創(chuàng)新設(shè)計(jì)管道履帶式機(jī)器人.doc

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管道機(jī)器人在人類社會(huì)中已經(jīng)迅速的漫延開來，這一切都應(yīng)歸公于它自身的特點(diǎn)。因此，國(guó)內(nèi)外都在不斷的開發(fā)和研制更適合管內(nèi)行走的管道機(jī)器人，并開始走向微型化、智能化，使之性能更宜人化，可控性更好，準(zhǔn)確性更高。但是管道機(jī)器人由于受到它工作環(huán)境的限制和沉重的任務(wù)負(fù)擔(dān)，致使它也不斷面臨著更多，更嚴(yán)重的困難和問題。如何解決？已經(jīng)成為現(xiàn)代人的責(zé)任和發(fā)展方向。 1.1管道機(jī)器人發(fā)展概況 1.1.1國(guó)外管道機(jī)器人研究進(jìn)展 國(guó)外關(guān)于燃?xì)夤艿罊C(jī)器人的研究始于20世紀(jì)40年代，由于70年代的微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，管道檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)于90年代初得到了迅猛發(fā)展并接近于應(yīng)用水平。 日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期，70年代的實(shí)用期，到80年代進(jìn)入普及提高期，開始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。日本管道機(jī)器人眾多，東京工業(yè)大學(xué)航空機(jī)械系Shigeo Hirose和Hidetaka Ohno等于1993年開始研究管道機(jī)器人，先后研制成功適用于直徑50mm管道的Thes-Ⅰ、Thes-Ⅱ型管道機(jī)器人和適用于直徑150mm管道的Thes-Ⅲ型管道機(jī)器人。 德國(guó)工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國(guó)。德國(guó)學(xué)者Bemhard Klaassen、Hermann St—reich和Frank Kirchner等人在德國(guó)教育部的資助下于2000年研制成功了多關(guān)節(jié)蠕蟲式管道機(jī)器人系統(tǒng)—— MAKRO。 1.1.2國(guó)內(nèi)管道機(jī)器人研究進(jìn)展 國(guó)內(nèi)管道機(jī)器人研究進(jìn)展國(guó)內(nèi)在管道機(jī)器人方面的研究起步較晚，而且多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室階段。哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授在國(guó)家“863”計(jì)劃課題“X”射線檢測(cè)實(shí)時(shí)成像管道機(jī)器人的研制” 的支持下，開展了輪式行走方式的管道機(jī)器人研制。 上海大學(xué)研制了“細(xì)小工業(yè)管道機(jī)器人移動(dòng)探測(cè)器集成系統(tǒng)”。其主要包含20mm內(nèi)徑的垂直排列工業(yè)管道中的機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制技術(shù)(包括螺旋輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)、行星輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓電片驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)等)、機(jī)器人管內(nèi)位置檢測(cè)技術(shù)、渦流檢測(cè)和視頻檢測(cè)應(yīng)用技術(shù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成管內(nèi)自動(dòng)探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)20mm管道內(nèi)裂紋和缺陷的移動(dòng)探測(cè)。 在北京市優(yōu)秀人才項(xiàng)目的資助下，進(jìn)行了仿蝎型管道機(jī)器人的研究工作。仿蝎管道機(jī)器人可以相對(duì)較易地跨過比較大的障礙，并且機(jī)器人的足所具有的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，可以在可達(dá)到的管面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在管面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如，對(duì)凹凸不平表面的適應(yīng)能力更強(qiáng)，機(jī)構(gòu)模型如圖1-1所示。 圖1-1仿蝎管道機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型 1.2典型的管道機(jī)器人 1） 蠕動(dòng)式管道機(jī)器人 1988年，Ikuta等引用蚯蚓運(yùn)動(dòng)的原理開發(fā)出了蠕動(dòng)機(jī)器人，后來隨著蠕動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，其開始向大型化發(fā)展，目前已可在200～300 mm的管道內(nèi)應(yīng)用。