管内壁爬行机器人的设计.docx

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管内壁爬行机器人的设计

前言

随着现代科学技术的发展，管道运输作为一种高效、安全、可靠的手段应用日益广泛，城市中的地下排水系统、取暖系统、煤气系统、自来水系统等都应用了各种管道；另外，在现代工农业、石油、化学、核工业等领域也大量使用了管道。

经过长期使用，它们会出现裂纹、腐蚀、堵塞等故障。

有的管道中输送的是剧毒或放射性介质，若这些管道产生裂纹、漏孔会造成介质泄漏，引起事故甚至发生灾难。

为了防患于未然，必须对这些管道进行定期检测和维修。

但是它们有的埋在地下，甚至埋在海底，有的口径很小，人无法进入。

挖出管道进行检测、维修既不经济又不现实，由此可见，管道机器人有着广阔的市场。

我国早在1987年就开展了管内机器人的研究，并试制了几种模型，但总体水平较国外差。

管内机器人研究是机电一体化的高科技研究项目。

在石油、化工、核工业、给排水等许多管道工程中，都需要进行管内检测、喷涂及加工等工作，管内机器人在完成这些工作中会发挥重要作用，因此，开发研究管内机器人意义很大[1]。

本次题目的内容就是设计一种可在油管内壁爬行，并且搭载工作体的部分可协助工作体完成相应作业的机器人。

采用机械结构和电气控制来达到设计目的。

要实现的理想过程是：

人对主机输入一个控制信号，可以通过单片机对电机、电磁铁进行电气控制，从而使机器人能够按照所搭载工作体的要求进行移动，并在工作体的工作位置做出相应的辅助动作。

机器人在行进过程中可在任意位置停止前进，并可以在该位置开始作业，工作体可在步进电机驱动下完成小于360度的任意角度的旋转。

1方案的结构选择

1．1总体选择

总体上，本次设计主要采用机械结构设计来完成指定的动作，而用电气设计来控制这些动作。

1．2前进方案的选择

目前在管道内机器人的行进方式多种多样，本设计采用蠕动式行进的方式。

前进方案由旋转式步进电机、直线式步进电机、气缸中进行选择。

现将3种方式在本设计中的应用进行比较。

由于本设计前进方式为直线，所以其中使用直线式电机最为简便，直线电机的电机轴是丝杠形式的，于是可以通过丝杠的导程来计算机器人的行进距离。

使用旋转式步进电机的原理与直线式步进电机相似，可通过一个小型连轴器与丝杠相连组成一个直线式步进电机，也可以通过一组齿轮减速器将丝杠与电机轴相连，简图见图1-1。

图1-1结构简图

第三种方法是使用气缸推动机器人前进。

综合比较三种方法后发现，气缸实现直线运动过程简单，但其行程不易控制，要实现精确控制需要成本过高。

两种步进电机的特点相似，但直线式的步进电机在安装时不易对心，且价格远高于旋转式步进电机。

所以综合考虑最终选择采用旋转电机的方案。

1．3卡紧方案的选择

机器人在蠕动式爬行的时候，需要卡紧装置进行配合。

所以需要选择合理的卡紧方案。

由于本次设计的机器人需要适应从4.5到7英寸的不同管径的管道，这给卡紧方案的设计带来很大的难度。

方案1为采用推拉式电磁铁直接进行卡紧，并使用适当的连杆机构调整电磁铁位置，当连杆机构将电磁铁调整到指定位置后，电磁铁得电，推杆伸长，机器人卡紧管壁。

工作完成后，电磁铁失电，机器人放松[6]。

结构简图见图1-2

图1-2结构简图

方案2为使用一个旋转电磁铁，用旋转电磁铁来带动凸轮实现卡紧，通过对凸轮进行设计可以计算出支撑杆的移动距离。

当旋转电磁铁得电后，旋转一定角度，带动凸轮旋转，使支撑杆在径向产生移动从而卡进管壁。

电磁铁失电后，通过弹簧的作用使凸轮和支撑足复位，机器人放松。

结构简图见图1-3。

图1-3结构简图

Diagram1-3structuresketchplans

