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螺旋驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是螺旋驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人的組成及工作原理,對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并且分析了其在彎管內(nèi)的幾何與運(yùn)動(dòng)約束條件。新型的旋轉(zhuǎn)體和保持體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),使此管道機(jī)器人具有較大的牽引力和移動(dòng)速度。隨著時(shí)間的推移，非工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，智能機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。總體趨勢(shì)是，從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)概念轉(zhuǎn)移，從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)的內(nèi)涵已變?yōu)殪`活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)際動(dòng)作功能的智能化系統(tǒng)。機(jī)器人結(jié)構(gòu)越來(lái)越靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，其智能也越來(lái)越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。機(jī)器人采用節(jié)段式設(shè)計(jì),使得其具有強(qiáng)大的功能擴(kuò)展性。在制冷、化工、核電站等領(lǐng)域,采用常規(guī)方法對(duì)小型管道檢測(cè)存在中毒、輻射等危險(xiǎn),且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此,螺旋驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人在細(xì)小管道檢測(cè)方面具有良好的應(yīng)用前景,并且其機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的實(shí)用價(jià)值和學(xué)術(shù)意義。螺旋輪式管道機(jī)器人特點(diǎn)：輪式行走具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、行走連續(xù)平穩(wěn)的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：螺旋推進(jìn)；管道機(jī)器人；旋轉(zhuǎn)體管道檢測(cè)
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(jī)器人的發(fā)展歷程 2
1.3 機(jī)器人在各大領(lǐng)域的應(yīng)用 2
1.4 螺旋驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人的應(yīng)用 3
第2章 管道機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1 設(shè)計(jì)方案 4
2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4
2.3 傳動(dòng)帶的選擇 8
2.4 本章小結(jié) 11
第3章 管道機(jī)器人變管徑自適應(yīng)性方案設(shè)計(jì) 12
3.1 支腿單獨(dú)調(diào)整方式 12
3.2 支腿整體調(diào)整方式 12
3.3 本章小結(jié) 15
第4章 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 16
4.1 管道機(jī)器人行駛阻力分析 16
4.2 減速器的選擇 18
4.3 機(jī)器人的速度和驅(qū)動(dòng)能力校核 19
4.3.1 運(yùn)動(dòng)速度校核 19
4.3.2 驅(qū)動(dòng)能力校核 19
4.4 本章小結(jié) 20
第5章 輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的選擇 21
5.3 輸送系統(tǒng)減速機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及參數(shù)計(jì)算 22
5.4 輸送系統(tǒng)各零件的設(shè)計(jì)及校核 24
5.5 本章小結(jié) 26
結(jié) 論 27
致 謝 28
參考文獻(xiàn) 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(wàn)能機(jī)器人》，他在說(shuō)劇本中首次提出了“機(jī)器人(Robot)”這個(gè)詞，并且把機(jī)器人描繪成像人一樣工作的機(jī)器，不知疲倦地工作。自此之后，不僅“機(jī)器人(Robot)”這個(gè)詞廣泛的流行，而且設(shè)計(jì)制造機(jī)器人的活動(dòng)也異常風(fēng)行。
現(xiàn)在，國(guó)際上對(duì)機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般說(shuō)來(lái)，人們都可以接受這種說(shuō)法，即機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動(dòng)作的專(zhuān)門(mén)系統(tǒng)?！?
機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)器人本體，其臂部一般采用空間開(kāi)鏈連桿機(jī)構(gòu)，其中的運(yùn)動(dòng)副(轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副)常稱(chēng)為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)器人的自由度數(shù)。根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式的不同，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、極坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等類(lèi)型。出于擬人化的考慮，常將機(jī)器人本體的有關(guān)部位分別稱(chēng)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(duì)于移動(dòng)機(jī)器人)等。
驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)，借助于動(dòng)力元件使機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作。它輸入的是電信號(hào)，輸出的是線(xiàn)、角位移量。機(jī)器人使用的驅(qū)動(dòng)裝置主要是電力驅(qū)動(dòng)裝置，如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等，此外也有采用液壓、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置。
檢測(cè)裝置的作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)器人的動(dòng)作符合預(yù)定的要求。作為檢測(cè)裝置的傳感器大致可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是內(nèi)部信息傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人各部分的內(nèi)部狀況，如各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測(cè)得的信息作為反饋信號(hào)送至控制器，形成閉環(huán)控制。另一類(lèi)是外部信息傳感器，用于獲取有關(guān)機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機(jī)器人的動(dòng)作能適應(yīng)外界情況的變化，使之達(dá)到更高層次的自動(dòng)化，甚至使機(jī)器人具有某種“感覺(jué)”，向智能化發(fā)展，例如視覺(jué)、聲覺(jué)等外部傳感器給出工作對(duì)象、工作環(huán)境的有關(guān)信息，利用這些信息構(gòu)成一個(gè)大的反饋回路，從而將大大提高機(jī)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(jī)器人的全部控制由一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)完成。另一種是分散(級(jí))式控制，即采用多臺(tái)微機(jī)來(lái)分擔(dān)機(jī)器人的控制，如當(dāng)采用上、下兩級(jí)微機(jī)共同完成機(jī)器人的控制時(shí)，主機(jī)常用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，并向下級(jí)微機(jī)發(fā)送指令信息；作為下級(jí)從機(jī)，各關(guān)節(jié)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)CPU，根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機(jī)器人的控制方式又可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力(力矩)控制。
