管道缺陷检测系统机械结构设计

管道缺陷检测系统机械结构设计摘要城市主排水管道穿缆、检测机器人应用于城市排水管道的疏通与检测工作，属于特种作业机器人。这类机器人能进入复杂多变的管道环境中，通过携带一种或多种传感器及操作、作业装置，对工作中的管道进行在役检测、清理、维护，以保障管道的安全和畅通无阻地工作。本文对市政管道检测现状进行了详细的调研，分析了目前管道检测机器人的优缺点。针对工作介质与环境等其它因素的影响，造成很多管道内部裂缝，泄漏等问题，设计了一种管道缺陷检测机器人，并且分析了其总体机械结构，设计了机器人的移动载体，对机器人的密封、防腐作了研究。对机器人移动载体的驱动电机进行了计算与选择。并通过各种传输方案的比较，把光电复合缆确定为系统通信和电力传输介质。最后对主要部件进行设计与校核，并用三维软件进行了三维建模。大量的管道检测维护需求为管道检测机器人的研究开发和应用提供了广阔的市场空间，因此，管道机器人将逐渐成为一项十分重要的产业工程。关键词：管道机器人，缺陷检测，机械结构IVAbstractThe city main drainage channel puts on the cable, to examine the robot to apply works in the urban sewerage pipelines opening and the examination, belongs to the special work robot. This kind of robot can enter in the complicated and diversified pipeline environment, through carries one kind or many kinds of sensors and the operation, the work installment, carries on to the work pipeline in the service examination, the cleaning up, the maintenance, safeguards pipelines security and opens access works.This article has carried on the detailed investigation and study to the municipal administration pipeline examination present situation, analyzed the present pipeline to examine robots good and bad points. In view of the actuating medium and the environment and so on other factors influence, creates many pipeline internal fissure, questions and so on divulging, has designed one kind of pipeline flaw examination robot, and has analyzed its overall mechanism, has designed robots motion carrier, to robots seal, the anticorrosion has done the research. Moved the carrier to the robot the actuation electrical machinery to carry on the computation and the choice. And through each kind of transmission plan comparison, electro-optical compound cable determination for system communication and power transmission medium. Finally carries on the design and the examination to the major component, and has carried on the three dimensional modelling with the three dimensional software.The massive pipeline examination maintenance demand examined robots research for the pipeline to develop and to apply has provided the broad market space, therefore, the pipeline robot will become a very important industrial project gradually.Key words：Pipeline robot，Flaw Inspection，Mechanical structure.