管内机器人驱动机构和控制系统设计

精品资料，值得下载学习！ 管内小型机器人驱动机构和控制系统设计 摘要 ：本文设计的任务是为管内机器人设计一种驱动机构和控制系统，设计的主要内容包括：机器人总体方案设计；机器人移动功能模块及控制系统的简单设计与实现；机器人管内动力学简单分析。 论文在分析了国内外管内机器人技术现状的基础上，阐述了研究设计该机器人驱动机构和控制系统的目的和意义。通过需求分析，提出了机器人的设计要求和具体指标。对机器人的移动功能模块和控制功能模块进行了进行了总体设计。利用机械设计的相关方法对机器人的移动机构进行了设计，对主要零部件进行了详细设计和计算。通过管 内机器人的研究，最后设计了一套满足功能结构紧凑便于拆卸稳定可靠适应性强的机械系统。分析研究表明这种机器人较好的满足了设计要求，且具有较大的可靠性储备并且在功能方面有较大的提升空间。 关键词： 管道机器人，驱动机构，可调节预紧机构，控制系统 精品资料，值得下载学习！ of is to a on of in an of of on of of On of of of of of of a it to in 品资料，值得下载学习！ 目 录 （目录项为自动生成，不用修改，只需刷新） 1 绪 论 . 1 究课题的目的和意义 . 1 内外研究现状 . 1 2 管内机器人总体方案设计 . 6 务分析与设计思路 . 6 动功能模块设计 . 7 制功能模块设计 . 11 3 管内机器人结构参数分析 . 13 动机构分析 . 13 力系统设计与计算 . 22 4 机器人机械结构设计 . 24 动机构设计 . 24 紧机构设计 . 25 接件设计 . 25 动机构装配图设计 . 26 5 机器人管内运动分析 . 27 动机构管内运动情况分析 . 27 器人管内动力学分析 . 27 6 管内机器人控制系统设计 . 30 制系统硬件总体设计 . 30 控制器 . 30 块 . 32 机控制系统 . 33 刷直流电动机的控制 . 35 7 总结与展望 . 39 论 . 39 望 . 39 参考文献： . 40 致谢 . 错误 !未定义书签。 精品资料，值得下载学习！ 1 绪 论 究课题的目的和意义 工业管道广泛用于石油、化上、天然气及城巾给排水等领域，通常架设于空中或埋入地下，上作环境恶劣，人们很难直接介入，因此给检修、维护等上作造成了困难。为解决这一问题，针对特定的环境要求，有学者研制了 相应类型的管道机器人，其主要分管外与管内两种，以代替人上进行作业。显然，机器人的移动性能与环境适应能力是完成任务的关键。另外，管道施上一般投资巨大，管道机器人设计不合理将会造成难以估算的经济损失。因此，具有较强移动性能与环境适应性的移动机构设计一直是管道机器人是否成功运用的重点。工程应用中的管内机器人首先承担移动载体的作用。特别在小管径应用中，移动灵活、输出驱动力大是机器人完成任务的基本前提。对于电驱动轮式管内移动机器人，其驱动力大小由驱动电机功率决定，而电机功率大小又与其自身尺寸有关，所以驱动力大的机器人 结构尺寸一般偏大，这自然受到管内有限空间的制约。空间越小，机器人的输出驱动力越难提高。 管道机器人的研究开始于 20 世纪 50 年代的 道清管器， 20 世纪 70年代，随着计算机技术、通信技术、图形处理技术、微电子技术、传感器技术和机械设计制造技术的发展，管道机器人得到了空前的发展。 20 世纪末至 21 世纪初，由于微机电系统及微驱动器和材料技术研究的进步，出现了微小管道机器人的研究热潮。