1.2 機(jī)器人的發(fā)展歷程
從我國(guó)古代的用木頭制成的能歌善舞的伶人，到1961年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)問(wèn)世，再到機(jī)器人蓬勃發(fā)展的今天，機(jī)器人主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。
科技界把早期的機(jī)器人稱(chēng)作第一代機(jī)器人，它們按人編寫(xiě)的程序工作。這些機(jī)器人從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)不屬于機(jī)器人，因?yàn)樗鼈冎荒苤貜?fù)一種動(dòng)作，以一種固定的模式工作。第二代機(jī)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(dòng)作，這就使得機(jī)器人在很多人類(lèi)所不能完成的工作上大展拳腳，解決了很多工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的難題。第三代機(jī)器人也稱(chēng)為智能機(jī)器人。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人逐漸向智能化發(fā)展，智能機(jī)器人也應(yīng)運(yùn)而生。智能機(jī)器人具有人的智慧，可以認(rèn)識(shí)周?chē)沫h(huán)境和自身的狀態(tài)，并能進(jìn)行分析和判斷，然后采取相應(yīng)的策略完成任務(wù)。早期的智能機(jī)器人主要用于工業(yè)和軍事領(lǐng)域，我們看到的大多是機(jī)械手和機(jī)械臂。
隨著時(shí)間的推移，非工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，智能機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛?？傮w趨勢(shì)是，從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)概念轉(zhuǎn)移，從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)的內(nèi)涵已變?yōu)殪`活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)際動(dòng)作功能的智能化系統(tǒng)。機(jī)器人結(jié)構(gòu)越來(lái)越靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，其智能也越來(lái)越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。
1.3 機(jī)器人在各大領(lǐng)域的應(yīng)用
工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域日漸廣泛,經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在制造業(yè)中，尤其是在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測(cè)及倉(cāng)庫(kù)堆垛等作業(yè)中，機(jī)器人都已逐步取代了人工作業(yè)。
隨著工業(yè)機(jī)器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機(jī)器人智能化水平的提高，機(jī)器人的應(yīng)用范周還在不斷地?cái)U(kuò)大，已從汽車(chē)制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進(jìn)而推廣到諸如采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系統(tǒng)維護(hù)維修機(jī)器人等各種非制造行業(yè)。智能機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛?？傮w趨勢(shì)是，從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)概念轉(zhuǎn)移，從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)的內(nèi)涵已變?yōu)殪`活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)際動(dòng)作功能的智能化系統(tǒng)。此外，在國(guó)防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務(wù)等領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用也越來(lái)越多，如無(wú)人偵察機(jī)(飛行器)、警備機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、家政服務(wù)機(jī)器人等均有應(yīng)用實(shí)例。機(jī)器人正在為提高人類(lèi)的生活質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。
隨著科技不斷進(jìn)步，機(jī)器人的功能也越來(lái)越先進(jìn)。最近，日本下結(jié)科研機(jī)構(gòu)相繼推出了最新研制的機(jī)器人：索尼公司的人形機(jī)器人于3月9日在東京市舉行的節(jié)目彩排中登臺(tái)亮相，擔(dān)任指揮。身高只有58厘米的機(jī)器人，登上特制的指揮臺(tái)，面對(duì)約70人的樂(lè)隊(duì)它說(shuō)心里感到緊張，然后用可愛(ài)的動(dòng)作揮動(dòng)指揮棒，指揮樂(lè)隊(duì)演奏貝多芬第五交響曲《命運(yùn)》的第一樂(lè)章。3月21日，《日本經(jīng)濟(jì)新聞》報(bào)道，日本京都大學(xué)信息學(xué)研究專(zhuān)業(yè)奧乃博教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)發(fā)出一種會(huì)分辨親疏的機(jī)器人。對(duì)它好，它會(huì)做出可愛(ài)的動(dòng)作，對(duì)它不好，它會(huì)生氣扭頭。去年圓形自動(dòng)真空吸塵器在市場(chǎng)上大出風(fēng)頭。有誰(shuí)會(huì)想到，在21世紀(jì)初，飛碟形狀的吸塵器的技術(shù)水平竟然代表了當(dāng)前家用機(jī)器人技術(shù)的最高水平。去年，iRobot公司生產(chǎn)的圓形自動(dòng)真空吸塵器魯姆巴在市場(chǎng)上大出風(fēng)頭，一年內(nèi)超過(guò)20萬(wàn)的消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)了魯姆巴，銷(xiāo)售額達(dá)數(shù)百萬(wàn)美元現(xiàn)在看來(lái)，機(jī)器人真空吸塵器正在受到消費(fèi)者的廣泛歡迎。家用機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)前景看好，它有著56億美元的巨大市場(chǎng)，而且還以每年7%的速度增長(zhǎng)。但據(jù)聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(UNECE)的報(bào)告預(yù)測(cè)，未來(lái)3年內(nèi)需求增長(zhǎng)速度最快的將會(huì)是家用機(jī)器人。從如此多的機(jī)器人用途中我們看到，機(jī)器人現(xiàn)在在我們的生活中扮演著越來(lái)越重要的作用。所以，在大學(xué)教育中，同學(xué)們能夠積極參加科研，對(duì)提高自己的能力以及對(duì)社會(huì)的發(fā)展都將是很重要的。