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人主要由蠕動(dòng)部分、頭部、尾部組成，如圖1-2所示，1—頭部，2—蠕動(dòng)部分，3—尾部。前部和尾部支撐分別裝有超越離合鎖死裝置，實(shí)現(xiàn)單向運(yùn)動(dòng)自鎖。中間蠕動(dòng)部分提供機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。對(duì)于蠕動(dòng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)，目前有很多實(shí)現(xiàn)形式：如上海大學(xué)利用氣壓伸縮驅(qū)動(dòng)；上海交通大學(xué)利用形狀記憶合金伸縮驅(qū)動(dòng)；昆明理工大學(xué)利用電磁吸合驅(qū)動(dòng)如圖1-3，1—磁鐵，2—彈簧，3—線圈等。 下面以電磁驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)式管道機(jī)器人為例，分析蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理如圖1-4所示，1—頭部，2—蠕動(dòng)部分，3—尾部，一個(gè)動(dòng)作循環(huán)分為3個(gè)步驟： (1)當(dāng)初始狀態(tài)時(shí)，電磁鐵失電，彈簧處于自由狀態(tài)，故頭部與尾部分離； (2)當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，磁鐵與線圈吸合，安裝在頭部上的超越單向行走方式使頭部原位不動(dòng)，尾部由于電磁吸力的作用向前移動(dòng)； (3)斷開電源，電磁力作用消失，彈簧促使磁鐵與線圈分開，安裝在尾部上的超越單向行走方式使尾部原位不動(dòng)，頭部由于彈簧力的作用向前移動(dòng)。 至此，機(jī)器人回到了初始狀態(tài)，機(jī)器人前進(jìn)了一步。 蠕動(dòng)機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)是可在細(xì)小的微型管道中行走。但由于速度的間斷性和緩慢性阻礙了它的發(fā)展。 圖1-2 蠕動(dòng)式機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖 圖1-3 蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)電磁鐵圖 圖1-4 蠕動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理圖 2） 輪式管道機(jī)器人 目前，輪式管道機(jī)器人是實(shí)際工程中應(yīng)用最多的一種。輪式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人行走的基本原理是驅(qū)動(dòng)輪靠彈簧力、液壓、氣動(dòng)力，磁性力等壓緊在管道內(nèi)壁上以支承機(jī)器人本體并產(chǎn)生一定的正壓力，由驅(qū)動(dòng)輪與管壁之間的附著力產(chǎn)生機(jī)器人前后行走的驅(qū)動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)。輪式管道機(jī)器人的行走方式有2種：直進(jìn)式和螺旋運(yùn)動(dòng)方式。 3） 無纜管道機(jī)器人 20世紀(jì)50年代，由于電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)等還很落后，美、德、日等國(guó)開發(fā)了無動(dòng)力管內(nèi)檢測(cè)設(shè)備。此種設(shè)備依靠首尾兩端管內(nèi)流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，隨管內(nèi)流體的流動(dòng)向前移動(dòng)。這就是所說的無纜管道機(jī)器人。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，此類機(jī)器人也有了很大發(fā)展。 1.3所需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題 1） 能源供給問題 2） 可靠性問題 3） 速度及位置識(shí)別 4） 管道機(jī)器人的越障能力 5） 高度自治的控制系統(tǒng) 1.4 管道X射線探傷技術(shù)最新進(jìn)展 在五大常規(guī)無損檢測(cè)方法中，射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)是比較可靠和有效的管道焊縫檢測(cè)方法。射線檢測(cè)對(duì)管道焊縫中的氣孔、夾渣、疏松等體積型缺陷的檢測(cè)靈敏度較高，對(duì)平面缺陷的檢測(cè)靈敏度較低，如當(dāng)射線方向與平面缺陷（如裂紋）垂直時(shí)就很難檢測(cè)出來，只有當(dāng)裂紋與射線方向平行時(shí)才能對(duì)其進(jìn)行有效的檢測(cè)。對(duì)此，為了彌補(bǔ)X射線探傷的一些缺陷，大量的研究對(duì)其進(jìn)行了分析和優(yōu)化。 