蚯蚓蠕动式管道机器人全国大学生装备课程仿生创新设计

PAGE1全国大学生过程装备实践与创新大赛课题蚯蚓式管道机器人学校专业机械设计制造及其自动化姓名导师日期：20年月日蚯蚓式管道机器人摘要：随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，空调和天然气管道以及各种输送管道的应用越来越多。当这些管道出现问题或需要定期维护的时候，要花费大量的人力和物力及财力。随着机电一体化技术的发展，以及机器人技术的发展和管道检测技术的进一步的发展以及相互之间的渗透程度越来越大，管道机器人担当了这个任务。本设计的蚯蚓式管道机器人利用了蚯蚓的运动特点结合电子技术、控制及检测技术实现管道的清洁和泄露检测。设计思想新颖，制造简单，能实现所要达到的任务。关键词：管道机器人清洁检测目录设计背景及设计方案的选择……………………4设计背景……………4设计方案的选择……………………5前后筒体的驱动选择……………5轮子或支撑脚的选择……………6总体方案的拟订…………………7装配图零件图的设计………………8零件图的设计…………8前后筒体的零件图及设计………8中间筒体的零件图及设计………8齿轮的设计及参数………………10齿条的设计和参数选择…………11平板的设计和参数选择…………11凸轮的设计和参数选择…………11中间带孔圆柱体的设计和参数选择……………12前/后筒体的辅助圆柱体的设计………………122．2辅助件的选择……………………12滚珠的选择……………………12螺栓的选择……………………13螺母的选择……………………13弹簧垫圈的选择………………13辅助支撑杆的选择……………13支撑杆的选择…………………13半球壳以及滚球的选择………13胶球的选择……………………13总装配图的实现…………………14总装配图的效果图……………14总装配图的二维图……………14蚯蚓式管道机器人的工作原理…………………15控制单元的描述…………………16设计的优点和创新点……………17设计的缺点和不足………………18设计背景及设计方案的选择设计背景随着社会的发展和人民生活水平的提高，空调和天然气管道以及各种输送管道的应用越来越多。在我国及世界各个国家内，由于地形的限制和土地资源的有限，在地下都埋设了很多的输送管道，例如天然气管道、石油管道等，在埋有管道的地面上面都已经建成了很多的建筑物、公路等，给管道的维修和维护造成了很大的困难。当这些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等问题时，人们普通的做法是挖开道路进行维修，有些时候如果不能准确判断泄露和堵塞的具体位置时，会浪费很多的时间和精力，同时降低了工作效率。随着人民生活水平的提高和国家国力的增强，中央空调的使用率在逐年的攀升，而中央空调的清洁问题变得越来越重要。在中央空调使用过程中，由于时间的问题在其内壁会堆积很多的灰尘。由于中央空调的管道比较大，在里面可能有死老鼠或是一些大的堆积物。如果不定时的清洗和维护，随着中央空调带进很多的病菌，使得室内的空气质量下降，危害人们的身体健康。随着机电一体化技术的发展，以及机器人技术的发展和管道测试等技术的进一步发展，相互之间的渗透程度越来越深，人们制造出各种各样的管道机器人来进行对各种管道的维修、维护和检测。管道机器人可以进入人们无法进入的管道中，完成一定的规定任务如检测管道的裂缝、清扫管道，这样的话，人们不再为了维修、维护管道时挖开道路，或是对空调等完全拆卸开，节省了大量的人力，物力和财力。目前的管道机器人都是以履带、轮子等实现在管道中的移动，这样有很多的缺点。例如目前的管道机器人都是为了专门的管道而设计的，通用性不好，举个例子，当轮式或是履带式的管道机器人在有一定的液体的管道中运动时，会发生滑动，使机器人在管道中不能行走，不能完成指定的任务。