管内步伐式行走机器人本科毕业设计Word格式文档下载.docx
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模块化设计是在产品设计和生产不断发展的过程中逐步形成的，是一种设计方法。
而模块化设计思想却由来已久，其基本思想是以产品（系统）的总功能为对象，以功能分析为基础，将整个产品分解为若干特定的模块，然后通过模块的不同组合，可以得到不同产品、不同功能的产品，以满足市场的各种需求。
模块化又称模件化，模块化的定义有很多种，但是按其概念有如下的定义：
由若干具有不同用途（或性能）并可互换的模块，经不同的组合，以满足不同需要的这种方法称之为模块化。
由此可见模块化应具有四个基本含义：
必须具有一定数量的模块；
应用系统组合原理；
最终要获得能基本满足各种不同功能的需要；
模块化的可分性。
进行模块化设计时，必须首先把产品划分为若干模块，然后以模块为基本单元进行设计。
因此，模块合理划分与否将直接影响产品的性能、外观以及模块通用化的程度和成本。
模块化产品，通常按功能将产品划分为若干单元，并使功能单元独立化，这些单元被称为功能模块，然后由功能棉毛裤系统实现产品的总共能。
2.1.2管内步伐机器人的模块化设计
模块的设计问题是模块化设计的核心问题，因此合理的划分模块并构造模块的结构是模块化设计的关键。
我们依据功能划分的模块化设计方法，将管内步伐式行走机器人划分为加紧模块和传动模块两个主要部分，模块之间除标准化的机械与电气连接接口外，其设计相互独立。
模块化设计的核心思想是将产品进行模块划分后，通过对某些模块进行重新设计或变异设计得到新的产品。
根据此思想，我们可以对管内步伐式行走机器人进行各种变异设计，满足不同使用要求和应用环境要求。
2.2管内步伐式行走机器人的用途及工作原理
2.2.1管内步伐式行走机器人的用途
近年来煤气回收萘不彻底，造成主管道内结萘，管内结萘堵塞管内大部分面积，严重影响煤气输送，以清除管内萘为目标,研制管内步伐机器人，该机器人可以完成自动清除结在煤气管道内壁的萘，可实现在管道内双向行走、自动随管道弯度转向，可在重载条件下使用。
、
2.2.2管内步伐式机器人的工作原理
工作原理：
管内步伐式行走机器人的运动模仿人在井筒中四肢扶壁上下运动的模式。
机器人由镜面对称的两个单元组成,二单元中间由万向节铰链连接,可以自动适应管道弯度转向，当管道有弯道时,后脚踩住管壁向前推进,机器人的前腿机构自动随管道弯度转向不需要专门控制。
机器人的转弯最小曲率半径由机构决定。
所以这种机器人是可以双向运动的自动转弯步伐式管内机器人。
主要工作过程：
图2.1
A、初始状态:
前脚踩在管壁上,后脚在抬起状态前后腿外摆到最大角度.（见图1.1a）
B、第一前进步:
前后腿同时内摆到最大角度,在腿内摆过程中,前脚踩住管壁不动,连杆机构拖动身躯和后单元向前移动一步（图1.1a到b）
C、第一次交换支撑脚:
后脚外伸踩住管壁,同时前脚缩回抬起离开管壁,实现支撑脚转换,在交换支撑脚过程中,机器人没有前后运动。
（图1.1b到c）
D、第二前进步:
前后单元的腿同时外摆到最大角度,在摆腿过程中,后脚踩住管壁不动,连杆机构拖动身躯和前单元向前移动了第二步.（图1.1c到d）
E、第二次交换支撑脚:
后脚缩回抬起,前脚伸出踩住管壁,同时前后腿外摆到最大角度恢复到初始位置,机器人没有前后运动。
（图1.1d到a）
2.3管内步伐式行走机构
管内步伐式机器人的机构主要分为3部分，有撑脚机构及其传动、牵引机构及传动、转向机构等。
下面分别介绍3种机构，下图为管内步伐式机器人的机构简图。
图2.2
2.3.1撑脚机构及其传动
撑脚机构的作用是使管道机器人被支承在管道中心线上。