1.4.1 X射線照相檢測(cè)技術(shù) 目前，工程中應(yīng)用的管道對(duì)接焊縫無損檢測(cè)方法都是基于X射線檢測(cè)技術(shù)的，如外部透照法，采用定向X射線源從管道外側(cè)透照，在管道另一側(cè)的膠片上感光成像，每道環(huán)形焊縫的檢測(cè)需轉(zhuǎn)換多次X射線源的投照角度。應(yīng)用于小管徑管道對(duì)焊縫的無損探傷，該方法存在雙層壁投影而導(dǎo)致評(píng)片困難的特點(diǎn)。而又如內(nèi)部透照法，智能移動(dòng)載體攜帶周向X射線源進(jìn)入管道，將X射線源焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)于管道環(huán)狀焊縫處，如圖1-9所示。該機(jī)器人采用CCD實(shí)現(xiàn)精確定位。 圖1-9 管道射線檢測(cè)機(jī)器 1.4.2 X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù) X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)主要有兩大類：一種是基于X射線圖像增強(qiáng)器的實(shí)時(shí)成像技術(shù)的，另一種是X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)。基于X射線圖像增強(qiáng)器的實(shí)時(shí)成像技術(shù)如圖1-10所示，1—X射線源，2—被檢測(cè)件，3—圖像增強(qiáng)器，4—圖像采集卡，5—計(jì)算機(jī)，被檢測(cè)件的X射線圖像經(jīng)圖像增強(qiáng)器成像后，由圖像采集系統(tǒng)采集并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。 圖1-10 基于圖像增強(qiáng)器的X射線實(shí)時(shí)面像檢測(cè)系統(tǒng) 一種是X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)，如圖1-11所示，1—X射線源，2—被檢測(cè)件，3—計(jì)算機(jī)，4—CMOS數(shù)字成像板，亦稱為X射線數(shù)字照相。被檢測(cè)件的X射線圖像經(jīng)由CMOS數(shù)字成像后，直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。 圖1-11 X射線數(shù)字照相檢測(cè)系統(tǒng) 圖像增強(qiáng)器誕生于20世紀(jì)50年代初，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，主要是改進(jìn)圖像增強(qiáng)器輸入屏材料以提高亮度。現(xiàn)在圖像增強(qiáng)器的亮度增益提高了10幾倍，亮度增益高達(dá)10000以上，輸出屏上的圖像亮度可達(dá)0.3x103cd/m2。 盡管如比，隨著CMOS技術(shù)的不斷完善，X射線數(shù)字照相是X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)最終發(fā)展目標(biāo)，也必將在我國(guó)得到應(yīng)用。 比較兩種X射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)，基于X射線圖像增強(qiáng)器的實(shí)時(shí)成像技術(shù)，就目前技術(shù)水平而言，比X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)更具有工程意義，并且，其成像質(zhì)量與膠片照相底片相當(dāng)甚至更好。 1.5本次設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容和研究意義 本設(shè)計(jì)是針對(duì)中型管道安全檢測(cè)探傷的實(shí)現(xiàn)而提出的，并結(jié)合當(dāng)今機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)，利用現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，對(duì)管內(nèi)X射線無損檢測(cè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，充分利用現(xiàn)代視覺傳感器和人工智能方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)機(jī)器人的智能化做一些有意義的研究工作。其目的是通過對(duì)管道X射線無損檢測(cè)探傷機(jī)器人設(shè)計(jì)，及相關(guān)技術(shù)的查閱和應(yīng)用，能夠研制一臺(tái)具有良好的彎道通過能力、視覺定位能力并能適應(yīng)較長(zhǎng)距離檢測(cè)作業(yè)的實(shí)用樣機(jī)。 本論文主要設(shè)計(jì)內(nèi)置動(dòng)力的履帶式管內(nèi)X射線無損檢測(cè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。