螺旋轮式管道机器人毕业论文

学校代码：11517学 号：200806111105 毕业设计题 目 管道机器人的机构设计与仿真分析学生姓名 张 海 红 专业班级 机械设计制造及其自动化0844 学 号 200806111105 系 （部 机械工程系 指导教师 王新莉（教授）、孟凯（助教） 完成时间 2012年5月20日 河南工程学院论文版权使用授权书本人完全了解河南工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保存论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。论文作者签名： 年 月 日 河南工程学院毕业设计(论文)原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 年 月 日河南工程学院毕业设计（论文）任务书题目 管道机器人的机构设计与仿真分析 专业 机械设计制造及自动化 学号 200806111105 姓名 张海红 主要内容、基本要求、主要参考资料等：选题背景： 在核工业、石油天然气、军事装备等领域中，管道作为一种有效的物料输送手段而得到广泛应用，为了提高管道寿命，防止泄露等事故的发生，管道机器人作为高效准确的故障诊断、检测和维修手段应运而生，广泛地应用于管到的探伤、补口、维修、焊接等诸多领域。主要内容：设计一款管道机器人的机构，对设计的机构进行动力学分析。基本要求： 建立三维模型，进行运动学分析，提交图纸，设计说明书等相关资料。主要参考资料： 机电一体化系统设计 传感器技术 机器人技术 机构设计 单片机技术应用 相关科研论文10篇 完 成 期 限： 指导教师签名： 专业负责人签名： 年 月 日目 录中文摘要英文摘要1 前言11.1 课题的背景与意义11.2 机器人的发展现状及趋势11.2.1 国内外管道微型机器人的发展近况21.2.2 商业领域的管道机器人61.3 本课题的设计任务91.4 论文的主要内容92 螺旋轮式管道机器人的总体方案设计112.1 机器人管内运动方式对比分析112.1.1 轮式112.1.2 蠕动式122.2 螺旋轮式管道机器人的运动机理142.2.1 机构的原理142.2.2 机器人设计要点153 管道机器人行走机构的分析与设计163.1 旋转轮的结构设计163.1.1 机构运动受力分析163.1.2 运动自由度分析183.1.3 电机的选择183.2 电机连接轴的设计203.3 弹簧的设计与选择213.4 支撑轮和电机的固定方案223.5 探测头的定位方案224 管道机器人在管中运动通过性分析234.1 管道环境对机器人的几何约束235 监视控制系统255.1 探测头的选择255.2 检测系统255.3 单片机控制系统265.4 控制程序275.4.1 H桥式驱动电路( H- bridged power amplifier)275.4.2 机器人与主控计算机的通讯 ( The com-munication between the robot and master computer)286 行程的计算297 应用前景29结束语31致谢32参考文献33螺旋轮式管道机器人的机构设计与仿真分析摘 要管道是人们日常生产生活中常用的一种运输工具，石油的运输、城市中废水和废气的排放，城镇集体供暖中暖气的输送和空调的通风等等，都需要用到管道。但管道并不能永久的保持有效性，如管道会出现老化、堵塞、破裂和附着细菌等现象，这就需要对管道进行检测、探伤与定位。有时由于管道结构的特殊性，使人们对管道破损进行检测与定位非常困难，最有效的方式就是利用管道机器人进入管道执行任务。所以管道机器人研制的根本意义在于：可以实现管道的无损维护、内窥检测及破损定位等工作，提高管道检测和清理的效率。本文综合分析了国内外油气管道机器人近年来的发展情况, 特别对油气输送管道、油气井和油田与石化企业中的各种管道机器人进行了分析, 设计了一种螺旋轮式管道机器人，并详细说明了机器人的工作原理、结构特点及发展过程。最后结合我国石油工业发展的具体情况, 给出了管道机器人在油气输送管道、油气井及其他管道中的应用前景。