1.4 螺旋驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人的應(yīng)用
螺旋管道機(jī)器人在生活中有著極為廣泛的應(yīng)用。煙道清洗機(jī)器人是專(zhuān)門(mén)針對(duì)酒店、賓館、學(xué)校、企事業(yè)單位等的油煙管道清晰的專(zhuān)用清洗機(jī)器人。它操作簡(jiǎn)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(wèn)題；檢測(cè)裝置的作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及工作情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定信息進(jìn)行比較后，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)器人的動(dòng)作符合預(yù)定的要求。作為檢測(cè)裝置的傳感器大致可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是內(nèi)部信息傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人各部分的內(nèi)部狀況，如各關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測(cè)得的信息作為反饋信號(hào)送至控制器，形成閉環(huán)控制。另一類(lèi)是外部信息傳感器，用于獲取有關(guān)機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機(jī)器人的動(dòng)作能適應(yīng)外界情況的變化，使之達(dá)到更高層次的自動(dòng)化，甚至使機(jī)器人具有某種“感覺(jué)”，向智能化發(fā)展，例如視覺(jué)、聲覺(jué)等外部傳感器給出工作對(duì)象、工作環(huán)境的有關(guān)信息，利用這些信息構(gòu)成一個(gè)大的反饋回路，從而將大大提高機(jī)器人的工作精度。智能機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛?？傮w趨勢(shì)是，從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)概念轉(zhuǎn)移，從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)的內(nèi)涵已變?yōu)殪`活應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的、具有實(shí)際動(dòng)作功能的智能化系統(tǒng)。對(duì)工作中的在線(xiàn)石油輸油管道進(jìn)行全線(xiàn)檢測(cè),可以細(xì)化了解全線(xiàn)管道內(nèi)外壁受腐蝕損傷狀態(tài)分布,最終了解和預(yù)測(cè)管道的可持續(xù)使用壽命的在役輸油管道檢測(cè)機(jī)器人；還有用于窖井等搜尋的窖井機(jī)器人，取代了人工操作，避免了一些工作的危險(xiǎn)性，同時(shí)也減少了由于環(huán)境而帶來(lái)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(jī)器人對(duì)人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)的方便。
第2章 管道機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)方案
按照下述的過(guò)程方案，由三維建模可以進(jìn)一步確定機(jī)器人的可靠外形結(jié)構(gòu)。安裝加工出的理想外形經(jīng)過(guò)安裝調(diào)試環(huán)節(jié)成為完整的機(jī)器人，最后完善整個(gè)樣機(jī)使其在螺旋管道內(nèi)能順利工作，幫助人們順利解決難題。
圖2-1 整體設(shè)計(jì)流程
2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
目前國(guó)內(nèi)外已研制出的管道機(jī)器人類(lèi)型很多，從機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)區(qū)分主要有以下幾種移動(dòng)方式：
1.活塞移動(dòng)式，其原理類(lèi)似于活塞在汽缸內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，即把管道看作汽缸，把具有一定彈性和硬度的機(jī)器人看作活塞。在結(jié)構(gòu)上，機(jī)器人其后面的流體壓力大于前面的壓力時(shí)，在壓差的作用下，機(jī)器人克服了管壁與活塞之間的摩擦阻力而向前運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人可以攜帶各種傳感器，一邊行走一邊用于管道檢測(cè)。
2.滾輪移動(dòng)式，利用滾輪驅(qū)動(dòng)式的行走結(jié)構(gòu)，以電機(jī)作原動(dòng)機(jī)， 為了增加牽引力，一般采用多輪驅(qū)動(dòng)式，由于輪徑太小，越障能力有限， 而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
圖2-2 滾輪移動(dòng)式
3.履帶移動(dòng)式，仿造履帶式車(chē)輛行走原理，采用帶齒輪減速箱的直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
圖2-3 履帶移動(dòng)式
4.足腿移動(dòng)式，其基本原理是利用足腿推壓管壁來(lái)支撐機(jī)體，利用多腿可以方便地在各種形狀的彎管內(nèi)移動(dòng)。由撐腳機(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(lèi)型的管道里移動(dòng)。
圖2-4 足腿移動(dòng)式
5.蠕動(dòng)移動(dòng)式，模仿昆蟲(chóng)在地面上爬行時(shí)蠕動(dòng)前進(jìn)與后退的動(dòng)作設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)由蠕動(dòng)絲杠、螺母、前后支撐足及前后封閉彈簧構(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(dòng)蠕動(dòng)絲杠依次左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，使螺母在絲杠上左右移動(dòng)。
6.螺旋移動(dòng)式，利用螺旋原理使管外電機(jī)推動(dòng)帶有彈性的驅(qū)動(dòng)部件前進(jìn)，該驅(qū)動(dòng)螺旋部件可以自動(dòng)越過(guò)小的臺(tái)階。
以上移動(dòng)方式各有所長(zhǎng)，我們?cè)诘诹N螺旋移動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)我們?cè)O(shè)計(jì)目的。
螺旋式上升的移動(dòng)方式有著如下優(yōu)點(diǎn)：
移動(dòng)速度穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)中途停止，順應(yīng)了多變的情況，便于應(yīng)用于工業(yè)上實(shí)際作業(yè)。
在整個(gè)上升過(guò)程中利用了滾動(dòng)原理，較為穩(wěn)定沒(méi)有震動(dòng)，內(nèi)部能夠安裝一些精密儀器。
旋轉(zhuǎn)過(guò)程中有著與管道相垂直的徑向轉(zhuǎn)動(dòng)，接觸面較廣，不存在死角問(wèn)題，便于實(shí)際應(yīng)用中的勘測(cè)、清洗等實(shí)際工作的具體實(shí)施。
就螺旋式管道機(jī)器人各種設(shè)計(jì)也有個(gè)各自的優(yōu)點(diǎn)，就我們一些參考文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比來(lái)具體了解我們的機(jī)械結(jié)構(gòu)原理。
下圖出自論文《URT螺旋輪式管道檢測(cè)機(jī)器人越障性能研究》中，與我們的方案類(lèi)似的采用了三叉元結(jié)構(gòu)，利用了三角形的穩(wěn)定性。
圖2-5 螺旋移動(dòng)式
就單單上圖的設(shè)計(jì)我們提出了如下幾個(gè)沒(méi)有克服的問(wèn)題：
驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)較少，在管道內(nèi)部的環(huán)境中容易產(chǎn)生打滑等抱死的狀況。
彎半徑較大，無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜的管道內(nèi)部狀況。
