管道机器人的研究与设计.pdf

1、南昌工学院课 程 论 文 报 告课 程 名 称 ： 机 器 人 基 础论 文 题 目 ： 管 道 机 器 人 的 研 究 与 设 计姓 名 ：王 有 强二 级 学 院 ： 机 械 工 程 学 院专 业 ： 机 电 一 体 化年 级 ： B0911学 号 ： 09021010135指 导 教 师 ： 陈 海 燕职 称 ： 助 教摘 要管 道 运 输 在 我 国 运 用 比 较 普 遍 ， 管 道 长 期 处 于 压 力 大 的 恶 劣 环 境 中 ， 受 到 水 、 油 混 合 物 、硫 化 氢 等 有 害 气 体 的 腐 蚀 。 这 些 管 道 受 蚀 后 ， 管 壁 变 薄 ， 容 易 产

2、生 裂 缝 ， 造 成 漏 油 的 问 题 ，存 在 重 大 安 全 生 产 隐 患 和 济 济 损 失 。 因 此 研 究 工 程 应 用 中 的 管 道 机 器 人 具 有 很 高 的 实 用 价 值和 学 术 价 值 。根 据 这 些 问 题 ， 我 们 设 计 一 种 新 的 行 走 机 构 并 分 析 了 其 总 体 机 械 结 构 。 本 文 进 一 步 介 绍了 当 前 国 内 外 的 管 道 机 器 人 的 发 展 现 状 并 提 出 了 一 种 新 的 管 内 行 走 机 构 。 它 利 用 一 个 电 机 同时 驱 动 均 布 在 机 架 上 并 与 管 内 壁 用 弹 簧

3、 力 相 封 闭 的 六 个 行 进 轮 ， 从 而 实 现 了 可 以 轴 向 直 进 全驱 动 的 管 内 行 走 。接 着 本 论 文 重 点 对 直 进 轮 式 管 道 机 器 人 的 运 动 机 理 和 运 动 特 征 进 行 了 分 析 和 介 绍 。 根 据管 道 机 器 人 的 设 计 要 求 选 择 电 机 ， 介 绍 了 电 机 选 择 过 程 ， 对 其 中 关 键 的 机 械 部 件 如 蜗 轮 蜗 杆传 动 部 件 、 齿 轮 等 进 行 了 设 计 。 该 机 器 人 具 有 较 大 的 承 载 能 力 ， 可 以 在 较 高 的 速 度 下 实 现 连续 移 动

4、， 由 于 该 机 构 采 用 弹 性 装 置 支 撑 ， 所 以 该 机 构 的 管 径 适 应 性 增 大 ， 是 一 种 具 有 实 用 价值 的 移 动 机 构 形 式 。关 键 词 ： 管 道 机 器 人 ； 行 走 机 构 ； 弹 性 装 置AbstractIn our country, pipeline transportation is very universal, and pipeline is inhighpressure circumstance. Because pipes are corroded by thewater, the oil mixture,the h

5、ydrogen sulfide, the noxious gas corrosion and so on. When these pipelines werecorroded, their walls would become thin and result in cracks and oil leak, thereis safety incipient fault in production and economic loss. So the key technologyand further research development trend of in-pipe robot are d

6、iscussed.According to these problems, we designed a new mobile mechanism and analyzedits machine structure. In this paper, the current states of in-pipe robot aredescribed and a new type of mobile robot mechanism moving in pipe is presented. Ituses two motor to drive six wheels which distribute symm

7、etrically on the robot bodyand a wheels are pushed on the wall of pipe by spring force， so that the six drivingwheels move along the axis of pipe. This kind of mobile robot mechanism has highefficiency， simple structure and easy to manufacture and to mount.Then the papers focus on direct pipeline in

8、to the wheeled robots movement andthe movement of an analysis and presentation. According to the pipeline robot designrequirements choose Motors, introduced the motor selection process, of which thekey mechanical components such as worm transmission parts, such as a gear design.The robot with the la

9、rger carrying capacity, can achieve higher speeds for mobile,as the agencies adopt a flexible device support, the agency increased the diameterof adaptability, is a kind of practical value in the form of body movement.K eywords: In-pipe Robot; Mobile mechanism; Flexible device目 录摘 要 .2Abstract.3第 一