目录第一章 绪论11.1 选题背景11.2 研究意义11.3 管道机器人的发展状况21.3.1 国外管道机器人发展概况31.3.2 国内管道机器人发展概况51.4 课程主要研究的内容71.5 本章小结7第二章 总体方案的设计92.1 管道检测机器人系统方案的比较与分析92.1.1 管道机器人的行走方式92.1.2 管道机器人的检测方式102.1.3 管道机器人的电力供给方式102.1.4 管道机器人的系统通讯方式142.2 管道机器人系统组成122.3 管道机器人移动载体结构设计132.3.1 载体驱动轮的设计132.3.2 移动载体驱动方式的选择132.3.3 驱动机构的传动设计142.4 机器人的系统参数152.5 本章小结16第三章 管道机器人动力学分析173.1 电动机功率的确定与选择173.1.1 电动机的选择173.1.2 电动机功率的确定183.2 管道机器人的理论牵引力分析及计算213.3 管道机器人拖缆力的理论计算223.4 文章小结24第四章 管道机器人主要零部件设计与校核254.1 轴254.1.1 轴的确定254.1.2 轴的强度校核264.1.3 轴的刚度校核294.2 滚动轴承304.2.1 滚动轴承类型的选择304.2.2 滚动轴承尺寸的选择与校核304.2.3 滚动轴承的装置设计314.3 锥齿轮324.3.1 锥齿轮参数的确定324.3.2 锥齿轮的受力分析354.3.3 锥齿轮的齿根弯曲疲劳强度校核354.3.4 锥齿轮的齿面接触疲劳强度校核364.4 本章小结37第五章 系统三维建模385.1 UG 简介385.2 UG 零件的三维建模385.3 UG 零件的装配图435.4 本章小结44第六章 总结和展望456.1 总结456.2 技术经济分析456.3 展望46参考文献48致谢50声明51管道缺陷检测系统机械结构设计第一章绪论1.1 选题背景管道内移动机器人是智能机器人的重点研究领域之一，随着现代交通、能源、石油、化工、城市建设的高速发展，煤气、自来水、给排水工程、石油化工生产系统等管道的铺设长度也急剧增长。管道系统在输送各种液体和气体物质时，由于受到工作介质与环境等其它因素的影响，造成很多管道内部结垢、腐蚀情况严重，严重的影响了管道的正常运行，为管道事故的发生埋下了隐患。许多管道在服役运行期间发生了液体、气体泄露事故等，对经济造成了巨大的损失。以排水管道为例， 这类管道大多埋于地下，在长期使用过程中,由于受到管内、管外介质的腐蚀等原因,会产生裂纹、漏孔而出现漏水现象,为此必须对管道进行定期检查和维修。用人携带设备进行检查十分困难，对工人的健康也带来严重的损害。采用人工开掘进行检测,不但劳动强度大、效益低,而且往往会妨碍道路交通。因此，有必要研制一种装置，能够深入到管道内部完成检测任务。在这种情况下，管道机器人作为一种先进的管道检测技术得到了巨大的发展空间,成为一种较为理想的管道检测自动化装置1。1.2 研究意义城市排水管道穿缆检测机器人属于特种机器人的范畴。在目前，我国有各种气管道、石油管道、下水道、自来水管道等很多管道，由于年久失修，每年都要出现大量故障，可是这些管道大多数都埋在地下，因而一旦出现泄漏堵塞、就很难查找。由于城市地下管线复杂，街道广场非常华丽不允许随便挖开清理，所以城市主排水管道穿缆检测机器人(以下简称穿缆检测机器人)的研制非常有必要。以排水管道为例，由于其深埋地下，情况比较复杂,对管线的日常维护和管理非常麻烦，工人在排除管线故障时,只能通过摸排和人工作业的方式进行,遇到一些老旧的细小管线时,维护力度就显得十分有限；另外污水管线里往往含有一些有毒气体,容易对工人的身体健康造成伤害。加上管道本身可能隐藏的内在缺陷（如裂纹、砂眼、接头处连接不良等），寿命总是有限的。而且许多管道系统难免在运行之中突然发生损坏而造成液体或气体物质的渗泄事故，不得不停工停产进行检修。28这种事故有时造成的经济损失是巨大的。能不能在事故发生前就检查出潜在的有毛病的管道而提前预防，是现代民用与工业企业中迫切需要解决的课题。目前，国内外主要应用的泄漏检测方法有压力图像法（压力分布法）、压力点法（PPA）、负压波法、质量平衡法、声波法、管道泄漏溶解法等等，这些方法虽然可以检测管道的泄漏情况，但需要进行一定量的理论计算和推导，往往不如图像信息简单、直观。管道机器人是一种比较先进的管道检测设备，它由移动载体(行走机构)、检测系统、通信系统和动力传输系统及控制系统组成，在操作人员的远距离控制下，沿管道内行走并实时连续的拍摄、显示出管道内图像，直观清晰的反映出管道内故障点的状况，克服了传统检测方法存在的弊端，提高了诊断精度，加强了对管道的认识和把握能力，及时有效的完成了对管道的检测与维护、维修任务，显示出了巨大的应用前景2。综上所述，管道检测机器人的研究为管道的检测、维护提供了新的技术手段， 改变了传统管道开挖抽检的单一模式。这种检测技术提高了管道检测的准确性，便于管道工程管理维护人员分析了解管道缺陷产生的原因，开展对缺陷的评估，制订管道维护方案，消除管道安全隐患，在事故发生前就有计划地维修或更换管段，从而节约大量的维修费用，降低管道维护成本，保障人民生活及财产安全，减少有毒气体或液体泄漏造成的环境污染。因此，开展管道检测机器人的研究具有重要的科学意义和明显的社会经济效益。目前，管道检测机器人的研究得到了世界各国的高度重视，也得到了我们国家部委和相关行业的重视。