為：
=2450.05=12.25Nm (4-4)
已經設過機器人行進速度為1.8m/min，則主動輪轉速應該是:
電機的額定轉速為1500r/min系統(tǒng)傳動比為
電機提供的驅動力矩為：
考慮到機器人在管道內行進出現(xiàn)的在和突變情況，取安全系數(shù)為2，則電機的功率為46W,電機選用YS5614型。如下表。
得：轉速為1500r/min
額定功率為60W
額定電流為0.28A
效率為56%
功率因數(shù)為0.58
額定轉矩為2.4Nm
表4-1 YS系列電機技術參數(shù)
型號
額定功率
額定電流
額定電壓
額定頻率
同步轉速
效率
(%)
功率因數(shù)
YS4512
16
0.93
或
380
50
3000
46
0.57
YS4514
10
0.12
1500
28
0.45
YS4522
25
0.12
3000
52
0.60
YS4524
16
0.16
1500
32
0.49
YS5012
40
0.17
3000
55
0.65
YS5014
25
0.17
1500
42
0.53
YS5022
60
0.23
3000
60
0.66
YS5024
40
0.23
1500
50
0.54
YS5612
90
0.32
3000
62
0.68
YS5614
60
0.28
1500
56
0.58
YS5622
120
0.38
3000
67
0.71
YS5624
90
0.39
1500
58
0.61
YS6312
180
0.53
3000
69
0.75
YS6314
120
0.48
1500
60
0.63
YS6322
250
0.67
3000
72
0.78
YS6324
180
0.65
1500
64
0.66
YS7112
370
0.95
3000
73.5
0.80
YS7114
250
0.83
1500
67
0.68
YS7116
180
0.74
1000
59
0.63
續(xù)表4-2 YS系列電機技術參數(shù)
額定頻率
同步轉速
效率
(%)
功率因數(shù)
聲功率極
3000
46
0.57
2.3
6.0
2.4
65
1500
28
0.45
2.4
6.0
2.4
60
3000
52
0.60
2.3
6.0
2.4
65
1500
32
0.49
2.4
6.0
2.4
60
3000
55
0.65
2.3
6.0
2.4
65
50
1500
42
0.53
2.4
6.0
2.4
60
3000
60
0.66
2.3
6.0
2.4
70
1500
50
0.54
2.4
6.0
2.4
60
3000
62
0.68
2.3
6.0
2.4
70
1500
56
0.58
2.4
6.0
2.4
60
3000
67
0.71
2.3
6.0
2.4
70
1500
58
0.61
2.4
6.0
2.4
65
3000
69
0.75
2.3
6.0
2.4
70
1500
60
0.63
2.4
6.0
2.4
65
3000
72
0.78
2.3
6.0
2.4
70
1500
64
0.66
2.4
6.0
2.4
65
3000
73.5
0.80
2.3
6.0
2.4
75
1500
67
0.68
2.4
6.0
2.4
65
1000
59
0.6
2.0
5.5
2.0
60
4.2 減速器的選擇
在選擇了電機型號之后，需要選擇與之相應的減速器。在確定了減速器的類型后，
減速器的選擇關鍵在減速比的選擇。
1.考慮驅動能力時減速比的計算
根據(jù)電機的相關資料，可知電機的額定轉矩為0.9Nm，為滿足機器人能正常行駛，
則整個驅動系統(tǒng)電機的驅動力矩經傳動系統(tǒng)減速增扭后，驅動力矩應大于等于機器人所