根据能源的供给方式微小管道机器人可分为有缆式和无缆式，其中有缆式可减少能源模块、减小机器人的尺寸、能源供给稳定但是会导致行走距离短 、增大机器人与管壁间的摩擦力 ;无缆式根据驱动源可分为压差驱动、微型电机、形状记忆合金 (外磁场驱动、压电驱动、微波驱动和气液驱动等。微小管道机器人按行走机理可分为轮式、腿式、仿生蠕动式、仿生游泳式、螺旋式等多种类型。 内外研究现状 外管道机器人技术研究现状 日本 东京工业大学航空机械系 人于1993 年开始研究管道检测机器人 50m m 管道的 型管道检侧机器人，如图 1示。该机器人采用“ 电机 驻动方案，同时每个驱动轮都有一个倾斜角度测量轮，通过测盘轮探测机器人的倾斜角度，并反愤给电机从而保证管道检洲机器人的驱动轮以垂直的姿态运动。该管道检测机器人系统通过 像头实现信息的采集，整个系统采用拖缆控制方式，检测距离超过 100m。 精品资料，值得下载学习！ 图 1道检测机器人 美国是机器人的诞生地，早在 1962 年就研制出世界上第一台工业机器人，是世界上的机器人强国之一其基础雄厚，技术先进，有很多管道机器人产品。美国纽约煤气集团公司 ( p 卡内基梅隆大学机器人技术学院的 士在美国国家航空和宇宙航行局 (资助下于 2001 年开发了长距离、无缆方式的管道机器人系统 门用于检测地下煤气管道的情况。该管道机器人采用无缆的方式作业，一次作业检洲距离长，可以在铸铁和钢质煤气管道中工作，过弯能力强，可以顺利通过 90的弯管接头和垂直管道。 德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。德国学者 人在德国 教育部的资助下于 2000 年研制成功了多关节蟠虫式管道检测机器人系统 机器人由六节单元体组成，其头部和尾部两个单元体完全相同，褥个单元体之间的节点由三个电动机驱动，使得 器人本体可以抬起或者弯曲，从而越过障碍物或实现拐弯运动，通过弯管接头部分。 有 21 个自由度。长度为 2m，里量为 50用无缆控制方式，适用于直径为 300 600该机器人牵引能力有限，不能运行于垂直管道。 德国 发了管道爬行机器人。该管道爬行机器人重量为20用八足爬行驱动，机器人长为 为 为 大速度为 0. 1m/s，采用直流供电方式。 俄罗斯的 司针对地下输水管道的检测、清理任务，研制了多个系列管道机器人系统。 精品资料，值得下载学习！ 图 1罗斯 P 系列管道机器人 这些管道机器人采用防水材料制作，具有较好的密封防水性，采用轮式驱动，能源供给和通信采用拖缆方式，带有方向可旋转控制的 彩色摄像头，能进行视频探测。 应管径 90 900应管径 150 1200C 一 200 了能进行视频探测外，还可以进行切割、清理工作 0000道内最大作业距离为 300m。 综上所述，目前美国、德国和日本等国家的管道机器人技术处于世界领先地位，并且结合实际需要，注重产品的开发和应用，使得管道机器人的应用得到了推广。 内管道机器人研究现状 国内对管道机器人的研究己有 20 余年的历史。与西方发达国家相比，起步较晚，但近年来也取得了快速的发展 开展大中口径工程用管道机器人技术研究中处于领先地位。 哈尔滨工业大学邓宗全等人于 1987年起就对管内行走机构进行了较深入的研究，并研制了“螺旋驱动式管内移动机器人”实验样机和平面四点支撑的“ 管内移动机器人”实验样机。