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一種蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
在現(xiàn)代，無(wú)論是工業(yè)、農(nóng)業(yè)還是國(guó)防領(lǐng)域中都有縱橫交錯(cuò)的管道。如何保障這些管道系統(tǒng)的安全性和有效性，對(duì)于我困經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。管道機(jī)器人是工作在輸送管道內(nèi)，用于完成管道缺陷檢測(cè)、修復(fù)等的智能裝置，是保障管道安全的重要工具。由于管道內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，對(duì)管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)效率高，同時(shí)對(duì)復(fù)雜的管內(nèi)環(huán)境具有自適應(yīng)能力。因此研制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)效率高、具有管內(nèi)環(huán)境自適應(yīng)能力的管道機(jī)器人具有重要意義。
該蠕動(dòng)式管道機(jī)器人由三部分組成，包括一個(gè)伸縮模塊和兩個(gè)支撐夾緊模塊。伸縮模塊主要由主執(zhí)行器和四組齒輪齒條構(gòu)成，利用齒輪齒條的往復(fù)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走；兩個(gè)支撐夾緊模塊結(jié)構(gòu)上完全一樣，通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)使機(jī)器人的腳與管壁壓緊，從而產(chǎn)生機(jī)器人行走所需的靜摩擦力。伸縮模塊和支撐模塊按一定的順序循環(huán)工作，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)的行走。
本文首先通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)況和現(xiàn)有管道機(jī)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及原理提出自己的設(shè)計(jì)方案，接著從動(dòng)作原理和運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力特性等角度分析了該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)，讓后對(duì)機(jī)器人各模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)與校核，最后采用Pro/E對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)以及采用AutoCAD繪圖軟件繪制了該機(jī)器人的裝配圖和主要零件圖。
關(guān)鍵字：蠕動(dòng)，管道，機(jī)器人，設(shè)計(jì)
Abstract
In modern times, whether industrial, agricultural or defense in both pipelines criss-cross. How to protect the safety and effectiveness of these piping systems, economic development is essential for me sleepy. Pipeline robot is working in the pipeline for the completion of the pipeline defect inspection, repair, and other smart devices, is an important tool to protect the safety of pipelines. Due to the complexity of the environment in the pipeline, the pipeline robot design requirements driving a simple cell structure, high drive efficiency, while the inner tube environments with complex adaptive capacity. Therefore, the development of a simple structure, high drive efficiency, environmental adaptive ability of the tube pipe robot is important.
The peristaltic pipe robot consists of three parts, including a telescoping clamp module and two support modules. Telescopic module is composed primarily of four main actuator and gear rack, the gear rack to achieve the reciprocating movement of the walking robot; two supporting structures are completely the same as the clamping block, slider-crank mechanism of the robot through the feet and the tube pressing the walls to produce the required static friction walking robot. Telescoping module and support module cycle work according to a certain order to achieve the robot to walk in the pipeline.
Firstly, make their own designs by analyzing the structural characteristics and the principle of status quo and existing domestic pipeline machines, then from the action principle and motion characteristics, dynamic characteristics, such as paper analyzes the structure and performance characteristics of the robot, so that after Each module is a detailed robot design and verification, finally using Pro/E the robot uses a three-dimensional design and drawing software AutoCAD drawing the assembly drawing of the robot and the main parts diagram.
Keywords: Motility, Pipes, Robotics, Design
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1 研究背景及意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究概況 1
1.3 蠕動(dòng)式管道機(jī)器人概述 4
第二章 總體設(shè)計(jì)與特性分析 6
2.1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 6
2.2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 6
2.2.1 蠕動(dòng)方式選定 6
2.2.2 支撐夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
2.3 總體方案確定 8
2.4 運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)特性分析 9
2.4.1直線運(yùn)動(dòng) 9
2.4.2轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng) 11
第三章 各組成部分的設(shè)計(jì) 14
3.1 性能參數(shù)的選定 14
3.2 蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14
3.2.2 伺服電機(jī)的選定 14
3.2.1 運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 15
3.2.3 減速器的選定 15
3.2.3 圓錐齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 16