方案3为使用一推拉式电磁铁推动锥形滑块，同时设计三个长度可调的支撑杆，当电磁铁得电后，电磁铁推杆伸出并带动锥形滑块沿轴向前进。

由于滑块为锥形，支撑足产生径向移动，机器人被卡紧[7]。

电磁铁失电后，机器人放松，原理同方案2。

结构简图见图1-4。

图1-4结构简图

Diagram1-4structuresketchplans

综合比较以上三种方案，首先放弃了方案1，由于管道内空间有限，电磁铁的体积太大，无法合理的安放电磁铁，并且电磁铁的重量也相对较大，设计与之相应的连杆机构也很困难。

方案2与方案3在原理上基本相同，不同之处在于方案2用的是凸轮，而方案3用的是锥形滑块。

凸轮的结构复杂，且其表面需要非常光滑，由于凸轮曲面为复杂曲面，所以普通磨床难以加工，需用数控加工中心进行加工，这样加大了成本。

经过综合比较决定选择方案3。

另外，在卡紧方面也可使用气缸，此类型的设备已被开发，但由于空间问题并不适合于本设计，故本设计不使用该方法。

1．4旋转方案的选择

旋转部分采用一个旋转式步进电机，电机轴带动法兰，可在法兰上连接工作体，通过控制步进电机的转动角度来控制工作体的转动。

结构如图1-5所示。

图1-5

Diagram1-5

1．5调节方案的选择

由于本次设计的机器人要适应不同的管径，所以需要设计一个结构合理的可调机构。

初步拟订3个方案，方案1采用一个推拉式电磁铁推动一个连杆机构，结构与卡紧方案1相似，结构简图见图1-2。

通过控制推杆伸出的长度及连杆机构来调整支撑足。

方案2也是一种连杆机构，结构见图1-6。

通过调整螺栓来调整支撑足的高度。

它的结构与汽车修理厂所用千斤顶相似。

图1-6结构简图

Diagram1-6structuresketchplans

方案3较为简单，将支撑杆上做出几个槽，槽的位置分别与机器人所需要工作的管径相对应，在外安装套筒，并在套筒上开螺纹孔，通过紧钉螺钉将支撑杆与套筒相连。

再将套筒与机体相连，通过紧定螺钉与不同槽之间的配合来适应不同的管径。

结构详见图1-7。

图1-7结构简图

Diagram1-7structuresketchplans

再对以上三种方案进行比较，方案1的自动化程度很高，可以通过控制计算机来控制调整机构，节省了人力。

方案2的机构很合理，调整方便。

但由于管道内空间的限制，这个方案都很难在本设计中应用，而方案3虽然不是最精确的，但它制造方便，并且在空间上设计的很合理。

并且为可换，在需要适应新的管径的时候，只需要重新制造支撑杆，十分方便。

本设计采用方案3。

1．6结构方案改进

机器人采用丝杠来推动前进，在前进过程中对于部分机体的旋转自由度没有加以限制，所以不排除机器人在前进过程中产生旋转。

为了防止旋转，我们在丝杠的平行方向上加一根光杠。

这样机器人在前进时，当一端被卡紧时，另一部分的旋转自由度也被加以限制，防止了旋转的发生。

机器人在前进的过程中，管道内的情况不明。

有些管道的内表面已经作了加工，为了防止划伤管道内表面，我们在机器人的三大部分上分别加上三组小轮，这样不仅可以减小摩擦力，通过对小轮表面材料的选择也可以起到保护管道内表面的作用。

由于机器人所载工作体需做小于360°的旋转，所以应该最大限度的保证机器人的中心与管道的中心重合，这样工作体就是绕管道的中心旋转。

采用三足支撑的方法进行自动定心，同时在其中一个支撑足上安装弹簧，使三个支撑足同时抵在管壁上，保证定心。

并将防划伤的小轮安装在这三个支撑足上。

结构如图1-8所示。

图1-8结构简图

Diagram1-8structuresketchplans

在原理上可以将卡紧与支撑用一个机构来执行，但是由于支撑足上安装了用来减小摩擦力的小轮，这样电磁铁产生的卡紧力将不足以卡紧，将定心与卡紧分离，可以保证卡紧力，只要在结构上做的尽量紧凑，充分考虑空间因素，问题将得到解决。