10、章 我 国 管 道 机 器 人 的 发 展 状 况 及 趋 势一 本 课 题 的 研 究 目 的 和 意 义 .5二 国 内 外 管 道 机 器 人 的 发 展 状 况 .6三 国 内 外 管 道 机 器 人 的 发 展 趋 势 .11四 论 文 的 研 究 内 容 .12第 二 章 管 道 机 器 人 总 体 方 案 设 计 .错 误 ！ 未 定 义 书 签 。一 实 现 管 内 行 走 的 几 种 典 型 机 构 132.1.1螺 旋 轮 式 .132.1.2蠕 动 式 .14二 直 进 轮 式 全 主 动 管 内 机 器 人 的 运 动 机 理 . 16参 考 文 献 18致 谢 .19

11、第 一 章 我 国 管 道 机 器 人 的 发 展 状 况 及 趋 势第 一 节 课 题 的 研 究 目 的 和 意 义深 邃 的 大 海 中 埋 藏 着 长 长 的 海 底 管 道 ， 用 来 传 送 石 油 、 天 然 气 。 而 一 旦 出 现缺 陷 ， 不 仅 会 造 成 能 源 浪 费 ， 还 严 重 污 染 海 洋 环 境 。 如 何 精 确 检 测 海 底 管 道 ， 防患 于 未 然 。我 国 海 底 管 道 铺 设 时 间 普 遍 较 长 ， 有 30、 40 年 之 久 ,石 油 管 道 长 期 处 于 压 力大 、 温 度 高 的 恶 劣 环 境 中 ， 不 仅 受 到

12、水 、 油 混 合 物 的 浸 蚀 ， 而 且 还 受 到 硫 化 氢 等有 害 气 体 的 腐 蚀 ,部 分 管 段 管 壁 变 薄 ， 强 度 变 低 ， 出 现 裂 缝 导 致 石 油 泄 漏 等 故 障 ,存 在 重 大 安 全 生 产 隐 患 。 一 般 情 况 下 ， 管 道 所 处 的 环 境 往 往 是 人 们 不 易 或 不 能 直接 接 触 的 。 因 此 ， 对 于 管 道 的 检 测 和 维 护 ， 成 了 工 业 生 产 中 的 一 道 难 题 。 由 此 产生 了 管 道 机 器 人 并 且 受 到 了 国 际 各 方 面 的 广 泛 关 注 。管 道 机 器 人

13、是 一 种 可 在 管 道 内 、 外 行 走 的 机 电 一 体 化 装 置 ,它 可 以 携 带 1 种或 多 种 传 感 器 及 操 作 装 置 (如 CCD 摄 像 机 位 置 和 姿 态 传 感 器 、 超 声 传 感 器 、 涡 流传 感 器 、 管 道 清 理 装 置 、 管 道 接 口 焊 接 装 置 、 防 腐 喷 涂 装 置 等 操 作 装 置 ),在 操 作人 员 的 远 距 离 控 制 下 进 行 一 系 列 的 管 道 检 测 维 修 作 业 。 一 个 完 整 的 管 道 机 器 人 系统 应 由 移 动 载 体 (行 走 机 构 )、 管 道 内 部 环 境 识

14、别 检 测 系 统 (操 作 系 统 )、 信 号 传 递和 动 力 传 输 系 统 及 控 制 系 统 组 成 。 其 中 移 动 载 体 和 管 道 内 部 环 境 识 别 检 测 系 统 是管 道 机 器 人 系 统 的 核 心 部 分 。 本 次 设 计 重 点 在 于 设 计 一 个 直 径 轮 式 驱 动 装 置 ， 要求 此 驱 动 装 置 简 便 ， 拖 动 效 率 高 且 适 应 性 好 。最 近 20 年 来 ， 国 内 外 对 管 道 机 器 人 驱 动 装 置 进 行 了 较 为 深 入 和 广 泛 的 研 究 ，设 计 出 多 种 移 动 装 置 。 根 据 移 动

15、载 体 和 驱 动 原 理 的 不 同 ， 可 以 分 为 全 驱 动 直 进 式 、螺 旋 驱 动 式 、 电 磁 驱 动 式 、 压 电 驱 动 式 ， 以 及 履 带 式 等 。 目 前 管 道 检 测 机 器 人 只能 对 某 种 特 定 内 径 的 管 道 检 测 。本 人 在 分 析 现 有 管 道 检 测 机 器 人 的 基 础 上 ， 进 行 了 管 道 检 测 机 器 人 驱 动 机 构的 研 究 。 该 检 测 机 器 人 基 于 直 进 轮 式 驱 动 原 理 ， 采 用 可 调 整 三 轮 驱 动 结 构 ， 以 适应 一 定 管 径 的 变 化 。第 二 节 国 内