3.2.4 齒輪齒條傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 19
3.2.5 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)及軸上零件的選定 22
3.2.6 機(jī)架的設(shè)計(jì) 25
3.3 支撐夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 26
3.3.1 伺服電機(jī)的選定 26
3.3.2 運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)選定 26
3.3.3減速器的選定 26
3.3.4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 27
3.3.5 機(jī)架的設(shè)計(jì) 30
3.4 機(jī)器人各模塊基于Pro/E的三維設(shè)計(jì) 30
3.4.1 蠕動(dòng)行走模塊 30
3.4.2 上部支撐夾緊模塊 31
3.4.3 下部支撐夾緊模塊 31
3.4.3 機(jī)器人整體設(shè)計(jì) 32
第四章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 33
4.1 控制系統(tǒng)組成 33
4.1.1 蠕動(dòng)式機(jī)器人控制系統(tǒng) 33
4.1.2核心器件的選擇 33
4.2蠕動(dòng)式機(jī)器人的具體控制方法 35
結(jié) 論 36
參考文獻(xiàn) 37
致 謝 38
40
第一章 緒論
1.1 研究背景及意義
隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，空調(diào)和天然氣管道以及各種輸送管道的應(yīng)用越來(lái)越多。在我國(guó)及世界各個(gè)國(guó)家內(nèi)，由于地形的限制和土地資源的有限，在地下都埋設(shè)了很多的輸送管道，例如天然氣管道、石油管道等，在埋有管道的地面上面都已經(jīng)建成了很多的建筑物、公路等，給管道的維修和維護(hù)造成了很大的困難。當(dāng)這些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等問(wèn)題時(shí)，人們普通的做法是挖開(kāi)道路進(jìn)行維修，有些時(shí)候如果不能準(zhǔn)確判斷泄露和堵塞的具體位置時(shí)，會(huì)浪費(fèi)很多的時(shí)間和精力，同時(shí)降低了工作效率。
隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，以及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和管道測(cè)試等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相互之間的滲透程度越來(lái)越深，人們制造出各種各樣的管道機(jī)器人來(lái)進(jìn)行對(duì)各種管道的維修、維護(hù)和檢測(cè)。管道機(jī)器人可以進(jìn)入人們無(wú)法進(jìn)入的管道中，完成一定的規(guī)定任務(wù)如檢測(cè)管道的裂縫、清掃管道，這樣的話，人們不再為了維修、維護(hù)管道時(shí)挖開(kāi)道路，或是對(duì)空調(diào)等完全拆卸開(kāi)，節(jié)省了大量的人力，物力和財(cái)力。
目前的管道機(jī)器人都是以履帶、輪子等實(shí)現(xiàn)在管道中的移動(dòng)，這樣有很多的缺點(diǎn)。例如目前的管道機(jī)器人都是為了專(zhuān)門(mén)的管道而設(shè)計(jì)的，通用性不好，舉個(gè)例子，當(dāng)輪式或是履帶式的管道機(jī)器人在有一定的液體的管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，使機(jī)器人在管道中不能行走，不能完成指定的任務(wù)。還有就是這些機(jī)器人的設(shè)計(jì)不能實(shí)現(xiàn)在傾斜的或是垂直的管道中行走，有些即使能在垂直的管道中行走但是不能適應(yīng)有液體的管道，以上的原因大大的限制了管道機(jī)器人的工作范圍。
因此設(shè)計(jì)一種通用性更強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更緊湊，動(dòng)作運(yùn)行平穩(wěn)，能夠適應(yīng)管道截面變化的新型管道機(jī)器人非常必要。
研制該機(jī)器人的目的是為了幫助人們擺脫繁重的勞動(dòng)和簡(jiǎn)單的重復(fù)勞動(dòng)，以及替代人到危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，因此機(jī)器人最早在汽車(chē)制造業(yè)和核工業(yè)領(lǐng)域得以應(yīng)用。在自來(lái)水供應(yīng)、煤氣供應(yīng)、飛機(jī)、潛艇、石油天然氣、核發(fā)電站等環(huán)境中存在著大量人類(lèi)無(wú)法進(jìn)入的微細(xì)管道和危險(xiǎn)區(qū)域。這些管道在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的腐蝕和重壓后，會(huì)出現(xiàn)裂紋、漏孔等現(xiàn)象。如果這些管道發(fā)生泄漏，將導(dǎo)致無(wú)法預(yù)計(jì)的損失和危害。為提高管道的壽命、防止泄漏等事故的發(fā)生，就必須對(duì)管道進(jìn)行有效的檢測(cè)維護(hù)，管道機(jī)器人為滿足該需要而產(chǎn)生。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究概況
管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)源大致有以下幾種：微型電機(jī)、壓電驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金（SMA）、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)、電磁轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)等。管道機(jī)器人按照驅(qū)動(dòng)方式大致可以分為以下三種，如圖1-1所示。
1）自驅(qū)動(dòng)（自帶動(dòng)力源）；2）利用流體推力；3）通過(guò)彈性桿外加推力；
圖1-1 管道機(jī)器人的基本形式
（1）自驅(qū)動(dòng)管內(nèi)機(jī)器人
自驅(qū)動(dòng)管內(nèi)機(jī)器人包括圖1所示的輪式、腳式、爬行式、蠕動(dòng)式，還包括履帶式等。
1）輪式
日本東芝公司于1997年研制了一臺(tái)輪式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人，前部帶有一部微型CCD攝像機(jī)，能分辨管內(nèi)異物并用微型機(jī)械手實(shí)現(xiàn)清理。膠管聯(lián)接可過(guò)彎管，適應(yīng)管徑：φ25mm；行走速度：0.36m/min；自重：16g。該機(jī)器人采用多輪驅(qū)動(dòng)式為了增加牽引力，由于輪徑太小，越障能力有限，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
2）腳式
西門(mén)子公司W(wǎng)erner Neubauer等人研制的微管道機(jī)器人有4、6、8支腳三種類(lèi)型，可在各種類(lèi)型的管里移動(dòng)，其基本原理是利用腿推壓管來(lái)支撐個(gè)體，多腿可以方便地在各種形狀的彎管道內(nèi)移動(dòng)。
3）蠕動(dòng)式
清華大學(xué)研制了一套小型蠕動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1-2，由1蠕動(dòng)體和2、3、4電致伸縮位移器組成。蠕動(dòng)體的蠕動(dòng)變形形態(tài)由粘貼于柔性鉸鏈部位的電阻應(yīng)變實(shí)時(shí)感應(yīng)，機(jī)器人的外形尺寸為150×61×46mm，重2Kg，最大步距10μm，行程40mm，運(yùn)動(dòng)精度0.2μm。
圖1-2 蠕動(dòng)體結(jié)構(gòu)示意圖
（2）利用管道流體壓力
利用管道流體壓力對(duì)管道進(jìn)行直接檢測(cè)和清理技術(shù)的研究始于上世紀(jì)50年代，受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平的限制，其主要的成果是無(wú)動(dòng)力的管道清理設(shè)備——PIG，此類(lèi)設(shè)備依靠管內(nèi)流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，隨著管內(nèi)流體的流動(dòng)方向向前移動(dòng)，并可攜帶多種傳感器。但是PIG自身沒(méi)有行走能力，其移動(dòng)速度、檢測(cè)區(qū)域不易控制。