关键词： 管道/检测/机器人/变径Spiral Roller Pipeline Robot MechanismDesign And Simulation AnalysisABSTRACT The pipeline is a common means of transport in the people daily life, oil transportation, city waste water and exhaust emission of urban, collective heating heating transmission and air conditioning ventilation etc, require the use of pipeline. But the pipes are not permanently maintain effectiveness, such as pipeline will appear aging, jam, rupture and attachment of bacteria and other phenomena, it is necessary to detect, detection and location of pipeline. Sometimes because of the special structure of the pipeline, so that the piping detection and location is very difficult, the most effective way is to use the pipeline robot into the pipeline to perform a task. So design the pipe robot for fundamental significance lies in : it can realize pipeline non-destructive maintenance, endoscopic detection and localization of damage and so on, improving the pipeline detection and cleaning efficiency. This paper analyzes the domestic and international oil and gas pipeline robot about the development in recent years, especially for oil and gas pipelines, oil and gas and oil and petrochemical companies in a variety of in pipe robot are analyzed, Design of a spiral roller pipeline robot, and a detailed description of the robots working principle, structure characteristics and development process. Finally, combined with the development of industry of our country oil situation, gives the robot for pipeline in oil and gas pipelines, oil and gas and other pipeline application prospect. KEYWORDS pipe, testing, robot, variable diameter 1 绪论1.1 课题的背景与意义工业管道系统已广泛应用于冶金、石油、化工及城市水暖供应等领域。工业管道的工作环境非常恶劣，容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部潜在的缺陷发展成破损而引起泄漏事故等，因此管道的监测、诊断、清理和维护就成为保障管道系统安全、畅通和高效运营的关键，管道的探查也就成了管道无损检测技术应用、发展的重要方向之一。然而管道所处的环境往往受人力或人手不及所限，检修难度很大，故通常对重要和不允许泄漏的管道采用定期或提前报废的办法，从而造成了巨大人力和物力损失。目前关于地下管道的质检，常采用工程量十分巨大的“开挖”抽检方法，但劳动强度大、效益低，而且由于随机抽样法经常出现漏检，因而准确率低、效果并不理想。并且往往会妨碍道路交通。因此开发适应在管道这一特殊环境下工作的特种管道机器人，使人脱离危险作业的生产第一线，减轻人的劳动强度，提高生产效率，减少不必要的损失是机器人发展的一个必然方向。我国油气管道大多是在6 0 7 0年代建设的，迄今仅在役时间近 3 0年、处于中老龄期和事故多发性阶段的长输管线已逾1.7万k m，正面临着道进入中老龄期，处于事故多发阶段，油气管道的检测和评价的需求已日趋迫切。 