此后，又结合国家 863 计划“管内作业机器人产业化开发”项目研制了“ 89内补口作业机器人”和“ 660 射线探伤机器人”，其中“ 660外大直径管道 X 射线探伤机器人”已在国家重点工程“峡一京”天然气管线工程中得到实际应用。其研制的六轮独立驱动式管内移动机器人，按照预定的模枷控制算法，对各驱动电机的驱动力矩进行控制，通过管道环境形成速度调节的半闭环控制，实现了速度主动控制功能，取得了驭动轮组速度调节方面的代表性研究成果。 精品资料，值得下载学习！ 图 1轮独立驱动式管内移动机器人 哈尔滨工业大学于 2007 年研制了一种由单电机输入，同时带动周向的多个驱动轮转动，而且每个驱动轮转速可以由周围环境决定的驱动系 统，即具有机械差速功能的驱动系统 三轴差动式机械自适应驱动单元。该驱动系统不但可以实现机器人的全主动驱动 根本上解决单电机刚性传动引起的管道机器人在遇到不规则管道或弯管时发生运动干涉的问题，同时也弥补了由多电机驱动而引起的控制系统复杂及体积偏大的缺点，对管道机器人技术的应用和发展具深远的意义。 图 1轴差速管道机器人样机 国防科技大学于 2006 年研制了“微小型螺旋推进管道机器人”。该机器人机械部分主要包括螺旋头、万向节和保持架，可对 15道执行 检测任务。 上海大学研制的“细小工业管道机器人移动探测器集成系统”，该系统可实现20道内裂纹和缺陷的移动探测。其中螺旋轮移动机构管道机器人适应管径 38平行走平均速度 4mm/s，最大牵引力 4N 左右。 精品资料，值得下载学习！ 图 1小工业管道机器人 总之，近几年我国的管道机器人技术研究已取得了很多成果，在驱动方式和机器人各种性能的研究上都己取得了一定成果，随着机器人技术的发展，管道机器人的应用将日益广泛。 文研究的主要内容 本文以 80道为应用环境，对管道机器人运动方式进行分析、选择对主要功 能实现机构进行了结构参数的分析和优化，并给出了各主要零件的设计参数，为后期的机器人加工制作做好了准备。 本文总共五部分，具体内容及组织结构安排如下： 第一部分 绪论。介绍课题研究的背景、目的和意义分析国内外管道机器人的研究现状。 第二部分 管道机器人总体方案设计。分析管道机器人的使用环境，并据此对机器人系统进行总体设计。着重对移动功能模块进行分析，并确定主要功能模块的实现机构。 第三部分 细管机器人结构参数分析与优化。运用机械优化设计的相关方法对细管机器人移动机构进行结构参数分析和优化设计，并根据设计 结果进行传动比分配和电机选型。 第四部分 细管机器人机械机构详细设计。对细管机器人移动机构进行详细设计。给出个主要零件的设计参数。 第五部分 机器人管内运动分析。 第六部分 机器人控制系统详细设计。 第七部分 总结和展望。总结本论文研究成果，对细管小型机器人研究成果进行展望。 精品资料，值得下载学习！ 2 管内机器人总体方案设计 为实现机器人在管道内高效稳定运行，本文设计的管内机器人系统包括一下几个部分： （ 1）移动机构。任务中的工作载体，包括机体架、行走驱动电机和车轮，保障牵引力，具有一定的越障能力和管道内移动的能力； （ 2）控制系统。包括车载控制和外部控制箱部分，完成对机器人稳定运行的控制，提高工作效率。 务分析与设计思路 工程应用中的管内机器人首先承担移动载体的作用。特别在小管径应用中，移动灵活、输出驱动力大是机器人完成任务的基本前提。对于电驱动轮式管内移动机器人，其驱动力大小由驱动电机功率决定，而电机功率大小又与其自身尺寸有关，所以驱动力大的机器人结构尺寸一般偏大，这自然受到管内有限空间的制约。