受到的總的阻力矩，即應保證傳動系統(tǒng)的傳動比應滿足：
2.考慮機器人最高運行速度傳動比的計算
根據(jù)電機相關資料，可知電機的額定轉速為n=1500r/min則傳動系統(tǒng)的最大傳動比應該滿足：
(4-5)
基于上述傳動比，我們可以確定傳動系統(tǒng)的傳動比應該滿足
(4-6)
傳動比里面蝸桿傳動的傳動比為=5-80，選用20
則減速器的出動比為
(4-7)
我們選用=12
根據(jù)《小功率計算機》書上說明，選用GBX40行星減速器。
4.3 機器人的速度和驅動能力校核
確定電機和減速器后，我們必須進行機器人的運動速度和驅動能力的校核，以確保機器人有足夠驅動力的同時，能滿足機器人的最高行走速度要求。
4.3.1 運動速度校核
根據(jù)以上所選電機和減速器的性能指針，可知電機的額定轉速= 3000r/min，減
速器的傳動比是12，以及機器人所要求的主動輪半徑r= O.O5m，可以計算出機器人在
確定電機和減速器后的最高車速V:
(4-8)
雖然V大于預期設定速度，但是我們可以通過控制電機的轉速已使機器人低于此速度行駛，而且還有一定得速度儲備，在機器人需要快速行進至工作位置的情況下，盡可能有較快的速度。
4.3.2 驅動能力校核
根據(jù)電機的額定輸出轉矩為2.4Nm，傳動比i為240，則機器人總的驅動力矩為： (4-9)
因為機器人總的驅動力矩大于其所受到的總的阻力矩，所以機器人能夠有足夠的動力起車，并有一定的動力儲備。經過上述計算和校核，根據(jù)螺桿和螺母的相對運動關系，螺旋傳動的常用運動形式，主要有兩種形式：一種是螺桿轉動，螺母移動，多用于機床的進給機構中；另一種是螺母固定，螺桿轉動并移動，多用于螺旋起重器。本設計選擇第一種形式。
該傳動系統(tǒng)為傳力螺旋，以傳遞動力為主，要求以較小的轉矩產生較大的軸向推力，用以克服工件阻力，這種傳力螺旋主要是承受很大的軸向力，一般為間歇性工作，每次的工作時間較短，工作速度不高，而且通常需有自鎖能力。
螺旋傳動按其螺旋副的摩擦性質不同，可分為滑動螺旋滑動摩擦、滾動螺旋滾動摩擦和靜壓螺旋流體摩擦。滑動螺旋結構簡單，便于制造，易于自鎖，但其主要缺點是摩擦阻力大，傳動效率低一般為30%40%，磨損快，傳動精度低等，本設計選擇滑動螺旋。所選的施奈德BSH4552T伺服電機和GBX40行星齒輪減速器能夠滿足管道射流清洗機器人的性能要求，從而可以由其組成機器人的行駛驅動系統(tǒng)。
4.4 本章小結
關于本章是通過最初基于機器人的自主性能有限，而且同一時間內只能向單一用戶提供網絡服務。瑞士聯(lián)邦洛?？萍佳芯克腒heponTheWeb?就是其中典型代表。用戶可通過網絡控制小型移動機器人在人造迷宮中進行運動并能同時經攝像頭的圖像反饋進行觀察。?Carnegie?Mellon?大學研發(fā)的Xaiver?是第一個可通過網絡控制并運行于復雜辦公環(huán)境的自主移動機器人。機器人可在線或離線接收請求命令并在運行時段內進行處理。Xaiver?完成任務后會通過電郵件通知用戶。Xaiver?的網絡界面使用了client-pull和server-push?技術來獲取圖像。此外Xaiver?的用戶界面還提供辦公環(huán)境的地圖并顯示機器人在其上的位置。?在更為復雜的動態(tài)環(huán)境(中，機器人在執(zhí)行任務時會遇到大量不可預見事件。博物館導游機器人Minerva?除了要對網絡用戶進行在線響應，同時還要與博物館中的游客進行現(xiàn)場人機交互，所以其任務規(guī)劃要能夠處理各種不可預測的突發(fā)事件。博物館導游機器人要及時向用戶提供各種反饋.由于使用了基于Java?applet?的技術，其在低帶寬情況下仍能按要求更新機器人狀態(tài)。網絡用戶界面還提供機器人所帶攝像頭和安裝于天花板上攝像頭所傳回的圖像。使用多種方式的代理技術可支持多用戶同時訪問。實際應用中常要求網絡用戶同現(xiàn)場用戶分享機器人的控制。網絡能給異地用戶提供遠程現(xiàn)場再現(xiàn),?而現(xiàn)場用戶則通過比網絡更直接的方式控制機器人，這就要求混合控制的界面設計要避免兩者相互干擾。