16、外 管 道 检 测 技 术 的 研 究 现 状在 工 业 、 核 工 业 、 石 油 天 然 气 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 为满 足 高 效 准 确 的 故 障 诊 断 、 检 测 及 维 修 的 手 段 应 运 而 生 ， 其 广 泛 地 应 用 于 管 道 的探 伤 、 补 口 、 维 修 、 焊 接 等 诸 多 领 域 。 而 管 道 中 又 存 在 着 直 径 大 小 不 等 的 细 小 管道 ， 针

17、 对 这 种 细 小 工 业 管 道 检 测 作 业 的 研 究 ， 成 为 人 们 关 注 的 一 个 热 点 ， 因 其 管径 太 小 ， 不 可 能 用 常 规 的 机 构 、 元 器 件 和 加 工 方 法 制 作 ， 而 要 用 密 集 的 、 集 成 度方 面 比 过 去 高 得 多 的 元 器 件 ， 针 对 微 小 型 特 点 的 制 作 方 法 去 实 现 ， 这 种 技 术 在 日本 称 为 Micro Machine。 近 年 来 ， 由 于 微 机 械 的 出 现 ， 这 种 基 于 IC 工 艺 和 精 密 加工 工 艺 发 展 起 来 的 新 技 术 ， 具 有 尺

18、 寸 小 、 集 成 度 高 、 功 能 独 特 等 特 点 ， 潜 在 应 用价 值 较 大 ， 也 为 细 小 管 道 微 机 械 的 开 发 铺 平 了 道 路 ， 引 起 世 界 各 国 重 视 。 轮 式 驱动 因 在 直 管 中 具 有 效 率 高 、 运 动 平 稳 等 特 点 而 成 为 管 道 机 器 人 的 主 要 驱 动 方 式 。2 但 轮 式 驱 动 方 式 在 遇 到 弯 管 或 不 规 则 管 等 情 况 时 会 发 生 运 动 干 涉 问 题 ， 严 重限 制 了 轮 式 管 道 机 器 人 的 应 用 。 现 有 的 解 决 办 法 是 采 用 多 个 电 机

19、 独 立 驱 动 ， 然 而这 种 方 法 的 实 时 性 和 柔 顺 性 还 不 够 理 想 ， 并 且 由 于 多 个 电 机 占 据 了 大 部 分 空 间 ，而 限 制 了 轮 式 管 道 机 器 人 在 中 小 型 管 道 中 的 应 用 。 3下 面 介 绍 一 下 几 种 国 内 外的 发 明 与 探 索 。从 20 世 纪 5 0 年 代 起 ,为 满 足 长 距 离 管 道 运 输 、 检 测 的 需 要 ,美 、 英 、 法 等 国相 继 展 开 了 管 道 机 器 人 的 研 究 ,其 最 初 成 果 就 是 一 种 无 动 力 的 管 内 检 测 设 备 ,一 般译 名

20、 称 “管 道 猪 ”(Pipe Pig)4。 该 设 备 依 靠 其 首 尾 两 端 管 内 流 体 形 成 的 压 力 为 驱 动力 ,随 着 管 内 流 体 的 流 动 向 前 运 动 。 它 是 一 种 被 动 的 无 自 主 动 力 的 检 测 设 备 ,依 靠外 力 的 作 用 而 实 现 在 管 道 中 移 动 。 随 着 计 算 机 、 传 感 器 、 控 制 理 论 及 技 术 的 发 展 ,近 些 年 来 ,人 们 开 始 研 究 采 用 具 有 自 主 动 力 的 机 器 人 来 进 行 管 道 检 测 。 这 种 管 道机 器 人 能 在 管 道 中 自 主 行 走 ,