上升力矩太小，垂直時(shí)無(wú)法克服重力以及管道內(nèi)部的一些阻力。
我們會(huì)在我們的設(shè)計(jì)過(guò)程中一一克服以上問(wèn)題。
1.實(shí)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(xué)
在正常管道中, 3個(gè)沿管道周向120°均布的螺旋輪的初始預(yù)緊
力大小關(guān)系為: Fk1 = Fk2 = Fk3。
由于螺旋頭的重量與彈簧預(yù)緊力相比較小,故可以忽略其影響。
上升力矩太小，垂直時(shí)無(wú)法克服重力以及管道內(nèi)部的一些阻力。
設(shè)3個(gè)螺旋輪預(yù)緊彈簧的剛度系數(shù)均為k， 則o1 輪的彈簧預(yù)緊力增量為: △F1 = k ( x - oo′) ;
o2 , o3 輪的彈簧預(yù)緊力增量為: △F2 = k·oo′/sin30°。由于3個(gè)輪子夾角不變,通過(guò)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(shè)計(jì)
圖2-7 多節(jié)設(shè)計(jì)
如圖是我們的設(shè)計(jì)方案，采用此種多節(jié)設(shè)計(jì)有著以下優(yōu)點(diǎn)：
(1) 采用多節(jié)設(shè)計(jì)能夠加大前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力，不會(huì)出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象。
(2) 各節(jié)之間運(yùn)用萬(wàn)向接頭3連接，能夠在較小的半徑下轉(zhuǎn)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(yīng)更多內(nèi)徑的管道，在每一節(jié)的設(shè)計(jì)中還有一個(gè)鎖緊裝置。
該伸縮裝置一段與電機(jī)固定，另一端與一伸縮關(guān)節(jié)相連接。工作時(shí)帶有螺紋的主軸會(huì)隨著電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，伸縮關(guān)節(jié)會(huì)隨著螺紋進(jìn)行上下移動(dòng)。在移動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)連桿，減少兩個(gè)連桿的角度，從而增加了輪子的中心距，達(dá)到了增大半徑鎖緊的目的。
伸縮關(guān)節(jié)的細(xì)節(jié)圖如2-8所示，呈現(xiàn)三葉草狀，每一個(gè)瓣對(duì)應(yīng)相應(yīng)的連桿。關(guān)
節(jié)與連桿中間通螺栓進(jìn)行間隙連接，能夠自由移動(dòng)。
5.舵機(jī)變速裝置
為了便于控制，我們將控制輪子運(yùn)動(dòng)速度的電機(jī)設(shè)置為固定的，而輪子的角度則有舵機(jī)進(jìn)行控制，控制范圍為-20°～+20°。
如圖所示，假設(shè)有一個(gè)豎直管道，x軸為水平轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)行改變，從而造成在y軸上的分速度進(jìn)行改變，達(dá)到了改變上升速度的目的。
在更改a角的同時(shí)，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(dá)到克服阻礙，順利上升的目的。
單節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖
伸縮關(guān)節(jié)示意圖
圖2-8伸縮裝置
2.3 傳動(dòng)帶的選擇
機(jī)器通常是由原電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)和工作機(jī)三部分所組成。
傳動(dòng)系統(tǒng)是將原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力進(jìn)行傳遞與分配的作用，可見(jiàn)，傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器的重要組成部分。傳動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量與成本在整臺(tái)機(jī)器中占有很大比重。因此，在機(jī)器中傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)整部機(jī)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(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)計(jì)工作地一重要組成部分。
合理的傳動(dòng)方案首先應(yīng)滿(mǎn)足工作機(jī)的性能要求，其次是滿(mǎn)足工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、傳動(dòng)效率高、使用維護(hù)方便、工藝性和經(jīng)濟(jì)性好等要求。很顯然，要同時(shí)滿(mǎn)足這些要求肯定比較困難的，因此，要通過(guò)分析和比較多種傳動(dòng)方案，選擇其中最能滿(mǎn)足眾多要求的合理傳動(dòng)方案，作為最終確定的傳動(dòng)方案。
機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式有:液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)三種基本方式。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。液壓與氣動(dòng)方式對(duì)環(huán)境要求較高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較復(fù)雜，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較易實(shí)現(xiàn)密封與調(diào)速控制。故在本設(shè)計(jì)中選用步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)器人本體的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力;減速器選用行星齒輪減速器。驅(qū)動(dòng)動(dòng)力從電機(jī)經(jīng)由減速器減速后，在滿(mǎn)足管徑自適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，如何更好地將動(dòng)力傳遞到主動(dòng)輪上，是選擇機(jī)器人傳動(dòng)方式過(guò)程中重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。結(jié)合徑向輻射管道射流清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)布局方式的特點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中主要通過(guò)一套動(dòng)力變換裝置和同步鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
1.動(dòng)力變換裝置的設(shè)計(jì)
在如圖所示的徑向輻射輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)預(yù)緊彈簧給于基本的預(yù)緊力后，剛好使得位于最上側(cè)的輪處于與管壁相接觸的臨界狀態(tài)，也就是說(shuō)上輪與管壁間的接觸壓力剛好為零，所以機(jī)器人整體的驅(qū)動(dòng)力絕大部分來(lái)自輪1和輪3，而且機(jī)器人本體的重心位置位于管道的軸線(xiàn)下方40mm左右，增強(qiáng)了機(jī)器人的穩(wěn)定性。下面兩輪所在支腿中心線(xiàn)與減速器輸出軸線(xiàn)垂直，且兩支腿中心線(xiàn)的夾角為120°，故需要一動(dòng)力變換裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的分流。
蝸桿傳動(dòng)是空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩軸線(xiàn)交錯(cuò)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(jìn)入嚙合及逐漸退出嚙合的，同時(shí)嚙合的次對(duì)又較多，故沖擊載荷小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。在設(shè)計(jì)中蝸桿與兩蝸輪之間的軸線(xiàn)夾角為90°，兩蝸輪軸線(xiàn)之間的夾角為120°。如圖2-9所示。