其主要內(nèi)容為： 1)通過查閱資料，了解管內(nèi)機(jī)器人常用機(jī)構(gòu)和先進(jìn)技術(shù)，融合自己的知識(shí)，對(duì)內(nèi)置動(dòng)力源的管內(nèi)X射線無損檢測(cè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)提出方案和實(shí)現(xiàn)辦法；并闡述機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、工作原理； 2)通過利用最優(yōu)化設(shè)計(jì)和機(jī)械手冊(cè)，并結(jié)合一些相似結(jié)構(gòu)，對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，讓機(jī)體內(nèi)耗減到最小，包括機(jī)構(gòu)之間的摩擦，自身的重量，而有效的加強(qiáng)履帶與管壁之間的接觸面積，加大摩擦力，提高本體的牽引力和推動(dòng)力； 3)通過利用三維軟件，將管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人各機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，同時(shí)進(jìn)行各部分的裝配，目地是調(diào)整各配合部分、連接部分之間的配合尺寸，使各機(jī)構(gòu)能夠相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，使整個(gè)機(jī)體能夠協(xié)調(diào)平穩(wěn)的工作。 其主要目標(biāo)設(shè)計(jì)管內(nèi)X射線無損檢測(cè)機(jī)器人調(diào)整機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 2管內(nèi)X射線檢測(cè)機(jī)器人方案的確定 管道機(jī)器人通常是由驅(qū)動(dòng)器、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和工作裝置等幾部分組成。其中驅(qū)動(dòng)機(jī)械和移動(dòng)方式有較大程度上決定了機(jī)器人的整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)。管道機(jī)器人的移動(dòng)方式可以分為輪式、履帶式、足式、蠕動(dòng)式、螺旋式和流體推動(dòng)式等，各自有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 2.1 管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式 2.1.1 管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式 由于管道機(jī)器人是在管道限定的環(huán)境里運(yùn)行，尤其是在有彎曲的管道里運(yùn)行，一方面，機(jī)器人在彎管(包括垂直管道)行走中要有足夠的摩擦力來克服重力的影響，另一方面需要提供足夠大的驅(qū)動(dòng)力來克服各種阻力。驅(qū)動(dòng)器的選擇在很大程度上決定了管道機(jī)器人的體積、重量和性能指標(biāo)。 現(xiàn)在使用的驅(qū)動(dòng)方式主要有： （1）電磁驅(qū)動(dòng)。最常用的是微電機(jī)，微電機(jī)又分為有刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)等。 （2）壓電驅(qū)動(dòng)。壓電材料是一種受力即產(chǎn)生應(yīng)變，在其表面出現(xiàn)與外力成比例電荷的材料，又稱壓電陶瓷。 （3）形狀記憶合金。形狀記憶合金是一種特殊的合金，其形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因是相變，其相變是由可逆的熱彈性馬氏體的相變產(chǎn)生，一旦使他記憶了任意形狀，當(dāng)加熱到某一適當(dāng)?shù)臏囟葧r(shí)，則恢復(fù)為變形前的形狀。 （4）超聲波驅(qū)動(dòng)是利用超聲波振動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)力，即由振動(dòng)部分和移動(dòng)部分組成，靠振動(dòng)部分和移動(dòng)部分之間的摩擦力來驅(qū)動(dòng)的一種驅(qū)動(dòng)器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、響應(yīng)快、力矩大，不需要減速就可以低速運(yùn)行，常用于照相機(jī)快門的動(dòng)作等。超聲波驅(qū)動(dòng)由三種驅(qū)動(dòng)方式：振動(dòng)方向變換型、行進(jìn)波型和復(fù)合振動(dòng)型，這兩種驅(qū)動(dòng)方式一般應(yīng)用在微機(jī)器人上。 （5）氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)馬達(dá)或氣缸運(yùn)動(dòng)，適合潮濕惡劣的環(huán)境，不需要電源，但運(yùn)動(dòng)精度比較低。 （6）人工肌肉是一種新型的氣動(dòng)橡膠驅(qū)動(dòng)器（仿生物肌肉驅(qū)動(dòng)），結(jié)構(gòu)是由內(nèi)部橡膠筒套及外部纖維編織網(wǎng)構(gòu)成，當(dāng)對(duì)橡膠筒套充氣時(shí)，橡膠筒套因彈性變形壓迫外部編織網(wǎng)，由于編織網(wǎng)剛度很大，限制其只能徑向變形，直徑變大，長(zhǎng)度縮短。如圖2-1所示，1—橡膠筒套，2—纖維層，3—螺絲口部，其缺點(diǎn)是：（1）氣動(dòng)人工肌肉與傳統(tǒng)氣動(dòng)執(zhí)行元件相比行程??