空间越小，机器人的输出驱动力越难提高。因此，机器人设计的基本原则是在有限空间内使结构紧凑且保证驱动力输出最大。课题研究 的是内径为 80部分将通过分析细小管内机器人在管内运动方式的的运动机理及环境要求，确定对管内有较好适应性的运动方式，然后进行分析细管机器人本体结构设计。 细管机器人应具备以下几方面的要求： 1）适应性强，能适应一定口径范围内的管内作业； 2）结构紧凑； 3）通用性强，主要部分采用模块化设计，便于拆卸和更换； 4）可扩展性强，可搭载检测和维护设备等。 综合考虑细管内小型机器人的设计指标和具体要求，对细管内小型机器人提出以下技术指标： 1）可适应管径为 80精度 9要求； 2）移 动功能模块拖动力大于等于 100N； 3）行走速度 5mm/s 10mm/s； 4）总重量小于 8 管道口径直接约束动力源和机械机构的尺寸，并且影响移动机构机械部分的设计的复杂程度和实现功能的多少。机械零部件的设计和加工都受影响。管内机器人总体布局如图 2 精品资料，值得下载学习！ 图 2内机器人功能部分示意图 移动功能模块推动机器人整体前进或后退；控制功能模块接受传感器信号，主要实现对驱动电机的控制。移动功能模块的运动和动力性能是机器人完成任务的关键。 动功能模块设计 任务要求管径 80为单向前进，为 方便机器人进出管道，驱动轮应具有收放功能。管内机器人移动机构运动方式的设计与管道的情况密切相关。管道口径直接约束动力源和机械机构的尺寸，并且影响移动机构。 动方式分析与选择 由于管道是一个特殊的受限工作环境，研究适合在管道内移动的各种运动方式成为管道机器人研究的一个热点。目前，国内外对机器人在管道内的各种运动方式和运动机理进行大的研究和探索，并研制了相应的管道机器人样机。按照管道机器人在管道内作业的动力源，可分为被动式和主动式，其中被动式是利用管道内介质的压力差驱动，在管道内只能单向运动，适应单 一的管道直径，运动速度不宜控制；主动运动方式的管道机器人具备动力能源供给装置，在管道内具有自主行走的能力，其运动速度可控。 根据运动机理和驱动方式的不同，主动运动方式主要包括轮式、履带式、多足式和蠕动式等主要方式。各种行走方式都有其自身的优越性和局限性。表 2 表 2种主要主运动方式运动机理和特点 行走方式 运动机理 优缺点 轮式 驱动轮紧压在管道内壁上，在封闭力的作用下，机器人的各驱动轮与管壁之间产该运动机构只 具有机构简单牵引力大行走速度快运动部件可靠性高控制方便成精品资料，值得下载学习！ 生附着力，驱动机器人在管道内前后运动。 本低廉等优点，适用于大中口径的管道，是管道机器人实际工程应用最多的一种运动方式。 履带式 靠履带卷绕时管道内壁对履带产生的反作用力推动机器人载体在管道内运动。 该运动方式有效的解决了驱动力 附着力之间的矛盾，是一种在恶劣管道环境下的有效运动方式，但其结构复杂，不宜小型化，转弯性能差，因此实际应用中大多用于大直径的管道内。 多足式 模仿多足昆虫的行走方式和行走步态。 该行走方式有较好的行走灵活性，理论上可以适应各种形状的管道，但 其较复杂的运动学和动力学特征，使得机器人在步态规划和关节间协调运动控制等方面存在一定难度，且牵引能力有限，不宜携带检测维护装置，不适合长距拖缆作业。 蠕动式 模仿蚯蚓毛虫等虫类的变形蠕动运动机理。 该行走方式行走效率低，导致机器人行走不连续，而且更换支撑部分时易产生机身不稳定现象，难以满足管道工程中“迅速完成作业”的要求。 