21、可 以 准 确 接 近 管 道 的 故 障 截 面 ,获 得 故 障 状 况 的 可 靠信 息 ,精 确 到 达 操 作 位 置 。经 过 分 析 与 研 究 发 现 ， 直 进 轮 式 管 道 机 器 人 主 要 有 两 种 驱 动 方 式 ： 单 电 机 驱动 和 多 电 机 独 立 驱 动 。 单 电 机 驱 动 是 由 一 个 电 机 通 过 蜗 杆 传 动 机 构 或 锥 齿 轮 传 动机 构 将 动 力 传 递 给 圆 周 均 布 的 驱 动 轮 ， 驱 动 机 器 人 前 进 。 3由 于 这 种 驱 动 方 法是 刚 性 传 动 ， 使 机 器 人 在 通 过 不 规 则 管

22、道 时 发 生 运 动 干 涉 ， 导 致 机 器 人 工 作 效 率下 降 ， 加 速 磨 损 ， 降 低 使 用 寿 命 。 针 对 这 个 问 题 ， 人 们 提 出 多 电 机 独 立 驱 动 ， 利用 传 感 器 采 集 管 道 参 数 ， 由 控 制 系 统 进 行 分 析 和 计 算 ， 再 分 别 驱 动 多 个 电 机 来 实现 管 道 机 器 人 对 管 道 环 境 的 适 应 。 由 于 管 道 环 境 复 杂 ， 环 境 信 息 采 集 和 处 理 困 难 ，致 使 多 电 机 驱 动 的 机 器 人 控 制 系 统 复 杂 且 稳 定 性 较 差 ， 实 时 性 和

23、柔 顺 性 不 够 理 想 ，并 不 能 完 全 解 决 直 进 轮 式 管 道 机 器 人 通 过 不 规 则 管 道 时 发 生 运 动 干 涉 的 问 题 。 下面 为 部 分 最 新 的 科 研 成 果 。1.2.1 机 械 自 适 应 管 道 机 器 人3为 了 使 机 械 自 适 应 管 道 机 器 人 驱 动 单 元 有 较 大 的 负 载 能 力 、 均 匀 的 速 度 、 较强 的 管 道 环 境 适 应 能 力 ， 通 过 对 目 前 管 道 机 器 人 结 构 特 点 进 行 分 析 比 较 ， 来 自哈 尔 滨 工 业 大 学 和 北 京 大 学 的 唐 德 威 、 梁

24、 涛 、 姜 生 元 、 邓 宗 全 、 于 伟 真 等 人 设 计了 一 种 具 有 管 道 自 适 应 能 力 、 单 电 机 驱 动 的 直 进 轮 式 管 道 机 器 人 驱 动 系 统 ， 其 原理 图 1.1 所 示 。 该 机 器 人 驱 动 系 统 由 控 制 单 元 、 行 走 单 元 、 中 央 差 速 单 元 及 预 紧变 径 单 元 组 成 。1-预 紧 变 径 单 元 2-行 走 单 元 3-同 步 带 4-驱 动 轮 5-管 壁6-控 制 单 元 7-中 央 差 速 单 元 8-离 合 器图 1.1 机 械 自 适 应 管 道 机 器 人 原 理 图1.2.2 机

25、械 自 适 应 管 道 机 器 人 工 作 原 理 如 下 ：(1)电 机 输 出 的 动 力 经 由 离 合 器 ， 通 过 控 制 单 元 控 制 ， 可 分 别 传 递 到 预 紧 变径 单 元 和 中 央 差 速 单 元 。(2)中 央 差 速 单 元 根 据 管 道 环 境 条 件 进 行 自 动 差 速 分 配 ， 再 通 过 行 走 单 元 传递 到 各 驱 动 轮 ， 驱 动 机 器 人 本 体 向 前 或 向 后 移 动 。(3)预 紧 变 径 单 元 中 装 有 压 力 传 感 器 ， 控 制 单 元 通 过 该 传 感 器 测 量 预 紧 力 ，当 预 紧 力 超 过 系

26、 统 设 定 值 时 ， 控 制 离 合 器 改 变 动 力 传 递 方 向 至 预 紧 变 径 单 元 ， 调节 预 紧 力 大 小 直 至 满 足 系 统 设 定 要 求 。1.2.3 机 械 自 适 应 管 道 机 器 人 的 特 点机 械 自 适 应 管 道 机 器 人 最 大 的 特 点 就 是 具 有 机 械 自 适 应 能 力 ， 利 用 机 械 方 法 ，解 决 了 直 进 轮 式 管 道 机 器 人 遇 到 弯 管 或 不 规 则 管 时 发 生 运 动 干 涉 的 问 题 ； 同 时 ，系 统 中 采 用 圆 周 三 点 、 前 后 两 排 轮 的 支 撑 和 驱 动 方