大量的管道检测维护需求为管道检测机器人的研究开发和应用提供了广阔的市场空间，将逐渐成为一项十分重要的产业工程3。1.3 管道机器人的发展状况现代工农业及日常生活中使用着大量管道，石油、天然气、化工等领域也应用了大量管道，这些管道大多埋在地下或海底，输送距离近千里，它们的泄漏会造成严重的环境污染，甚至引起火灾，多数管道安装环境人们不能直接到达或人们不能直接介入，因此，质量检测、故障诊断及维修的课题十分迫切地摆在我们面前。管道检测技术始于上个世纪 50 年代，由于当时天然气等大口径管道的发展激励人们去研究一种管内检测设备，这就是我们通常所说的一种无动力的管内清理检测设备PIG，该设备简单、实用，在一定程度上解决了天然气管道的检测问题。在结构上，PIG的外径略大于管道直径，这是为了密封，将其压入管道后，它主要靠首尾管内流体形成的压力差做驱动力，克服管壁与活塞之间的摩擦力而向前运动。PIG 可以携带超声波、电涡流传感器，一边走一边检测。并由其内部记录仪记录检测的数据。早期，这种技术发展很慢，到了 70 年代末，随着检测技术的发展，PIG技术已经成熟，现在英、日、美、德、法等国大公司的PIG产品已经实用化、商品化。PIG的特点是实用性好、行走距离远，可达 300 公里左右，而且不拖线作业，但是PIG类检测设备无自动行走能力，移动速度及检测区域均不易控制，严格说来它不能算做是机器人4。随着核工业、化工工业的发展，迫使人们研究管道机器人对这些恶劣环境下的管道、罐状容器进行检测维修，在一定程度上刺激了管内机器人的发展。然而，管内机器人的迅速发展时期还是始于上个世纪 80 年代。这是由计算机、传感技术、检测技术、现代控制理论技术的发展，为管道机器人的研究应用提供了技术保证，使应用管内机器人进行检测，维修的手段成为现实， 因此，人们对各种管道机器人的行走机理、行走方式进行了大量的探索和研究，并取得了可喜的成果。美国、英国、日本等发达国家在管道机器人技术方面做了大量的工作，取得了比较突出的成绩。1.3.1 国外管道机器人发展概况1. PEARPOINT 公司开发的轮式自来水管道检测机器人如图 1-1 所示，该机器人具有六个行走轮，能在自来水管道内前进或倒退行走, 适应管径为f150 - f 750 ；行走速度为0 -12m / min ；行走距离大约600m 左右。对于更大管径的管道，加装20w 灯泡（选件），提供更明亮、精确的图像，电缆使用质地牢固重量轻的合成纤维，坚固、防水，可抵抗1.5KN 的张力。配有电缆自动收放系统，高性能的带马达电缆盘，可提供超过50kg 的牵引力。仪器精确确定电缆层数，可提高电缆回绕速度和增加电缆寿命。微处理器控制的离合器和刹车系统，减少电缆回绕的摩擦力，在整个测量过程中，使用操纵杆可精确控制爬行器及摄像机5。图 1-1 轮式自来水管道检测机器人2英国雷迪推出的管道检测机器人英国雷迪推出的P350 管道检测设备如图 1-2 所示，该系统系统配有三种可交换高清晰度摄象镜头，超亮白色LED，图象清楚，寿命长，免维护。该系统的控制模块可进行缩放、旋转图象，并可实时录象，为客户提供高质量视频图象，可以方便、快速查找出管道故障。该系统可在几乎任何苛刻条件下工作，爬行车为黄铜和不锈钢结构，可在 100 米深的水下工作。50 瓦和 100 瓦大功率引擎能在任何状况的管道内爬行。该系统整合了倾角仪和多频率探头，可以轻松、有效地测绘出管道地形和状况6。图 1-2 英国雷迪的管道检测设备3. 日本横滨国立大学的检测污水排放管道的管道检测机器人日本横滨国立大学电子与计算机工程系Chi Zhu等人于 2000 年研制成功用于检测污水排放管道的管道检测机器人，该管道检测机器人适用于管径为f 200mm 的管道。如图 1-3 所示，整个管道检测机器人系统由四部分组成：管道检测机器人行走装置、作业操纵装置、用于污水采集的注射器系统、机器人控制系统。整个管道检测机器人系统的规格为：长620mm、宽166mm 、高158mm ，其重量为24kg7。图 1-3 管道检测机器人系统组成1.3.2 国内管道机器人发展概况我国的管道机器人的研究始于 20 世纪 80 年代，与西方发达国家相比起步较晚, 但近些年来取得了快速发展。其中开展工程管内机器人技术研究的单位中，较有代表性的有清华大学、上海交通大学、东华大学等。1. 清华大学机器人该下水自动清淤机器人适合400mm 的管道。载体采用了轮式的行走结构，四轮驱动方式、以三相异步电机作原动机。其实验数据如下:在空载干净的管道中运行时，功率约为350 - 400w ；速度在5.7 - 5.9m / min ； 载体的推力为60kgf ；淤泥沉积到管径的1/ 3 处；平均速度为4.5m / min ；机器人总功率增加到400 - 500w ，运行平衡，但有打滑现象，如图 1-4 所示8。2. 上海交通大学图 1-4 清华大学研制的管道清淤机器人该管道机器人仿造履带式车辆行走原理，采用带齿轮减速箱的直流伺服电机驱动。机器人上部装有 CDC 图像传感器，由另一个直流伺服电机控制 CDC 图象传感器作俯仰运动，以扩大检测范围。另外，机器人上还装有角度传感器，如图 1-5 所示。其相关参数为:电机功率5w ；减速箱减速比为100 ；输出转速为0 - 30r / min ；最小管道直径中f 120mm ；运动速度可由计算机给定，一般为1.2m / min9。