由表可知，由于管道口径较小，不宜采用履带式运动方式，且考虑移动机构的拖动力，不宜采用多足式和蠕动式行走方式，因此，管道机器人采用轮式行走方式。 适应机构设计 对于本文 管道机器人需要设计管径适应调整机构，其主要作用有：在管道中能张开或收缩，使机器人能方便的进出管道；可以提供附加正压力增加机器人的驱动轮与管道内壁间的压力，改善机器人的牵引性能。 对于预紧收缩机构主要有弹簧预紧机构、蜗杆蜗轮预紧机构、升降机预紧机构和丝杠螺母副预紧机构，其结构原理简图如图 2面对每种方式的优缺点进行简要的说明和分析。 精品资料，值得下载学习！ （ a）蜗轮蜗杆预紧支撑机构示意图 （ b）升降机预紧支撑机构示意图 （ c）丝杠螺母预紧支撑机构示意图 精品资料，值得下载学习！ （ d）弹簧预紧支撑机构示意图 图 2图 （ 1）蜗轮蜗杆预紧方式 连杆一端与涡轮轴铰接，另一端与驱动轮轴铰接，通过电机驱动蜗杆，带动窝轮传动，从而带动驱动轮撑开或者放低，以达到预紧的目的，如图 a）所示。但所需驱动力较大，一般较少使用。 （ 2）升降机预紧方式 其工作原理是利用平行连杆原理，通过在其中某个连杆的一端作用一定大小和方向的力使升降机构升起或者回落，从而使驱动轮也跟着升起或者回落，以达到预紧的目的，如图 b）所示。采用升降机预紧支撑机构最大的优点是在轴向和径向结构比较紧凑，使机器人的空间尺寸大大缩小，其缺点是当管道直径较大 是所需的推动力较大，带机构强度的要求较高。 （ 3）丝杠螺母预紧方式 其工作原理是通过电机驱动丝杠转动，支撑杆一端和驱动轮轴铰接，另一端铰接在固定支点处，推杆一端与支撑杆铰接，另一端铰接在螺母上，滚珠丝杠的转动将带动丝杠螺母沿轴向方向在滚珠丝杠上来回滑动，从而带动推杆运动，进而推动支撑杆绕固定支点转动，使驱动轮撑开或者紧缩以达到预紧的目的，c）所示。该方法空间布置结构简单，所需驱动力较小，但缺点是不紧凑。 （ 4）弹簧预紧方式 其工作原理是通过改变弹簧预紧力来调节支撑论的径向距离，达到预紧的目的，如 图 d）所示。这种方法最大的优点是不需要外加动力源，在小范围内具有自适应能力。 综合考虑以上预紧机构的优缺点和任务要求的限制，本文设计了一种可调的预紧机构，其基本原理是 :通过外部手轮带动丝杠旋转，使丝杠螺母带动连动横向杆移动，从而带动斜连杆移动，预紧弹簧一端与连杆相连，另一端与驱动轮连杆相连，在连杆位置保持不变的情况下，通过预紧螺母沿轴向移动，即可改变弹簧预紧力的的大小，从而调节驱动轮与管壁的正压力。其示意图如图 2 精品资料，值得下载学习！ 图 2根据以上的分析，管内机器人移动功能模 块采用单电机全驱动可调节轮式移动机构，具有驱动力大和有效拖动的特点。 制功能模块设计 通过前面两节的分析，初步完成了管内机器人移动功能模块的设计，为使机器人能成为一个整体，更好的完成作业任务，机器人必须要有相应的控制系统。 用控制系统介绍 目前，管道机器人控制系统多采纳上下位机控制方案，亟待解决的关键问题有两个：一是管内外远程通信的可靠性；二是下位机控制器的稳定性。由于管道机器人在管线内部作业，环境恶劣，不允许出现管内失控的重大事故，因此除了对机器人的能源动力系统等强电部分提出严 格的要求之外，还对机器人的控制单元提出了极高的运行可靠性要求，以保证控制单元不受环境影响，在有效的控制策略下起到稳定的控制作用。当今，管道机器人的常规控制方案有以下几种： (1) 此方案中，上位机和下位机都使用 主从控制器都采用 制器的双级控制系统。