还有就是这些机器人的设计不能实现在倾斜的或是垂直的管道中行走，有些即使能在垂直的管道中行走但是不能适应有液体的管道，以上的原因大大的限制了管道机器人的工作范围。结合目前管道机器人所存在的缺点，应用单片机控制技术、机械设计、机械原理等专业知识，设计出了蚯蚓式管道机器人。此机器人利用了蚯蚓爬行的运动特点，实现在管道中的运动，完成规定的任务。控制简单，制造成本低，难度低，运行稳定。设计方案的选择设计方案是根据蚯蚓的运动特点和身体结构而确定的。蚯蚓是环节动物，根据这个特点，蚯蚓式管道机器人的结构确定了：由三个圆柱筒体组成，中间的筒体比两边的筒体大，两边的筒体相同。蚯蚓的运动是靠在其体内的横肌和纵肌的交替运动来实现，在蚯蚓的体表有很多细细但是很坚硬的刚毛，配合横肌、纵肌的运动实现蚯蚓向前和向后运动。根据蚯蚓的运动方式，拟订以下具体的方案并进行比较，取得最佳的方案。前后筒体的驱动选择方案1：前后筒体的驱动选择曲柄滑块机构，如下图：曲柄滑块机构容易实现，成本较低，不需要太多的加工。但是由于曲柄滑块机构有急回特性，使蚯蚓式管道机器人的速度很难控制，并且不能实现它的匀速运动。而且曲柄滑块机构占用的空间很大，不利于机器人向小型化发展。方案2：前后筒体的驱动选择齿轮齿条，如下图：齿轮齿条机构相对其他的机构来说最大的特点是能够实现匀速运动，同时刚度等条件容易达到规定的要求。成本也较低，只需要简单的啮合就能实现本设计的要求，而且占用的空间小，运动稳定。综合以上的方案评价和比较和各类因素，选择方案2的齿轮齿条机构作为前后筒体的驱动机构，运行稳定，结构简单，容易实现，可以实现匀速运动。轮子或支撑脚的选择方案1：前后筒体的的支撑采用棘轮机构和轮子。如下图：当采用这个方案时，使用棘轮机构实现轮子的单方向的运转，在圆柱形管道中爬行时，需要中心检测模块来维持机器人的平衡，增加了一个检测模块同时也增加了设计难度。采用这个方案不能实现蚯蚓式管道机器人在管道中两个方向的运动，只能朝一个方向运动，一条路走到黑了。如果在管道内有液体，则轮子很容易滑动，机器人会卡死在管道里边。当轮式管道机器人在有一定的液体的管道中运动时，会发生滑动，使机器人在管道中不能行走，不能完成指定的任务。还有就是采用轮式的设计不能实现在倾斜的或是垂直的管道中行走，有些即使能在垂直的管道中行走但是不能适应有液体的管道。方案2：前后筒体的支撑运动采用六个撑脚、弹簧、辅助圆柱体、可换球（一系列球）、步进电机和凸轮机构共同实现。如下图：采用方案2可以克服轮式在管道中行走的缺点，由于蚯蚓式管道机器人在管道的定位和固定是靠六个撑脚的交替运动实现的。凸轮可以使支撑脚以一定的压力压在管道内壁上，即使管道中有液体，完全不影响蚯蚓式管道机器人的运动。只要支撑脚能够以一定的压力产生摩擦力克服重力所带来的下滑，则通过这个机构可以使蚯蚓式管道机器人在倾斜或是垂直的管道中来去自如。通过这个机构容易实现蚯蚓式管道机器人在管道中前进和后退。综合以上的方案和评价，选择方案2作为蚯蚓式管道机器人的支撑脚，配合前后筒体的运动，实现规定的运动。总体方案拟订综合1.2.1前后筒体的驱动选择和1.2.2轮子或支撑脚的选用，特确定了如下的传动方案：第二章装配图的设计零件图的设计蚯蚓式管道机器人由前后筒体、中间筒体、齿条、弹簧、可换球、凸轮、辅助圆柱体、辅助支撑脚等组成。以下逐个说明各个零件的参数，以及在设计中所考虑到的问题，并画出它们的二维图。前/后筒体的零件图及设计零件图如下：前后筒体采用的材料是45钢。在其右边有一个1mm深的槽，是用来与滚珠装配的。中间的三个螺纹空是用来装配辅助圆柱体的。这里的壁厚选用的是6mm，当壁厚如果小于5mm的时候，在进行钻孔的时候筒体由于刚度不足容易发生变形，故选用壁厚6mm。