管道机器人机械行走机构的设计机械设计毕业论文

管道机器人机械行走机构的设计机械设计毕业论文内容摘要：

的主要内容有：智能机器人的体系结构、机器人智能控制、人工智能技术在机器人中的应用、机器人视觉及其它感觉传感器等。 国内 28个单位 800多名科技人员参加了这一主题所分解的课题。 我国管内移动机器人技术的研究己有 10余年的历史，在机构模型、动力学分析以及实验样机等方面均有所建树。 较有代表性的有哈尔滨工业大学、清华大学、上海交通大学、上海大学、东华大学、大庆油建公司和中国石油天然气管道局等， 哈尔滨工业大学的邓宗全 [15]等人于 1987年就针对管内行走机构的封闭力问题进行了探讨，并就行走机构作了较深入的研究。 邓宗全等结合国家 863计划 512主题“管内作业机器人产业化开发”项目研制的“φ 660野外大直径管道 X射线探伤机器人”，该机器人己在国家重点工程“陕 京”天然气管线工程中得到实际应用。 邓宗全等人于 1997年10月研制了“航空输油管道内补口作业机器人”，该机器人己应用于上海浦东机场建设工程中。 清华大学汪劲松 [16]等人研制的管道检测机器人采用全驱动直进式结构，由三个直流电机通过蜗轮 蜗杆副，带 动三个径向均布的驱动轮，通过一个剪形弹簧压紧机构使驱动轮撑紧管壁，依靠摩擦力运动 (图 6)。 剪形压紧机构具有可调接合点，调节接合点的位置，可使机器人的驱动轮径向缩进或扩张，从而调节弹簧的压紧力，使机器人能够运行于垂直管道；三个电机以不同速度旋转，机器人可以通过弯管 :三个电机所提供的牵引力较大，因此，机器人可以长距离运行。 7 图 6 x 射线检测机器人 图 7 管道机器人机械本体 上海交通大学颜国正 [17]等人研制的煤气管道检测机器人 (图 8)驱动机构采用平行四边形腿轮机构的形式，机器人的 3 组驱动轮在圆周方向成 120 度均匀分布，在轴向截面内，前后两组驱动轮布置在同一组平行四边形机构上，驱动端的驱动电机通过蜗轮蜗杆副驱动 3 组轮子，压紧力调节电机通过滚珠丝杠螺母副和压力传感器使 3 组驱动轮始终以稳定的正压力贴紧在管道内壁上。 该机器人的结构紧凑，工作可靠。 8 图 8 煤气管道检测机器人 本设计主要研究方向（任务）及所需解决的问题 本设计主要研究管道机器人的结构设计。 包括机器人的结构组成、运动方式选择、能源供应选择、管道运动稳定性选择等。 全文总共由五章组成： 第一章 绪论。 介绍论文研究的背景、目的和意义。 指出开展管道检测机 器人研究的重要意义，分析了管道检测机器人的国内外研究现状。 提出论文的主要研究内容。 第二章 管道机器人运动设计。 结合管道环境对机器人运动方式要求，通过综合分析，解决制造机器人所用的材料，所用电机型号和中间传动机构的具体参数值的问题。 第三章 管道机器人稳定性设计。 解决机器人的运动平稳性、轮与管道的接触不良，无法提供足够牵引力的问题。 第四章 管道机器人机械装置整体性设计。 通过前几章得出的结论，给出机械装置的整体构造。 第五章 管道机器人运动力分析。 结合机器人的实际运动状态，解决机器人接触力问题，包括理论计算了机器人的拖缆力、地面力和牵引力。 9 2 管道检测机器人的结构设计 引言 为满足穿缆、检测的要求，本设计所研究的管道机器人在结构设计上应该具有良好的姿态调整能力和行走机能。 其次，考虑到作业环境和作业性质的特殊性，需要机器人具有一定的负载能力以及越障、拖缆能力。 最后，机器人要具有一定的抗倾覆能力。 本排水管道机器人整体性能指标如下： 适应管径：≥ 500M 移动速度： 5～ 10m/min 电源：配有电缆绞车，通过电缆提供动力源 机器人总重约： 20kg 负重能力：〉 10kg 作业能力：完成 200m 以内的排水管道穿缆、检测任务。 管道检测机器人系统设计方案 管道检测机器人属于特种机器人，它的任务就是在地面操作人员的遥控操作或计算机的自动控制下。 携带各种传感器、检测仪器和维修作业装置进入管道中，完成对管道内各种缺陷的探测，并进行必要的维护作业。 也可以说管道检测机器人实质上是能携带各种检测仪器和作业装置的一种管道内智能移动台，因此，具备较强的管道内运动能力是管道检测机器人完成任务的关键，也是决定管道检测机器人性能的一个重要指标。 考虑到通信、能源供给的可靠性。 本文的管道检测机器人系统设计方案采用有缆式机器人设计方案。 与无缆式相比，优点 是，动力大，可携带设备量多，可靠性高。 