主控制器布置在管道外部，从控制器布置在管道内部，借助专门的通信扩展单元实现主从控制器的网络通讯。该系统自身高可靠性，高稳定性，易于实现，利于维护，开发时间短，易于操控，某些逻辑计算擅长实现，缺点是指令周期长、售价高、体积臃肿 等。 (2) 该系统中，上位机采用 位机采用单片机 (8位或 16位 )。目前研究的管道机器人大多数采用这种控制形式。作为上位机的 觉处理、控制命令的输出及控制状态的显示等工作，而单片机负责接收控制命令、应用速度和位置闭环控制算法及控制信号输出、现场数据的采集等工作。 制精度高，利于小型化和智能化，但是单片机精品资料，值得下载学习！ 系统的开发周期长，可靠性要不断改进。 (3) 在有些系统中，把一些计算量比较大的工作例如图 像处理 )交给下位机来完成，这时候需要下位机有一定的计算和存储能力，往往可以由单片机 +成双机控制系统，其中单片机负责控制部分， 种控制系统可以完成更为复杂的工作，不过在设计周期上有了一定的限制，且主要面向的是机器人群组控制。 考虑以上三种系统的优缺点，结合课题项目中的炮管空间限制、功能限制以及产品的可持续发展性，不难看出选择功耗低空间小的嵌入式控制器第二种方案最合适不过。初期选择拖线方式，较少的上位机功能先集成到下位机上实现。 控制系统 机器人的控制技术涉及传 感、驱动和控制三个方面，同时控制功能模块与机器人的机械结构、传动系统一起构成完整的机器人系统。 机器人的主控制系统主要以简洁有效为主，可简化为一个独立的控制模块，通过将所需完成的作业任务的参数设置固化到控制模块中，这样只需启动电源就可以。 将机器人的主控制系统采用上下上下两层的分布式控制系统：上位机采用工业控制计算机，主要完成作业任务的状态监控、人机交互等任务；下位机采用控制板，负责底层的控制任务，包括电机闭环控制器件、工作状态控制、传感器状态读取等，可以与上位机通过串行总线通信。 动系统 本章 首先根据实际需要对管内机器人提出了设计要求，明确了研究重点和解决思路。 考虑移动机构对管内机器人的重要性，分析适合于管内环境的机器人管内运动方式，研究其运动机理和特点，是研究管内机器人必须首先考虑的一个问题。本章通过对常见的四种管内运动方式的运动机理和优缺点进行了分析，最终选择了适合管内环境的轮式行走方式，并采用了单电机全驱动可调节的轮式移动机构。该机构具有结构紧凑能够提供较大的拖动力。 本章最后对管内机器人的控制系统进行了设计控制功能模块采用上下位机的总体设计思路，上位机采用工控机，下位机以控制器为核心。 管内机器人可搭载多种检测元件，下位机通过串口与上位机进行通讯，对采集到的数据进行分析，从而全面实现管内监测和维护作业。 精品资料，值得下载学习！ 3 管内机器人结构参数分析 管内机器人是一个相对复杂的机电系统，对移动机构产生的拖动力和速度，机构的强度和电机运转状态都有要求。根据 的分析，管内机器人对移动机构各方面的性能要求较高移动机构的设计比较复杂，各零件的径向尺寸容易发生干涉。为了设计一款集满足设计要求又结构紧凑的移动机构，本文通过建立方程，设置观测参数，并用参数分析法对设计变量进行优选，以达到设计要求的 目的。 动机构分析 对于微小型管内机器人，由于管道对所选电机径向尺寸的限制，同时管内机器人需要提供较大拖动力，故考虑采用单电机输入，同时带动周向多个驱动轮转动的传动系统，即采用“电机 蜗轮 驱动轮”的传动方式。 根据分析，综合考虑移动功能模块的特点，提出以下技术指标： 1）适应管径 D 为 80度等级 9 11 级； 2）有效拖动力 100N； 3）行走速度 5s。 