27、式 ， 大 大 提 高 了 管 道 机 器 人 的负 载 能 力 与 越 障 能 力 。 该 机 器 人 的 前 后 两 组 支 撑 中 的 三 个 行 走 轮 都 是 沿 径 向 均 匀分 布 的 ， 而 前 后 两 部 分 都 是 沿 轴 向 对 称 的 ， 支 撑 点 共 六 个 ， 满 足 形 封 闭 条 件 。 当移 动 机 构 行 走 时 ， 三 个 轮 子 呈 径 向 均 匀 分 布 ， 可 以 实 现 自 定 心 要 求 。 在 支 撑 装 置的 作 用 下 ， 行 走 轮 被 紧 紧 压 在 管 道 内 壁 上 ， 具 有 较 强 的 适 应 性 。 机 构 设 计 中 利

28、用对 称 性 ， 抵 消 了 机 器 人 在 运 动 过 程 中 不 平 衡 力 偶 的 干 扰 ， 使 所 有 的 力 集 中 到 电 机运 转 轴 线 所 在 的 竖 直 平 面 上 。 同 时 ， 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 保 持 适 当 的 距 离 ， 保 证 了 整 个 机 器 人 运 行 过 程 中 的 平 稳性 。 （ 1） 直 进 轮 式 微 型 管 道 机 器 人为 了 使 管 内 移 动 机 构 具 有 较 大 的 负 载 能 力 ， 较 高 和 均 匀 的 速 度 ， 适 应 一

29、定 曲率 的 弯 管 和 适 应 一 定 的 管 径 变 化 ， 北 京 石 油 化 工 学 院 机 械 工 程 系 的 田 海 晏 、 薛龙 和 北 京 化 工 大 学 的 孙 章 军 在 分 析 目 前 微 型 管 道 机 器 人 结 构 特 点 的 基 础 上 ， 设 计了 蜗 轮 蜗 杆 和 齿 轮 组 啮 合 、 单 电 机 驱 动 的 直 进 轮 式 微 型 管 道 检 测 机 器 人 系 统 。 该机 器 人 系 统 由 直 进 轮 式 移 动 机 构 、 CCD 摄 像 头 和 监 视 器 组 成 。 机 器 人 移 动 机 构包 括 驱 动 体 、 微 电 机 系 统 和 支

30、 撑 体 3 部 分 ， 驱 动 体 部 分 通 过 连 接 体 将 直 流 伺 服 电机 与 蜗 轮 蜗 杆 副 连 接 ， 驱 动 轮 通 过 支 撑 体 部 分 保 证 在 驱 动 过 程 中 有 足 够 的 摩 擦 力 。1.微 型 管 道 机 器 人 的 运 动 机 理微 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 扭 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

31、述 分 析 。 其 机 构 简 图 如 图 1.1 所 示 。 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 。2.微 型 管 道 机 器 人 的 移 动 机 构 的 特 点机 器 人

32、的 移 动 机 构 具 有 结 构 紧 凑 和 较 大 的 负 载 能 力 ， 满 足 管 道 内 行 走 的 基 本条 件 。 移 动 机 构 的 前 后 两 组 支 撑 中 ， 三 个 车 轮 都 是 沿 径 向 均 匀 分 布 的 ， 而 前 后 两部 分 都 是 沿 轴 向 对 称 的 ， 支 撑 点 共 六 个 ， 因 此 满 足 形 封 闭 条 件 。 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 一 个 圆 柱 面 上 ，因 此 可 以 实 现 自 定 心 ， 在 支 撑 装 置 的 作

33、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 上 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 。分 析 了 直

34、 进 轮 式 微 型 管 道 机 器 人 的 运 动 机 理 和 运 动 特 征 ， 对 其 机 构 设 计 进 行了 分 析 和 介 绍 。 对 其 中 关 键 的 机 械 部 件 如 蜗 轮 蜗 杆 传 动 部 件 、 弹 簧 等 进 行 了 设 计计 算 。 该 机 器 人 具 有 较 大 的 承 载 能 力 ， 可 以 在 较 高 的 速 度 下 实 现 连 续 移 动 ， 由 于该 机 构 的 驱 动 体 部 分 采 用 弹 性 装 置 来 支 撑 ， 所 以 该 机 构 的 管 径 适 应 性 增 大 ， 是 一种 具 有 实 用 价 值 的 移 动 机 构 形 式 。 该 移 动