其机构及传动由电机（16）、小齿轮（15）、齿圈及平面螺纹（14）、滑杆（13）、脚靴（12）组成。
当电机（16）带动小齿轮（15）和齿圈（14）旋转时，齿圈背面的平面螺纹驱动滑杆（13）在筒体（10）的径向轨道内外伸推动脚靴踩在管壁上，电机反向旋转时，滑杆内缩带动脚靴径向抬起离开管壁。
脚靴三套在圆周上间隔120°
布置，三套脚靴同步伸缩,其动作与车床三爪卡盘的动作类同。
三套脚靴伸出踩在管壁上时,使机器人处在管道的中心线上。
为了使机器人在脚靴缩回时,仍能维持在中心线上,安装4组辅助支承轮（18）,每组三套,在圆周上间隔120°
安装,支承轮通过支承柱（19）、弹簧（20）分别与支架（3）和筒体（10）固连。
当撑脚缩回时支承轮使机器人基本上维持在管道中心线上。
当机器人行走过程中支承轮遇到障碍时弹簧被压缩通过障碍。
2.3.2牵引机构及其传动
牵引机构的作用是拖动机器人前进。
牵引机构（见图2）由电机
（1）、螺杆
（2）、螺母（5）拨销（4）、拨杆（7）和支承杆（9）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,支承杆（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）处在抬起位置时,拨杆（7）通过支承杆（9）推动筒体在套筒（11）上向万向节方向滑动改变了腿的姿势。
2.3.3转向机构
转向机构的作用是使机器人能随管道的弯曲自动转向通过弯曲管道。
管道行走机器人由两个镜面对称的单元组成,两个单元的套筒间由万向节（21）连接,这是一个十字万向节机构,可使前后两单元在任意方向上转动。
当管道弯曲时万向节可自动转向适应弯曲管道,这样机器人通过弯曲管道时无需专门进行检测和控制。
2.4步伐机器人的本体技术要求
机器人设计的目的是靠行走来清除管道内的堵塞物，因此，首要的目标是使机器人能够在较长的管道空间内安全可靠的爬行，在此基础上，进一步的使机器人移动灵活，结构简单，操作方便，满足一定的技术经济性要求。
2.4.1支撑机构的技术要求
根据步伐机器人的运动特点，撑脚机构是主体，所产生的支撑力应能保证机器人在单步运动中一端锁定在管壁中，使机器人在单步工作中保持稳定。
在支撑-放松过程中能自如的进行，有一定的机械自锁能力提高安全性。
对撑脚机构的要求是：
能够产生足够大的支撑力；
放松和支撑能够收放自如；
结构简单、轻量化。
2.4.2传动机构
传动机构应能保证一定的驱动力和传送速度，有较高的工作效率，能够有较高的传动稳定性。
因此拟采用滚珠丝杆副。
实用滚珠丝杆副有很多有点：
滚珠丝杆副是一种新型的螺旋传动元件，能够适应高温、低温、无润滑、水中，技术比较成熟。
滚珠丝杆副具有高效率和高精度的特点。
具有高速特性和耐磨损性及运动可逆性等特性，而且无回程间隙。
构件间的可动联接通常不是借助于运动副本身，而是在丝杠和螺母两构件间利用中间元件（滚珠）来实现。
轴向高度高，摩擦阻力小，运动平稳。
2.5本章小结
本章主要介绍了机器人的本体结构及技术要求，将机器人模块划分，为下面具体设计提供依据。
3管内步伐式机器人的有关参数选择
3.1步伐式机器人移动方式的选择
各常用移动方式的优缺点见表1.1
移动方式
优点
缺点
轮式
移动速度快，控制方便，转弯容易
与壁面接触面积小，越障碍能力差，易产生打滑。
履带式
与壁面接触面积大，承载能力大，移动速度快，对壁面的适应能力强
履带磨损大，结构复杂，机动性较差。
腿式
越障碍能力强，承载能力大，机动性好，具有很强的壁面适应能力。
结构复杂，移动是间歇的，速度慢，关节和足数多，控制复杂。
蠕动式
承载能力大，运动平稳，控制简便，对壁面适应能力比较强
运动速度慢，越障碍能力差
表3.1