圖2-9 車(chē)輪端面圖
2.同步鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)
由于設(shè)計(jì)的機(jī)器人具備在一定的管徑變化范圍內(nèi)行走的能力，在管徑發(fā)生變化的時(shí)候，主動(dòng)輪與管道中心的距離也相應(yīng)發(fā)生改變，在現(xiàn)有的相關(guān)管道機(jī)器人傳動(dòng)方案中，更多的是采用全齒輪傳動(dòng)方式，即動(dòng)力經(jīng)變換后，通過(guò)增加惰輪的方式，將動(dòng)力傳遞到主動(dòng)輪，雖然該方案的傳動(dòng)效率較高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較差，可適應(yīng)管徑變化范圍較小，傳動(dòng)系統(tǒng)是將原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力進(jìn)行傳遞與分配的作用，可見(jiàn)，傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器的重要組成部分。傳動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量與成本在整臺(tái)機(jī)器中占有很大比重。因此，在機(jī)器中傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)整部機(jī)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(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械設(shè)計(jì)工作地一重要組成部分。在本設(shè)計(jì)中，動(dòng)力經(jīng)蝸輪蝸桿裝置變換后，通過(guò)傳動(dòng)比為1:1的齒輪傳動(dòng)，將動(dòng)力傳遞到各支腿，因?yàn)榭臻g尺寸關(guān)系，在兩者之間增加一惰輪機(jī)構(gòu)，再應(yīng)用同步鏈將動(dòng)力傳送到主動(dòng)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(wú)論管徑如何變化，兩個(gè)同步鏈輪間的軸線(xiàn)距離是保持不變的，只要支腿的長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，就可適應(yīng)足夠大的管徑變化范圍。
1,2圓盤(pán)式舵機(jī) 4腿部支架 3輪子
圖2-10 輪子組合
1、2之間可以進(jìn)行相對(duì)的精確轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)整輪子與水平面的角度。
5.多節(jié)結(jié)構(gòu)之間的連接
多節(jié)之間要能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是卻要保持連接。于是我們采用了三節(jié)萬(wàn)向接頭的連接方式(如圖2-11所示)。
1-套筒 2-十字軸 3-傳動(dòng)軸叉 4-卡環(huán) 5-軸承外圈 6-套筒叉??
圖2-11 萬(wàn)向接頭連接
工作原理：十字軸式萬(wàn)向節(jié)由一個(gè)十字軸，兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)叉和四個(gè)滾針軸承等組成。兩萬(wàn)向節(jié)叉1和3上的孔分別套在十字軸2的兩對(duì)軸頸上。這樣當(dāng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)軸既可隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，又可繞十字軸中心在任意方向擺動(dòng)，這樣就適應(yīng)了夾角和距離同時(shí)變化的需要。在十字軸軸頸和萬(wàn)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(wàn)向節(jié)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，但在兩軸夾角α不為零的情況下，不能傳遞等角速轉(zhuǎn)動(dòng)。
6.預(yù)期的一些設(shè)計(jì)圖
圖2-12 設(shè)計(jì)方案圖
預(yù)期基本參數(shù)
凈重：2-5kg
行走速度：16r/min無(wú)級(jí)調(diào)速
適應(yīng)圓形管道：直徑范圍195mm～297mm；管內(nèi)越障高度：5mm
最小轉(zhuǎn)彎半徑:100mm
2.4 本章小結(jié)
本章利用機(jī)器人的方法，研究了工作空間；由目標(biāo)工作空間推出了參數(shù)的選擇范圍，并以此為基礎(chǔ)確定了參數(shù)值。選取在工作空間、簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算等機(jī)構(gòu)特性方面取得較好的平衡。在機(jī)構(gòu)的具體形狀設(shè)計(jì)時(shí)，為了避免干涉而使不同桿件工作在不同的球面上；同時(shí)為了縮小徑向尺寸，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用錐齒輪傳動(dòng)而豎直放置?？偨Y(jié)本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)具特點(diǎn): 通過(guò)各個(gè)參數(shù)的選取使機(jī)構(gòu)模型工作空間達(dá)到了最大。
第3章 管道機(jī)器人變管徑自適應(yīng)性方案設(shè)計(jì)
管道由于制作誤差、使用過(guò)程中局部結(jié)垢、局部壓力過(guò)大而產(chǎn)生變形以及內(nèi)表面雜物的存在，清洗機(jī)器人在碰到變形部位及雜物時(shí)，由于阻力而使支撐臂收縮，同時(shí)在驅(qū)動(dòng)力的作用下通過(guò)變形部位，當(dāng)再次達(dá)到管道正常段時(shí)，支撐臂能夠在彈簧的作用下像傘一樣張開(kāi)，使機(jī)器人重新恢復(fù)原來(lái)的平穩(wěn)狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程就是機(jī)器人的自適應(yīng)過(guò)程。有了自適應(yīng)性，機(jī)器人就能穿過(guò)一個(gè)個(gè)變形部位，以達(dá)到對(duì)管道進(jìn)行有效清洗的目的，在本設(shè)計(jì)中，對(duì)于自適應(yīng)性的設(shè)計(jì)主要包括兩方式:各支腿單獨(dú)調(diào)整和支腿整體調(diào)整。
3.1 支腿單獨(dú)調(diào)整方式
各支腿的單獨(dú)調(diào)整方式。當(dāng)機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中，其中的一個(gè)或多個(gè)支腿遇到障礙物(包括突起和凹陷)時(shí)，利用支腿內(nèi)部的調(diào)整彈簧來(lái)改變支腿的長(zhǎng)度使得支腿與管壁處于理想的接觸狀態(tài)，以滿(mǎn)足穩(wěn)定作業(yè)要求。同時(shí)調(diào)整彈簧也能起到一定的緩沖減震作用。該裝置主要是針對(duì)相同管徑或管徑變化范圍不是很大的情況下，當(dāng)管徑變化范圍較大時(shí)，則應(yīng)使用支腿的整體調(diào)整方式。
3.2 支腿整體調(diào)整方式
目前管道機(jī)器人在適應(yīng)不同管徑的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)常用的有:蝸輪蝸桿調(diào)節(jié)方式,升降機(jī)調(diào)節(jié)方式、滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式和彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式。比較研究了各種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)本課題的工程實(shí)際需要，并根據(jù)前后支腿的特性要求，在前支腿(即從動(dòng)輪支腿)選用彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式，后支腿(即主動(dòng)輪支腿)選用滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式。這兩種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能保證機(jī)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(diào)節(jié)方式。
