学位论文螺旋轮式管道机器人设计及其制作.docx

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学位论文螺旋轮式管道机器人设计及其制作

xx大学

毕业论文（设计）

题目名称：

螺旋轮式管道机器人设计及其制作

题目类型：

学生姓名：

院（系）：

机械学院

专业班级：

机械11102班

指导老师：

时间：

2015月25号~5月12号

完成时间2015年5月

螺旋轮式管道机器人设计及其制作

摘要

本设计的主要内容是螺旋推进管道机器人的组成及工作原理,对机器人的机械结构进行了设计,并且分析了其在弯管内的几何与运动约束条件。

新型的旋转体和保持体结构的设计,使此管道机器人具有较大的牵引力和移动速度。

机器人采用节段式设计,使得其具有强大的功能扩展性。

在制冷、化工、核电站等领域,采用常规方法对小型管道检测存在中毒、辐射等危险,且费时费力。

因此,小型管道机器人在细小管道检测方面具有良好的应用前景,并且其机械结构具有较高的实用价值和学术意义。

螺旋轮式管道机器人特点：

轮式行走具有结构简单、行走连续平稳的特点。

关键字：

管道轴螺旋推进管道机器人旋转体管道检测机械结构

目录

第一章绪论……………………………………………………………3

§1.1机器人的定义及其组成………………………………………3

§1.2机器人的发展历程……………………………………………4

§1.3机器人在各大领域的应用……………………………………5

§1.4螺旋轮式管道机器人……………………………………………6

第二章机器人总体方案设计…………………………………………7

§2.1设计方案过程及特点………………………………………………7

§2.2机械结构……………………………………………………………7

第三章机器人系统控制…………………………………………………14

第四章机器人制作过程…………………………………………………16

第五章设计总结………………………………………………………18

参考文献…………………………………………………………………21

正文

第一章绪论

§1.1机器人的定义及其组成

1920年，捷克剧作家卡雷尔•卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》，他在说剧本中首次提出了“机器人（Robot）”这个词，并且把机器人描绘成像人一样工作的机器，不知疲倦地工作。

自此之后，不仅“机器人（Robot）”这个词广泛的流行，而且设计制造机器人的活动也异常风行。

现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。

一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。

联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：

“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。

”

　机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。

执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。

根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。

出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。

驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。

它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。

机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。

检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。

作为检测装置的传感器大致可以分为两类：

一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。

另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。

　控制系统有两种方式。

一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。

另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。

根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。

§1.2机器人的发展历程

从我国古代的用木头制成的能歌善舞的伶人，到1961年第一台工业机器人在美国问世，再到机器人蓬勃发展的今天，机器人主要经历了三个发展阶段。

科技界把早期的机器人称作第一代机器人，它们按人编写的程序工作。

这些机器人从严格意义上来说不属于机器人，因为它们只能重复一种动作，以一种固定的模式工作。

第二代机器人由电脑控制，可根据需要按不同的程序完成不同的动作，这就使得机器人在很多人类所不能完成的工作上大展拳脚，解决了很多工业生产和日常生活中的难题。

第三代机器人也称为智能机器人。

随着科学技术的不断进步，机器人逐渐向智能化发展，智能机器人也应运而生。

智能机器人具有人的智慧，可以认识周围的环境和自身的状态，并能进行分析和判断，然后采取相应的策略完成任务。

早期的智能机器人主要用于工业和军事领域，我们看到的大多是机械手和机械臂。

随着时间的推移，非工业领域的自动化程度越来越高，智能机器人的应用领域越来越广泛。

总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。

机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统。

机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。

§1.3机器人在各大领域的应用

工业机器人的应用领域日渐广泛,经过四十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。

在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。

如在毛坯制造（冲压、压铸、锻造等）、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。

随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。

此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机（飞行器）、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。