动机构构成及特点 根据 的设计，移动机构简图如图 3示。其机构构成是：前后两组共六个驱动轮 沿径向呈圆周三等分分布他们分别在连杆的推力下压在管道的内壁上电机通过电机轴带动蜗轮蜗杆装置，蜗轮轴带动传动齿轮系，最终带动驱动轮转动，实现前进。预紧机构功能的实现：转动外部手轮，带动丝杠转动，使螺母前后移动，带动连杆移动，调节预紧弹簧的伸长量，从而能调节对驱动轮施加的预紧力的大小。 1 丝杠螺母副； 2 连杆； 3 驱动轮； 4 预紧弹簧； 5 电机； 6 移动机构外壳；精品资料，值得下载学习！ 7 蜗杆蜗轮； 8 传动齿轮系； 9 外部调节手轮 图 3动机构示意图 所设计的移动机构最大的特点是具有机械自适应能力。同时系统中采用圆周三点 、 前后 两排轮的支撑和驱动方式，大大提高了移动机构的负载能力与越障能力。支撑点共六个，满足形封闭条件。当移动机构行走时，三个轮子成径向均匀分布，可以实现自定心要求，同时行走轮被紧紧压在管道内壁上，具有较强的适应性。机构设计中利用对称性，抵消了机器人在运动过程中不平衡力偶的干扰，使所有的力集中到电机运转轴线所在的竖直平面内，保证了整个机器人在运行过程中的平稳性。 系统中采用圆周三点前后两排轮的支撑和驱动方式，大大提高了移动机构的负载能力。当移动机构行走时，三个轮子呈径向均匀分布，可以实现自定心要求。机构设计中利用对称 性，抵消了机器人在运动过程中不平衡力偶的干扰，是所有的力集中到电机运转轴线所在的竖直平面上，保证了整个机器人运行过程中的平稳性。 综上所述，该电机具有单电机全驱动自定心结构紧凑拖动力大切可调节的特点 。 动机构拖动力分析与计算 由机器人的受力情况易知，驱动轮正压力的形成来源于重力和预紧力，下面分别从两方面进行分析，由于移动机构的 6 个轮子都是驱动轮，且存在两种对称性，即前后两组驱动轮系统完全对称，同组驱动轮系统各驱动轮之间呈 120 夹角，也存在对称性，因此，在后续的分析中可以仅仅对其中一种进行分析，其 余的依理即可推出。 （ 1）重力产生的封闭力的计算 机器人在管内作业，管道有可能是倾斜的，即可能与水平面是成一定的夹角，如图 3示。 精品资料，值得下载学习！ 图 3道有一定倾斜角时，机器人状态示意图 由图中管内机器人受力分析可知，定义重力为 G 则重力沿垂直于管壁方向的分力 G为 （ 由移动机构前后两组驱动轮的对称性可知，可以只对其中一组驱动轮分析，任选一组驱动轮作为研究 对象，其在驱动截面上受力情况如图 3示。 由于移动机构在结构上完全对称，在管内作业过程中可能发生偏转，为此，定义机器人本体相对于管道的状态叫做机器人的作业姿态。为了便于说明做以下定义：过管道轴心线，沿重力方向做一条铅垂线 A A，并称其为机器人管内姿态参考线；在管道上半部分，最靠近参考线 A A 的驱动轮叫轮 1，从轮 1 开始，按顺时针方向定义另外两个驱动轮分别为轮 2 与轮 3，轮 1 的主截面与参考线的夹角叫做移动机构管内姿态角 。 精品资料，值得下载学习！ 图 3器人管内姿态角示意图 可见，只要姿态角确定，机器人在管内的姿态就可完全确定。根据机器人移动机构对称性的特点，易知姿态角的取值范围是： 6 0 。同时定义 1 2 3， ， 为各驱动轮与管壁间因重力产生的封闭力，因重力而形成的封闭力的代数和 表示为： 1 2 3G G G N N （ 在姿态角取值范 围 6 0 内，由结构的对成性可知，只需研究移动机构在姿态角为 0 60 时的受力情况。 