；（2）氣動(dòng)人工肌肉的變形為非線性環(huán)節(jié)，具有時(shí)變性，使準(zhǔn)確控制其位移十分困難；（3）在工作過程中，氣動(dòng)人工肌肉自身溫度會(huì)發(fā)生變化，隨著溫度的變化，其性能也會(huì)改變，這給高精度控制帶來困難。 圖2-1 人工肌肉結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.1.2驅(qū)動(dòng)方式的選擇 本設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人選用電磁驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，采用微型直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，選用充電電池作為電源，即可避免機(jī)器人拖纜線，減輕機(jī)器人的重量，減輕機(jī)器人在管道內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的阻力。 2.1.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。 本機(jī)構(gòu)兩個(gè)履帶足由獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，目的是為了簡(jiǎn)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使機(jī)構(gòu)更加緊湊。設(shè)機(jī)器人直線行走阻力、爬坡阻力和拖線阻力分別為F1、F2、F3。 本設(shè)計(jì)研究的管道機(jī)器人主要應(yīng)用于硬質(zhì)管道環(huán)境，直線行走時(shí)的地面變形阻力和外部行駛阻力可以忽略不計(jì)，故直線行走阻力只考慮履帶裝置運(yùn)行內(nèi)阻力。履帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力主要表現(xiàn)為履帶與地面之間的摩擦力，即附著力。履帶裝置運(yùn)行內(nèi)阻力是由同步帶和帶輪，傳動(dòng)齒輪之間的摩擦阻力形成，一般可用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： F1=kGg (2-1) 式中： k—內(nèi)阻力系數(shù)； G—機(jī)器人重； g—重力加速度； 內(nèi)阻力系數(shù)可取0.03-0.07，考慮到本機(jī)構(gòu)的實(shí)際情況，取0.06。設(shè)機(jī)器人機(jī)重G=15kg，則直線行走阻力： F1=9N。 其爬坡阻力為： （2-2） 式中： G—機(jī)器人重 —機(jī)器人爬坡坡度 則 F=73.5N 設(shè)爬坡坡度為30，線纜重8kg，線長(zhǎng)25m，與地面問摩擦系數(shù)0.4，則拖動(dòng)一整根電纜所需要的拖線力F為31.4N。 則機(jī)器人的總阻力為： =F+F+F （2-3） 式中： F—行走阻力 F—爬坡阻力 F—拖線所需的力 則 F0=113.9N 每只履帶上的阻力F為： F==57N。 （2-4） 履帶足電機(jī)輸出功率： P= （2-5） 式中： T—每支履帶所受阻力鉅 n—電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速 設(shè)帶輪節(jié)徑d=40mm，則每只履帶所受阻力矩T為1.14Nm。假設(shè)機(jī)器人行進(jìn)速度為6m/min，則電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n=48rpm。 則 P=5.8（KW）=5.8（W） 考慮到管內(nèi)可能碰到比較惡劣的情況，而且為越障預(yù)留一些功率，以使其在拖線30m的情況下仍然可以比較輕松的攀爬障礙，取足夠的安全系數(shù)，確定步進(jìn)電機(jī)的步距角，靜力矩和電流，并考慮電機(jī)的性價(jià)比和安裝尺寸，選取適當(dāng)?shù)牟竭M(jìn)電機(jī)。 2.2管道機(jī)器人的移動(dòng)方式 2.2.1機(jī)器人移動(dòng)方式 管道機(jī)器人的移動(dòng)方式可以分為輪式、履帶式、足式、蠕動(dòng)式和螺旋式等（如圖2-2）。A為輪式 ，B為履帶式 ，C為足式， D為螺旋式，E為張緊式， F為流體推動(dòng)式 ，G為蠕動(dòng)式。 圖2-2 管道機(jī)器人的移動(dòng)方式 輪式機(jī)器人以其運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性、平穩(wěn)性和車輛技術(shù)的成熟性而廣為應(yīng)用。然而對(duì)于輪式也還有限制：輪式越障礙能力比較差，牽引力相對(duì)履帶式要小；在不平整地面環(huán)境下，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，易傾斜；微型化比較難。 履帶式機(jī)器人具有牽引力大，抓地性好，適應(yīng)地面環(huán)境能力強(qiáng)的特點(diǎn)，同等條件下，可以跨越的障礙是所有驅(qū)動(dòng)方式中最大的。 足式是一種模仿昆蟲結(jié)構(gòu)功能的移動(dòng)方式，地形適應(yīng)能力強(qiáng)，能越過較大的壕溝和臺(tái)階，其缺點(diǎn)是速度和效率低，轉(zhuǎn)向比較困難，控制系統(tǒng)復(fù)雜。