2主要部件的计算选择

2．1步进电机的选择

本次设计步进电机共使用两个，两个电机的功能不同所用型号也不相同。

我们先对行进用的电机进行选择。

本次设计中的前进动力全部来自这个步进电机，所以该电机提供推力必须能够推动整个机体。

机器人制造材料为铝，铝的密度为

Kg/m3

可得整个机体的质量约为1.5千克。

由于机器人工作环境所限预计工作体的质量为1.5千克。

机器人整体的质量主要由机体、工作体、电磁铁和电机的质量组成，初步选择两个电机的质量约为0.75千克。

两个电磁铁的质量为0.35千克，再补充其它部件的质量，整个机器人的质量约为5千克。

机器人在管道内所受的阻力来自于小轮与管壁的滚动摩擦力。

小轮与油管内壁间的摩擦系数决定了机器人所需推力。

根据工程实践经验可知，滚动摩擦系数在0.1与0.2之间，这里为保证推力，取摩擦系数为0.2。

得出为使机器人前进所需推力为9.8N。

旋转电机所输出的转距由丝杠转化为直线运动，丝杠推力由螺旋副产生，由于推力已得出，所以计算所得的螺旋副间的摩擦阻力矩即所选电机需要满足的转矩。

计算摩擦力矩时借鉴螺纹预紧的扭紧力矩的计算方法[8]。

螺栓由于扭紧力矩T作用，使螺栓和被连接面之间产生预紧力F0。

由机械原理可知，扭紧力矩T等于螺旋副间的摩擦阻力矩T1（即本设计中所需求的转矩）和螺母环形面与被连接件支撑面间的摩擦阻力矩之和，

即

（2-1）

螺旋副间的摩擦力矩为

（2-2）

螺母与支承面间的摩擦力矩为

（2-3）

将（2-2）、（2-3）、代入（2-1），得

（2-4）

表2-1

综合考虑螺纹升角；螺旋副的当量摩擦角

（f为摩擦系数，无润滑时f

0.1-0.2）；螺母与支承面间的摩擦系数可得

（2-5）

因为丝杠传动过程中并无螺母与支承面间的摩擦阻力矩T2，所以可利用公式（2-5）计算本设计中所用电机的转距，并且计算出的转距一定大于推力所用的转矩，在选用电机时留出了工作余量。

由于在工作的丝杠与电机轴之间使用了一组齿轮减数器，Z1=20，Z2=36，

。

计算得出所需电机转矩为0.0087N.m

在考虑到空间、质量因素后决定采用35BYG310型步进电机，电机各项参数如表3-1所示：

（通用技术参数）混合式步进电机

步距角1.8°±5%

绝缘电阻500V DC 100MΩ Min

绝缘强度50Hz 1Minute 500VMin

环境温度 20℃~+50℃

温   升80℃Max.

径向跳动0.02mmMax.