我们经过多方案比较，设计了一种步伐式行走结构形式，该结构形式有前后两段相互独立的主体，主体上的接触脚可伸缩锁死在管壁上，能承受大载荷，适合在重载中使用。
在行走机器人结构中用步伐式行走具有很多优点，可实现在规则形状的任意长的管道内运动。
结构简单紧凑、运行平稳，控制简便，还可以根据使用要求，做各种变形设计，具有较好的经济技术效果。
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3.2机器人驱动方案的选择
目前对于机器人的动力系统有多种不同的选择方案，可以采用电气驱
动、液压驱动、气压驱动、机械驱动等不同的方式。
不同的动力系统具有不同的特点，根据不同的工作环境和应用场合，按照具体的要求来选择最合适的动力系统可以达到预定的目标。
下表为不同的驱动方式的性能对照表。
项目
气压驱动
液压驱动
电气驱动
机械驱动
技术要求
较低
较高
最高
动作快慢
较快
较慢
快
慢
速度稳定性
较差
良好
较好
很好
驱动力
中等
最大
较大
环境要求
适应性好
不怕震动
要求高
一般
控制距离
短
长
经济性
便宜
较贵
系统结构
简单
复杂
稍复杂
使用维护
稍高
速度调整
容易
很容易
稍困难
困难
表3.2
气压驱动使用压力通常在0.4-0.6Mpa，最高可达1Mpa。
气压驱动的优点是响应速度快，结构简单，控制方便。
气压驱动的缺点是功率质量比少，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器人在任意定位时，位姿精度不高。
气压驱动不可避免的存在漏气的问题和气压装置体积较大，这一点不符合本步伐式机器人的工作空间要求，不适合在本系统中使用。
液压驱动系统用2-15Mpa的油液驱动，体积较气压驱动小，功率质量比大，驱动平稳，液压驱动的缺点是易漏油，这影响工作稳定性和定位精度。
由于有漏油的问题，也不适合在本系统中使用。
电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。
由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号检测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动已经成为最为普遍，应用最多的驱动方式，符合本系统要求。
所以选择电气驱动与机械驱动相结合的方案。
3.3电机类型的选择
在上节中介绍到，电机驱动适合本步伐式机器人，在电动执行机构中，有直流电机、交流电机、步进电机和直接驱动电机等实现旋转运动的电动机，以及实现直线运动的直线电机。
目前在机器人的运动控制中较为常用的电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机，他们的特性、工作原理与控制方式如下表。
电机类型
主要特点
构造与工作原理
控制方式
直流伺服电机
接通直流电即可工作，控制简单；
启动转矩大、体积小、重量轻、转速和转矩容易控制、效率高；
需要定时维护和更换电刷，使用寿命短、噪声大
由永磁体定子、线圈转子、电刷和转向器构成。
通过电刷和换向器使电流方向随转子的转动角度而变化，实现连续转动。
转速控制采用电压控制方式，两者成正比。
转矩控制采用电流控制方式，两者成正比。
交流伺服电机
没有电刷和换向器，无需维护，驱动电路复杂，价格高
按结构分为同步和异步电机。
无刷直流电机结构与同步电机相同，特性与直流电机相同。
分为电压控制与频率控制两种方式。
异步电机通常采用电压控制
步进电机
直接用数字信号控制，与计算机接口简单，没有电刷，维护方便，寿命长，缺点是能量转换效率低，易失歩，过载能力弱
按产生转矩的方式可分为：
永磁式。
反映式和混合式