如圖2-3所示，1—三叉支架，2—三叉支架二。 螺旋式機(jī)器人是利用旋轉(zhuǎn)摩擦管壁產(chǎn)生推力。適合在管徑很小的管道中運(yùn)動(dòng)，缺點(diǎn)是效率低，推力比較小。 張緊式移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是適合在垂直管道或大坡度管道中運(yùn)動(dòng)，它通過可變形的機(jī)構(gòu)始終張緊管壁，保持與管壁的緊配合。一般與其他移動(dòng)方式（如輪式和履帶式）結(jié)合使用，缺點(diǎn)是不能適合L型等沒有圓弧過渡的彎道，適應(yīng)得管道直徑范圍比較小。如圖2-4所示，（適合直徑85-105mm）。 圖2-3 微型六足機(jī)器人 圖2-4 Sungkyunwan University 的管道機(jī)器人 蠕動(dòng)式機(jī)器人是依靠柔性形體的變形產(chǎn)生移動(dòng)，具有較大的吸引力，運(yùn)用的驅(qū)動(dòng)元件不同，但蠕動(dòng)原理大致相同，對(duì)于不同的蠕動(dòng)機(jī)理，蠕動(dòng)規(guī)律及控制尚需深入研究，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)向困難，速度和效率低，牽引力小。 2.2.2移動(dòng)方式的選擇 由于管道內(nèi)避的情況復(fù)雜，會(huì)有許多突起的障礙，管壁的環(huán)境也可能較泥濘，行走條件苛刻，因此選擇履帶式為管道機(jī)器人的移動(dòng)方式。 本設(shè)計(jì)的履帶式機(jī)器人具有以下特點(diǎn)： 1）履帶式移動(dòng)機(jī)器人支撐面積大，接地比壓小，適合于松軟或泥濘場(chǎng)地作業(yè)，下陷度小，滾動(dòng)阻力小，通過性能好；越野機(jī)動(dòng)性能好，爬坡，越溝等性能均優(yōu)于輪式移動(dòng)機(jī)器人。 2）履帶式移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向半徑極小，可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，其轉(zhuǎn)向原理是靠?jī)蓷l履帶之間的速度差即一側(cè)履帶減速或剎死而另一側(cè)履帶保持較高的速度來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 3）履帶支撐面上有履齒，不易打滑牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。 4）履帶式移動(dòng)機(jī)器人具有良好的自復(fù)位和越障能力，帶有履帶臂的機(jī)器人可以像腿式機(jī)器人一樣實(shí)現(xiàn)行走。 2.3本設(shè)計(jì)的內(nèi)容及注意的幾個(gè)問題 本設(shè)計(jì)是利用X射線來完成對(duì)于油氣管道的檢測(cè)，其主要方面是對(duì)于管道機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過查閱相關(guān)資料和自身對(duì)知識(shí)的掌握，能夠研制一臺(tái)具有良好的彎道通過能力、越障礙能力、視覺定位能力并能適應(yīng)較長(zhǎng)距離檢測(cè)及不同管徑范圍內(nèi)作業(yè)的實(shí)用樣機(jī)。 在設(shè)計(jì)管道機(jī)器人時(shí)需要重點(diǎn)考慮的幾個(gè)關(guān)鍵性問題是： 1）移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題。 2）驅(qū)動(dòng)方式的選擇問題。 3）信號(hào)、電力的傳輸和供給方式問題。 4）控制系統(tǒng)和傳感器的設(shè)置問題。 2．4本設(shè)計(jì)的管道射線探傷機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu) 經(jīng)過文獻(xiàn)查閱比較，履帶式行走機(jī)構(gòu)優(yōu)于其它機(jī)構(gòu)：首先，履帶與管壁之間的接觸面積比較大，這樣可以在之間產(chǎn)生較大的摩擦力，防止打滑，減小無用功，提高效率，在越障礙能力上，履帶式有很大優(yōu)勢(shì)。機(jī)器人在行走過程中，受到行走阻力、轉(zhuǎn)彎阻力、爬坡阻力以及拖線阻力的作用，另外，越障因?yàn)檫^程復(fù)雜，其所受阻力不易詳細(xì)估計(jì)，因此驅(qū)動(dòng)器必須要產(chǎn)生足夠的扭矩，所以驅(qū)動(dòng)器的選擇也是至關(guān)重要的，在很大程度上決定了管道機(jī)器人的體積、重量和性能指標(biāo)，本設(shè)計(jì)選擇步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)方式。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與支架之間也是可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的，通過絲桿套的調(diào)整和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)同支架之間角度的調(diào)整，可以改變機(jī)器的高度，使之適應(yīng)一些特殊的管道，如形狀較矮的管道等。