图 1-5 履带式管道机器人的运动机构简图3. 东华大学的自主变位履带式管道机器人 GXJZ-I东华大学的履带式管道机器人如图 1-6 所示，它是一种高度可调的自主变位履带式管道机器人的行走机构，属机械传动技术领域。两套横向摆腿机构，该机构按对称于机体的对角线布列在机体的头部和尾部，四条腿的上端分别铰接在两套横向摆腿机构的两侧，四条腿的下端各制有一个摆腿调节关节，四个履带足分别铰接在四个摆腿调节关节上。两套横向摆腿机构使四条腿张开，调节四个摆腿调节关节， 使四个履带足恢复直立状态，降低行走机构的高度。有高度可调的优点。装用本发明的行走机构的自主变位履带式管道机器人能进入多种管道，如高度高的矩形管道、小口径圆形或高度低的扁平矩形管道，从事管道内的作业10。图 1-6 GXJZ-I 的总体结构综合上述国内外排水管道疏通、清理技术研究与应用情况，可以看到，应用比较成熟的技术为高压水射流技术和自动化清理机器人。高压水射流技术在我国大、中、小城市无法普及应用，其原因是国内排水管道大多数是水泥管，时间长了局部会有破损和老化，高压水冲洗会加剧排水管道的老化的过程。再者，每台车的价值有上百万元，不适合我国发展中国家的国情。其它的能达到实际应用的管道检测机器人，技术尚未公开，价格也很昂贵。我国的排水管道疏通还停滞在人工操作的落后状态，效率低，而且对工人的人身安全也存在很大的危害。所以迫切需要研制一种造价低廉、实用且效率较高的排水管道机器人以代替人工操作。国内这一领域的研究很少，还处于科研阶段，所以本课题的研究非常必要，而且具有很大的社会效益和经济效益，具有非常广阔的应用前景。1.4 课程主要研究的内容本课题的主要工作是开展管道检测机器人的设计与研究工作，主要内容如下：（1）机器人系统方案的选择机器人系统方案的选择包括行走方式的选择；检测方式的选择；电力供给方式的选择；系统通讯方式的选择等。（2）管道缺陷检测机器人总体设计深入了解管道检测机器人的基本原理原理和机械结构，熟悉机械结构设计的整个流程，提出有缆式管道机器人的总体设计方案和实现办法。（3）管道检测机器人驱动特性的研究设计管道机器人全驱动机构；计算并选择电机的功率；研究机器人的拖动力、行走能力的计算方法。针对影响拖缆作业机器人在管内行走最大作业距离的关键因素拖缆力计算问题进行理论分析。（4）重要部件的设计与校核对重要零部件的尺寸进行设计与校核。（5）管道检测机器人的三维建模通过仿真软件UG对机器人进行三维建模与仿真。1.5 本章小结本章综合分析了国内外各种类型管道机器人的技术概况及发展趋势，提出了目前管道检测机器人的关键技术问题，并在此基础上，提出了本文所要研究的主要内容，明确了论文的工作方向。第二章总体方案设计2.1 管道机器人设计方案的比较与分析管道机器人系统的总体设计直接影响到机器人的使用性能和工作效率等方面， 需要以系统全面的观点来进行综合分析比较，包括机器人的行走方式、管道检测电力供给、系统通讯等的方案选择11-12。2.1.1 管道机器人的行走方式根据运动机理和驱动方式的不同，管内机器人运动方式包括蠕动式、多足行走式、履带式、螺旋驱动式、蛇行式、轮式等六种主要方式。（1）蠕动式蠕动式管内移动机器人的行走节奏中包含前后支撑部分的径向仲缩运动，从而降低了机器人的行走效率，导致机器人行走不连续，而且更换支撑部分时易产生机身不稳定现象，因此，在管道检测中应用较少。（2）多足行走式多足行走式有较好的动作灵活性，但其较复杂的运动学和动力学特征，使得机器人在步态规划和关节间陇调运动控制等方面存在一定难度，而目，机器人结构复杂，对传感器要求高，需要大量的精密传感器，研究成本和制造成本都很高，且牵引能力有限，不易携带检测维护装置，不适合长距拖缆作业。（3）螺旋驱动式螺旋驱动式机器人运动连续，结构简单，控制方便。但机器人沿管道的实际运动速度是螺旋运动速度沿管道轴线的分量，运动效率不高。此外，螺旋驱动方式对管道截面的空间占用率高，对管内壁的形状依赖性大，越障能力差，机器人很难具备主动转向能力。（4）履带式履带式管内移动机器人履带与管壁间的接触面积大，附着力大，具有优越的越障性能。但履带式驱动机构的复杂性，导致其机械结构尺寸较大，不易小型化，因此实际应用中大多用于大直径的管道内。（5）蛇行式尽管蛇行式管内运动方式具有各种优点和特点，但随着自由度数量的增加，会造成软硬件控制的技术困难，从而也带来驱动方面的问题。而且机器人利用身体形态的变化来实现运动，这一过程要依靠机器人与管道内壁间的静摩擦来推动，对于圆弧状的管道内壁，机器人身体与管壁之间较难充分接触，因此，机器人的驱动能力十分有限，运动效率不易提高。（6）轮式按照行走机构的不同设计，轮式管内移动机器人又可分为支撑轮式和车型式两大类。支撑轮式管内移动机器人在结构上是对称的，因此机器人运动稳定性好，可以产生较大的牵引力。车型式管内移动机器人行走在管道内壁表面，类似车辆在地面的行走方式。具有结构简单、行走连续平稳、在管道内运动灵活等优点。与支撑13轮式相比较，具有结构更加简单、控制更加方便的优点 。综合分析各类机器人的运动方式，因本文研究的管道缺陷检测系统在管道内侧应具有平稳，灵活等特点，且仅在平直管道内行走，所以最后选用车型式的轮式行走机构作为本文设计机器人的运动方式。2.1.2 管道机器人的检测方式管道内检测通常用数据或图像的形式表示管道内的详细情况，常用声纳、超声波、声纳与视频联用、视频检测等技术方法。