1.滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式自適應(yīng)方案。其具體設(shè)計(jì)如圖2-2所示是滾珠絲杠螺母副調(diào)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(cè)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪和管道內(nèi)壁之間的壓力Fy，并實(shí)時(shí)將壓力值回饋回監(jiān)控裝置，當(dāng)壓力Fy的值小于所允許的最小壓力值Fy’時(shí)，連桿AB的一端和車(chē)輪軸鉸接在一起，另一端鉸接在固定支點(diǎn)A，推桿CD與連桿AB鉸接在B點(diǎn)，另一端鉸接在軸套上C點(diǎn)，軸套在圓周方向相對(duì)固定，因此滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)絲杠螺母沿軸線(xiàn)方向在滾珠絲杠上來(lái)回滑動(dòng)，從而帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)連桿AB繞支點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)，使車(chē)輪撐開(kāi)或者緊縮以達(dá)到適應(yīng)不同的管徑的目的。同時(shí)調(diào)整彈簧也能起到一定的緩沖減震作用。該裝置主要是針對(duì)相同管徑或管徑變化范圍不是很大的情況下，當(dāng)管徑變化范圍較大時(shí)，則應(yīng)使用支腿的整體調(diào)整方式。保證管道機(jī)器人以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管道內(nèi)壁上，使機(jī)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(diào)節(jié)方式
下面分析滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性，如圖所示，以固定支點(diǎn)A為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，建立如圖所示的坐標(biāo)系XOY,石為連桿AB的長(zhǎng)度，幾是推桿CD的長(zhǎng)度，烏是支點(diǎn)D到固定支點(diǎn)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(nèi)壁作用在車(chē)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(jī)軸的輸出扭矩。
在坐標(biāo)系XOY中，由幾何關(guān)系可得
Lsin=Lsin (3-1)
y=Lsin (3-2)
x=Lcos+Lcos (3-3)
對(duì)上式兩邊分別取微分可得
=Lcos (3-4)
Lcos=Lcos (3-5)
=-Lsin-Lsin (3-6)
化簡(jiǎn)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(jiǎn)得
= (3-9)所采用的滾珠絲杠螺母副的導(dǎo)程記為， 為滾珠絲杠和絲杠螺母之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角，則絲杠螺母的位移為
S= (3-10)
對(duì)上式等號(hào)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(dòng)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(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性。
2.彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式
如圖所示的是從動(dòng)輪的彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式示意圖，其工作原理與滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式原理類(lèi)似，只是在張緊力調(diào)整方面采用被動(dòng)調(diào)整方式。當(dāng)管徑發(fā)生變化時(shí)，作用在從動(dòng)輪上的壓力變化，使得壓緊彈簧產(chǎn)生伸縮，而帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)連桿AB繞支點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)，使車(chē)輪撐開(kāi)或者緊縮以達(dá)到適應(yīng)不同的管徑的目的。因此該機(jī)構(gòu)具有負(fù)反饋?zhàn)饔茫谝欢ǖ墓軓阶兓秶鷥?nèi)，封閉力之和N變化不大。由此可見(jiàn)該機(jī)構(gòu)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(shí)由于彈簧壓緊力的回饋?zhàn)饔每墒箼C(jī)構(gòu)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能與滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的主要區(qū)別就在于在壓緊力的調(diào)節(jié)方面由調(diào)整電機(jī)的的主動(dòng)調(diào)整變?yōu)閴壕o彈簧的被動(dòng)調(diào)整。故在彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性如下:
圖3-1 彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式
選取其中的一個(gè)支承臂作為研究對(duì)象，其受力分析如圖所示，由前述滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的分析可知，彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式的力學(xué)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(zhǎng)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(jī)構(gòu)具有負(fù)反饋?zhàn)饔?，在一定的管徑變化范圍?nèi)，封閉力之和N變化不大。
3.3 本章小結(jié)
在俯仰運(yùn)動(dòng)、搖頭運(yùn)動(dòng)和擺頭運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)，首先用運(yùn)MATLAB通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解求出目標(biāo)姿態(tài)相對(duì)于初始姿態(tài)的三個(gè)輸入角度后，然后在相同的時(shí)間內(nèi)對(duì)各個(gè)軸施加勻速運(yùn)動(dòng)并同時(shí)完成各個(gè)輸入；對(duì)于環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則是通過(guò)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成圓弧軌跡。在完成以上各項(xiàng)仿真后，通過(guò)測(cè)量功能測(cè)量最后的姿態(tài)，都是仿真前設(shè)定的目標(biāo)姿態(tài)，這證明了本文運(yùn)動(dòng)學(xué)推算正確，面向頸關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃正確。
第4章 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1 管道機(jī)器人行駛阻力分析
在計(jì)算前，我們先設(shè)定我們所設(shè)計(jì)的機(jī)器人的行進(jìn)速度是1.8m/min。
機(jī)器人在管道內(nèi)進(jìn)行清洗作業(yè)時(shí)，必須克服來(lái)自管道內(nèi)表面的滾動(dòng)摩擦阻力，
(4-1)
式中 f—— 是滾動(dòng)摩擦因數(shù)，即輪子在一定條件下滾動(dòng)所需要的推力。
——機(jī)器人輪子負(fù)荷之和。也就是
Gcos( (4-2)
Gcos( (4-3) 式中 ——機(jī)器人管內(nèi)作業(yè)姿態(tài)角，
——機(jī)器人本體重量，kg。
當(dāng)姿態(tài)角分別為60°或者-60°時(shí)候，系統(tǒng)的阻力最大。
預(yù)設(shè)為0.5，機(jī)器人重量為10kg，由于輪子手的是彈簧調(diào)節(jié)，則彈簧對(duì)輪子又很大的壓力，由于我們采用的是型芯磨頭切削，對(duì)車(chē)身的穩(wěn)定性要求較其他更為嚴(yán)格，假設(shè)彈簧對(duì)輪子的壓力是40x9.8N，=109.8=490N。
∵總阻力= =4900.5=245N.