第5章 輸送系統(tǒng)的設計與校核
5.1 輸送系統(tǒng)的總體分析
本次設計中，因為輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)的功能有很大的相似之處，所以輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)采用相同的機構設計，統(tǒng)稱輸送系統(tǒng)。輸送系統(tǒng)采用電動機作為動力源，經過一級或多級減速傳動，最后傳送至輸送系統(tǒng)的執(zhí)行構件處，隨后執(zhí)行構件夾持玉米棒進行運動。在本文的設計中，總體思路為電動機動力和運動經帶傳動或鏈傳動傳送至蝸桿或錐齒輪處，通過蝸輪蝸桿或錐齒輪傳動進行減速、轉動變相。最后經由蝸輪軸或錐齒輪軸將運動傳送到夾持執(zhí)行件處。對于輸入的夾持滾輪采用橡膠材料制造，該滾輪對玉米棒具有夾持和導向的作用，送料滾輪采用凹面圓柱體形狀，以增加對玉米棒接觸面積，使玉米送料排料通暢。利用滾輪，刀片和刀桿實現(xiàn)聯(lián)合定位夾持，當玉米軸線有較大誤差時，也能自動校正，以保證順利切削。而滾輪采用橡膠材料，是為了避免生銹和對食品的污染。
5.2 輸送系統(tǒng)電動機的選擇
選擇電動機系列，根據(jù)工作要求及工作條件應選用三相異步電動，封閉式結構，電壓380V，Y系列電動機。
(5-1)
式中 ——工作機功率,單位(kw）；
——工作力，單位(F）；
——為工作機線速度,單位(m/min)。
將以上各數(shù)據(jù)代入上式，得滾輪所需要的有效功率為
傳動總效率
(5-2)
得， ， ， ，
將以上各數(shù)據(jù)代入上式，得傳動總效率為
電動機功率
(5-3)
式中 ——電機所須功率，單位(kw)；
——傳動總效率。
將以上各數(shù)據(jù)代入上式，得
選擇電機
(5-4)
式中 ——工作機轉速，單位(r/min)；
——工作機滾筒直徑，單位(mm)。
將以上各數(shù)據(jù)代入上式，得
該電動機的數(shù)據(jù)參數(shù)如表5-3所示。
表5-3 電動機數(shù)據(jù)參數(shù)表
電動機型號
額定功率
同步轉速
滿載轉速
Y801-4
0.55Kw
1500r/min
1390r/min
5.3 輸送系統(tǒng)減速機構的運動及參數(shù)計算
1.輸送部分的總傳動比及傳動比的分配
總傳動比
(5-5)
式中 ——總傳動比；
——電動機轉速，單位(r/min)；
——工作機轉速，單位(r/min)。
總傳動比為：
因在整個系統(tǒng)中運動的轉向需要進行向垂直方向轉化，故在整個傳動減速過程中需要有蝸輪蝸桿傳動或者錐齒輪傳動。但是在本文所涉及的機器設計中需要較大的傳動比但還希望機構緊湊。而蝸輪蝸桿傳動具有：結構緊湊，傳動比大，傳動平穩(wěn)，無躁聲等一系列特點，故在運動方向變化、較大減速的部分采用蝸輪蝸桿的傳動。在一級減速中，減速的幅度不需要太大，因此可以選擇鏈傳動或者帶傳動均可以，不過帶傳動有：傳動平穩(wěn)，躁聲小；傳動過載時可以打滑，防止其它零件損壞；結構簡單，易于制造和安裝，成本低等特點，故在一級減速結構中選用帶傳動。而帶傳動另外一個有點就是不需要進行油潤滑，這對于食品加工機械需要清潔這