永磁式是单向励磁，精度高，但容易失步，反应式是双相励磁，输出转矩大，转子过冲小，但效率低，混合式是单双相励磁，分辨率高，运转平稳
表3.3
步进电机作为一种新型的自动控制系统的执行机构，得到越来越广泛的应用，进入了一些高、精、尖的控制领域。
步进电机虽然有一些不足，如启动频率过高或负载过大时易出现失步或堵转，停止时转速过高易出现过冲，且一般无过载能力，往往需要选取有较大转矩的电机来克服惯性力矩。
但步进电机点位控制性能好，没有累积误差，易于实现开环控制，能够在负载力矩适当的情况下，以较小的成本与复杂度，实现电机的同步控制。
综合考虑控制要求、成本等多方面因素，本系统选用步进电机作为驱动电机。
3.4夹紧机构设计
在管内步伐机器人当中，夹紧机构是保证机器人具有良好的爬坡能力和越障能力的关键。
夹紧机构分为机械式和液压式两种，机械式夹紧机构采用平面螺旋副。
驱动在圆周上均布的三个接触脚压向管壁达到锁紧的目的。
平面螺旋盘的驱动靠电机一凸轮副或电机一轮副驱动。
液压式夹紧机构采用液性介质弹性夹紧机构。
为此我们提出了三种结构方案：
①电机一凸轮副结构方案
图3.4电机--凸轮服结构图
工作原理为：
电机经偏心圆弧凸轮，驱动平面螺旋盘在一定的角度内转动，再推动接触脚外伸或回缩从而与管道锁紧与放松。
此结构需在平面螺旋盘的背面径向开一个配合凸轮的滑槽。
②液压式夹紧机构
液压式夹紧机构是利用液性介质将压力传递给薄壁弹性套筒，使薄壁套筒产
生均匀的径向变形，与管壁夹紧。
如图所示为液压式夹紧机构。
其工作原理为电机经柱塞驱动液性介质，使基体外圆四周的薄壁发生弹性变形，夹紧管道内壁。
液性介质一般采用液性塑料或油液。
图3.5液压式夹紧机构
③电机一齿轮副结构方案
图3.6电机--齿轮副结构图
电机经内齿轮副，驱动平面螺旋盘回转。
推动接触脚外伸或回缩，与管道内壁夹紧或放松。
总结：
相比较几种夹紧机构，液压夹紧机构可在管壁的一个环形带上获得较大且均
布的夹紧力。
采用液性塑料介质，单位压力可达
而且还有较高的
定心精度,一般可保证同轴度在
但是液压夹紧机构夹紧效果但是
不易放松.还有一个不可忽视的问题是油漏，这特性不适合爬行机器人的工作空
间的要求。
电机一凸轮副虽然可以达到夹紧的功能要求，但是只能在一定的角度
内回转，性能不优越且对制造的要求较高。
齿轮副的传动精度和效率较高，控制方便。
可产生较大的动力，适应性能好，所以爬行机器人本体的夹紧机构选用电机一齿轮副夹紧结构。
即方案③
3.5减速结构设计
常用的机械传动装置有带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动等
图3.7
链传动的特点:
①和齿轮传动比较,它可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力;
②能在低速、重载和高温条件下及灰土飞扬的不良环境中工作;
③和带传动比较,它能保证准确的平均传动比,传递功率较大,且作用在轴和轴承上的力较小;
④传递效率较高,一般可达0.95～0.97;
⑤链条的铰链磨损后,使得节距变大造成脱落现象;
⑥安装和维修要求较高.链轮材料一般是结构钢等.
图3.8
带传动（皮带传动）特点（优点和缺点）:
①结构简单,适用于两轴中心距较大的传动场合;
②传动平稳无噪声,能缓冲、吸振;
③过载时带将会在带轮上打滑,可防止薄弱零部件损坏,起到安全保护作用;
④不能保证精确的传动比.带轮材料一般是铸铁等.
图3.9
齿轮传动的特点:
①能保证瞬时传动比恒定,平稳性较高,传递运动准确可靠;
②传递的功率和速度范围较大;
③结构紧凑、工作可靠,可实现较大的传动比;
④传动效率高,使用寿命长;
⑤齿轮的制造、安装要求较高.齿轮材料一般是铸铁等.