上海大學(xué)利用石油管道的石油高壓研制成在役石油管道檢測(cè)機(jī)器人如圖1-3，該型機(jī)器人分成多節(jié)，利用與管道密封的橡膠環(huán)（皮碗），相當(dāng)于活塞，在輸油管內(nèi)壓力油作用下，推動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人向前行走，主要由探頭1、高壓密封件2、電機(jī)倉(cāng)3、電池倉(cāng)4、儀器倉(cāng)5、儀器倉(cāng)6、萬(wàn)向節(jié)7、里程倉(cāng)8、清管器9和皮碗10組成。
圖1-3 利用管內(nèi)流體壓力的管道機(jī)器人
（3）管外加推力
日本東京科技學(xué)院利用外加推力研制成“螺旋原理”的微型機(jī)器人如圖1-4。利用在管外的電機(jī)推動(dòng)帶有彈性的線推動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件前進(jìn)，該驅(qū)動(dòng)部件可以越過(guò)小的臺(tái)階。
圖1-4 管外加力的管道機(jī)器人
1.3 蠕動(dòng)式管道機(jī)器人概述
蠕動(dòng)式機(jī)器人在柔軟狹窄環(huán)境中有著輪式和足式機(jī)器人無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，并具有良好的穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)性能。因此，蠕動(dòng)式機(jī)器人在太空探索，危險(xiǎn)環(huán)境下作業(yè)，工業(yè)和城市管道檢測(cè)以及醫(yī)療上的疾病診斷及微創(chuàng)手術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
（1）蠕動(dòng)式機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)
1）穩(wěn)定性
在崎嶇不平的地區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，輪式和足式機(jī)器人存在翻倒的危險(xiǎn)?；着c機(jī)器人的接觸點(diǎn)，形成一個(gè)凸多邊形，當(dāng)機(jī)器人系統(tǒng)的重心超出了由接觸點(diǎn)構(gòu)成的凸多邊形的邊線時(shí)，機(jī)器人就會(huì)摔倒。而驅(qū)動(dòng)式機(jī)器人在大多數(shù)情況下的勢(shì)能會(huì)處于較低的狀態(tài)，因此，機(jī)器人因重心超出凸多邊形邊線而摔倒的問(wèn)題幾乎不存在，其運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性更好。
2）穿越能力
蠕動(dòng)式機(jī)器人在理論上能夠越過(guò)數(shù)倍于其高度的障礙，這對(duì)于輪式和足式機(jī)器人幾乎是不可能的。很多運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用輪式來(lái)獲得足夠的運(yùn)動(dòng)能力，但輪式機(jī)器人在松軟的地面和柔軟材料的表面上很難進(jìn)行有效的運(yùn)動(dòng)；足式機(jī)器人在粗糙不平的表面上運(yùn)動(dòng)存在被卡住的危險(xiǎn)。而蠕動(dòng)式機(jī)器人在柔軟或粗糙不平的表面上具有更好的運(yùn)動(dòng)能力，同時(shí)能夠穿越有障礙物的環(huán)境，具有良好的穿越能力。
3）牽引力
牽引力是指加到運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)上，驅(qū)動(dòng)其向前運(yùn)動(dòng)的力。牽引力通常受運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的重量和摩擦系數(shù)的影響。輪式和足式機(jī)器人的重量分布較為集中，在松軟的地面和柔軟材料的表面上容易陷入其中。而蠕動(dòng)式機(jī)器人的重量相對(duì)來(lái)說(shuō)分布在更大的面積上，在機(jī)器人具有同等重量的情況下，蠕動(dòng)式機(jī)器人在松軟的表面上運(yùn)動(dòng)比輪式和足式機(jī)器人更有優(yōu)勢(shì)，能提供較大的牽引力。
4）尺寸微型化
相對(duì)于輪式和足式機(jī)器人，蠕動(dòng)式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器和本體更適合采用智能材料，可以利用智能材料的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，其尺寸更易微型化，因此多數(shù)的蠕動(dòng)機(jī)器人體形細(xì)長(zhǎng)。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)狹窄的空間，蠕動(dòng)式機(jī)器人更適合進(jìn)入狹窄空間進(jìn)行作業(yè)。
（2）蠕動(dòng)式機(jī)器人的應(yīng)用
2）工業(yè)管道檢測(cè)
在工業(yè)領(lǐng)域中存在著大量的狹小區(qū)域，如水管，天然氣管道，輸油管道等。很多工業(yè)運(yùn)用管道鏡來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，但是這要求工廠需要修改設(shè)計(jì)，增加通道入口來(lái)放置管道鏡。而蠕動(dòng)式管道機(jī)器人可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)到達(dá)需要檢測(cè)的地點(diǎn)，節(jié)省了費(fèi)用。具有現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和精確定位功能的高效蠕動(dòng)式管道機(jī)器人不僅能夠節(jié)省費(fèi)用，更能減少管道檢測(cè)的時(shí)間，提高管道檢測(cè)的效率。
2）醫(yī)療領(lǐng)域
蠕動(dòng)式機(jī)器人因其在醫(yī)療領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值而受到關(guān)注。微創(chuàng)手術(shù)減少了手術(shù)中大面積切開(kāi)皮膚組織的需要。這將大大減輕給患者帶來(lái)的嚴(yán)重不適及痛苦，減少對(duì)人體其它完好組織的傷害，縮短康復(fù)時(shí)間消除手術(shù)引起的副作用，降低醫(yī)療費(fèi)用，減輕患者的生理痛苦和醫(yī)療人員手術(shù)操作時(shí)的心理壓力。內(nèi)窺鏡就屬于這類(lèi)應(yīng)用。
3）危險(xiǎn)環(huán)境中作業(yè)
人類(lèi)的活動(dòng)有很多禁區(qū)，如輻射、高溫、有毒、低壓等環(huán)境，然而這樣的地區(qū)卻是必須要被經(jīng)常檢查以確保安全。另外，在一些意外災(zāi)害，如地震、爆炸、颶風(fēng)、火災(zāi)等情況下，需要及時(shí)搜救被困人員，解救傷員。蠕動(dòng)式機(jī)器人適合在狹窄的環(huán)境下作業(yè)，能夠很好的在這些場(chǎng)合完成任務(wù)。在蠕動(dòng)式機(jī)器人上安裝生命傳感器，進(jìn)入受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，能夠減少大型挖掘設(shè)備對(duì)受傷人員帶來(lái)的傷害，并提高救援效率。
第二章 總體設(shè)計(jì)與特性分析
2.1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇
蠕動(dòng)式管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)是簡(jiǎn)單的重復(fù)性運(yùn)動(dòng)，其主要運(yùn)動(dòng)形式只有“收縮一伸長(zhǎng)”。蠕動(dòng)式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不是十分困難，但是對(duì)蠕動(dòng)式機(jī)器人的控制相對(duì)困難。因此，必須全面考慮機(jī)器人系統(tǒng)的組成。適合做蠕動(dòng)式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式有SMA驅(qū)動(dòng)，壓電驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電磁驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)等。
表3.1為幾種驅(qū)動(dòng)方式的比較
綜合考慮到蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制的簡(jiǎn)單和方便性，本次選用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
2.2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
2.2.1 蠕動(dòng)方式選定
（1）方案1：曲柄滑塊式蠕動(dòng)方式
曲柄滑塊式蠕動(dòng)方式，如下圖：
圖2-1曲柄滑塊式蠕動(dòng)方式