35、 机 构 具 有 结 构 紧 凑 ， 驱 动 效 率 高 ， 安 装方 便 ， 工 作 可 靠 ， 成 本 较 低 的 特 点 。（ 2） 直 进 轮 式 全 驱 动 管 内 行 走 机 构 的 研 究1.机 构 的 原 理如 图 1.2 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

36、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 1.2 机 构 的 原 理 图2.机 构 设 计 的 要 点蜗 轮 蜗 杆 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

37、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 。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

38、 性 。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 ，

39、弹 簧 力 的 大 小 仍 可 由 外 面 的 轴 杆 来 调 节 。实 验 分 析 ：通 过 实 验 和 理 论 分 析 ， 该 种 形 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 。第 三 节 国 内 外 管 道 作 业 机 器 人 的 发 展 趋 势管 道 检 测 微 型 机 器 人 是 国 家 863 计 划 微 型 机 电 系 统 （ MEMS） 预 先 启 动 项 目指 南 （ B） 应 用 系 统 技

40、术 支 持 的 项 目 之 一 ， 面 向 化 工 、 制 冷 、 电 站 等 行 业 存 在 的众 多 细 小 管 道 。 主 要 研 究 内 容 包 括 ： （ 1） 驱 动 和 控 制 技 术 研 究 ； （ 2） 无 损 检 测微 型 传 感 器 研 究 ； （ 3） 系 统 集 成 技 术 研 究 。 主 要 参 考 技 术 指 标 为 ： 适 应 管 径20mm； 水 平 管 道 内 移 动 速 度 14mm/s， 垂 直 管 道 内 移 动 速 度 10mm/s； 携 带微 型 CCD 或 其 他 探 伤 传 感 器 ， 能 可 靠 地 进 行 无 损 探 伤 。目 前 ， 国

41、内 研 究 管 道 机 器 人 有 代 表 性 的 单 位 有 清 华 大 学 特 种 机 器 人 研 究 小 组 、哈 尔 滨 工 业 大 学 机 器 人 研 究 所 、 上 海 大 学 机 械 电 子 工 程 学 院 和 精 密 机 械 研 究 所 、上 海 交 通 大 学 信 息 检 测 技 术 及 仪 器 系 、 天 津 大 学 机 械 工 程 系 、 太 原 理 工 大 学 和 国防 科 技 大 学 等 。国 外 细 小 管 道 机 器 人 的 研 究 方 面 ， 日 本 、 美 国 、 德 国 等 发 达 国 家 已 走 在 世 界的 前 列 ， 其 中 以 日 本 最 为 活 跃

42、 。 德 国 西 门 子 公 司 研 制 出 仿 蜘 蛛 的 爬 管 微 机 器 人 ，这 类 机 器 人 有 4、 6、 8 只 脚 三 种 类 型 ， 可 在 各 种 类 型 的 管 内 移 动 ,其 运 动 原 理 是利 用 腿 推 压 管 壁 来 获 得 驱 动 力 ， 多 腿 可 以 很 方 便 地 在 各 种 形 状 的 管 道 内 移 动 作 业 ，但 其 控 制 较 复 杂 。 法 国 HYTEC 公 司 设 计 生 产 的 核 工 业 用 管 道 检 测 机 器 人 具 有 抗高 温 、 抗 腐 蚀 、 抗 辐 射 的 优 良 性 能 ， 最 小 可 在 20mm 的 管 道

43、 内 进 行 检 测 与 维 修 。加 拿 大 制 造 的 管 道 爬 行 机 器 人 携 带 CCD 摄 像 机 ， 应 用 于 热 电 厂 、 核 电 厂 、 水 电厂 、 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

44、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 。第 四 节 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

45、。 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 297mm 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

46、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

47、 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 。第 二 章 直 进 轮 式 全 主 动 管 内 机 器 人 的 总 体 方 案 计第 一 节 机 器 人 管 内 运 动 方 式 对 比 分 析2.1.1 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

48、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 ,Ik

49、uta 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 2.1 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 2.1 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