方案中机器人的本体结构直接影响机器人的性能和技术指标，包括运动方式、行走机构和驱动的设计。 机器人管道内运动方式的选用 根据运动机理和驱动方式的不同可分为：轮式、履带式、足腿式结构以及蛇行、蠕动、变形运动等几种形式。 蛇行、蠕动、变形运动多适合于光滑的管壁、地面或水下。 （ 1） 轮式机器人以其运动的连续性、平稳性和车辆技术的成熟性而广为应用。 然而对于轮式也还有限制：轮式越障碍能力比较差，牵引力相对履带式要小；在不平整地面环境下，运动不平稳，易倾斜；微型化比较难。 （ 2）履带式着地面积大，易产生较大的附着力，对不平路面的适应性强，牵引性能非常好。 缺点是体积大，不易实现转弯，结构稍复杂，要保持履带的张紧。 （ 3） 足式是一种模仿昆虫结构功能的移动方式，地形适应能力强，能越过较大的 10 壕沟和台阶，其缺点是速度和效率低，转向比较困难，控制系统复杂，因为腿和地面的接触面积小而使得单位的压强太大，所以应用起来比较困难。 （ 4）蠕动式机器人是依靠柔性形体的变形产生移动，具有较大的吸引力，运用的驱动元件不同，但蠕动原理大致相同，对于不同的蠕动机理，蠕动规律及控制尚需深入研究，缺点是转向困难，速度和效率低，牵引力小。 蠕动式有蛇行、仿蚯蚓等运动模型。 [1819] 综合上述，考虑到拖缆能力强，附着力大，牵引力好的特点，选用履带式移动方式。 为增大机器人在管道内工作时的拖缆力，在链条的每一链节上安装有橡胶履带块。 管道机器人制作材料的选择 为了使机器人能够有更好的拖缆能力、减小自重，本设计特别采用铝合金外壳，弃用传统 的钢金属材料。 铝合金材料有良好的力学性能，而且铝合金材料在防腐方面也有突出的表现，解决了普通金属材料在防腐方面的缺陷。 采用铝合金材料后，整个机械装置的自重大约 20kg 左右。 电机的选用 直流电动机具有良好的起动性能，起动转矩较大，能在较宽的范围内进行平滑的无级调速，还适宜于频繁起动。 [20]故选用直流电动机。 考虑到机器人的工作移动速度不快，选用直流减速电机。 经查表得出选用直流蜗轮蜗杆减速电机 GR42x25 作为驱动电机。 电机的额定功率为 ，额定电压为 12v，其减速器为蜗轮蜗杆减速器，减速比为 46： 1，额定转速 3450r/min，重量。 中间级传动机构 为更好的配合不同检测装置对速度的不同要求，故加一个中间传动机构。 当要求速度快时，就将传动比系数减小，相反速度要求慢时，就将传动比系数增大。 中间传动选用链传动。 链传动依靠链轮轮齿与链节的啮合传递运动和动力。 链传动与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，且传动比准确，传动效率较高。 另外作用于轴上的径向力小、结构也较为紧凑；链传动的制造和安装精度要求较低，成本低廉，装拆比较方便。 缺点是：运转的瞬时速度不均匀，存在多边形效应；高速时不如带传 动平稳，链条磨损后易发生跳齿现象。 [21] 本论文采用的链条为两侧带翼板的不锈钢滚子链，以便在改形后的外侧翼板上镶嵌橡胶块。 履带驱动方式的选择 履带行走装置由于驱动位置的不同可分为：前驱动和后驱动两种。 本文选用后驱动 11 方式，原因是后驱动提高了机器人对不同管道内的适应性。 当履带经过管道内的凹凸处时，位于前面的从动轮在主动轮的驱使下，会更好的将履带移至与管道表面接触，这样能保证机器人在管道内可靠的行驶。 分析履带式行走的机构原理图：如图 9 图 9 履带行走得机构原理图 分析：在驱动轮的驱动力矩 M 作用下 ，驱动轮与支重轮之间的履带受内拉力 F1， F1对接地段与地面接触，使地面产生反作用的摩擦力 F2，作用于机器人。 这就是机器人载体的驱动力。 由此可知，当机器人运动时，其阻力就是机器人的滚动摩擦力。 中间传动机构的主要参数值的确定 选择链轮齿数 Z Z2 和传动比 i 直流电机额定的转速 0n =3450r/min，经自带减速器的减速后，输出转速为1 34 50 / m in 75 / m in46rnr 考虑整个机器人的速度及输出力矩的要求，取推荐值 12i =。 如传动比过大，则链包在小链轮的包角过小，啮合的齿数太小，这将加速轮齿的磨损，容易出现跳齿破坏正常啮合。 经中间级链传动后，转速 2n =50r/min。 小链轮齿数 1 min 9zz。 若 z1增大，链条总拉力下降，多边形效应减弱但会增大结构的重量和尺寸，另外，当链。