在筒体的周围钻了三个螺纹孔，相互之间的角度是120度。选择120度是考虑这个角度是使得前/后筒体的受力是均匀的，并且能使蚯蚓式管道机器人在管道中稳定的定位，三个支撑脚发挥着相同的作用。如果选择四个脚，则容易使其中一个支撑脚不能发挥作用或是不利于机器人在管道中稳定定位，使机器人对中性精度下降。如果选择两个脚，则蚯蚓式管道机器人在管道中也不能得到稳定的定位。而螺纹孔的大小是综合考虑了支撑杆的强度和刚度的要求所设计的，当支撑杆的直径小于4mm时，在承受一定的压力时容易发生弯曲甚至发生断裂。于是选择支撑杆的直径为4mm，考虑到装配的原因最后选择孔的大小为16mm。中间筒体的零件图及设计中间的圆柱体考虑到在里面要安装电动机和减速装置，故将其制造成两分式的，方便安装电动机和减速装置。中间筒体的零件图如下：1．下圆柱体的零件图如下：2．上圆柱体的零件图如下：这里的上下筒体的设计考虑到了以下的几个问题：装配。由于在中间筒体内部要安装电动机和减速装置、齿轮等，故将其做成是两分式的，方便安装。稳定。由于这个蚯蚓式管道机器人的主要的结构是由前后筒体和中间的筒体组成，而且安装在前后筒体上的六个支撑脚是交替的伸出和收缩的，如果不安装辅助支撑脚的话，则会使机器人发生向前倾斜，使机器人卡住。故考虑在中间筒体的下圆柱体上增加螺纹孔，用来安装辅助支撑脚。以下是对有无辅助支撑脚的两种情况的对比：图示是无辅助支撑脚的受力简图：图示是有辅助支撑脚的受力简图：通过两个受力简图的对比可知，增加了辅助支撑脚增加了蚯蚓式管道机器人的稳定性在筒体上的滚珠的设计。滚珠的作用会在后面的齿轮齿条的设计中说明。壁厚的设计也是考虑到了实际的加工，当壁厚如果小于5mm的时候，在进行钻孔的时候筒体由于刚度不足容易发生变形，故选用壁厚6.5mm。齿轮的设计及参数选择蚯蚓式管道机器人的设计中，齿轮起到的作用有两个：1.传递运动。2.与中间筒体上的滚珠、辅助支撑脚共同维持前后筒体的稳定，当前/后支撑脚收缩时，前/后筒体不会由于自身的重力作用而发生向下倾斜的趋势。齿轮的零件图如下图：由于蚯蚓式管道机器人的功率小、重量轻，所以一般的齿轮材料就能满足设计的要求和强度刚度的要求，齿轮材料选择45钢或是塑料，几何参数参见齿轮的零件图。齿数选择为30，齿轮的模数选择为1，压力角20度，齿轮的精度等级选用9级精度，齿轮的转速由电动机通过减速装置提供，调整过后的齿轮的转速为10r/min。由于机器人的功率小，转速低，所以不需要对齿轮进行弯曲疲劳强度和接触疲劳强度的校核。齿条的设计及参数选择齿条的零件图如下：齿条的结构可以采用和齿轮相同的材料。齿条的有齿部分长度是50mm,齿高是2.25mm。齿条上的沟槽的设计是为了防止前/后筒体在运动中发生旋转，配合滚珠的使用，可以防止当前/后支撑脚收缩时造成的倾斜。平板的设计和参数选择平板的平面图如下图所示：平板的材料采用的是Q235，蚯蚓式机器人采用了四块这样的平板，在这些平板上面可以制造出小的凸台和凹槽，便于在装配的时候保证装配的精度。凸轮的设计和参数选择凸轮的平面图如右图所示：凸轮的厚度是5mm，材料为45钢。中间带孔圆柱体的设计和参数选择中间带孔圆柱体的平面图如下图所示：圆柱体的螺纹是普通螺纹，螺纹的深度是1mm，材料是Q235。前/后筒体的辅助圆柱体的设计辅助圆柱体的平面图如下图所示：辅助圆柱体的螺纹是普通螺纹，螺纹的深度是1mm，材料是Q235。辅助件的选择滚珠的选择选择滚珠的材料是GCr15，直径是3mm。滚珠的设计可以减少齿条与中间筒体内壁的摩擦，节省电源的功率。螺栓的选择螺栓的型号是GB/T5783M4×28，蚯蚓式管道机器人总计使用螺栓是8个。