在核工业、石油天然气、军事装备等领域中，管道作为一种有效的物料输送手段而得到广泛应用，为了提高管道寿命，防止泄漏等事故的发生，管道机器人作为高效准确的故障诊断、检测及维修手段应运而生，广泛地应用于管道的探伤、补口、维修、焊接等诸多领域。1.2 机器人的发展现状及趋势工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和1/44信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10左右。2004年增长率达到创记录的20。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%。1.2.1 国内外管道微型机器人的发展近况自驱动管内机器人包括图1-1所示的轮式、脚式、爬行式、蠕动式，还包括履带式等。轮式（自驱动） 爬行式（自驱动）蠕动式（自驱动） 脚式（自驱动）利用管内流体压力 通过弹性杆加推力图1-1管道机器人的基本形式1.2.1.1 轮式日本学者福田敏男、 细贝英夫在1986年研制了可以通过“L”无圆弧过渡的管内移动机器人。该机器人行走机构分别由头部和本体两部分组成，头部和本体可相对回转。当机器人在直管内行走时，本体上的电动机M1通过减速装置带动本体上的驱动轮转动，使机器人沿直管行走。当通过90度弯管时，电动机M2驱动头部做姿态调整， 同时驱动头部履带，引导机器人通过弯管。该机器人的技术指标为：适应管径：50mm；行走速度：8.1mm/s；转弯性能：可以通过90度直角弯管；机器人重量为：240g；机器人长度：76mm。日本东芝公司于1997年研制了一台轮式管内移动机器人，前部带有一部微型CCD摄像机，能分辨管内异物并用微型机械手实现清理。胶管联接可过弯管，适应管径：25mm；行走速度：0.36m/min；自重：16g。该机器人采用多轮驱动式为了增加牵引力，由于轮径太小，越障能力有限，而且结构复杂。东京工业大学开发出基于螺旋轮式运动原理微型机器人，该机器人的本体由几个单元通过弹簧联接而成。每个单元体上均匀分布有三只支撑臂，用螺旋弹簧将支撑臂上的小轮紧压在管道内壁上，产生预压力。小轮的轴线相对单元体的轴线倾斜了一角度，通过软轴将扭矩作用在单元体上使微型机器人移动。1.2.1.2 脚式国内的太原理工大学研制成功管内脚式行走机器人如图1-2。 该机器人可在管内双向行走， 自动随管道弯度转向。该机器人由撑脚机构、牵引机构和转向机构构成。撑脚机构由电机（16）、小齿轮（15）、齿圈及平面螺纹（14）、滑杆（13）、脚靴（12）组成。牵引机构由电机（1）、螺杆(2)、螺母（5）、拔销（4）、拔杆（7）和支撑杆（9）组成。转向机构万向节（21）组成。当电机（1）带动螺杆转动时，螺母受拨杆的约束不能转动而沿螺杆轴向移动，固连其上的拨销（4）拨动拨杆（7）顺时针方向转动，由于脚靴（12）锁死在管壁上，支撑杆（9）不能向后运动，拨杆（7）通过销（6）带动支架（3）及其固连在（3）上的套筒（11）在筒体（10）内向前滑动，同时通过万向节（21）拖动机器人的后单元（此时后单元的脚靴在抬起状态）向前运动，整个机器人前进。当脚靴（12）处在抬起的位置时，拨（7）通过支承杆（9）推动筒体在套筒（11）上万向节方向滑动、改变了腿的姿势。图1-2 脚式机器人结构示意图1.2.1.3 蠕动式上海交通大学研发了小口径管道内蠕动式移动机构如图1-3，它是模仿昆虫在地面上爬行时蠕动前进与后退的动作设计的。其主要机构由（1）撑脚机构、 （2）气缸、（3）软轴、（4）弹簧片、（5）法兰盘组成。蠕动运动为：气缸2a 动作，气缸活塞左移，松开前撑脚；气缸2c动作，气缸活塞左移，撑紧后撑脚；气缸2b 动作，气缸活塞左移，使气缸2a 前进；气缸2a 动作，气缸活塞左移，撑紧前撑脚；气缸2c 动作，气缸活塞左移，松开后撑脚；气缸2b动作，气缸活塞右移，使气缸2c 前进。图1-3利用空气压力的蠕动式机器人清华大学研制了一套小型蠕动机器人系统，其机构如图1-4，由1蠕动体和2、3、4电致伸缩微位移器组成。蠕动体的蠕动变形形态由粘贴于柔性铰链部位的电阻应变实时感，机器人的外形尺寸为150x61x46mm，重2kg，最大步距10m，行程40mm，运动精度0.2 m。图1-4蠕动体结构示意图西安交通大学以电致伸缩陶瓷微位移器做驱动器，电磁铁机构做可吸附于行走表面的保持器，设计制作了蠕动式微动直线自行走机构如图1-5。由簧片组3与左右支架1、6联接成一体，作为电致伸缩陶瓷微位移器4 的载体，驱动器4的一端与支架1的侧面贴和，另一端与螺钉5 的端面贴和。螺钉5为细牙螺纹，转动调节螺钉5，可对簧片组3施加必要的预紧力，并保证驱动器4的两侧面与承载体间无间隙接触。