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)，成本較低，不需要太多的加工。但是由于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)有急回特性，使蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的速度很難控制，并且不能實(shí)現(xiàn)它的勻速運(yùn)動(dòng)。而且曲柄滑塊機(jī)構(gòu)占用的空間很大，不利于機(jī)器人向小型化發(fā)展。
（2）方案2：齒輪齒條式蠕動(dòng)方式
齒輪齒條式蠕動(dòng)方式，如下圖：
圖2-2齒輪齒條式蠕動(dòng)方式
齒輪齒條機(jī)構(gòu)相對(duì)其他的機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)最大的特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)剛度等條件容易達(dá)到規(guī)定的要求。成本也較低，只需要簡(jiǎn)單的嚙合就能實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的要求，而且占用的空間小，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。
綜合以上的方案評(píng)價(jià)和比較和各類(lèi)因素，選擇方案2的齒輪齒條式蠕動(dòng)方式相對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)。因此驅(qū)動(dòng)方式選用齒輪齒條的形式，結(jié)構(gòu)如下圖示。
圖2-3齒輪齒條式蠕動(dòng)方式
2.2.2 支撐夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
為適應(yīng)管道截面的幾何變形，需設(shè)計(jì)可適應(yīng)不同截面大小的蠕動(dòng)行走時(shí)的支撐夾緊機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)必須能根據(jù)不同截面形狀和大小自動(dòng)調(diào)整支撐夾緊部件的長(zhǎng)度。綜合考慮蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制的簡(jiǎn)單和方便性，本次選用曲柄滑塊式支撐夾緊機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)，成本較低，不需要太多的加工。曲柄滑塊式支撐夾緊機(jī)構(gòu)如下圖：
圖2-4 支撐夾緊機(jī)構(gòu)
2.3 總體方案確定
如圖2-5所示，該蠕動(dòng)式管道機(jī)器人由上部支撐夾緊機(jī)構(gòu)、中間蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)、下部支撐夾緊機(jī)構(gòu)三部分組成。
圖2-5 蠕動(dòng)式管道機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)
2.4 運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)特性分析
2.4.1直線運(yùn)動(dòng)
（1）直線運(yùn)動(dòng)原理分析
當(dāng)機(jī)器人直行時(shí)，如圖2-6中②-⑥所示過(guò)程，首先下部夾緊機(jī)構(gòu)與管道內(nèi)壁夾緊，中間蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的四個(gè)齒輪同向同速轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒條移動(dòng)，此時(shí)上部夾緊機(jī)構(gòu)、中間蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)在齒條的作用下向前伸出到達(dá)極限位置時(shí)，上部夾緊機(jī)構(gòu)與管道內(nèi)壁夾緊，下部夾緊機(jī)構(gòu)松開(kāi)，中間蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的四個(gè)齒輪同向同速反轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒條移動(dòng)，此時(shí)下部夾緊機(jī)構(gòu)、中間蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)在齒條的作用下向前收縮到達(dá)極限位置。這樣一次蠕動(dòng)行走循環(huán)完成，進(jìn)入下一個(gè)蠕動(dòng)行走循環(huán)。在蠕動(dòng)行走過(guò)程中由于夾緊裝置長(zhǎng)度可根據(jù)不同管道截面形狀和尺寸徑變化因此可以適應(yīng)不同截面形狀和尺寸的管道。
圖2-6直線運(yùn)動(dòng)原理
圖2-7直線運(yùn)動(dòng)齒輪齒條狀態(tài)
（2）直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析
直線運(yùn)動(dòng)時(shí)受力比較簡(jiǎn)單，腿部與管壁間的摩擦力提供機(jī)器人行走的驅(qū)動(dòng)力，極限情況為機(jī)器人沿管壁垂直向上運(yùn)動(dòng)時(shí)克服自身重力上升。此時(shí)齒輪與齒條的負(fù)載為G1或G2，所需要的腿部總摩擦力為G1+G2，即滿足下述力學(xué)方程：
圖2-8 直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析
2.4.2轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)
當(dāng)機(jī)器人遇到T型或L型管道需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，如圖2-7中①-⑧所示過(guò)程，原理與直線運(yùn)動(dòng)類(lèi)似，不過(guò)需要變向時(shí)機(jī)器人用于驅(qū)動(dòng)齒條伸縮的兩側(cè)齒輪轉(zhuǎn)速不同從而使機(jī)器人機(jī)身向需轉(zhuǎn)彎的方向彎曲實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。
圖2-9轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)原理分析
圖2-10轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)齒輪齒條狀態(tài)
圖2-10 轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
幾何關(guān)系滿足：
其中
（xm，ym）坐標(biāo)：
（xu，yu）坐標(biāo)：
第三章 各組成部分的設(shè)計(jì)
3.1 性能參數(shù)的選定
通過(guò)對(duì)現(xiàn)在常用管道的截面形狀、尺寸、管道布置等的統(tǒng)計(jì)與分析初步選定本次設(shè)計(jì)的蠕動(dòng)式管道機(jī)器人性能參數(shù)如下：
行走速度： 10 m/min
自重： 10 kg
凈載重： 5 kg
機(jī)身尺寸： 351mm155mm155mm
自適應(yīng)管道直徑范圍：150mm~400mm
工作電壓： 12V
3.2 蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.2.2 伺服電機(jī)的選定
（1）估算所需電機(jī)最大功率
根據(jù)第二章的分析可以知道該機(jī)器人行走時(shí)所需最大功率出現(xiàn)在機(jī)器人滿載5Kg重物下克服重力沿豎直管道向上行走時(shí)，此時(shí)機(jī)器人克服重力做功。
，因此選定電機(jī)額定功率為：30W
（2）電機(jī)轉(zhuǎn)速的選定
對(duì)于相同額定功率的伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)速越高后面所需的減速裝置結(jié)構(gòu)尺寸、重量越大，轉(zhuǎn)速越底電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)尺寸、重量越大以及價(jià)格也越貴。但轉(zhuǎn)速對(duì)減速裝置結(jié)構(gòu)尺寸和重量的影響相對(duì)較到，考慮到機(jī)器人的結(jié)構(gòu)緊湊性，本次選定額定轉(zhuǎn)速為500r/min的伺服電機(jī)
綜上述（1）、（2）蠕動(dòng)行走機(jī)構(gòu)選定額定功率為30W，額定轉(zhuǎn)速為500r/min的伺服電機(jī)，型號(hào)為：SG-60ZYJ。
3.2.1 運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算
（1）總傳動(dòng)比的計(jì)算
初步選定驅(qū)動(dòng)齒條的齒輪分度圓直徑為30mm，則齒輪轉(zhuǎn)速為：
則總傳動(dòng)比為：
（2）傳動(dòng)比分配
為保證傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)緊湊性，采用與伺服電機(jī)配套連接的減速器直接減速，開(kāi)式齒輪只做傳遞動(dòng)力用，不用做減速。即：