螺母的选择螺母的型号是GB/T6170M4,蚯蚓式管道机器人总计使用螺母弹簧垫圈的选择弹簧垫圈的型号是GB/T96M4，蚯蚓式管道机器人总计使用垫圈辅助支撑杆的选择辅助支撑杆是长度为16mm，直径为4mm的铁丝。经过加工处理成如下图所示的形状：蚯蚓式管道机器人中使用了2根。支撑杆的选择支撑杆是长度为52mm，直径为4mm的铁丝。经过加工处理成如下图所示的形状：图中所添加的凸起是用来固定弹簧的，灵感来自于圆珠笔的结构。蚯蚓式管道机器人中使用了6根。支撑杆的螺纹长度是10mm。半球壳以及滚球的选择半球壳的直径为10mm，壁厚为1mm，材料是Q235，在装配的时候，与辅助支撑杆固定在一起的。滚球的直径是8mm，与半球壳装配在一起。蚯蚓式管道机器人使用半球壳和胶球的选择胶球的直径可以制造成一系列的，以适应不同的管径的需要。材料的选择可以根据管道中的环境而定。总装配图的实现总装配图的效果图装配图的二维图第三章蚯蚓式管道机器人的工作原理蚯蚓式管道机器人是结合蚯蚓的身体结构和运动特点，综合运用电子技术、控制原理、机械设计及机械原理等知识设计完成的。主要用途是拍摄管道中的情况，可以扩展成具有很多功能的管道机器人。蚯蚓的运动是靠在其体内的横肌和纵肌的交替运动来实现，在蚯蚓的体表有很多细细但是很坚硬的刚毛，配合横肌、纵肌的运动实现蚯蚓向前和向后运动。蚯蚓式管道机器人体内的齿轮和齿条相当于蚯蚓的“横肌”，而前后筒体和中间筒体则相当于蚯蚓的“环节身体”。前后的六个支撑脚与蚯蚓体表的刚毛作用相同。以下介绍蚯蚓式管道机器人的运动过程：图1如图1所示，由于安装在内部的电动机的正转和反转通过减速装置带动齿轮和齿条的运动，实现前后筒体以及中间筒体的收缩和伸长运动。图2如图2所示，当齿轮和齿条处在图1的位置时，中间的电动机停止运转，前后筒体内的步进电机同时旋转60度，则其前筒体的三个支撑脚要通过凸轮以一定的压力支撑在管壁上，后筒体的三个支撑脚要收缩，然后中间的电动机反转，等收缩到极限位置时，中间的电机停止运转，步进电机继续旋转60度，则前筒体收缩，后筒体通过凸轮以一定的压力支撑在管壁上，然后中间的电机在以向相反的方向运转，机器人伸长，以后无限重复此过程，直至电池电量耗尽，或是人工控制它的停止和返回。蚯蚓式管道机器人能够实现在管道中的前进和后退，其后退过程的实现只是将前进过程的前后两个步进电机的运行步调调整一下即可。前后筒体内的步进电机的步进和中间的电动机的正反转，是由单片机来控制的。由于蚯蚓式管道机器人的空间有限，可以将单片机和控制单元放置在外面，通过电缆传输信息，完成指定的任务。蚯蚓式管道机器人的行走速度为25.13mm/s。第四章控制单元的描述前后筒体内的步进电机的步进和中间筒体的正反转，是通过单片机控制实现的。为了减小蚯蚓式管道机器人的体积，将控制模块放置在机器人的体外，通过电缆来实现信息的传输。要实现蚯蚓式管道机器人的运动过程，单片机所做的事情有：控制步进电机的步进。控制中间电机的正反转。通过程序控制实现中间电机和两边的步进电机的交替运动。通过摄像头拍摄管道中的情况，反馈到显示器。当遇到特殊情况时，使管道机器人自动返回。控制单元的软件设计要包括步进电机的输入脉冲电流的控制、中间电机正反转控制、摄像头的转角的控制、成像装置的控制。蚯蚓式管道机器人步进电机及中间正反转控制程序框图：程序中摄像头的转角和成像装置的控制是蚯蚓式管道机器人运行过程中一直工作的，所以可以让这些装置处于一直运行的状态，直至停止。由于本人的知识不够，这里未列出控制单元的硬件设计图和相关的软件程序的编制，会尽快学习相关的知识，完成控制单元的设计。第五章设计的优点和创新点本设计依据仿生学原理中的结构仿生原理，通过研究蚯蚓的肌体的构造，建造类似生物体或其中一部分的机械装置，通过结构相似实现功能相近。本设计的优点是机械结构简单，制造简单、制造成本低，容易实现，克服了目前管道机器人存在的一些缺点和问