机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。

随着科技不断进步，机器人的功能也越来越先进。

最近，日本下结科研机构相继推出了最新研制的机器人：

索尼公司的人形机器人于3月9日在东京市举行的节目彩排中登台亮相，担任指挥。

身高只有58厘米的机器人，登上特制的指挥台，面对约70人的乐队它说心里感到紧张，然后用可爱的动作挥动指挥棒，指挥乐队演奏贝多芬第五交响曲《命运》的第一乐章。

3月21日，《日本经济新闻》报道，日本京都大学信息学研究专业奥乃博教授领导的研究小组开发出一种会分辨亲疏的机器人。

对它好，它会做出可爱的动作，对它不好，它会生气扭头。

去年圆形自动真空吸尘器在市场上大出风头。

有谁会想到，在21世纪初，飞碟形状的吸尘器的技术水平竟然代表了当前家用机器人技术的最高水平。

去年，iRobot公司生产的圆形自动真空吸尘器鲁姆巴在市场上大出风头，一年内超过20万的消费者购买了鲁姆巴，销售额达数百万美元现在看来，机器人真空吸尘器正在受到消费者的广泛欢迎。

家用机器人、工业机器人的市场前景看好，它有着56亿美元的巨大市场，而且还以每年7%的速度增长。

但据联合国欧洲经济委员会（UNECE）的报告预测，未来3年内需求增长速度最快的将会是家用机器人。

从如此多的机器人用途中我们看到，机器人现在在我们的生活中扮演着越来越重要的作用。

所以，在大学教育中，同学们能够积极参加科研，对提高自己的能力以及对社会的发展都将是很重要的。

§1.4螺旋式管道机器人

螺旋管道机器人在生活中有着极为广泛的应用。

烟道清洗机器人是专门针对酒店、宾馆、学校、企事业单位等的油烟管道清晰的专用清洗机器人。

它操作简单、清洗效率高、清洗录象可一次完成，它将彻底解决现有清洗方式中普遍存在的问题；对工作中的在线石油输油管道进行全线检测,可以细化了解全线管道内外壁受腐蚀损伤状态分布,最终了解和预测管道的可持续使用寿命的在役输油管道检测机器人；还有用于窖井等搜寻的窖井机器人，取代了人工操作，避免了一些工作的危险性，同时也减少了由于环境而带来的阻碍，提高了窖井工作的可操作性。