（3）各軸參數(shù)計(jì)算
各軸的轉(zhuǎn)速：
輸入錐齒輪軸 ；
圓柱齒輪軸 ；
各軸的輸入功率：
輸入錐齒輪軸 ；
圓柱齒輪軸 ；
各軸的輸入轉(zhuǎn)矩：
輸入錐齒輪軸 ；
圓柱齒輪軸 ；
3.2.3 減速器的選定
前述已選定減速比，為保證傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)緊湊性，選用與伺服電機(jī)配套連接的減速器，減速比為。
3.2.3 圓錐齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
（1）選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
齒形角:；頂隙系數(shù):；齒頂高系數(shù):；軸夾角。
根據(jù)課本表10-1，材料選擇，大小齒輪材料均為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度均為280HBS。
根據(jù)課本表10-8，選擇7級(jí)精度。
傳動(dòng)比u=/=1
節(jié)錐角，
不產(chǎn)生根切的最小齒數(shù)：=12.1
選=20，=u=20×1=20
（2）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
≥2.92
試選載荷系數(shù)：=1.5
計(jì)算小齒輪傳遞的扭矩：=2.383 N·m
選取齒寬系數(shù)：=0.3
由課本表10-6查得材料彈性影響系數(shù)：
由圖10-21d按齒面的硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限：
大齒輪的接觸疲勞極限：
計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
，
由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù):，
計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力:
試算小齒輪的分度圓直徑,代入中的較小值得
≥2.92=36.3mm
計(jì)算圓周速度v
mm
=（3.14159×30.8×106.2）/（60×1000）=0.17m/s
計(jì)算載荷系數(shù)
齒輪的使用系數(shù)載荷狀態(tài)輕微震動(dòng)，查表10-2得=1.2
由圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)=1.1
由表10-3查得齒間載荷分配系數(shù)==1.0
依據(jù)大齒輪兩端支承，小齒輪懸臂布置，查表10-9得軸承系數(shù)=1.17
由公式==1.2=1.2×1.17=1.4
接觸強(qiáng)度載荷系數(shù)：==1.2×1.1×1.0×1.4=1.85
按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑
=36.3×=38.9mm
m=/=38.9/20=1.95mm取標(biāo)準(zhǔn)值m=2.0mm
計(jì)算齒輪的相關(guān)參數(shù)
=m=2×20=40 mm
=m=2×20=40 mm
=90-=45°
確定并圓整齒寬:
b=R=0.3×28.3=8.48mm，圓整取10，
（3）校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
確定彎曲強(qiáng)度載荷系數(shù)：K==1.9
計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)
=/cos=20/cos45°=28.3
=/cos=20/cos45=28.3
查表10-5得：=2.91，=1.53，=2.91，=1.53
計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù):=0.82，=0.82
取安全系數(shù):=1.3
由圖10-20c查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限: =500Mpa，=380Mpa
按脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力確定許用彎曲應(yīng)力:
校核彎曲強(qiáng)度
根據(jù)彎曲強(qiáng)度條件公式：
=34.47 MPa
=33.2 Mpa
滿足彎曲強(qiáng)度要求，所選參數(shù)合適。
（4）數(shù)據(jù)整理
名稱(chēng)
符號(hào)
公式
直齒圓錐齒輪1
直齒圓錐
齒輪2
齒數(shù)
20
20
模數(shù)
m
m
2
傳動(dòng)比
i
i
1
分度圓錐度
，
分度圓直徑
40
40
齒頂高
2
2
齒根高
2.4
2.4
齒全高
h
4.4
4.4
齒頂圓直徑
，
42.83
(大端)
42.83
（大端）
齒根圓直徑
36.61
36.61
齒距
p
6.28
6.28
齒厚
s
3.14
3.14
齒槽寬
e
3.14
3.14
頂隙
c
0.4
0.4
錐距
R
28.3
28.3
齒頂角
，
齒根角
齒頂圓錐角
，
齒根圓錐角
，
齒寬
10
10
3.2.4 齒輪齒條傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
（1）選精度等級(jí)、材料和齒數(shù)
采用7級(jí)精度，選擇齒輪材料為45（調(diào)質(zhì)）硬度為240HBS，機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)齒條需彎曲因此選定齒條材料為能夠彎曲的樹(shù)脂材料。
初選齒輪齒數(shù)，
（2）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即
由于本傳動(dòng)為齒輪齒條傳動(dòng)，傳動(dòng)比近似無(wú)窮大，所以=1
確定公式各計(jì)算數(shù)值
試選載荷系數(shù)：
計(jì)算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩：
選取齒寬系數(shù)：
由表6.3查得材料的彈性影響系數(shù)：
由圖6.14按齒面硬度查得
齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
由式6.11計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
由圖6.16查得接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)：
計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)為S=1，由式10-12得
試算齒輪分度圓直徑
計(jì)算圓周速度：
計(jì)算齒寬：
模數(shù)
齒高
計(jì)算載荷系數(shù)K
根據(jù)，7級(jí)精度，查得動(dòng)載荷系數(shù)
假設(shè)，由表查得：
由于齒條需經(jīng)常彎曲，選定使用系數(shù)：
由表查得，
故載荷系數(shù)
按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式可得
（3）按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為：
確定公式內(nèi)的計(jì)算數(shù)值
由圖6.15查得
齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
由圖6.16查得彎曲疲勞壽命系數(shù)：
計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力，取失效概率為1％，安全系數(shù)為S=1.3
計(jì)算載荷系數(shù)：
查取齒形系數(shù)：由表6.4查得
查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表6.4查得：
計(jì)算齒輪的，
計(jì)算模數(shù)：
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，可取有彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)1.31mm，并圓整為標(biāo)準(zhǔn)值取m=1.5mm
（4）幾何尺寸計(jì)算
計(jì)算分度圓直徑
計(jì)算齒寬寬度：
序號(hào)
名稱(chēng)
符號(hào)
計(jì)算公式及參數(shù)選擇
1
齒數(shù)
Z
20
2
模數(shù)
m
1.5mm
3
分度圓直徑
4
齒頂高
5
齒根高
6
全齒高
7
頂隙
8
齒頂圓直徑
9
齒根圓直徑
10
齒寬
B
3.2.5 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)及軸上零件的選定
軸上的功率P2,轉(zhuǎn)速n2和轉(zhuǎn)矩T2
，，
（1）初步確定軸的最小直徑
先按式初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表11.3，取，于是得：
該處開(kāi)有鍵槽故軸徑加大10%～15%，且最小直徑顯然是安裝齒輪處的直徑，由于計(jì)算軸徑比較小，鍵槽對(duì)小軸徑軸的強(qiáng)度削弱比較大，因此該處軸徑適當(dāng)加大，??；。