图3.10
涡轮蜗杆传动最主要的特点就是具有反向自锁的功能，而且相比其它传动具有较大的速比，涡轮蜗杆的输入、输出轴不在同一轴线上，甚至不在同一个平面上。
自身的缺点，那就是涡轮蜗杆的传动效率不够高，精度也不是很高。
3.6本章小结
本章介绍了有关机器人一些参数数据的选择，包括移动方式、驱动方式、及电动机的选择，对整体方案比较选型给出了依据和要求，确定了动力系统的方案，选择步进电机作为驱动元件。
4管内步伐式行走机器人的力学分析
4.1机器人脚底对管壁的压紧力（见图2.2）{机器人结构简图}
根据虚位移原理撑脚电机6的有效虚功与脚底虚功相等
=3
η1T1△θ=3F1△L1
其中:
T1——电机6的扭矩
F1——单脚在管壁上的压力
——电机的微小转角
——电机6微小转角对应的脚底伸出量
——传动效率
由于
其中，i——电机6到脚的传动比；
P1——平面螺纹的节距。
将机器人参数T1=6kgcm,n1=159,p1=1cm，
=0.5代入方程
得F1=8.37kgf
4.2管内步伐式器人的牵引力
根据虚位移原理牵引电机1的有效虚功与牵引虚功相等：
其中，T2——电机1的扭矩；
——电机1的微小转角；
——电机1微小转角对应的螺母3相对于螺杆的移动量；
——传动效率；
L1——摆杆4上臂长度；
L2——摆杆4下臂长度
F2——牵引力
由于：
将机器人参数T2=9kgcm,L1=75mm,P2=3mm,
=0.8代入方程
得：
F2=209kgf
4.3无防滑机构条件下管壁压力与牵引力的关系及打滑条件
其中，f支撑脚底与管壁的摩擦系数。
又有：
将该机器人参数带入不等式右端并取
得：
T1/T2>
11.1
在无防滑机构情况下，撑脚电机扭矩要大于扭矩11.1倍，机器人才能不打滑正常牵引行走，即该机器人产生209kg牵引力，牵引电机扭矩9kgcm,撑脚电机扭矩需100kgcm以上。
4.4 管内步伐式机器人的防滑机构及力学分析
如前分析由加大脚底对管壁的正压力,使脚底与管壁间存在足够的摩擦力,以保证机器人行走时不打滑的条件为：
撑脚电机的扭矩大于牵引电机扭矩11.1倍。
这必然导致撑脚传动机构庞大,机器人自重增加,这样机器人可转弯的最小半径将加大,通过弯曲管道的能力减小,而且非主要做功电机远远大于主要做功电机是不合理的,因此设计了撑脚防滑机构。
4.4.1撑脚防滑机构的工作原理
撑脚防滑机构如图3所示.其中长销
（2）靠过盈配合固连在胶靴（3）上，当滑杆
（1）与胶靴（3）相对移动时，长销
（2）在滑杆
（1）的长槽中滑动，在胶靴踩上管壁前，由于弹簧（6）的作用使滑杆
（1）相对于胶靴上移，固联在滑杆
（1）上的短销（5）迫使两摆杆（4）的夹角增大，使两摆杆（4）的端部缩回到胶靴底面以上。
当滑杆外伸时首先胶靴底与管壁接触，胶靴底接触管壁后，滑杆压缩弹簧（6）继续下移，短销也随滑杆下移，放松了两摆杆（4），在弹簧（7）的作用下，两摆杆（4）的夹角减小，两摆杆的端部从胶靴底面上伸出压在管壁上，摆杆长度设计保证摆杆此时与种新鲜的夹角小于摆杆材料与管壁摩擦角，胶靴左右滑动时右摆杆起作用，向左滑动摆杆起作用，被锁死在管壁上不能左右滑动，起防滑作用。
图4.1
4.4.2防滑机构受力分析，
防滑机构受力分析图如下图：
当机器人受力F时支撑脚上的摆杆OA和O′A′有分别绕O和O′向右转动倾向，A点和A′点受管壁限制，管壁产生了反作用力Q,销轴产生反作用力Q′,Q和Q′的作用线在摆杆与管壁的接触点A、销轴磨擦圆的相切线上。
当
角小于磨擦角时，接触点A不能移动，而使O和O′有向管道中心运动的趋向而将机器人支撑机构锁死，当牵引力F消失后Q也随之消失。
图4.2防滑机构受力分析
4.5有防滑机构情况下支撑电机计算
按支承电机维持机器人在管道中心的要求
Q——机器人的半重量
P1——平面螺纹的节距
机器人的半重量Q=21kg,将机器人参数代入上式得
T1＞4.2kgcm
本机选用的支撑电机扭矩为6kgcm.
4.6本章小结
本章主要对机器人的力学设计做了分析，对压紧力，牵引力等做了分析，按照模块化设计思想进行结构设计，便于后续工作。
对本体进行了受力分析，推
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