声纳或超声波具有灵敏度高、穿透力强、探伤灵活、成本低等优点，适合于直径大和超负荷的污水管。视频检测主要是通过闭路电视录像的形式，使用摄像设备进入排水管道将影像数据传输至控制电脑后进行数据分析的检测。这类检测可全面了解管道内部结构状况，并且摄像机可以作成体积小、重量轻的微型摄像机，能够降低机器人的负载，提高机器人的灵活性。综合分析上述检测方法，机器人采用视频检测。本文的摄像机，摄像系统支架以及地面监控系统均选用北京铭尼科科技有限公司销售的相关产品，摄像机为 DTR65HRC 旋转广角摄像机，可无限360o 旋转并270o 倾斜，摄像头内部顶端设有冷光灯，影像清晰；摄像系统的支架可以通过电机对摄像系统进行调节；地面操控器型号为 VSR65，可以实现移动载体的控制及缺陷图像的捕捉，检测等。2.1.3 管道机器人的电力供给方式管道机器人的电力供应通常有两种方式，一种是移动载体携带能源装置；另一种是由管外通过动力线缆为管内机器人供给能源。机器人载体携带能源装置能够减轻机器人的拖动负载，但是蓄电池所储存的能量有限，因而使机器人的行走距离受到限制；外部电缆供电可以提供足够电量，但电缆增加了机器人的拖缆力，不利于机器人的远距离行走。综合比较上述两种供电方式，管道检测机器人采用外部电缆 220V、50Hz 交流供电，为了得到机器人正常工作所需的电压、电流，需对外来电进行稳压、变压及AC/DC 转换。通过机器人载体内置电源，对电源进行设计，实现机器人的交流向直流转换，为机器人提供多路直流电输出。图 2-1 为机器人载体内能源供应分配图。外部交流供电行走伺服电机云台步进电机电源（AC/DC）通讯设备控制设备，摄像头外部照明图 2-1 管道检测机器人电力供给分配图2.1.4 管道机器人的系统通讯方式机器人的通讯方式主要有无线通讯和有线通讯两大类。无线通讯的方式表现灵活，使用方便。但是管道内的信号容易受到屏蔽和干扰，通讯的质量和可靠性较差； 有线通讯方式具有通讯质量好、传输距离远、抗干扰能力强等优点，但由于通讯缆线，增加了机器人的负载。综合分析机器人的通讯方式，选用光纤通讯作为机器人的通讯方式。由于光传输和电能传输是属于两种不同类型的传输方式，不会产生电磁干扰，因此将光纤和电力线复合在一起，无需考虑电能传输和光传输的相互绝缘问题，可以把光纤和电力线复合在一起制成光电复合缆。卷轴选用北京铭尼科科技有限公司销售的 TMO 500A 卷轴，主电缆最长可达500m，自动缠绕系统，前后自由缩放,电子计数器自动记录行进距离。其电力线符合国家标准规定，缆线质量轻，有利于管道机器人的长距离行走。2.2 管道机器人系统组成管道机器人的系统主要由五部分组成，如图2-2，各部分的组成及功能如下：（1）管道机器人移动载体机器人移动载体与轮式小车外形相似。内部有电机驱动、通讯、控制等设备， 可以实现本体的前进、后退等动作。本体能够防水、耐压，可以实现水中带压作业， 密封压力为1MPa，爬行器100米下防水指标为IP68，并且本体能够耐腐蚀。（2）电力供给系统机器人电力供给系统使移动载体及载体内执行机构的电力供应得到充分保障。从而使小车能够在管道内准确行走。（3）云台系统该系统可使摄像机实现360o 旋转并270o 倾斜，在透明穹顶下可无限旋转，从而能够准确的捕捉故障点图像。（4）信息传输系统该系统采用单模光纤作为信息传输介质，光端机为信号接收和发射装置，实现系统中一路双向数据信息和一路视频图像信息的混合传输。（5）地面监控系统该系统能够进行文字输入和报告编写，图像部分采用数字缩放和导航图像，系统内置闪存卡保存SVA视频和照片，支持蓝牙技术，能够及时将图片发送，支持USB 2.0快速传送数据，并能实时录制视频图象，能够快速、方便地查找出管道故障点。操作人员可以根据监视器上显示的图像信息，对机器人的作业进程进行人为干预， 进行控制、发送指令等操作。及时的了解管内的信息，便于对管道检测的把握。图2-2 机器人系统组成2.3 管道机器人移动载体结构设计2.3.1 载体驱动轮的设计1.驱动轮数量的确定管道机器人最常用的驱动轮数量有三轮，四轮和六轮。三轮式机器人车体配置虽然结构简单，但稳定性稍差，遇到冲撞或管道不平时容易倾倒。四轮式机器人稳定性较强，在管道中占用空间较小，并且有较强的附着力和操控性，牵引力较大。六轮式机器人其越障能力比较强，但车身相对于四轮的要大，因此在管道内占用的空间就要大，使其灵活性降低。而且当增加了车轮的数量和车身的长度之后，会使其自身的质量增加，耗电量增加，行驶的速度减慢，结构的复杂程度增加，成本提高。综合考虑，我们确定管道机器人采用四轮驱动方式。2.驱动轮结构的设计采用轮式的行走机构，驱动轮的设计成为影响机器人行走稳定性的一个重要问题。机器人的驱动轮需要在有水、泥、油污的环境内行走，为了使机器人的轮子能够更加适合实际工况需要，采用轮毂外硫化橡胶，橡胶采用耐磨、耐油污的丁氰橡胶为原料。轮子与机器人的连接采用联轴器传递扭矩、螺钉定位的办法，很好的满足了机器人行走轮的工作需要。如图 2-3 所示：图 2-3 驱动轮与轴连接2.3.2 移动载体驱动方式的选择 管道机器人轮式行走分为全驱动和部分驱动两种方式。所有轮子都作为驱动轮，称为全驱动方式；部分轮子是驱动轮，其余是从动轮的，称为部分驱动方式。综合考虑，全驱动方式转向灵活，并且具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性等特点。