假设机器人本体质量均匀分布，所以作用在一组驱动轮上的重力为机器人总重量的一半，由静力平衡易知： 1 2 31 2 31c o s c o s 1 2 0 c o s 1 2 02s i n s i n 1 2 0 s i n 1 2 0 0G G N N （ 上式共有 3 个未知量，却只有两个方程，所以解不确定。实际上该结构是一个超静定机构，由于机构自重，在不给各支撑腿提供预紧力时，位于最上侧的驱动轮 1 位于与管壁接触的临界状态 ，即驱动轮 1 与管壁间的正压力为零，即： 精品资料，值得下载学习！ 1 0（ 根据式（ 式（ 以解得： 12303s i n 1 2 033s i n 1 2 03 （ 根据式（ 式（ 式（ 得出当姿态角在范围内变化时，由重力产生的封闭力的代数和为： c o s c o （ 有结构的对称性可以确定，当姿态角在 60 0 之间变化时，封闭力的代数和为： c o s c o s | | （ 所以当姿态角在 6 0 内变化时，由重力产生的封闭力的代数和的普遍计 算公式为： c o s c o （ 根据驱动轮的对成性，另一组驱动轮由重力产生的封闭力之和的计算公式与式（ 同，因此，在两组驱动轮上由重力产生的封闭力之和计算公式为： 2 c o s c o s 1, 2 , 3 , 4 , 5 , 6 i （ 由式（ 见，当俯仰角和管内姿态角都为零时，重力产生的封闭力最大，为 2G；当俯仰角为 90 时， 由重力产生的封闭力最小，为 0；当俯仰角不等于 90 且管内姿态角为 60时封闭力最小，为 ；当俯仰角不等于 90 且姿态角为零时封闭力最大，为 2。 （ 2）预紧机构产生的封闭力的计算 由于自定心管内机器人移动机构为对称结构，六个驱动轮的传动结构完全相同，因此选择轮 1 作为 研究对象，其余五个驱动轮受力情况可由此类推。 前面已经对由重力引起的封闭力进行了分析，一般来说这样的封闭力还不能满足实际的需要，所以还需要设计一个可调整封闭力数值的机构。根据第二章的方案设计本文采用丝杠螺母的弹簧预紧机构，其力学模型如图 3示： 精品资料，值得下载学习！ 图 3动轮 1 受力分析图 以蜗轮轴心为原点，以平行于机器人轴线为 x 轴建立如图 3所示直角坐标系 图中各物理量得含义为： l ：驱动轮中心和蜗轮轴心之间的距离； h ：蜗轮蜗杆中心距； 动轮 1 与管内壁由弹簧产生的正压力； 轮 的半径； 管 连杆与 x 轴的夹角； 由图中几何关系易知： （ 机器人在进入管内时，需要预先调节手轮，改变预紧螺母位置，调节弹簧预紧力，一旦调整结束，预紧螺母位置将固定不变。因此，弹簧原长为 20弹簧刚度为 k，根据弹簧弹力公式易知： )( t （ 由式（ 知，当预紧螺母位置一定时，弹簧预紧力是固定不变的，由静力平衡条件可知，此时弹簧预紧力和驱动轮正 压力对蜗轮中心轴的转矩平衡，即： 精品资料，值得下载学习！ 0co ss （ 由式（ 得： N （ 令1，其中预紧系数，由式（ 知，预紧系数只与机器人的结构尺寸有关。 根据对称性，其 余 5 个驱动轮由预紧机构产生的正压力与弹簧预紧力的关系与式完全相同，将其一并考虑可知由预紧机构产生的正压力的代数和为： 66541321 (由于设计的机器人各驱动轮通过连杆连接在机器人本体上，若预紧机构产生的封闭力小于重力产生的封闭力，则驱动轮 1 将不能充分张开，机器人的自动定心将无法实现，根据式 和，可以得出能够支撑