轴向跳动0.1-0.3mm

型号相数电流电阻最大静转矩重量外形尺寸

（A）（Ω）（kg.cm）（kg）L0（mm）L1（mm）

35BYG31020.19600.80.152821

35BYG40821.601.30.90.152921

35BYG40920.32231.40.202921

选择步进电机的步距角为

，丝杠导程为1.5㎜，机器人行进的分辨率为0.0075㎜/步[9]。

工作体转动所用步进电机的选择。

工作体在转动过程中需要克服由重力所产生的转矩，由于工作体形状未知，故设工作体重心偏移量为最大，工作体质量为1.5㎏，得出所需电机转矩为0.375N.m。

选择57BYG008型步进电机。

步距角1.8deg

环境温度25～+40℃

绝缘等级B

表2-2

Form2-2

型号电压电流电阻电感最大静力矩机身长转动惯量重量

（V）（A）（Ω）（mh）（N.cm）（mm）（g.cm2）（kg）

57BYG007120.38323029.441600.45

57BYG0084.01.33.14.449.0511180.6

57BYG0092.42.41.01.558.8561450.65

2．2推拉式电磁铁的选择

本设计卡紧部分所采用的是推拉式电磁铁，通过锥形块来实现卡紧。

锥形块的锥度设定为

，支撑杆受力简图如图2-1所示：

图2-1支撑杆受力简图

Diagram2-1propupapoletobesubjectedtoadintsketchplan

图中F1为电磁铁推力，F2为作用在油管内壁的卡紧力。

因为锥度为

，所以F1=F2。

机器人前进所用推力为9.8N，则电磁铁所产生的卡紧力应大于9.8N。

在电磁铁的卡紧足上镀上用于增大摩擦力的橡胶，保守的取滑动摩擦系数为0.5，计算得出所需电磁铁的推力为为19.6N。

由于机器人工作的空间狭小且工作条件不清楚，所以在保证足够力的前提下，应尽量选择体积小行程适中的。

所以电磁铁选用TCT40Z型推拉式电磁铁。

仔细分析电磁铁工作曲线（如图2-2）后，决定选用工作行程为4㎜，功率50W。

图2-2

Diagram2-2

3关键件的校核

3．1丝杠的校核

由于机器人前进过程中行进的距离要进行精确控制，属于精密传动，所以丝杠材料选用CrWMn钢，公称直径为8mm,H=0.75mm,导程为1.5mm,

。

其中丝杠推力F=9.8N，d2=7.25,Z=7。

计算得出：

P=0.08MPa

所以符合要求[10]。

3．2轴承的校核

本设计中两处用到了轴承，其中转动部分需要用角接触球轴承70000型。

本设计中此处选用角接触球轴承既能抵消所受的径向力,又能抵消所受的附加轴向力。

又因为此对轴承所受的外摩擦力即轴向力非常小，故符合机器人的结构及寿命要求。

另外固定丝杠时也需要选用轴承。

由于丝杠是与电机布置在同一部分机体内，电机已经占据了一定空间，且丝杠公称直径很小，普通轴承不能满足要求。

我们在这里选用仪器仪表轴承，d=6mm，D=13mm。

轴承的基本额定载荷

KN，

KN。

在轻载的情况下，轴向

，即

N[11]。

在机器人行进过程中，丝杠的推力为9.8N，所以选用的轴承满足要求。

3．3键的校核

转动部分使用了一个普通平键，传递转矩为0.375N.m，轴的直径为16

mm

，

。

校核公式：

计算得出

，键的材料为钢

，符合要求[12]。

4驱动系统设计

步进电机是一种将脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件。

每外加一个控制脉冲，电机就运行一步，故称为步进电机或脉冲马达。

与其它驱动元件相比其控制有如下几个明显的优点：

1）通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制；

2）输出的转角或位移精度高，误差不会累积；

3）控制系统结构简单，与数字设备兼容，价格便宜。

步进电机的品种规格很多，按照其结构和工作原理可划分为反应式电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和特种步进电机四种主要形式。

本次设计中采用混合式步进电机。

步进电机的运行需要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为角位移，既控制系统每发出一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。

步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。

步进电机的驱动器拥有细分功能。

控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所前进的不一定是电机的固有步距角，真正的步距角和电机驱动器有关。

步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了，如驱动器工作在10细分状态时，其步距角只有“电机固有步距角”的十分之一，也就是说：

‘当驱动器工作在不细分的半步工作状态驱动所用电机时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动

；而用细分驱动器工作在10细分状态时，电机只转动了

’，这就是细分功能。

驱动器细分后的主要优点为：

1）完全消除了电机的低频振荡。

低频振荡（约在200Hz左右）是步进电机的固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果步进电机有时要工作在共振区（如走圆弧），选择细分驱动器是唯一的选择。

2）提高了电机的的输出转矩。

尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高了30-40％。

3）提高了电机的分辨率。

由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，‘提高电机的分辨率’是不言而喻的。

本设计中共使用两个步进电机，型号分别为35BYG310和57BYG008。

为两电机选择的驱动器型号均为SH-2H057M，该驱动器所用的是全功能步进电机专用控制芯片，是由超大规模的硬件集成，具有高度的抗干扰性及快速的响应性，不会像单片机控制那样易产生死机及丢步现象。

由于不同工作体对机器人行走的分辨率有不同要求，所选的驱动器有细分功能，对应不同工作体的要求，选择相应的‘细分数’，驱动器的‘细分数’调法非常简单，只需要根据面板上的提示，通过拨位开关设定即可。