因此，在管道中应采用全驱动方式。在全驱动中，按照驱动轮是统一驱动还是单独驱动又分为单电机全驱动和独立全驱动两种方式。驱动轮由一个电机统一驱动，称为单电机全驱动方式；驱动轮由单独的电机各自驱动，称为独立全驱动方式14。单电机全驱动方式由一个电机来驱动载体的全部驱动轮，这种驱动方式结构简单，控制方便，所有驱动轮转速相同，驱动力大，机器人牵引能力强，但无法实现转向功能；独立全驱动方式由单个电机来分别驱动每个驱动轮，加速性能好,通过性强。尤其在弯曲和泥泞等较为复杂的管道内行走,其附着力强,牵引力大。并且动力分配均衡。但多电机占据载体内部空间较大，增加了载体的体积和复杂性。考虑到本文所设计的管道检测机器人在弯曲的排水管道检测时，要求机器人具有转向灵活的特点，所以设计机器人的驱动方式为独立全驱动方式，每个车轮由单独的电机驱动，可以实现前进，后退的平稳，准确行走。2.3.3 驱动机构的传动设计机器人的驱动动力来源于机器人本体内部的直流伺服电机，通过传动机构，将电机的动力合理的分配到机器人的驱动轮上。考虑到机器人的载体内部空间小、传动距离长，并且在管道中有转弯和倒退等情况，所以选择用锥齿轮作为机器人内部的动力传输零件，图 2-4 为机器人的传动简图。图 2-4 机器人的传动简图2.3.4 载体防腐、密封设计1.防腐设计防腐是机器人要考虑的一个重要问题。由于管道机器人所处的工作环境，存在有生活污水、工业废水、管内淤积的各种腐烂物质等，构成了一个力学因素和电化学因素共同作用的腐蚀环境，使得机器人在管道内的工作过程中发生化学、电化学腐蚀等。针对管道机器人的这种工作环境，在材料的选择上，机器人本体选择超硬铝合金 7A04（LC4）作为本体的材料，这种材料具有退火和淬火状态下塑性中等、强度高，切削加工性良好、耐腐蚀等特点，可用于制作耐腐蚀、高载荷构件。机器人的轮子采用的是 7A04（LC4）作为轮毂，外表硫化橡胶的工艺，既保证了轮子的承载能力，又实现了轮子外形设计的要求，并且，橡胶采用的是丁氰橡胶， 材料本身具有优良的抗氟、抗臭氧性，耐油、耐溶剂、耐酸碱以及耐老化性能好等优点。此外，在设计中还使用了不锈钢紧固件，如不锈钢螺栓及螺母:特殊轴承、铅封及锌层等附件；还可以喷涂防锈涂料，提高机器人的使用寿命15。2.密封设计对于排水管道机器人来说，为了保证能够正常的工作，必须确保电机和轴承不被污水侵入、腐蚀，使机机器人具备一定的防爆性能和可靠性。所以，有必要对水下机器人的密封进行细致的研究。密封可分为静密封和动密封两大类。静止部位的密封称为静密封；有相对运动部位的密封称为动密封。静密封主要有垫密封、胶密封、直接接触密封三类。动密封可分为接触式密封和非接触式密封两类。接触式密封的密封面相接触，可以消除间隙或使间隙为最小，达到很高的密封性16。2.4 机器人的系统参数管道检测机器人系统参数如下：外形尺寸：（宽）220mm（高）150mm（长）400mm净重：15 kg通讯方式：光纤通讯供电方式：通过动力电缆供电行走方式：轮式行走移动速度： 0 -12m / min 适应管径： 300 - 500mm 行走距离：100mm2.5 本章小结本章通过对管道检测机器人的方案分析，确定出具体的设计方案；对机器人的行走方式，检测方式，电力供给方式，系统通讯方式等进行分析与选择；并对移动载体进行设计，包括移动方式、驱动机构、传动机构、载体密封及防腐；最后给出了管道检测机器人的系统参数。第三章管道机器人动力学分析3.1 电动机功率的确定与选择3.1.1 电动机的选择机器人常用的驱动方式有:液压驱动、气动驱动、电动驱动三种基本方式。电动驱动主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。1：步进电机步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电动机主要应用在数控机床制造领域，由于步进电动机不需要 A/D 转换， 能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以一直被认为是最理想的数控机床执行元件。2：直流伺服电机伺服电动机有直流和交流之分，最早的伺服电动机是一般的直流电动机。目前的直流伺服电动机从结构上讲,就是小功率的直流电动机,其励磁多采用电枢控制和磁场控制,但通常采用电枢控制。直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动转矩和相对功率，易于控制及响应快等优点。尽管其结构复杂，成本较高，在机电一体化控制系统中还是具有较广泛的应用。3：交流伺服电机交流伺服电动机广泛应用于各种控制系统中，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控制元件，从而达到控制目的。交流伺服电动机主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。电动机利用通电线圈在磁场中受力转动的现象而制成的。交流伺服电动机控制精度高，矩频特性好等优点，但尺寸一般较大。综合考虑，管道机器人需要有较高的控制精度，运行平稳，且应具有较小的尺寸，所以选用直流伺服电机。