这些都是螺旋式管道机器人对人们的生产生活带来的方便。

第二章机器人总体方案设计

§2.1设计方案过程及特点

按照上述的过程方案，由三维建模可以进一步确定机器人的可靠外形结构。

安装加工出的理想外形经过安装调试环节成为完整的机器人，最后完善整个样机使其在螺旋管道内能顺利工作，帮助人们顺利解决难题。

§2.2机械结构

一、当前状况

目前国内外已研制出的管道机器人类型很多，从机械结构来区分主要有以下几种移动方式：

（1）活塞移动式，其原理类似于活塞在汽缸内的运动，即把管道看作汽缸，把具有一定弹性和硬度的机器人看作活塞。

在结构上，机器人其后面的流体压力大于前面的压力时，在压差的作用下，机器人克服了管壁与活塞之间的摩擦阻力而向前运动。

机器人可以携带各种传感器，一边行走一边用于管道检测。

（2）滚轮移动式，利用滚轮驱动式的行走结构，以电机作原动机，为了增加牵引力，一般采用多轮驱动式，由于轮径太小，越障能力有限，而且结构复杂。

（3）履带移动式，仿造履带式车辆行走原理，采用带齿轮减速箱的直流伺服电机驱动。

（4）足腿移动式，其基本原理是利用足腿推压管壁来支撑机体，利用多腿可以方便地在各种形状的弯管内移动。

由撑脚机构、牵引机构和转向机构构成，可在各种类型的管道里移动。

（5）蠕动移动式，模仿昆虫在地面上爬行时蠕动前进与后退的动作设计，机构由蠕动丝杠、螺母、前后支撑足及前后封闭弹簧构成。

在行走时，分别使左右支撑足上端与管壁接触，下端用滚轮与管壁接触。

驱动蠕动丝杠依次左转和右转，使螺母在丝杠上左右移动。

（6）螺旋移动式，利用螺旋原理使管外电机推动带有弹性的驱动部件前进，该驱动螺旋部件可以自动越过小的台阶。

以上移动方式各有所长，我们在第六种螺旋移动的基础上进行改进，来实现我们设计目的。

螺旋式上升的移动方式有着如下优点：

1）移动速度稳定，能够实现中途停止，顺应了多变的情况，便于应用于工业上实际作业。

2）在整个上升过程中利用了滚动原理，较为稳定没有震动，内部能够安装一些精密仪器。

3）旋转过程中有着与管道相垂直的径向转动，接触面较广，不存在死角问题，便于实际应用中的勘测、清洗等实际工作的具体实施。

就螺旋式管道机器人各种设计也有个各自的优点，就我们一些参考文献中的设计方案进行对比来具体了解我们的机械结构原理。

下图出自论文《URT螺旋轮式管道检测机器人越障性能研究》中，与我们的方案类似的采用了三叉元结构，利用了三角形的稳定性。

就单单上图的设计我们提出了如下几个没有克服的问题：

1）驱动设计较少，在管道内部的环境中容易产生打滑等抱死的状况。

2）弯半径较大，无法适应复杂的管道内部状况。

3）上升力矩太小，垂直时无法克服重力以及管道内部的一些阻力。

我们会在我们的设计过程中一一克服以上问题。

二、实施方案

1、螺旋头的轴心偏移

在正常管道中,3个沿管道周向120°均布的螺旋轮的初始预紧

力大小关系为:

Fk1=Fk2=Fk3。

由于螺旋头的重量与弹簧预紧力相比较小,故可以忽略其影响。

设3个螺旋轮预紧弹簧的刚度系数均为k，则o1轮的弹簧预紧力增量为:

△F1=k（x-oo′）;

o2,o3轮的弹簧预紧力增量为:

△F2=k·oo′/sin30°。

由于3个轮子夹角不变,通过轴心处受力平衡易知:

△F1=△F2,即:

x-oo′=oo′/sin30°,故得轴心的偏移量为:

