毕业设计论文管道机器人行走机构设计管理资料.docx
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毕业设计论文管道机器人行走机构设计管理资料
毕业设计（论文）--管道机器人行走机构设计
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，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
Abstract
Inourcountry,pipelinetransportationisveryuniversal,andpipelineisinhighpressurecircumstance.Becausepipesarecorrodedbythewater,theoilmixture,thehydrogensulfide,thenoxiousgascorrosionandsoon.Whenthesepipelineswerecorroded,theirwallswouldbecomethinandresultincracksandoilleak,thereissafetyincipientfaultinproductionandeconomicloss.Sothekeytechnologyandfurtherresearchdevelopmenttrendofin-piperobotarediscussed.
Accordingtotheseproblems,wedesignedanewmobilemechanismandanalyzeditsmachinestructure.Inthispaper,thecurrentstatesofin-piperobotaredescribedandanewtypeofmobilerobotmechanismmovinginpipeispresented.Itusestwomotortodrivesixwheelswhichdistributesymmetricallyontherobotbodyandawheelsarepushedonthewallofpipebyspringforce，sothatthesixdrivingwheelsmovealongtheaxisofpipe.Thiskindofmobilerobotmechanismhashighefficiency，simplestructureandeasytomanufactureandtomount.
Thenthepapersfocusondirectpipelineintothewheeledrobot'smovementandthemovementofananalysisandpresentation.AccordingtothepipelinerobotdesignrequirementschooseMotors,introducedthemotorselectionprocess,ofwhichthekeymechanicalcomponentssuchaswormtransmissionparts,suchasageardesign.Therobotwiththelargercarryingcapacity,canachievehigherspeedsformobile,astheagenciesadoptaflexibledevicesupport,theagencyincreasedthediameterofadaptability,isakindofpracticalvalueintheformofbodymovement.
Keywords:
In-pipeRobot;Mobilemechanism;Flexibledevice
摘要I
AbstractII
1绪论1
1
2
8
10
2管道机器人总体方案设计11
11
式11
12
式13
17
3管道机器人的移动机构分析与设计18
18
19
动机构的原理19
动机构的特点19
21
由度分析21
度分析21
23
析时的一些假设条件23
构前进时的受力分析24
27
机的选择27
位的设计计算29
设计31
选择31
簧的设计32
32
径大小的影响32
道机器人适用的管道口径33
4直进轮式管道机器人实体建模34
34
35
36
37
5总结38
参考文献40
致谢41
附录42
1绪论
管道作为一种有效的物料输送手段，在一般工业、核设施、石油天然气、军事装备等领域中都得到广泛的应用，本题目要求设计一个结构紧凑的管道内行走装置，提高驱动效率。
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。
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。
[1]
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MicroMachine。
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50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,一般译名称“管道猪”PipePig[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,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。
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，。
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
机械自适应管道机器人原理图
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，当预紧力超过系统设定值时，控制离
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