（2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
（a）為了滿足大帶輪的軸向定位的要求2軸段左端需制出軸肩，軸肩高度軸肩高度，取故取2段的直徑，長(zhǎng)度。
（b）初步選擇滾動(dòng)軸承。因軸承同時(shí)受有徑向力較小，故選用深溝球軸承。根據(jù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選取0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的深溝球軸承6003，故，。
（c）齒輪處由于齒輪分度圓直徑，故采用齒輪與軸分開(kāi)采用鍵連接的形式，齒輪寬度B=15mm，故取。
（3）軸上零件的周向定位
查機(jī)械設(shè)計(jì)表，聯(lián)接大帶輪的平鍵截面。
（4）強(qiáng)度校核計(jì)算
（a）求作用在軸上的力
已知高速級(jí)齒輪的分度圓直徑為=52 ，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》（軸的設(shè)計(jì)計(jì)算部分未作說(shuō)明皆查此書(shū)）式(10-14)，則
（b）求軸上的載荷
首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖。在確定軸承支點(diǎn)位置時(shí)，從手冊(cè)中查取a值。對(duì)于6003型深溝球軸承，由手冊(cè)中查得a=8mm。因此，軸的支撐跨距為L(zhǎng)1=68mm。
根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖。從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖可以看出截面C是軸的危險(xiǎn)截面。先計(jì)算出截面C處的MH、MV及M的值列于下表。
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
，
，
C截面彎矩M
總彎矩
扭矩
圖3-1 軸的軸力、彎矩和扭矩圖
（c）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
根據(jù)式(15-5)及上表中的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，取，軸的計(jì)算應(yīng)力
已選定軸的材料為45Cr，調(diào)質(zhì)處理。由表15-1查得。因此，故安全。
（4）鍵的選擇
采用圓頭普通平鍵A型（GB/T 1096-1979）連接，聯(lián)接齒的平鍵截面，。齒輪與軸的配合為，滾動(dòng)軸承與軸的周向定位是過(guò)渡配合保證的，此外選軸的直徑尺寸公差為。
校核鍵聯(lián)接的強(qiáng)度
鍵、軸材料都是鋼，由機(jī)械設(shè)計(jì)查得鍵聯(lián)接的許用擠壓力為
鍵的工作長(zhǎng)度
，合適
（5）軸上軸承的計(jì)算
查的預(yù)計(jì)壽命30000h
查表得軸承的基本額定動(dòng)載荷C=40.8KN
溫度系數(shù)=1（假定工作時(shí)溫度100度）
載荷系數(shù)=1.2
由上面軸的力學(xué)分析可得：
由，可得徑向載荷系數(shù)
軸向載荷系數(shù)
故其當(dāng)量動(dòng)載荷取最大值P=53.7N=0.0537KN
= > 軸承的預(yù)期壽命30000 h
因此滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)合理。
3.2.6 機(jī)架的設(shè)計(jì)
機(jī)架部分的主要功能為連接伺服電機(jī)組件、圓錐齒輪組、齒輪齒條組，保證機(jī)器人穩(wěn)定工作。因此該處的機(jī)架主要起連接作用。這里設(shè)計(jì)該機(jī)架的關(guān)鍵是配合伺服電機(jī)組件、圓錐齒輪組、齒輪齒條組等的結(jié)構(gòu)及尺寸，因此此處采用Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)配比和優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)原則為在保證伺服電機(jī)組件、圓錐齒輪組、齒輪齒條組等有效連接的基礎(chǔ)上盡量實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊化和輕量化。
為保證機(jī)架的輕量化，機(jī)架選用鋁合金材料。
3.3 支撐夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.3.1 伺服電機(jī)的選定
（1）夾緊伺服電機(jī)的選定
該伺服電機(jī)主要用于驅(qū)動(dòng)支持夾緊機(jī)構(gòu)的曲柄動(dòng)作使得機(jī)器人支撐用的腿可以壓緊在管道內(nèi)壁上以提供行走時(shí)的附著力。
同蠕動(dòng)行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選定，該處選定額定功率為30W，額定轉(zhuǎn)速為200r/min的伺服電機(jī)，型號(hào)為：SG-80ZYJ。
（2）回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的選定
該伺服電機(jī)主要用于驅(qū)動(dòng)上部模塊回轉(zhuǎn)以適應(yīng)不同的管道形狀及尺，驅(qū)動(dòng)負(fù)載很小，只需克服構(gòu)件本身的摩擦阻力，因此該處只需選用小功率的伺服電機(jī)。該處回轉(zhuǎn)要求轉(zhuǎn)速低。綜合考慮回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)選定額定功率為10W，額定轉(zhuǎn)速為150r/min的伺服電機(jī)，型號(hào)為：SG-20ZYJ。
3.3.2 運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)選定
支撐夾緊機(jī)構(gòu)性能參數(shù)選定如下：
腿部滑塊滑行速度：v=100mm/s
回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速：n=30°/s
腿部滑塊行程：125mm（由于該機(jī)器人自適應(yīng)管道直徑范圍為150mm~400mm）
腿部滑塊單行行程各曲柄旋轉(zhuǎn)角度：60°
3.3.3減速器的選定
根據(jù)上述選定的支撐夾緊機(jī)構(gòu)性能參數(shù)可知：
曲柄軸轉(zhuǎn)速：
所需減速器的減速比為：
同樣，為保證傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)緊湊性，選用與伺服電機(jī)配套連接的減速器，減速比為。
3.3.4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示，0點(diǎn)表示曲軸的旋轉(zhuǎn)中心，A點(diǎn)表示連桿與曲柄的連接點(diǎn)，B點(diǎn)表示連桿與滑塊的連接點(diǎn)，OA表示曲柄半徑R，AB表示連桿長(zhǎng)度。當(dāng)OA以角速度作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，B點(diǎn)則以速度V作直線運(yùn)動(dòng)。
圖3-2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
a.滑塊位移
圖3-2為對(duì)心的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)圖。（所謂對(duì)心，是指滑塊和連桿的連結(jié)點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)軌跡位于曲柄旋轉(zhuǎn)中心O和連結(jié)點(diǎn)的連線上。）滑塊的位移和曲柄轉(zhuǎn) 角之間的關(guān)系可表達(dá)為
而
令
而
整理得 由于一般小于1，普通的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，一般在0.30.6范圍內(nèi)，故上述公式可進(jìn)行簡(jiǎn)化。根號(hào)部分可用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)略去高階項(xiàng)得：
上述公式變?yōu)椋?
圖3-3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)圖
式中滑塊位移，從下死點(diǎn)算起，向上方向?yàn)檎韵戮嗤?
曲柄半徑；
曲柄轉(zhuǎn)角，從下死點(diǎn)算起，與曲柄旋轉(zhuǎn)方向相反為正，以下均相同；
連桿系數(shù)，（其中是連桿長(zhǎng)度，當(dāng)連桿長(zhǎng)度可調(diào)時(shí)，取最短時(shí)數(shù)值。）
利用余弦定理可得：
，令
則式可寫(xiě)成
滑塊速度
由于，
式中 滑塊速度，向下方向?yàn)檎?；下同?
曲柄角速度；
曲柄轉(zhuǎn)速，亦即滑塊行程次數(shù)。
滑塊加速度
式中 滑塊加速度，向下方向?yàn)檎?，下同?
