管道机器人总体方案设计机械类的毕业论文

管道机器人总体方案设计机械类的毕业论文内容摘要：

石油化工等管道的检测，三足竖管爬行器可以在垂直的管道爬行检测，增加二 级三足爬行器，可以由垂直管转弯爬行到水平管道中。 美国一公司研制的智能爬行器系列 Mag Steer 是一个智能爬行系统，它能出色的检测有保温层或无保温层或无保温层管道内部及外部缺陷。 通过计算机远程控制，爬行器可以自动爬行在有保温层或无保温层的管道上。 Mag Steer 可以装配橡胶轮子来检测有保温层或非磁性材料的管道，也可以装配强磁性的轮子检测无保温层的管道。 论文的主要内容 (1)方案的确定：考虑课题所要求的变径需要，拟订几个可行的变径方案，并对每个方案进行可行性分析。 最终，经过方案比较和各方面的综合考虑，确定最佳方案。 (2) 机械结构的设计：根据所确定的方案原理和管道检测机器人在石油管道中的工作情况，如：要克服 5mm高的凸起、凹坑，要通过拐弯半径为R933mm的弯道，还要保证超声传感器的探头探测范围覆盖内径为 Φ297mm的管道环面等，设计出能够满足实际要求的机械结构形式和各个零件的具体尺寸，并绘制出变径装置的零件图、装配图。 (3)结构优化分析：根据管道检测机器人在石油管道中的工作情况，如在 5mm高的凸起、凹坑处以及在拐弯半径为 R933mm 的弯道处，对设计出来的机械装置进行受力分析，优化部分结构参数 ，从而使超声检测装置既能正常工作，又能不大幅度增加对爬行器的负载。 (4)、基本尺寸的确定，使机构满足一定的几何限制条件，如：使机构能越过凸起和凹坑，能够顺利通过弯道而不会卡住。 (5)绘制出变径装置的零件图和装配图，并最终用 solidworks 终绘制出该装置的三维实体模型。 山东科技大学学士学位论文 10 2 直进轮式全主动管内机器人的总体方案计 机器人管内运动方式对比分析 蠕动式 蠕动式驱动是基于仿生学原理，参考蚯蚓、毛虫等生物的运动而实现的。 首先，尾部支撑，身体伸长带动头部向前运动；然后，头部支撑，身体收 缩带动尾部向前运动，如此循环实现机器人的行走。 蠕动式驱动的优点在于可适用管径及曲率的变化。 但是，蠕动式机构运动是间歇式的，速度波动大，不容易实现和传感器的集成。 实现蠕动的方法复杂，附带的元件多，如气动蠕动，就需要外接多根导气管。 1988 年 ,Ikuta 等引用蚯蚓运动的原理开发出了蠕动机器人 ,后来随着蠕动机器人技术的不断完善 ,其开始向大型化发展 ,目前已可在 200~300 mm的管道内应用。 蠕动式管道机器人主要由蠕动部分、头部、尾部组成，如图 所示。 前部和尾部支撑分别装有超越离合锁死装置，实现单向运动自锁。 中间蠕动部分提供机器人运动的动力。 对于蠕动动力机构 ,目前有很多实现形式，如上海大学利用气压伸缩驱动；上海交通大学利用形状记忆合金伸缩驱动。 昆明理工大学利用电磁吸合驱动。 下面以电磁驱动的蠕动式管道机器人为例 ,分析蠕动式管道机器人的运动机理。 蠕动式管道机器人的运动原理如图 所示 ,一个动作循环分为 3个步骤 : (1)当初始状态时 ,电磁铁失电 ,弹簧处于自由状态 ,故头部与尾部分离。 (2)当电磁铁通电时 ,磁铁与线圈吸合 ,安装在头部上的超越单向行走方式使头部原位不动 ,尾部由于电磁吸力的作用向前移动。 (3)断开电源 ,电磁力作用消失 ， 弹簧促使磁铁与线圈分开 ,安装在尾部上山东科技大学学士学位论文 11的超越单向行走方式使尾部原位不动 ,头部由于弹簧力的作用向前移动。 至此 ,机器人回到了初始状态 ,机器人前进了一步。 蠕动机器人优点是可在细小的微型管道中行走 ,但由于速度的间断性和缓慢性阻碍了它的发展。 图 蠕动机器人的运动原理 轮式 目前 ,轮式管道机器人是实际工程中应用最多的一种。 