图1-5自动行走机构简图1.2.1.4利用管道流体压力利用管道流体压力对管道进行直接检测和清理技术的研究始于上世纪50年代， 受当时的技术水平的限制，其主要的成果是无动力的管道清理设备PIG，此类设备依靠管内流体的压力差产生驱动力，随着管内流体的流动向前移动，并可携带多种传感器。但是PIG自身没有行走能力，其移动速度、检测区域不易控制。上海大学利用石油管道的石油高压研制成在役石油管道检测机器人如图1-6，该型机器人分成多节，利用与管道密封的橡胶环（皮碗），相当于活塞，在输油管内压力油作用下，推动检测机器人向前行走。主要由探头1、高压密封件2、电机仓3、电池仓4、仪器仓5、仪器仓6、万向节7、里程仓8、清管器9 和皮碗10 组成。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10图1-6利用管内流体压力管内机器人1.2.2 商业领域的管道机器人1.2.2.1 北京某公司自行研制的管道内爬行机构图1-7管外加力的管道机器人该管道内窥仪针对工业设备中管道的检测而设计。通过调节螺母带动连杆运动，从而调节整个支架的直径。具有中心定位、手动或自动爬行、直径可调节、自动对焦、电动变倍、置白光照明、周向360 度扫查、轴向90度可手动调节等功能的自动化内窥仪。仪器采用高清晰度的彩色 CCD 镜头，支架全部采用不锈钢制作而成，并且能与计算机相连进行图象数字化处理。适用于工业设备中各种管道的内部缺陷和异物的检查。1.2.2.2美国公司研制的智能爬行系列MagSteer 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。通过计算计远程控制，爬行器可以自动爬行在有保温层或无保温层的管道上。MagSteer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。1.2.2.2 新型微笑管道机器人的运动原理图1-8所示为文献所提出的机器人原始方案，经过虚拟仿真和样机试验发现该方案存在三个不足：(1)支撑机构完全是刚性结构，当管径有一定变化时，可能达不到撑紧管壁的要求；(2)保持机构在管径变化时不能起到有效的保持作用，当管径小于保持机构尺寸时，它就会被“卡住”，使整个机器人“瘫痪”；(3)驱动部分尺寸过长，在过弯时明显与管道发生“干涉”，致使机器人被“卡死”。1-8原始方案 图1-9改进方案（1）自调节支撑机构为解决原始方案中的刚性支撑问题，设计了如图1-9所示的自调节支撑机构。这种调节是一种硬调节和软调节共同作用的混合调节。硬调节是主动调节，由计算机通过程序控制电机正反转时间，实现大范围的调整；软调节是被动调节，由图1-9中的压簧1和压簧2完成，实现小范围的调整。硬调节和软调节的协调作用，使该支撑机构具有更好的径向调节能力，从而使机器人具有更强的管径适应能力。由于增加了软调节单元，当管道径向发生微小变化时，在主动径向调节来不及响应时，连杆系统可以带动滑块压缩弹簧，以抵消管径的变化。另外，增加了支撑轮设计，这样就避免了原始方案的支撑腿与管壁的直接接触，不仅增大了与管壁间的摩擦力，提高了牵引能力，同时由于支撑轮的塑性变形增大了接触面积，解决了原始方案点接触的问题，可以更好地适应复杂的管道环境。支撑轮与销轴间采用胶粘方式固定，因此工作时，支撑轮并不产生转动，它与管壁间产生滑动摩擦而非滚动摩擦。另外，在滑块上装有微型压力传感器，可以直接测量在撑紧过程中滑块所受的合力，通过换算就可以间接得到支撑轮与管壁问的正压力，这不仅保证了支撑机构以恒定压力撑紧在管壁上，同时也对电机起过载保护的作用。（2）柔性保持机构为满足管道机器人“形封闭、力封闭”的设计要求，设计了柔性保持机构。其中保持轮轴线始终与管壁母线保持垂直，工作时，保持轮沿管壁滚动。当机器人在不同直径的管道内运动时，压簧的伸长和缩短带动滑块上下滑动，并通过连杆机构的作用，保持轮将始终贴紧管壁，达到“适应不同管径”的目的。这样机器人在管内运动时，其中心线基本与管道的中心线保持一致，保证各单元与管壁的夹角在稳定运动的范围内。1.3 本课题的设计任务本次设计的任务是设计一个螺旋轮式管道机器人，要求机器人可以在管道内实现前进、后退、按一定曲率半径回转动作，能高效地完成管道内的探伤和定位工作。具体设计内容为：（1）了解螺旋轮式管道机器人的基本构成及工作原理，熟悉其设计、生产的基本知识。（2）进行螺旋轮式管道机器人的总体方案设计及其零部件设计。（3）设计原始参数：1）机器人可以在管道内实现前进、后退、按一定的曲率半径回转向动作。2）机器人的适应管径146-164mm3）机器人的运动速度为16r/min4）可以实现竖直管的前进后退。