參數(shù)確定
由上述分析，結(jié)合運(yùn)動(dòng)關(guān)系簡(jiǎn)圖
可知， 當(dāng) ；時(shí)；
=62.5mm
取
則
（2）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的受力分析
a.連桿及導(dǎo)軌受力
圖3-4曲柄滑塊機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖
考慮B點(diǎn)力的平衡得：
，
由前推導(dǎo)得知，，遠(yuǎn)小于0.3，遠(yuǎn)小于。因此可認(rèn)為，，故上二式可寫(xiě)成：，
其中：PAB——連桿作用力
Q——導(dǎo)軌作用力
P——工件變形力
——曲柄轉(zhuǎn)角
——連桿系數(shù)
3.3.5 機(jī)架的設(shè)計(jì)
機(jī)架部分的主要功能為支撐在管道內(nèi)行走的管道機(jī)器人，使支撐腿能緊密的貼在管道壁面，產(chǎn)生足夠的附著力，帶動(dòng)管道機(jī)器人往前行走。
為了適應(yīng)不同直徑管道的檢測(cè)，管道檢測(cè)機(jī)器人通常需要具備管徑適應(yīng)調(diào)整的機(jī)架機(jī)構(gòu)，即主要有兩個(gè)作用：① 在不同直徑的管道中能張開(kāi)或收縮，改變機(jī)器人的外徑尺寸，使機(jī)器人能在各種直徑的管道中行走作業(yè)；② 可以提供附加正壓力增加機(jī)器人的支撐腿部與管道內(nèi)壁間的壓力，改善機(jī)器人的牽引性能，提高管內(nèi)移動(dòng)檢測(cè)距離。因此此處采用Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)配比和優(yōu)化設(shè)計(jì)。為保證機(jī)架的輕量化，機(jī)架選用鋁合金材料。
3.4 機(jī)器人各模塊基于Pro/E的三維設(shè)計(jì)
3.4.1 蠕動(dòng)行走模塊
圖3-5蠕動(dòng)行走模塊三維模型
3.4.2 上部支撐夾緊模塊
圖3-6上部支撐夾緊模塊三維模型
3.4.3 下部支撐夾緊模塊
圖3-7下部支撐夾緊模塊三維模型
3.4.3 機(jī)器人整體設(shè)計(jì)
圖3-8 蠕動(dòng)式管道機(jī)器人三維模型
第四章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1 控制系統(tǒng)組成
4.1.1 蠕動(dòng)式機(jī)器人控制系統(tǒng)
機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由AVR Atmegal6L單片機(jī)，L298N芯片，WYK．30582直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源等組成，機(jī)器人控制電路原理圖如圖4.2所示。ATmegal6L內(nèi)部的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器以相位頻率可調(diào)模式可產(chǎn)生4通道PWM信號(hào)。三極管起開(kāi)關(guān)和放大作用，基極輸入的是從AVR單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)。PWM信號(hào)為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，SMA驅(qū)動(dòng)器處于通電加熱狀態(tài)；PWM信號(hào)為低電平時(shí)，三極管截止，SMA驅(qū)動(dòng)器處于斷電冷卻狀態(tài)。單片機(jī)按照機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)制所要求的時(shí)序輸出不同占空比的控制信號(hào)，SMA驅(qū)動(dòng)器中就會(huì)通過(guò)對(duì)應(yīng)的脈沖電流，機(jī)器人將會(huì)按照設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
4.1.2核心器件的選擇
(1)AVR單片機(jī)概述
單片機(jī)是整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)控制電路的核心，主要負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人提供合適的電流和時(shí)序。高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價(jià)位，一直是衡量單片機(jī)性能的重要指標(biāo)，因此選擇適合應(yīng)用的單片機(jī)顯的尤為重要。早期單片機(jī)由于工藝及設(shè)計(jì)水平不高、功耗高和抗干擾性能差等原因，采用較高分頻系數(shù)對(duì)時(shí)鐘分頻，使得指令周期長(zhǎng)，執(zhí)行速度慢。ATMEL公司推出的AVR單片機(jī)，徹底打破這種就設(shè)計(jì)格局，廢除了機(jī)器周期，拋棄復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)(cisc)追求指令完備的做法，采用精簡(jiǎn)指令集(msc)，取指周期短，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。AVR系列單片機(jī)是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC(ReducedInstruction Set CPU)精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)M8’4們。
AVR單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)采取8位機(jī)與16位機(jī)的折中策略，即采用局部寄存器存堆(32個(gè)寄存器文件)和單體高速輸入／輸出的方案(即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應(yīng)控制邏輯)。提高了指令執(zhí)行速度(1Mips／MHz)，克服了瓶頸現(xiàn)象，增強(qiáng)了功能：同時(shí)又減少了對(duì)外設(shè)管理的開(kāi)銷(xiāo)，相對(duì)簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。故AVR單片機(jī)在軟／硬件開(kāi)銷(xiāo)、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性價(jià)比的單片機(jī)。AVR單片機(jī)內(nèi)嵌高質(zhì)量的Flash程序存儲(chǔ)器，片內(nèi)大容量的RAM不僅能滿足一般場(chǎng)合的使用，同時(shí)也更有效的支持使用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)程序，并可像MCS．51單片機(jī)那樣擴(kuò)展外部RAM；I／O線全部帶可設(shè)置的上拉電阻、可單獨(dú)設(shè)定為輸入／輸出、可設(shè)定(初始)高阻輸入、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)(可省去功率驅(qū)動(dòng)器件)等特性：增強(qiáng)性的高速同／異步串口，具有硬件產(chǎn)生校驗(yàn)碼、硬件檢測(cè)和校驗(yàn)偵錯(cuò)、兩級(jí)接收緩沖等功能，提高了通信的可靠性，串口功能大大超過(guò)MCS．51／96單片機(jī)的串口，加之AVR單片機(jī)高速，中斷服務(wù)時(shí)間，具備AVR高檔單片機(jī)MEGA系列的全部性能和特點(diǎn)，成為AVR高檔單片機(jī)中內(nèi)部接口豐富、功能齊全、性能價(jià)格比較好的品種，因此本文選擇了AVR單片機(jī)中的中檔產(chǎn)品AVR ATmegal6進(jìn)行開(kāi)發(fā)，片載的16KB的flash完全滿足了對(duì)程序的要求。
(2)ATmegal6特性介紹
ATmegal6是ATMEL公司在2002年第一季度推出的～款單片機(jī)。在AVR家族中，ATmegal6是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)。AVR單片機(jī)的核心是將32個(gè)工作寄存器和豐富的指令集連接在一起，所有的工作寄存器都與ALU(算術(shù)邏輯單元)直接相連，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一條指令同時(shí)訪問(wèn)(讀寫(xiě))兩個(gè)獨(dú)立寄存器的操作。這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使得大部分指令執(zhí)行時(shí)間僅為一個(gè)時(shí)鐘周期。運(yùn)行速度比普通CISC單片機(jī)高出10倍。
它的特點(diǎn)如下：
1)高性能，低功耗的8位AVR微控制器；
2)先進(jìn)的RISC指令結(jié)構(gòu)，功能強(qiáng)大的指令，多數(shù)為單時(shí)鐘周期指令；
3)非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：16K字節(jié)的在線可編程Flash，12個(gè)字節(jié)的EEPROM，擦寫(xiě)次數(shù)100000次；
4)外部特點(diǎn)：2個(gè)具有比較模式的帶預(yù)分頻器的8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，具有比較和捕獲模式的16位定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，4個(gè)PWM通道，8路10位A／D轉(zhuǎn)換，內(nèi)部可校準(zhǔn)的RC振蕩器，內(nèi)外部的中斷源，6種休眠形式。
5)I／O口和封裝：32個(gè)可編程I／O口，44腳TQ鐘封裝，40腳PDIP封裝。
4.2蠕動(dòng)式機(jī)器人的具體控制方法