根據(jù)實(shí)際情況，我們?cè)O(shè)計(jì)主動(dòng)輪半徑r=50mm，總阻力矩為：
=2450.05=12.25Nm (4-4)
已經(jīng)設(shè)過(guò)機(jī)器人行進(jìn)速度為1.8m/min，則主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速應(yīng)該是:
電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min系統(tǒng)傳動(dòng)比為
電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力矩為：
考慮到機(jī)器人在管道內(nèi)行進(jìn)出現(xiàn)的在和突變情況，取安全系數(shù)為2，則電機(jī)的功率為46W,電機(jī)選用YS5614型。如下表。
得：轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩為2.4Nm
表4-1 YS系列電機(jī)技術(shù)參數(shù)
型號(hào)
額定功率
額定電流
額定電壓
額定頻率
同步轉(zhuǎn)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(jī)技術(shù)參數(shù)
額定頻率
同步轉(zhuǎn)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(jī)型號(hào)之后，需要選擇與之相應(yīng)的減速器。在確定了減速器的類(lèi)型后，
減速器的選擇關(guān)鍵在減速比的選擇。
1.考慮驅(qū)動(dòng)能力時(shí)減速比的計(jì)算
根據(jù)電機(jī)的相關(guān)資料，可知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為0.9Nm，為滿(mǎn)足機(jī)器人能正常行駛，
則整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)減速增扭后，驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)大于等于機(jī)器人所
受到的總的阻力矩，即應(yīng)保證傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比應(yīng)滿(mǎn)足：
2.考慮機(jī)器人最高運(yùn)行速度傳動(dòng)比的計(jì)算
根據(jù)電機(jī)相關(guān)資料，可知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為n=1500r/min則傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比應(yīng)該滿(mǎn)足：
(4-5)
基于上述傳動(dòng)比，我們可以確定傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比應(yīng)該滿(mǎn)足
(4-6)
傳動(dòng)比里面蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比為=5-80，選用20
則減速器的出動(dòng)比為
(4-7)
我們選用=12
根據(jù)《小功率計(jì)算機(jī)》書(shū)上說(shuō)明，選用GBX40行星減速器。
4.3 機(jī)器人的速度和驅(qū)動(dòng)能力校核
確定電機(jī)和減速器后，我們必須進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)能力的校核，以確保機(jī)器人有足夠驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)，能滿(mǎn)足機(jī)器人的最高行走速度要求。
4.3.1 運(yùn)動(dòng)速度校核
根據(jù)以上所選電機(jī)和減速器的性能指針，可知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速= 3000r/min，減
速器的傳動(dòng)比是12，以及機(jī)器人所要求的主動(dòng)輪半徑r= O.O5m，可以計(jì)算出機(jī)器人在
確定電機(jī)和減速器后的最高車(chē)速V:
(4-8)
雖然V大于預(yù)期設(shè)定速度，但是我們可以通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速已使機(jī)器人低于此速度行駛，而且還有一定得速度儲(chǔ)備，在機(jī)器人需要快速行進(jìn)至工作位置的情況下，盡可能有較快的速度。
4.3.2 驅(qū)動(dòng)能力校核
根據(jù)電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩為2.4Nm，傳動(dòng)比i為240，則機(jī)器人總的驅(qū)動(dòng)力矩為： (4-9)
因?yàn)闄C(jī)器人總的驅(qū)動(dòng)力矩大于其所受到的總的阻力矩，所以機(jī)器人能夠有足夠的動(dòng)力起車(chē)，并有一定的動(dòng)力儲(chǔ)備。經(jīng)過(guò)上述計(jì)算和校核，根據(jù)螺桿和螺母的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，螺旋傳動(dòng)的常用運(yùn)動(dòng)形式，主要有兩種形式：一種是螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)，多用于機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)中；另一種是螺母固定，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)，多用于螺旋起重器。本設(shè)計(jì)選擇第一種形式。
該傳動(dòng)系統(tǒng)為傳力螺旋，以傳遞動(dòng)力為主，要求以較小的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)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(shí)間較短，工作速度不高，而且通常需有自鎖能力。
螺旋傳動(dòng)按其螺旋副的摩擦性質(zhì)不同，可分為滑動(dòng)螺旋滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)螺旋滾動(dòng)摩擦和靜壓螺旋流體摩擦?；瑒?dòng)螺旋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，易于自鎖，但其主要缺點(diǎn)是摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低一般為30%40%，磨損快，傳動(dòng)精度低等，本設(shè)計(jì)選擇滑動(dòng)螺旋。所選的施奈德BSH4552T伺服電機(jī)和GBX40行星齒輪減速器能夠滿(mǎn)足管道射流清洗機(jī)器人的性能要求，從而可以由其組成機(jī)器人的行駛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
4.4 本章小結(jié)