如圖2-5所示，為本課題的結(jié)構(gòu)原理圖。 圖2-5 機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)原理圖 3履帶式管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1管道機(jī)器人設(shè)計(jì)思想 如圖3-1所示，機(jī)器人每條擺腿都通過腿部關(guān)節(jié)與機(jī)器人本體相連。通過手動(dòng)調(diào)節(jié)兩側(cè)擺腿的張開角度，使管道機(jī)器人實(shí)現(xiàn)柔性適應(yīng)不同直徑圓管的功能，保證了履帶足與圓管管壁充分接觸，使機(jī)器人在運(yùn)行中牽引力和穩(wěn)定性都得以保證。 圖3-1 管道機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 圖3-2所示為機(jī)器人不同管徑時(shí)調(diào)整擺腿角度的示意圖，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)移動(dòng)本體的擺腿機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)履帶足底面與管壁接觸位置，保持機(jī)器人履帶在圓管中接觸狀態(tài)良好，使機(jī)器人足夠的附著力和牽引力。由圖3-1可見當(dāng)管徑發(fā)生變化時(shí)機(jī)器人通過改變擺腿的角度，調(diào)整到履帶足平面與管壁充分接觸的狀態(tài)。 圖3-2 管道機(jī)器人適應(yīng)管徑示意圖 其次，機(jī)器人履帶足部關(guān)節(jié)可以調(diào)節(jié)，使機(jī)器人整體高度降低，從而可以進(jìn)入更矮小的管道，完成相應(yīng)的作業(yè)，增強(qiáng)了機(jī)器人的適應(yīng)性。機(jī)器人調(diào)整高度過程如圖3-3所示。 圖3-3 管道機(jī)器人高度調(diào)整示意圖 3.2適應(yīng)管徑功能 對(duì)于圓形管徑變化的情況，一般同一輸油管道中，管道的尺寸較統(tǒng)一，突然變徑的情況較少見，同時(shí)考慮到研發(fā)的成本和管道實(shí)際情況， 本設(shè)計(jì)提出的管道機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有可調(diào)整適應(yīng)管徑功能，以解決不同管徑環(huán)境下，履帶與管壁接觸不良的難題，如圖3-4所示，其基本原理是，事先根據(jù)管道的實(shí)際情況，調(diào)節(jié)長(zhǎng)螺栓使得機(jī)器人的兩個(gè)擺腿作橫向擺動(dòng)而張開，再調(diào)節(jié)履帶足和擺腿的連接關(guān)節(jié)，確保履帶足的履帶面與管壁保持充分接觸，以提供履帶機(jī)器人行走時(shí)必要的摩擦力。 圖3-4 管道機(jī)器人管徑調(diào)整示意圖 如圖3-4所示，設(shè)機(jī)器人機(jī)體寬度b，腿長(zhǎng)a，履帶足關(guān)節(jié)距履帶底面x，履帶足關(guān)節(jié)距履帶足中心線p，兩側(cè)擺腿角度均為0。一般來說履帶寬度遠(yuǎn)小于管道半徑，所以可以近似的認(rèn)為圓心O到履帶足中心線底部O1的連線為管道半徑。履帶足裝置置于擺腿之外時(shí)，可視為一個(gè)寬度為B，擺腿長(zhǎng)度為A的等效機(jī)構(gòu)，如圖3-5所示。 可以根據(jù)幾何關(guān)系算得： B=b+ （3-1） A=a+x-ptan （3-2） 則相應(yīng)的管徑為： R=+a+x-ptan （3-3） 該式可以在做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選用尺寸參數(shù)，也可用于確定機(jī)器人的適用管道范圍。 圖3-5 管道機(jī)器人簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)圖 圖3-6 管道機(jī)器人受力分析圖 如圖3-6所示為管道機(jī)器人在圓形管道內(nèi)的受力分析，圖中G為機(jī)器人機(jī)重，N為管壁對(duì)機(jī)器人履帶的支撐反力。根據(jù)力平衡關(guān)系易得管道壁面對(duì)履帶的正壓力N與擺腿擺角的關(guān)系為： N= （3-4） 隨著擺角的增大，管道壁面對(duì)履帶的正壓力N也隨之增大，當(dāng)擺角為90時(shí)，N將為無窮大。因此機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)限定擺角不超過60，并由此確定機(jī)器人能進(jìn)入的最小管道直徑。 3.3高度調(diào)整功能 將機(jī)器人兩腿向兩側(cè)對(duì)稱擺開，再調(diào)整機(jī)器人履帶足的相對(duì)位置，即可降低機(jī)器人的整體高度，如圖3-7所示。 圖3-7 管道機(jī)器人高度調(diào)整示意圖 設(shè)機(jī)器人機(jī)體寬為b，腿長(zhǎng)為a，機(jī)器人擺腿角度為，履帶足部關(guān)節(jié)到地面距離為x，尺寸如圖3-8所示。 圖3-8 管道機(jī)器人高度調(diào)整尺寸示意圖 設(shè)機(jī)器人原始高度為H，調(diào)整后高度為h，則 H=a+x （3-5） h=acos+x （3-6） 高度差△h為： △h=H-h=a（1-cos） （3-7） 此時(shí)機(jī)器人兩側(cè)履帶寬度變?yōu)閎+2asin，因此當(dāng)機(jī)器人高度降低后，彎管的通過性會(huì)發(fā)生變化，對(duì)于進(jìn)入扁平管道的機(jī)器人要注意管道寬度是否滿足要求。 