1.4 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)材料的选择：为了使管道机器人在管道内更加灵活，所以采用铝合金型钢6063-T4合金，。表1-1 铝合金型钢6063-T4合金的特性属性数值单位弹性模量6.9e+010牛顿/m2泊松比0.33不适用剪切模量2.58e+010牛顿/m2密度2700Kg/m3张力强度170000000牛顿/m2X压缩强度牛顿/m2屈服强度90000000牛顿/m2热膨胀系数2.4e-005/k热导率200w/(m.k)比热900J/(kg.k)材料阻尼比率不适用铝合金有如下优点：铝合金是纯铝加入一些合金元素制成的，如铝锰合金、铝铜合金、铝铜镁系硬铝合金、铝锌镁铜系超硬铝合金。铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富。铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝等种类，各种类均有各自的使用范围，并有各自的代号，以供使用者选用。铝合金仍然保持了质轻的特点，但机械性能明显提高。铝合金材料的应用有以下三个方面：一是作为受力构件；二是作为门、窗、管、盖、壳等材料；三是作为装饰和绝热材料。利用铝合金阳极氧化处理后可以进行着色的特点，制成各种装饰品。铝合金板材、型材表面可以进行防腐、轧花、涂装、印刷等二次加工，制成各种装饰板材、型材，作为装饰材料。成本低，而且使用一种加工工艺可以大量生产同样的零部件，这也是他的特点之一。它的材料特性是轻、容易加工、以及在可耐强度方面不像碳素纤维有一个最大受力范围。也就是说，碳素纤维因为有纤维的特性所以在一定的纤维方向上受力能力很强，但是在在别的方向上的受力就会很差。变得一层一层的。而铝会慢慢变形再损坏。还有就是铝合金容易加工和具有高度的散热性。 此外，铝合金的加工工艺多种多样。通用性较强。(3) 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150mm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。(4)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。(5)基本尺寸的确定，使机构满足一定的几何限制条件。 (6)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。2 螺旋轮式管道机器人的总体方案设计2.1 机器人管内运动方式对比分析2.1.1 轮式日本学者福田敏男、 细贝英夫在1986年研制了可以通过“L”无圆弧过渡的管内移动机器人。该机器人行走机构分别由头部和本体两部分组成，头部和本体可相对回转。当机器人在直管内行走时，本体上的电动机M1通过减速装置带动本体上的驱动轮转动，使机器人沿直管行走。当通过90度弯管时，电动机M2驱动头部做姿态调整， 同时驱动头部履带，引导机器人通过弯管。该机器人的技术指标为：适应管径：50mm；行走速度：8.1mm/s；转弯性能：可以通过90度直角弯管；机器人重量为：240g；机器人长度：76mm。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1-10)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120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,并带动推杆通过链使摇杆转动,从而实现预紧力的调节。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1-10驱动机构原理图2.1.2 蠕动式清华大学研制了一套小型蠕动机器人系统，其机构如图2-1，由1蠕动体和2、3、4电致伸缩微位移器组成。蠕动体的蠕动变形形态由粘贴于柔性铰链部位的电阻应变实时感，机器人的外形尺寸为150x61x46mm，重2kg，最大步距10m，行程40mm，运动精度0.2 m。走效率高，能以一定的速度平稳地运动。通过一些结构设计，可以适应一定的管径变化。图2-1蠕动体结构示意图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200300 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2-2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2-2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2-2蠕动机器人的运动原理综合轮式驱动、履带式驱动、腿式驱动、电磁式驱动等不同结构的优缺点， 以及简单性和实用性特点，最后确定采用轮式驱动结构。