oo′=x/3。

2、多节设计

如图是我们的设计方案，采用此种多节设计有着以下优点：

1）采用多节设计能够加大前进驱动力，不会出现卡死的现象。

2）各节之间运用万向接头3连接，能够在较小的半径下转弯。

3）多节半径柔韧性好，出现局部受阻现象后其他部位依旧能够正常工作。

3、伸缩装置

为了能够适应更多内径的管道，在每一节的设计中还有一个锁紧装置。

该伸缩装置一段与电机固定，另一端与一伸缩关节相连接。

工作时带有螺纹的主轴会随着电机进行转动，伸缩关节会随着螺纹进行上下移动。

在移动的同时带动连杆，减少两个连杆的角度，从而增加了轮子的中心距，达到了增大半径锁紧的目的。

伸缩关节的细节图如上所示，呈现三叶草状，每一个瓣对应相应的连杆。

关

节与连杆中间通螺栓进行间隙连接，能够自由移动。

4、舵机变速装置

为了便于控制，我们将控制轮子运动速度的电机设置为固定的，而轮子的角度则有舵机进行控制，控制范围为-20°—+20°。

如下图所示，假设有一个竖直管道，x轴为水平转动速度，y轴为竖直上升速度。

轮子与水平夹角a可以在-20°—+20°之间进行改变，从而造成在y轴上的分速度进行改变，达到了改变上升速度的目的。

在更改a角的同时，也能够增加上升力矩，正如同千斤顶一样，用较小的力矩去克服较大的阻力，达到克服阻碍，顺利上升的目的。

如上图：

1,2圆盘式舵机4腿部支架3轮子

1,2之间可以进行相对的精确转动，从而调整轮子与水平面的角度。

5、多节结构之间的连接

多节之间要能相对转动，但是却要保持连接。

于是我们采用了三节万向接头的连接方式（如右图所示）。

1-套筒；

2-十字轴

3-传动轴叉

4-卡环；

6f#V%k1^$K  D2n-m5-轴承外圈

6-套筒叉  

工作原理：

十字轴式万向节由一个十字轴，两个万向节叉和四个滚针轴承等组成。

两万向节叉1和3上的孔分别套在十字轴2的两对轴颈上。

这样当主动轴转动时，从动轴既可随之转动，又可绕十字轴中心在任意方向摆动，这样就适应了夹角和距离同时变化的需要。

在十字轴轴颈和万向节叉孔间装有滚针轴承5，滚针轴承外圈靠卡环轴向定位。

十字轴式刚性万向节具有结构简单，传动效率高的优点，但在两轴夹角α不为零的情况下，不能传递等角速转动。

6、预期的一些设计图

预期基本参数

净重：

2-5kg

行走速度：

16r/min无级调速

适应圆形管道：

直径范围Φ350～440mm

管内越障高度：

5mm

最小转弯半径:

100mm

第三章机器人系统控制

通过上述的机械设计的构思以及机械结构的制作，一个机器人的雏形已经形成。

但是机器人最重要的就是能使它能动起来，按照指令完成一定的动作，所以我们通过编程及运用单片机来控制机器人的运动，实现对机器人的系统控制。

如下是螺旋管道机器人的程序说明：

电机123

电机4

舵机123

按键说明1复位电机4正转收缩

2复位6舵机初始90度

3装机器人电机反转伸长固定好机器人

4慢速舵机正转：

（5度）

5中速舵机正转：

（15度）

6快速舵机反转：

（25度）

7上升电机123正转

8下降电机123反转

开始

If（按键1）

{

电机4正转收缩；（延时）

}

If（按键2）

{

舵机初始0度；（）

}

If（按键3）

{

电机反转伸长固定好机人；

}

Else

{

If（按键4）

{

舵机初始0度

舵机旋转5度，

}

If（按键5）

{

舵机初始0度

舵机旋转15度

}

If（按键6）

{

舵机初始0度

舵机旋转25度

}

Else

{

If（按键7）

{

电机正转；（延时）上升

}

If（按键8）

{

电机反转；（延时）下降

}

Else

{

电机4正转收缩；（）

舵机初始0度；（）

}

}

}

第四章机器人制作过程

在经历了前期的资料准备、实物准备及工具准备等之后，正式开始了机器人的制作过程，制作过程如下：

一、根据最初的管道机器人构思，完成了机器人的设计，理论性的设计出了各个结构的机械设计图，包括：

管道机器人的整体支架结构、移动装置结构、收缩装置结构、控制装置部分等构件的设计图。

再根据设计出来的图纸画出机器人的Proe图，通过软件仿真论证，同时在此基础上进一步完善设计图，知道软件仿真论证完全通过，设计图完成。

二、根据设计图制造出所需的构件或结构，包括：

移动装置部分、支架结构部分、控制装置部分（即安装单片机的结构）等；通用型构件直接通过采购得到，包括：

舵机、直流电机、滚轮、紧固螺栓、轴承、支座、万向接头、丝杆、连接导线等，所需采购的构件必须按照设计规格购买。

三、机器人的组装，在各个构件或结构制造和采购齐全后，组装机器人是根据设计装配图进行。

机器人为多节机器人，各节结构相似，组装过程是按节为单位，节和节组装到一起就构成完整的机器人。

丝杆与安装在制作上的主直流电机连接构成中心轴，三个支架结构通过轴承安装在中心主轴上，各部分相隔120度角围成一个锥体，在每个支架结构的铰链处安装舵机和直流电机以及滚轮组成的的成成一个锥体，在每个支架结构的铰链处安装舵机和直流电机以及轮子____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________