轮式管内移动机器人行走的基本原理是驱动轮靠弹簧力、液压、气动力 ,磁性力等压紧在管道内壁上以支承机器人本体并产生一定的正压力 ,由驱动轮与管壁之间的附着力 产生机器人前后 行走的驱动力 ,以实现机器人的移动。 轮式管道机器人的行走方式有 2种： (1)如果驱动轮轴线与管道轴线垂直 ,驱动轮沿管道母线滚动 ,机器人在管内做平移运动 ,此为轮式直进式管内移动机器人 ,它的优点是机器人行走时 ,不产生姿态旋转。 下面以上海交通大学研制的轮式管道机器人 (图 )为例说明其工作原理。 驱动电机通过轴驱动与之相连接的蜗杆 ,蜗杆驱动沿圆周方向成 120176。 均匀分布的 3 个 蜗轮 ,蜗轮 又通过链轮和链条带动机器人本体的车轮转动 ,实现机器人本体在管道内的前进或后退。 车轮与管道壁面之间的正压力由调节部分提供 ,调节电机驱动滚珠丝杠转动 ,丝杠螺母将在丝杠上来回轴向移动 ,并带动推杆通过铰链使摇杆转动 ,从而实现预紧力的调节。 山东科技大学学士学位论文 12 1蜗杆 2驱动电机 3驱动电机安装座 4调整电机 5铰链 6推杆 7丝杠螺母 8丝杠 9蜗杆 10蜗轮 11链条 12车轮 图 驱动机构原理图 (2)如果驱动轮轴线不与管道轴线垂直 ,驱动轮实际上沿着管道中某一螺旋线行走 ,机器人在管中一边向前移动 ,一边绕管道轴线转动。 螺旋运动沿管轴上的速度分量即为机器人本体的移动速度 ,降低速度来提高驱动力 ,其行走机理如图 所示 ,它由驱动电机、旋转体和支撑体组成。 3 组驱动轮均匀分布于旋转体上 ,且与管壁呈一定的倾斜角 ,驱动电机带动旋转体转动 ,使驱动轮沿管壁作螺旋运动 ,保持机构沿管道中心轴线移动。 改变施加于电机的电流极性 ,可改变机器人的移动方向 ,从而使机器人在管内进退自如。 图 螺旋行走方式的管内机器人 上述 2 种轮式管道机器人的主要难点是机器人的能源供应问题。 山东科技大学学士学位论文 13 直进轮式管内机器人的运动机理 机构的原理 如图所示，轮 l 在机构的前后 3 等份均布，分别在弹簧 2 的拉力作 用下使之压在管内壁上，电机 3 通过蜗杆 4 与 蜗轮 5 等轮系驱动前后 6 个轮向同一方向转动，弹簧封闭力的大小可以通过齿轮 6 至 7 及对称 3 等份均布的 3 个齿轮 8 来调螺纹的伸出及缩小来调整。 这样便产生驱动力驱动管内行走机构沿轴向前进或后退。 图 机构的原理图 机构设计要点 （ 1）蜗杆蜗轮行星驱动系统 由于前后各 3 个均布的驱动轮，那么与电机相联的前后每个蜗杆必须同时驱动 3 个 蜗轮 ，由于通过 蜗轮 及若干个齿轮传至驱动轮而且这些齿轮及驱动轮必须能够绕 蜗轮 中心回转，这里应注意这个轮系的相互干涉问题由于 3 个 蜗轮 同时与一个蜗杆啮合并联传动，结构新颖，传动效率也高。 （ 2）机构直进性好 电机力矩由蜗杆传至 蜗轮 ， 蜗轮 回转轴与机壳相联结。 而电机也与机壳相联，电机传出的转动力矩完全由机壳内平衡，这样驱动轮与管内壁之间只有前进的驱动力，不会产生机器人边走边旋转的力矩，确保机器人的轴向移动特性。 山东科技大学学士学位论文 14（ 3）弹簧自定心作用 弹簧力的大小要考虑行走轮与管壁之间要有足够的正压力，使电机能够有较大的功率输出，使行走机构拖动力最大。 同时，还要考虑保证机器人能够在弹簧力的作用下不会因其重力作用而明显地偏离管道中心。 由于弹簧机械性能及参数变化该 机构设计上有调正环节，以使 3 个弹簧拉力基本平衡自定心。 当机器人放入管内后，弹簧力的大小仍可由外面的轴杆来调节。 通过理论分析与比较，直进轮式管内行走机构结构紧凑，拖动能力大，特别适用于直管内拖动，是一种理想的管内行走机器人载体。 可以进行工业的应用和推广。 山东科技大学学士学位论文 153 管道机器人移动机构的分析与设计 管道机器人管内行走的基本条件 受管道形状、管内空间的影响，一般管道机器人欲在管内平稳、可靠的启停、行走，必须满足以下几个基本条件： （ 1）形封闭：机器人在管道中工作时，为了能够保持一定的姿态，不出现倾覆、扭转 等现象，这就要求管道对机器人施加的一个封闭的形状约束。 （ 2）力封闭：移动机构在行走过程中，应具备支撑在管道内壁上而不失稳的能力，即机器人的支撑机构受到管道的径向支反力而组成的一个封闭力多边形。 从形封闭和力封闭的角度来分析，行走机构至少需要三个对称支撑点，一般为了提高姿态的稳定性，可以采用更多的支撑点。 （ 3）驱动行走：指行走机构具有主动驱使机构。 结合本课题实际情况，同时还要满足以下几个条件： （ 1）结构简单； （ 2）在满足检测和维修效率的前提下，微机器人应具有一定的运动速度； （ 3）机器人在行走过程中应 保持姿态稳定，有利于检测装置作业； （ 4）机器人在管道内部可以实现水平方向前进后退，竖直方向上升和下降运动，以使对管道进行全方位作业，具有快速检测和局部精检测功能； （ 5）考虑搭载检测装置的需要，微机器人应具有一定的负载能力； （ 6）机器人驱动方式应容易实现。 直进轮式移动机构分析 山东科技大学学士学位论文 16 轮式移动机构的原理 该微型管道机器人采用了有缆驱动的驱动方式，其运动机理由车轮沿径向呈三等分均布，它们分别在拉簧的作用下被支撑在管道的内壁上。 由于结构对称，此处只对其中一个车轮机构做详述分析。 其机构简图 如图 31 所示 :1 为拉簧 ； 2 为车轮 ； 3 为末端齿轮 ； 4 为摆臂 ； 5 为中间齿轮 ； 6 为 蜗轮 ； 7 为齿轮轴齿轮 ； 8 为蜗杆。 电机带动蜗杆、蜗轮 和三个齿轮运动，最后车轮通过作用于管道内壁的正压力而产生的摩擦力使得机器人沿管道内壁直线向前或向后移动，成为微型机器人的主驱动系统。 而尾部为对称分布的三个柔性从动拖轮，用以支撑平衡电机，维持机器人系统在管道中平衡运动。 该机器人的移动机构具有结构紧凑和较大的负载能力。 图 轮式移动机构的特点 蜗杆 —— 蜗轮 驱动原理 分析图 31 中的移动机构，电机输出带动蜗杆 (8)转动，尔后传递到 蜗轮 (6)， 蜗轮 通过与其固定在同一轴上的齿轮 (7)带动齿轮 (5)转动，齿轮 (5)又带动齿轮 (3)转动，齿轮 (3)与车轮固定在同一轴上，最后车轮通过作用于管道内壁的正压力而产生的摩擦力使得机器人沿管道内壁直线向前或向后移动，成为微型机器人的主驱动系统。 这种机构的最大特点是设计简单、山东科技大学学士学位论文 17结构紧凑而且具有较大的负载能力。 该移动机构满足管道内行走的基本条件。 形封闭 移动机构的前后两部分车轮的每一部分中，三个车轮机构都是沿径向均匀分布的 (沿电机轴向看如图 32所示 )。 而前后两部分都是沿轴 向对称的，支撑点共有六个，因此满足形封闭条件。 图 移动机构的轴向视图 力封闭和自定心的实现 同样如图 32 所示，当移动机构行走时，三个轮子呈径向均匀分布，三点确定一个平面，三点始终在同一个圆柱面上，因此可以实现自定心，在支撑装置的作用下，驱动轮被紧紧压在管道内壁上，具有较强的适应性。 整个系统由于利用了对称性，抵消了机器人在运动过程中各方面不平衡力偶的干扰，从而使所有的力集中到电机运转轴线所在的竖直平面上，同时，又在通过电机轴线的竖直平面上保证机器人的重心与电机运转轴心之间适当的距离 ，从而保证了整个机器人运行过程中的平稳性。 直进轮式移动机构的运动分析 从上面的分析可知，整个移动机构是依靠电机驱动，驱动轮紧紧压着山东科技大学学士学位论文 18管壁，驱动轮转动时与管壁之间产生纯滚动，依靠管壁对驱动轮的摩擦力作用而实现行走的，因此，机器人在管道内部的前进、后退、启停、加减速等动作只需控制电机的正反转、启停和调整电机电压大小来实现。 运动自由度分析 移动机构自由度的设计与其要完成的任务是相关的，往往采用完成任务时所需的最小自由度数。 本设计任务中对移动机构的自由度要求是能够在管道的约束下沿管道的轴线方 向移动，且不能作沿管道。