3.1.2 电动机功率的确定机器人移动载体的所有驱动力都由机器人载体内的驱动电机来提供，驱动电机选择的好坏将直接影响到机器人的移动性能，根据机器人工况的不同来确定驱动电机的功率。例如，机器人以较快的速度在平直管道内行驶，机器人爬坡等工况下。影响机器人驱动功率参数有质量m 、运行速度v 、驱动轮半径r 等。首先假设：（1）机器人在倾斜角度为a 的直管道内行驶；（2）机器人在管道内匀速行驶，不考虑管道内的空气阻力；（3）驱动轮受力存在变形；这里假设机器人的四个轮子所处的工况完全相同，设机器人的行驶速度为v ，则机器人加速时的加速度为 dv ，机器人第 i 个轮子的角加速度为 dwi （ i = 1- 4 ），则有：dtwdwivr=ii= 1 dvdt（3-1）（3-2）dtri dt式中：V 为机器人的速度；wi 为第 i 个车轮的角速度； ri 为第i 个车轮的半径。图 3-1 驱动轮受力图图 3-1 为机器人单个驱动轮在加速过程中的受力图，图中： Mi 为电机传递给轮轴的驱动力矩； FNi 为机器人机体对第i 个驱动轮的正压力； mi g 为第i 个驱动轮的重力； Ni 为地面对第i 个驱动轮的垂直作用力； fti 为地面对第i 个驱动轮的摩擦阻力； M fi 为地面对第i 个驱动轮的摩擦阻力转矩； Fti 为驱动轴对第i 个驱动轮的作用力。根据沿x和z 坐标轴方向的平衡条件和绕轮轴的转矩平衡条件有：m dvi dt= fti- Fti- mi g sin a（3-3）J dwii dt= Mi- M fi- fti ri（3-4）其中， Ji 为轮子绕驱动轮的转动惯量。将式(3-4)除以ri ，并将式（3-2）、式（3-3）整理可得：Mi = M fi + F+ m g sin a + (m+ J i ) dvi（3-5）riritiii2dtr式(3-5)中， Miri为驱动轮的实际驱动力， M fi 为驱动轮本身的滚动阻力，rimi g sin a 为驱动轮的爬坡阻力。由于机器人做直线运动，假设机器人左右两侧的轮子对机体的作用力完全相同，即有Ft 1 = Ft 2 ， Ft 3 = Ft 4FN1 = FN 2 ， FN 3 = FN 4根据速度方向受力平衡有：dvmc = dt = Ft 1 + Ft 2 + Ft 3 + Ft 4 - mc g sin a（3-6）式中， mc 为机器人本体质量。将式(3-5)代入式(3-6)中，并整理可得4i=1Mi = 4rii=1M fi + m rdv + m g sin a + 4m g sin a +mic dtcii=1i dd4v+J i dv（3-7）ti=1r 2 dti4Mi = 4M fi + (m + J i ) dv + mg sin a4i=1rii=1rii=1 r 2idt（3-8）其中，m 为机器人的总质量， m = mc + mii=14由式(3-8)可以看出，机器人的驱动力之和用来克服车轮的滚动阻力之和、机器人平移质量的加速阻力之和、车轮旋转质量的加速阻力之和，并且在机器人爬坡的行进过程中，还要克服机器人的整机重力沿斜坡的分力。机器人在管道内行进的过程中，可能受到的影响因素很多，所以在选取电机的功率时要充分的考虑到电机效率、机械传动效率和安全因数的选取。根据机器人要求估算驱动力矩M和行驶速度v、机构传动效率，可初步确定驱动用电机的功率P 为：P = KM vrh（3-9）其中，K为余度系数。先以机器人在坡度=10的直管道内，以v = 10m / min 的速度匀速前进，机器人驱动轮半径r=80mm，小车的总重量m =15kg，当量摩擦系数=0.4，K=2，=0.76（其中发电机效率为0.92，行星轮减速器效率为0.9，齿轮传动效率为0.92）。根据公式(3-8)有 Mr= m mg + mg sin10 = 0.4 1510 + 1510 sin10o= 86N ，根据公式(3-9)有 P = 2 86 100.76 60= 37.7W 。考虑机器人在转弯时只通过一个电机带动驱动轮旋转，其他驱动轮转速均为零的情况，则要求每个电机都要有大于37.7w ，因此本文选择易顺公司的TH60JB标准型电机，功率为40w ，配以相同型号的减速器，完全能够满足了机器人的工作需求。图3-2是该电机的外形尺寸。主要参数，电压24v ；功率40w ；减速比80 ；重量1200g ；空载转速50rpm ； 额定输出扭矩50kg/cm 。图 3-2 电机外形尺寸3.2 管道机器人的理论牵引力分析及计算本文设计的管道机器人有前后两组共四个轮，整体分布形式与四轮小车相似。四个轮子均为驱动轮，靠四个直流伺服电机分别驱动。由于正压力的作用，使驱动轮与管壁间产生一个与本体运动方向相同的摩擦力，正是这个摩擦力提供了机器人前进的动力。定义驱动轮与管壁之间产生的这个摩擦力为管道机器人的理论牵引力。为分析方便做以下假设：正压力足够大，载体驱动电机额定功率为 P (kw) ，额定转速为n (rpm) ，驱动轮当量半径为r (mm) ，传动系统总传动比为i ，系统传动效率为h ， 驱动轮与管壁的当量摩擦系数为m / 。驱动轮处的总转动力矩为： M i= 9550 Pihn（3-10）驱动轮产生的理想牵引力为： Fi = 1000 Mi / R（3-11）所选用的驱动电机额定功率 P = 40w ，传动比i = 80 ， n = 4000rpm ，h = 0.76 。