轮式驱动机构结构简单，容易实现，行走效率高，能以一定的速度平稳地运动。通过一些结构的设计，可以适应一定的管径变化，通过控制轴向尺寸，采取适当的结构，可以实现在弯管中行走。而且轮式驱动控制方便，可以方便地和各种传感器（速度传感器、压力传感器等）集成。常见的轮式驱动机构有直进轮式驱动和螺旋轮式推进两种方式。由于螺旋式推进机构具有诸多优点：前进速度快，驱动力大；对管径大小和管道形状变化的适应性较强；控制方便；机构的管内稳定性好。因此我们最终确定采用螺旋轮式驱动的方案，该方案采用了分节式螺旋驱动轮式结构。管道检测机器人基本结构由前后两部分螺旋驱动部分和中间的超声波探测部分构成。2.2 螺旋轮式管道机器人的运动机理2.2.1 机构的原理如图2-3，螺旋机构由驱动电机1(2) ,旋转体 1（2）和支撑体1（2）组成。三组驱动轮均匀分布于旋转体上，且与管壁呈一定的倾斜角 。随着电机的转动，驱动电机1(2) 带动旋转体1（2）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。电机采用内嵌式安装在支撑体1（2) 上，支撑体1（2）通过弹簧、万向联结接头与无损检测传感器相联结。旋转体1和支撑体 1（2）的轮腿上装有弹性机构，使得机械本体有较好的越障能力。腿轮与本体之间有滑块连接，靠螺钉固定，调节滑块位置，腿轮可以伸缩，使得管道检测机器人有一定的管径适应能力。1旋转轮 2弹簧 3轮轴 4支撑轮 5电机托盖 6万向节联轴器 7探测仓 8 旋转电机 9探测头 10 万向节联轴器 11电机托盖 12 支撑轮 13 旋转轮 14 小轮支撑体 15 小轮 16 螺钉图2-3油管检测机器人的检测本体结构2.2.2 机器人设计要点第一：轮式驱动控制方便，可以方便地和各种传感器（速度传感器、压力传感器等）集成。对称机构，双电机安装方式可以使机器人前进速度快，驱动力大； 控制方便； 机构的管内稳定性好。第二：管道检测机器人采用三节对称结构具有以下优点：（1）两驱动电机分担机器人所需的驱动力， 可以降低电机的外形尺寸， 节省轴向安装空间；（2）转弯时分别控制两电机的转动， 可以减小转弯时驱动内耗， 增加灵活性；（3）增加爬垂直管道的驱动力；（4）前后两部分驱动，可以尽量缩短轴向尺寸，减小转弯半径。第三：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，螺旋轮式管内行走机构结构紧凑，双电机对称机构提供的拖动力大，并且结构稳定，灵活，电机的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。3 管道机器人行走机构的分析与设计3.1 旋转轮的结构设计 图3-1旋转轮零件图旋转轮盘选择两盘相扣结构，使机构更加灵活。支撑滚动轮的支撑轴，设计一个凸起卡在一个盘内，既可以防止其在盘内轴向旋转，又不影响适应不同管径。变径范围146mm-164mm。3.1.1 机构运动受力分析 管道内机器人其移动机构的主要任务是携带探测、修补或维护所需的设备，如CCD传感器，涡流传感器或复杂的微操作手等，这就要求移动机构有一定的负载能力。该机器人的供电方式为拖缆供电，随着机器人在管道内部行走的距离的加大，拖动电缆也就越长，这样电缆与管壁的摩擦力也就加大，所以要求机器人的移动机构有一定的带载能力。当检测不同的管道时，管道内径可能是在一定范围内变化的，这种变化也会影响到移动机构负载能力的变化。一般情况下，在不使机器人打滑的同时，管径增大时，撑紧机构施加到车轮上的正压力减小，从而摩擦力减小，负载减小，电机所需的驱动力降低。反之在管径变小时，撑紧机构施加到车轮上的正压力增大，从而摩擦力增大，负载增大，电机所需的驱动力降低。因此有必要将机构的负载能力，或说轴向输出牵引力，作为一个重要的指标来分析。由前面的分析可知，移动机构在管道中行走时，要实现力封闭及驱动行走。下面分析移动机构在管道中行走时的受力情况。对管道检测机器人受力分析时，只考虑机器人在垂直管道上升时的情况，因为对管道检测机器人在垂直管道中上升过程中受到的负载最大，如果爬垂直管道时机器人的承受负载能力能够满足要求，那么，管道机器人本体在水平或者坡度管道时，负载能力必定能够达到要求。机械平台共有6 组12个驱动轮和6组12 个支撑轮，为了使计算出的负载能力有一定的安全系数，所以只考虑12 个驱动轮的负载能力来平衡机械本体的负载。以螺旋驱动部分的受力为例，如图3-2。假设处在理想状态下，每个橡胶驱动轮的受力状态相同，因此取一个车轮作为隔离体,对其进行受力分析。