在控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，利用AVR Studio編寫(xiě)程序，編寫(xiě)完程序后可以利用AVR Studio進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)試，查看整個(gè)程序的邏輯順序，寄存器的值的改變等一些基本的信息。而這對(duì)于一個(gè)實(shí)時(shí)性要求很高的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這樣是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。VMLAB的出現(xiàn)彌補(bǔ)了AVR Studio的不足，其強(qiáng)大的功能甚至可以代替ICE(在線仿真器)。VMLAB的全稱(chēng)為：Visual Micro Lab。它針對(duì)于AVR以及ST62系列單片機(jī)設(shè)計(jì)，是一個(gè)單片機(jī)的虛擬原型(virtual prototype)框架(frame)，它可以提供給用戶一個(gè)真正意義上的虛擬微控制器(MCU)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室。它具有強(qiáng)大的多窗121、多文件的編輯器，微控制器的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，擁有一系列的集成開(kāi)發(fā)工具，圖形界面調(diào)試器，混合模式的模擬——數(shù)字電路仿真器，代碼質(zhì)量檢查器等等。硬件和應(yīng)用軟件能進(jìn)行并發(fā)仿真，在絕大多數(shù)的情況下甚至可以代替ICE。通過(guò)VMLAB對(duì)程序進(jìn)行仿真，大大提高了編程的效率，減少了程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間。
在控制機(jī)器人作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)AVR單片機(jī)的POTRA口控制機(jī)器人的SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)設(shè)置單片機(jī)的參數(shù)，使單片機(jī)輸出如圖4．4所示波形。假設(shè)機(jī)器人模塊一中連接三根SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)線兩端分別為A1，B1，C1(此三端連接在一個(gè)端面上)和A11，Bll，C11(此三端連接在～個(gè)端面上)；模塊二中連接三根SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)線兩端分別為A2，B2，C2(此三端連接在一個(gè)端面上)和A21，B21，C21(此三端連接在一個(gè)端面上)，其他模塊依此類(lèi)推。將機(jī)器人各個(gè)模塊中連接在同一端面的導(dǎo)線連接在一起，便于控制，同時(shí)叉不影響機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)。在圖4．4中，SMAl，SMA2，SMA3分別代表模塊一，模塊二和模塊三；0～T1時(shí)問(wèn)段是模塊一完成收縮—伸長(zhǎng)的時(shí)間，T1--T2是模塊二完成收縮一伸長(zhǎng)的時(shí)間，模塊二伸長(zhǎng)時(shí)借助于模塊一的收縮，可阻縮短伸長(zhǎng)時(shí)問(wèn)，T2～T3是模塊三收縮～伸長(zhǎng)的時(shí)間，伸長(zhǎng)時(shí)同樣借助模塊二的收縮。0--T3為三模塊機(jī)器人完成動(dòng)作的一個(gè)周期。
結(jié) 論
蠕動(dòng)式微型管道人近年來(lái)成為微型管道機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，具有驅(qū)動(dòng)方式較多，負(fù)載能力較強(qiáng)，動(dòng)作可靠且易于微型化等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有步距較小，速度較低且難以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)等不足。
這次設(shè)計(jì)的三個(gè)月時(shí)間里，我從不了解到深刻的理解蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)課題，，對(duì)我們大學(xué)四年所學(xué)到的知識(shí)，特別是對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、以及機(jī)械制圖方面的知識(shí)有了更深的理解和提高。并且從中培養(yǎng)了自己對(duì)問(wèn)題的獨(dú)立思考能力以及分析問(wèn)題的能力，對(duì)資料和文獻(xiàn)的檢索能力，也培養(yǎng)了我們將所學(xué)基礎(chǔ)理論與專(zhuān)業(yè)知識(shí)運(yùn)用解決實(shí)際問(wèn)題的能力。對(duì)培養(yǎng)我們的獨(dú)立工作能力和創(chuàng)新精神具有很重要的作用。當(dāng)然，在這些過(guò)程中也存在許多沒(méi)有解決好的并有待改進(jìn)和提高的問(wèn)題。雖然在設(shè)計(jì)中難免有不足之處，但是通過(guò)這次的鍛煉對(duì)我今后在事業(yè)上的成功奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這次的設(shè)計(jì)之所以能夠順利完成，這是與老師的細(xì)心指導(dǎo)是分不開(kāi)的，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中還得到了同組的兩位同學(xué)的熱心幫助，在此非常感謝他們，特別是要感謝老師在這幾個(gè)月來(lái)對(duì)我的細(xì)心指導(dǎo)使我順利完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。當(dāng)然這次的設(shè)計(jì)肯定不是十分完美的，在設(shè)計(jì)中的許多不足之處，望老師能夠給予批評(píng)指正。
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致 謝
時(shí)光飛逝，四年的大學(xué)學(xué)習(xí)生涯就要結(jié)束了，在這短暫而漫長(zhǎng)的四年里，使我更進(jìn)一步的熟悉和掌握了如何去學(xué)習(xí)、生活和工作。同時(shí)，也是校園讓我們學(xué)會(huì)了學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)了思考，學(xué)會(huì)了做人，雖其短暫，但是在這四年里所學(xué)的知識(shí)必將可以使我受用終生。
在這大學(xué)生涯即將結(jié)束的最后半年的畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅是對(duì)我們每一個(gè)人的一次全面的考查，同時(shí)也是對(duì)我們所學(xué)習(xí)和掌握知識(shí)的一次實(shí)際而綜合運(yùn)用，這不僅僅是只是一次知識(shí)的檢驗(yàn)，更是對(duì)我們認(rèn)識(shí)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合能力的鍛煉與培養(yǎng)。同時(shí)對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，這也是一次難能可貴的在校學(xué)習(xí)的經(jīng)歷，一次知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的積累的機(jī)會(huì)。
為此，我應(yīng)該感謝給予我這個(gè)機(jī)會(huì)的人，是他們給予了我這次學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，同時(shí)也是他們給予我了關(guān)懷與支持，正是在他們的關(guān)心、支持與幫助下，我的大學(xué)學(xué)習(xí)，生活，以及這次畢業(yè)設(shè)計(jì)才能完滿結(jié)束，為我大學(xué)生涯畫(huà)上一個(gè)完美的句號(hào)。
在這里，我首先要感謝母校，是母校為我提供了這個(gè)平臺(tái)，給予我了夢(mèng)寐已久的學(xué)習(xí)和生活的機(jī)會(huì)，從而是我的人生更加精彩。
其次，要感謝的是我的指導(dǎo)老師，在這幾個(gè)月畢業(yè)設(shè)計(jì)的日子里，對(duì)我們的耐心的關(guān)懷與輔導(dǎo)。在這四年的大學(xué)生涯中，以前學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，對(duì)于我們來(lái)說(shuō)象一盤(pán)散沙，雜亂無(wú)章沒(méi)有系統(tǒng)性。但是在老師的悉心輔導(dǎo)下，使我們對(duì)自己的知識(shí)進(jìn)行了整理、組織和裝配，使我的知識(shí)結(jié)構(gòu)更加明朗化、體系化了。在此感謝老師在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中給予了我莫大的支持和幫助。
同時(shí)，我還要感謝同組的成員，以及關(guān)心和支持我的所有的同學(xué)，在我們共同學(xué)習(xí)、和生活的日子里，大家共同努力，克服困難，不斷提出和完善新的設(shè)計(jì)思路和方法，使我們的學(xué)習(xí)、生活和本次畢業(yè)設(shè)計(jì)工作得以順利而完滿的結(jié)束；生活上互相幫助，彼此間留下了最珍貴而溫馨的友誼。是你們讓我擁有了一段美好的大學(xué)生活。
最后，我要感謝所有的教過(guò)我的老師們，感謝您們的辛勤培育和無(wú)微不至的關(guān)懷，是你們的高尚品德和人格魅力影響了并改變了我。在以后的學(xué)習(xí)、生活、工作中，我將牢記您們的諄諄教誨，不斷學(xué)習(xí)，不斷進(jìn)步。在此,衷心地祝福和感謝你們!