3.4車載傳感器 紅外攝像機(jī)： 日/夜兩用,在正常光線下和普通攝像機(jī)一樣工作;在無光線情況下紅外燈自動(dòng)打開,攝像機(jī)進(jìn)入夜色視狀態(tài)。 氣體傳感器： 一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)?、甲烷等四種傳感器，需要時(shí)可增加氣體傳感器種類。 測(cè)距傳感器： 測(cè)距傳感器采用紅外測(cè)距傳感器，分別安裝在機(jī)器人的兩側(cè)和最前端，分別測(cè)出機(jī)器人到兩側(cè)管道或障礙的距離和到正前方管道或障礙的距離。 機(jī)器人傾斜傳感器： 當(dāng)機(jī)器人在X’O’Y’、Y’O’Z’平面傾斜時(shí)，機(jī)器人傾斜傳感器就可以檢測(cè)出兩個(gè)方面的傾斜角，分別是管道軸線的水平面和管道軸線垂直面，機(jī)器人傾斜傳感器采用數(shù)字式傾斜計(jì)，安裝在機(jī)器人的中央主箱體內(nèi)，用于測(cè)量機(jī)器人管道截面上與垂直線的夾角。 電機(jī)編碼器：測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度值。 3.5擺腿設(shè)計(jì) 圖3-9 管道機(jī)器人擺腿設(shè)計(jì)示意圖 在機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，擺腿的作用是不容忽視的。擺腿有兩個(gè)關(guān)節(jié)，一個(gè)是與機(jī)體連接處，一個(gè)是與履帶足連接處，分別實(shí)現(xiàn)適應(yīng)管徑和調(diào)整高度的作用。 如圖3-9所示，由于自適應(yīng)管徑是自主適應(yīng)，而進(jìn)入扁平管道是需要手工調(diào)節(jié)的，故關(guān)節(jié)l，關(guān)節(jié)2為手動(dòng)調(diào)節(jié)。關(guān)節(jié)1的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循機(jī)械傳動(dòng)的基本規(guī)則和原理，關(guān)節(jié)2在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到手工操作的方便性以及調(diào)整以后結(jié)構(gòu)的自鎖性。 3.6履帶的越障礙分析 履帶行走裝置的越野通過性是指在不用任何輔助裝置而能克服各種天然和人工障礙的能力，履帶的通過性主要取決于履帶本身的性能參數(shù)和幾何參數(shù)。履帶通過性的評(píng)價(jià)性能主要由跨越壕溝和克服垂直壁。 對(duì)于不同結(jié)構(gòu)形式的履帶行走裝置，它們的越障礙性能也不同。一般來說雙節(jié)式要比單節(jié)式具有更好的越障礙性能，針對(duì)本課題的管道機(jī)器人，對(duì)單節(jié)式的進(jìn)行分析。 3.6.1跨越壕溝能力 1）跨越水平壕溝 履帶通過壕溝的寬度與履帶的接地長(zhǎng)度，重心位置有關(guān)。 克服壕溝可以用靜力法（即履帶緩慢行駛）和動(dòng)力法（履帶高速行駛或利用動(dòng)能來克服）。壕溝的靜力克服受履帶穩(wěn)定性喪失的限制。穩(wěn)定性的喪失是在履帶的重力作用線超出負(fù)重面的界限的情況下發(fā)生。如果重力作用線是在車首和對(duì)面壕壁之前超出負(fù)重面的，那么履帶行走裝置的前部就落入壕溝中。如果重力作用線還未到達(dá)對(duì)面的壕壁，而履帶行走裝置的尾部已經(jīng)和第一壁脫離，那么履帶行走裝置的尾部就落入壕內(nèi)。 所以用靜力法克服壕溝的可能性決定于履帶行走裝置兩端支撐點(diǎn)和履帶重心在行駛平面上的投影間的距離。 3-11履帶行走裝置以靜力法通過壕溝 如圖3-11所示，如果要克服寬為B=b。且ab的壕溝時(shí)，當(dāng)履帶行走裝置尾部已失去壕溝后緣的支撐時(shí)，履帶行走裝置中心尚未靠近壕溝之前緣，于是履帶行走裝置尾端就落入壕溝中。為了能克服較寬的壕溝，在設(shè)計(jì)履帶行走裝置時(shí)應(yīng)盡量使其中心布置在履帶接地段中心處。 用動(dòng)力法克服壕溝就是以較高的速度駛過壕溝，這樣可以增加越壕的寬度。在履帶高速通過壕溝時(shí)，當(dāng)?shù)谝回?fù)重輪脫離支撐面后，車體便開始向溝底下傾。顯然，如果履帶的行駛速度越高，在同一距離內(nèi)，履帶車體前部向溝底下落的程度便越小。 應(yīng)用動(dòng)力法克服壕溝兩邊緣的相互位置和形狀有很大的關(guān)系，如果壕溝的前邊緣比后邊緣高則難以克服，反之則較容易克服。如果后邊緣成下坡的斜面，則不易通過。如果上坡狀斜面，則較易克服。 3-12壕溝邊緣呈坡狀時(shí)越壕 2）跨越坡度壕溝 現(xiàn)在只研究靜力克服法。上坡克服壕溝的第一階段（即履帶前端跨過壕溝時(shí)）與克服水平地面上的壕溝比起來，車輛中心是不容易超過后邊緣的。因此就第一階段來說，履帶能夠克服的壕寬為 A=a+htg （3-8） 式中 —上坡坡度角； h—履帶行走裝置重心高度； 可是在第二階段，履帶行走裝置尾端跨過壕溝時(shí)，履帶行走裝置可以克服的壕寬將減少為： A=a-htg （3-9） 所以，履帶在上坡時(shí)克服壕寬較在水平地面上要小。 反之，履帶在下坡時(shí)第一階段能克服的壕寬較平地時(shí)要減小。 圖3-13跨越有坡度的壕溝 25 .