受力图如图3-2 。 图3-2力学分析原理分析可知，整个移动机构是依靠电机驱动，驱动轮紧紧压着管壁，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。得出及机器人的最大载荷：W max = 12(NfFsin)由MAZ=0 F y=0可得F=N/R (f1 R + f2 r)带入可得：W max = 12NfN/R (f1R + f2r)sin3.1.1.1 受力分析时的一些假设条件因为管道机器人的实际受力情况比较复杂，为了简化分析和计算，所以对管道机器人的移动机构的受力情况，先做一些假设，以满足分析的需要。下面是一些假设条件：（1）移动机构是在直管中运动，忽略管道的内径的不均匀性；（2）管道机器人的移动机构的车轮在管道内作纯滚动，而忽略掉零件加工中的误差而导致的机构其他形式的运动；（3）整个移动机构作匀速运动，不考虑其惯性力的影响；（4）移动机构移动时共有六个轮子与管道内壁接触，假设每个轮子的封闭力都相同；（5）忽略一切损失；（6）负载无波动；（7）分析时采用标量，当所求值为负时表示实际方向与图示方向相反。3.1.2 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，且不能作沿管道轴心线的旋转运动，即只要求是一个单自由度移动机构。由上一节的分析可知，在所设计的双电机驱动直进式移动机构中，电机壳体与机架固连，电机座的反力在电机内部被平衡掉，驱动轮仅受平面力系的作用，只能作沿轴线方向的运动而不会产生沿管道轴心线的转动，即整个移动机构是一个单自由度移动机构。3.1.3 电机的选择12FsinGG=mg=29.8=19.612F.75.4 N 提供的牵引力至少75.4N。T=75.40.082=6.18Nm 每个电机提供转矩3.09Nm（1）根据外形尺寸，估计机器人的总质量MM=各个零件的质量总和。大体估计总质量为2kg。（2）计算驱动机器人所需要的牵引力FF=履带轮摩擦力+旋转刷摩擦力，据估计牵引力大小在75.4N左右（3）电机的选取由于所需的负载转矩小，并且转速不宜太大，故选择带减速装置的电机。P=Tw=3.09216/60=5.2kw即每个电机需要提供2.6kw的功率。JBY37-540 减速电机实体图3-4基本尺寸3-5考虑到在油管里，由于油管内的压力和摩擦力，选择如下参数的电机。3.2 电机连接轴的设计图3-6电机连接轴表3-3电机选择参数电压空载负载堵转减速比减速箱长重量V转速电流转速电流扭矩功率扭矩电流1:00mm约rpm/minArpm/minAKg.cmWKg.cmAg124640.153710.3381016.25192502900.152320.34813110192501540.151230.35816118.822258970.1577.60.3781813022258660.15530.39822143.7524263510.15610.310825156.2524263320.15260.31283019024263220.15180.3148351131.226.5268170.15140.3158381168.726.526824转速电流转速电流扭矩功率扭矩电流9280.37240.64121026.25192505800.34640.661215210192503080.32460.691220218.822258200.3160.62112552270265275表3-1 选择电机参数电压24V转速16r/min功率12w电流0.6A减速比27体长26.5mm额定力矩21Nm重量275g采用键连接，使结构紧凑稳定。第一：键连接的作用：键连接是通过键实现轴与轴向零件间的周向固定以传递运动和转矩，其中有些类型还可以实现轴向固定和传递轴向力，有些类型并能实现轴向动连接。普通平键用途最广，因为其结构简单，拆装方便，对中性好，适合高速、承受变载、冲击的场合。第二：键连接的装配工艺要点 （1）装配前应检查键的直线度、键槽对轴心线的对称度和平行度。 （2）普通平键的两侧面与轴键槽的配合一般有间隙。重载荷、冲击、双向使用时，须有过盈。键两端圆弧应无干涉。键端与轴槽应留0.10mm的间隙。 （3）普通平键的底面与键槽底面应贴实。 （4）半圆键的半径应稍小于轴槽半径，其他要求与一般平键相同。第三：键的选择和键联接的强度计算 （1） 键的选择 键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。选择键连接类型时，一般需考虑传递转矩大小，轴上零件沿轴向是否有移动及移动距离大小，对中性要求和键在轴上的位置等因素，并结合各种键连接的特点加以分析选择。