则根据公式(3-10)有：M = 9550 0.04 80 0.764000（3-12）= 5.8N m机器人驱动轮当量半径r = 80mm ，则机器人的牵引力为：F = 1000 Mr= 1000 5.880（3-13）= 72.5N计算结果说明，电机可提供的牵引力为72.5N 。公式(3-2)可以看出，似乎意味着只要电机功率足够，机器人的牵引力就能达到足够大。实际上这里还必须得考虑正压力的大小，因为摩擦系数不可能无限大，所以保证驱动轮不打滑的最直接办法就是通过改变配重提高正压力。所设计的管道机器人正压力的产生和机器人整机的重量有直接的关系，设驱动轮上的正压力之和为 N fi ，同时假设所有驱动轮的当量直径及材料特性都相同， 轮子的转动惯量忽略不计，机器人在管内作业过程中产生的实际牵引力为 FG ，机器人驱动轮与管壁的当量摩擦系数为m = 0.4 ，则有：FG = m Ffi= 0.4 1510= 60N（3-14）由式(3-13)、式(3-14)计算得到的结果分析可知， FG F ，即电机可以给机器人提供足够的驱动力，机器人具有的实际牵引力 FG = 60N 。3.3 管道机器人拖缆力的理论计算拖缆作业的管内机器人在作业过程中需要提供额外的拖缆力，拖缆力的大小将直接影响机器人的最大作业距离。对机器人拖缆力的理论推导过程作以下假设17：（1）电缆在管道内做匀速移动，无爬行现象；（2）电缆线为理想的柔韧体，无轴向伸长，无内摩擦；（3）电缆线在管道内与管壁处处接触；（4）电缆线经过的管道为平直管道；如图3-3所示，直管道与水平面夹角为q ，V 为电缆的运动方向， f 为电缆与管壁间的滑动摩擦系数， r 为单位长度电缆线的重量。电缆长度为S ，在电缆上任图3-3 直管内电缆受力分析简图取一长度为ds 的微段进行分析，该微段的平衡方程如下：F + fdN + rdS sin q = F + dF dN = rdS cosq（3-15）（3-16）由此得出：r ( f cosq + sin q )dS = dF k = r ( f cosq + sin q )kdS = dF（3-17）（3-18）（3-19）并对(3-19)进行积分得：sF 2k 0 ds = F1 dFF2 = F1 + ks（3-20）这里k = r ( f cosq + sin q ) 为当量摩擦系数，公式(3-20)为直管中的拖缆力计算公式。以本文所设计的机器人所用光电复合缆为研究对象，其中，所选的光电复合的单位长度重量为：r = 100kg 10N / kg = 1N / m1000m缆线在管道内的滑动摩擦系数 f = 0.2 ，取管道的倾斜角度q = 10o ，缆线长度s = 100m ，则根据式（3-18）得：k = r ( f cosq + sin q )= 1 (0.2 cos10 + sin10)= 0.371（3-20）sF 2F 2k 0 ds = F1 dF1000.371 0ds = F1 dF（3-21）F2 - F1 = 37.1N F2 = 37.1 + F1由于缆线在管道中还可能受其它的阻力 F1 影响， 不可能为理想状态，这里F1 = 10N ，则有： F2 = 47.1N即，机器人拖动缆线的拖缆力为 F2 = 47.1N3.4 本章小结本章对轮式排水管道检测机器人的驱动特性进行了详细研究，对机器人的驱动电机功率的确定、牵引力的计算进行了详细的分析；对机器人拖缆力的理论计算进行了研究，推导了直管下的拖缆力计算公式。第四章管道机器人主要零部件设计及校核4.1 轴4.1.1 轴的确定由村料力学可知，对于传递转矩的实心圆轴的扭转强度条件为T9550000 PWt T =T0.2d 3n t T（4-1）T式中 d为计算截面处轴的直径（mm）；tT 为轴的扭剪应力（MPa）；T为轴传递的转矩（N mm）；P为轴传递的功率（KW）；N为轴的转速（r/min）；WT 为轴的抗扭剖面系数mm ；t 为许用扭剪应力（MPa）18。3 nP对于既传递转矩又承受弯矩的轴，也可用上式初步估算轴的直径，但必须把轴的许用扭剪应力t 适当降低，以补偿弯矩对轴的影响。将降低后的许用应力代入上式，并改写为设计公式：9550000P30.2t T nd = C （4-2）式中C为轴的村料和承载情况确定的常数，可查机械手册得到，应用上式求出的d值作为轴最细处的直径。0.04350即：d 107 d 9.95 mm轴的尺寸如图4-1所示：图4-1 轴的尺寸4.1.2 轴的强度校核轴的材料选用45钢调制处理，sb = 650MPa ，s s = 360MPa 。轴的计算步骤如下：（1） 计算齿轮，车轮受力锥齿轮受力转矩： T= 9.55106 P = 9550000 0.04 = 7640N imm1锥齿轮受圆周力： Fn50= 2T1 = 2 7640 = 382Nt1锥齿轮受径向力： Fd140= F tan a = 382 tan 20o = 139.04Nrtn（2） 计算支承反力水平面反力： FH 2FH 1垂直面反力： Fv 2= 382 55 = 764N 27.5= 764 27.5 = 382N55= 139.04 55 = 278.08N27.5Fv1= 278.08 27.5 = 139.04N55水平面受力图见图4-2(a) ；垂直面受力图见图4-2(b)图 4-2(a) 水平面受力图图 4-2(b) 垂直面受力图（