關(guān)于本章是通過(guò)最初基于機(jī)器人的自主性能有限，而且同一時(shí)間內(nèi)只能向單一用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。瑞士聯(lián)邦洛桑科技研究所的KheponTheWeb?就是其中典型代表。用戶(hù)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制小型移動(dòng)機(jī)器人在人造迷宮中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)并能同時(shí)經(jīng)攝像頭的圖像反饋進(jìn)行觀(guān)察。?Carnegie?Mellon?大學(xué)研發(fā)的Xaiver?是第一個(gè)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制并運(yùn)行于復(fù)雜辦公環(huán)境的自主移動(dòng)機(jī)器人。機(jī)器人可在線(xiàn)或離線(xiàn)接收請(qǐng)求命令并在運(yùn)行時(shí)段內(nèi)進(jìn)行處理。Xaiver?完成任務(wù)后會(huì)通過(guò)電郵件通知用戶(hù)。Xaiver?的網(wǎng)絡(luò)界面使用了client-pull和server-push?技術(shù)來(lái)獲取圖像。此外Xaiver?的用戶(hù)界面還提供辦公環(huán)境的地圖并顯示機(jī)器人在其上的位置。?在更為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境(中，機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)會(huì)遇到大量不可預(yù)見(jiàn)事件。博物館導(dǎo)游機(jī)器人Minerva?除了要對(duì)網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)進(jìn)行在線(xiàn)響應(yīng)，同時(shí)還要與博物館中的游客進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互，所以其任務(wù)規(guī)劃要能夠處理各種不可預(yù)測(cè)的突發(fā)事件。博物館導(dǎo)游機(jī)器人要及時(shí)向用戶(hù)提供各種反饋.由于使用了基于Java?applet?的技術(shù)，其在低帶寬情況下仍能按要求更新機(jī)器人狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)界面還提供機(jī)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(shù)可支持多用戶(hù)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)。實(shí)際應(yīng)用中常要求網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)同現(xiàn)場(chǎng)用戶(hù)分享機(jī)器人的控制。網(wǎng)絡(luò)能給異地用戶(hù)提供遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)再現(xiàn),?而現(xiàn)場(chǎng)用戶(hù)則通過(guò)比網(wǎng)絡(luò)更直接的方式控制機(jī)器人，這就要求混合控制的界面設(shè)計(jì)要避免兩者相互干擾。
第5章 輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校核
5.1 輸送系統(tǒng)的總體分析
本次設(shè)計(jì)中，因?yàn)檩斎胂到y(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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，統(tǒng)稱(chēng)輸送系統(tǒng)。輸送系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，經(jīng)過(guò)一級(jí)或多級(jí)減速傳動(dòng)，最后傳送至輸送系統(tǒng)的執(zhí)行構(gòu)件處，隨后執(zhí)行構(gòu)件夾持玉米棒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在本文的設(shè)計(jì)中，總體思路為電動(dòng)機(jī)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)經(jīng)帶傳動(dòng)或鏈傳動(dòng)傳送至蝸桿或錐齒輪處，通過(guò)蝸輪蝸桿或錐齒輪傳動(dòng)進(jìn)行減速、轉(zhuǎn)動(dòng)變相。最后經(jīng)由蝸輪軸或錐齒輪軸將運(yùn)動(dòng)傳送到夾持執(zhí)行件處。對(duì)于輸入的夾持滾輪采用橡膠材料制造，該滾輪對(duì)玉米棒具有夾持和導(dǎo)向的作用，送料滾輪采用凹面圓柱體形狀，以增加對(duì)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(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位夾持，當(dāng)玉米軸線(xiàn)有較大誤差時(shí)，也能自動(dòng)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(duì)食品的污染。
5.2 輸送系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的選擇
選擇電動(dòng)機(jī)系列，根據(jù)工作要求及工作條件應(yīng)選用三相異步電動(dòng)，封閉式結(jié)構(gòu)，電壓380V，Y系列電動(dòng)機(jī)。
(5-1)
式中 ——工作機(jī)功率,單位(kw）；
——工作力，單位(F）；
——為工作機(jī)線(xiàn)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(dòng)總效率
(5-2)
得， ， ， ，
將以上各數(shù)據(jù)代入上式，得傳動(dòng)總效率為
電動(dòng)機(jī)功率
(5-3)
式中 ——電機(jī)所須功率，單位(kw)；
——傳動(dòng)總效率。
將以上各數(shù)據(jù)代入上式，得
選擇電機(jī)
(5-4)
式中 ——工作機(jī)轉(zhuǎn)速，單位(r/min)；
——工作機(jī)滾筒直徑，單位(mm)。
將以上各數(shù)據(jù)代入上式，得
該電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)參數(shù)如表5-3所示。
表5-3 電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)參數(shù)表
電動(dòng)機(jī)型號(hào)
額定功率
同步轉(zhuǎn)速
滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速
Y801-4
0.55Kw
1500r/min
1390r/min
5.3 輸送系統(tǒng)減速機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及參數(shù)計(jì)算
1.輸送部分的總傳動(dòng)比及傳動(dòng)比的分配
總傳動(dòng)比
(5-5)
式中 ——總傳動(dòng)比；
——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位(r/min)；
——工作機(jī)轉(zhuǎn)速，單位(r/min)。
總傳動(dòng)比為：
因在整個(gè)系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)向需要進(jìn)行向垂直方向轉(zhuǎn)化，故在整個(gè)傳動(dòng)減速過(guò)程中需要有蝸輪蝸桿傳動(dòng)或者錐齒輪傳動(dòng)。但是在本文所涉及的機(jī)器設(shè)計(jì)中需要較大的傳動(dòng)比但還希望機(jī)構(gòu)緊湊。而蝸輪蝸桿傳動(dòng)具有：結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比大，傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)躁聲等一系列特點(diǎn)，故在運(yùn)動(dòng)方向變化、較大減速的部分采用蝸輪蝸桿的傳動(dòng)。在一級(jí)減速中，減速的幅度不需要太大，因此可以選擇鏈傳動(dòng)或者帶傳動(dòng)均可以，不過(guò)帶傳動(dòng)有：傳動(dòng)平穩(wěn)，躁聲小；傳動(dòng)過(guò)載時(shí)可以打滑，防止其它零件損壞；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造和安裝，成本低等特點(diǎn)，故在一級(jí)減速結(jié)構(gòu)中選用帶傳動(dòng)。而帶傳動(dòng)另外一個(gè)有點(diǎn)就是不需要進(jìn)行油潤(rùn)滑，這對(duì)于食品加工機(jī)械需要清潔這