键的截面尺寸（键宽b和键高h）按轴的直径 d 由标准中选定；键的长度 L 可根据轮毂的长度确定，可取键长等于或略短于轮毂的宽度；导向平键应按轮毂的长度及滑动距离而定。键的长度还须符合标准规定的长度系列。 （2）平键连接的强度计算 平键连接的可能失效形式有：较弱零件工作面被压溃（静连接）、磨损（动连接）、键的剪断（一般极少出现）。因此，对于普通平键连接只需进行挤压强度计算；而对于导向平键或滑键连接需进行耐磨性的条件性计算。3.3 弹簧的设计与选择拉伸弹簧是直进轮式管道机器人的关键部件，如果拉伸弹簧的拉力不够，不能保证每组轮轴机构都能被拉开使车轮挤压在石油管道内壁，这样不能保证机器人能够平稳行驶；如果拉伸弹簧的拉力太大，虽能保证机构都能被拉开并挤压在石油管道内壁，但挤压在石油管道内壁的压力过大，使得直进轮式管道机器人运动阻力过大，这对电机要求也会相应提高。因此，拉伸弹簧的设计是一个关键问题，需要选择合适的参数，不仅要机构平稳行驶，而且要尽量减小整个行走机构的运动阻力，降低对电机功率要求。F=75.4NF/12=6.3N故此弹簧所受力为6.3N经查表得：(1)弹簧中径为8mm(2)压缩弹簧有效圈数为10mm(3)压缩弹簧的自由高度H0=16mm(4)圆柱螺旋弹簧极限应力与极限载荷，工作极限应力j=1.67p(5)端部并紧磨平 d 0的情况下，机器人通过弯管时需考虑两种情况： 机器人的两个端面在弯管的直边部分(见图4-2) ； 机器人的两个端面在弯管的弯曲部分。（见图4-2）（a） (b)图4-2 机器人处于弯管时的几何约束当机器人的两个端面在弯管的直边部分时，机器人的直径和长度应满足下式 ： 0d( R+D/2) C O S ( a/2 ) ( RD/2)L max =( R+D/2) C S C ( a /2) ( RD/2 +d) c o t ( a /2)当机器人的两个端面在弯管的弯曲部分时， 机器人的直径和长度应满足下式： 0dDL max=2(R+D/2)2(RD/2+d)21/2当弯管几何尺寸满足( R+D/2) C O S ( a/2 ) ( RD/2) 0时， 机器人通过弯管时， 两端面不能同时在两弯端的直管部分， 这时只需考虑机器人两端面在弯管弯曲部分的情况( 见图4-2) ， 此时机器人的直径和长度应满足上式。5 监视控制系统5.1 探测头的选择（1）目前，市场上的主流摄像头使用的感光元件主要有CCD和CMOS两种。CCD是应用在摄影、摄像方面的高端元素技术，采用CCD感光元件的摄像头在各方面的性能都不错，具有成像灵敏度高、抗震动、体积小等优点，但价格较贵。CMOS则主要应用于较低影像品质的产品中，具有价格低、响应速度快、功耗低等优点，但CMOS摄像头对光源要求高。（2）现在市场上数码摄像头的连接方式有接口卡、并口和USB接口三种。通过对工作环境、图像要求以及经济性的综合考虑，决定采用GS-388彩色数码摄像机，由于管道内光线较暗，所以另外安装灯光照明系统。5.2 检测系统检测系统的主要目的是使用超声传感器检测化工管道的壁厚和腐蚀程度， 如果检测得到的壁厚较薄， 则管道腐蚀较为严重需要更换； 如果检测得到的壁厚较厚， 管道腐蚀较轻可继续使用。因此， 检测系统的稳定性直接影响检测水平， 并直接影响化工管道检测机器人的性能。超声检测是目前广泛应用的一种无损检测方法,具有灵敏度高、穿透力强、探伤灵活、效率高、成本低的特点。动态超声波检测法就是旋转体带着若干超声波测厚探头在管道内随检测机器人前进作旋转探测。与静态检测方法对比而言，动态检测的优点是：成本低，检测全面，易于采用。设计检测系统时需要注意两个问题! 一是超声传感器的驱动；二是返回信号的检测和间隔时间的确定。其中，超声传感器的驱动是硬件问题，关键在于振荡电路和驱动电路的设计，本文使用集成运放设计的超声传感器，其发射电路和接受电路分别如图5-1和图5-2 所示。图5-1超声传感器发射电器图5-2超声传感器接受回路其中，STX为超声发送传感器，SRX为超声接收传感器超声发送传感器的振荡频率由R1C1确定，C2为滤波装置。5.3 单片机控制系统管道检测机器人单片机控制系统如图 5-3所示，主要完成驱动电机的伺服驱动和与上位机的通信。图5-3机器人单片机控制系统其中，速度传感器用于检测机器人的实际运行速度；定位码盘与里程轮相连，用于机器人实际行走距离和有缺陷管道位置的确定；与速度传感器配合使用即可确定机器人正常行走还是打滑的工作状态；微动开关用于确定管道中是否存在凸台或杂物等障碍；转换器1为RS232-RS485转换装置，转换器2为RS485-RS232转换装置，配合使用即可增加PC上位机和机器人间的通信距离；S/H为采样/保持