毕业设计（论文）-自适应管道机器人的结构设计

第一章绪论1.1研究背景及意义当今时代全球化和工业化已经成为世界发展的潮流，物资能源在这个大潮中占据主导地位，管道运输作为一种非常有效的运送物资和能源的运输方式，广泛得应用在普通工业、石油天然气等各个领域，已成为流体能源首选的运输方式。图1-1为卡拉库利气田天然气经处理后运输到中国的管道，图1-2为化工废气处理输送管道。图SEQ图表\*ARABIC1-1天然气输送管道图1-2化工废气处理输送管道管道运输在带来巨大的经济效益的同时还带来了不小的隐患，新闻即报道了多个因管道泄漏而造成的重大爆炸事件，如2010大连管道泄漏事件及2013青岛管道泄漏事件等，其中不乏人员的伤亡，还包括物资能源的浪费和对生态环境的污染。所以对管道进行定时定量地检测维修乃至更换成为了管道运输行业必不可少的责任和工作。为了保证管道的安全性以及提高其寿命，那么就必须对物料输送管道进行检测维护和相应的管道作业，而大多数管道具有长、弯道多、管径小且半径范围可变的特点，光靠人员无法进行检测，此时管道机器人应运而生。为了提高管道在出厂前的质量和方便管道内部的检修，减少工作事故的发生，管道机器人需要在管道对管道内壁的缺陷进行检查，遇到裂缝、断裂、全空等大问题，则报废处理，遇到毛刺、凸起、锈蚀，斑点等小问题，直接对其进行打磨清扫，大幅度提高管道加工的质量和管道使用年限。对于已经投入使用的管道，管道机器人需要定时定量检测是否存在裂缝，确保管道输送时足够的安全，并且具备清扫功能的机器人在有灰尘黏着物的管道内有着很大的发展空间。传统式管道机器人需要人工辅助判断管道的受损状况，其不确定性和实用性差，在这个大背景下，设计一款基于视觉的能够转弯、越障、自主变径、远程检测和自主清洗的自适应管道清扫检测机器人对管道检测维修有很大的意义。1.2国内外发展现状对管道机器人研究始于二十世纪四十年代，英国科学家设计出一款PIG清洗机器人，它在管道内的移动是通过环境压差决定的，不能主动前进。二十世纪七十八十年代，在集成电路、自动化技术和计算机技术迅速发展下，世界范围内出现了各式各样的管道机器人。到了现代控制理论和传感器技术空前发展的二十世纪前后，已经出现多款技术比较成熟的商业化管道机器人产品了。随着智能化的普及，如今21世纪的管道机器人研究更是在远程控制、智能运动、持续能源等方面有着一定的成果。1.2.1国外发展现状韩国SungKyunKwan大学研制了一款内支撑轮式的管道机器人，如图1-3。该款机器人采用了在动力传输部件上添加离合器的方式，可以选择适合不同工况的驱动方式，大大节省了能源的损耗。它还采用差速的方式进行转弯，有优良的弯道通过性能。图1-3内支撑轮式管道机器人图1-4多足式管道机器人德国慕尼黑工业大学的研究团队利用仿生学的原理设计了一款多足式管道机器人，如图1-4。该款机器人的多足式机构能让整个机器人在弯管中灵活转弯并且在管道内攀爬，适用于城市地下管道的搜寻工作。不过因为其多足式机构控制起来过于繁琐且结构设计起来相当复杂，应用范围比较小。日本中央大学研发了一款蠕动式机器人，如图1-5。该款机器人能以蠕动的方式在管道内运动，它独特的结构令其具有以下特点：爬升能力强、性能好、牵引力大、工作范围广。它主要是由蠕动单元、功能单元和动力单元构成，其驱动依靠柔性弹簧轴实现。图1-5蠕动式管道机器人美国卡内基梅隆大学研发了一款多节式轮式机器人，如图1-6。该款机器人有几节是电力供给舱，具备一定的续航能力，可以在中长距离的管道内作业。图1-6多节式轮式机器人1.2.2国内发展现状哈尔滨工业大学首邓宗先教授研发了一款轮式机器人，如图1-7。该款机器人具备体积小、易携带、准备工作方便、定位精度高的特点，其搭载的摄像头可以完成俯仰角变换及变焦操作，且照明灯的亮度也可以随时调节，使得能源分配及利用更为合理，适用于大管径管道的破裂、腐蚀、变形、结垢等管道问题的检测工作。清华大学设计了一款通风管道清污消毒机器人，如图1-8。该款机器人通过biangen3工具附件头的形式，可以实现对通风管道的探测、吸尘、清扫、消毒作业。图1-7轮式机器人图1-8通风管道清污消毒机器人上海交通大学研发了一款蠕动式管道机器人，如图1-9。该机器人呈正方体形，由12个蠕动单元构成，每个驱动源有一个自由度，由偏置弹簧和SMA构成。该款机器人能完成各个方向的运动，适用于曲率半径较大的弯管中工作。图1-9蠕动式管道机器人图1-10螺旋式管道机器人中科院沈阳自动化研究所研发了一款螺旋式管道机器人，如图1-10。该款机器人轴向分布三组滚轮,前端的驱动滚轮和机架一起旋转,依靠螺旋倾角提供轴向的驱动力,后端的支撑滚轮只提供一个支撑功能,在遇到机器失效时方便回收。1.3研究难题和技术要点即使管道机器人发展迅速,其技术也逐渐成熟,但就目前的现状来说，管道机器人的设计仍需要面临如下几个难题。（1）能源供给问题。机器人现在的能源供给方式只有电池供给和电缆供给两种，电池供给对电池容量的要求极大，一般电池供给的机器人无法进行高强度作业且作业距离不长。而电缆供给势必让机器人需要面对电缆与地面的摩擦力，从而需要提供更大的驱动力，结构将不再那么紧凑。所以现在急需一种新型的轻便又持续的能源供给方式。（2）通信屏蔽问题。按照国家规定，机器人工作的管道大多埋在地下，深深的土质层会削弱无线通讯信号，特别是在金属制的石油运输管道内，金属直接屏蔽了无线通讯信号，只能利用电缆通讯，而电缆通讯依旧会带来负载的问题。（3）可靠性问题。机器人工作的管道环境比较复杂，有各式各样的弯管，且还存在变径的管道，而管道内部环境有时候还会特别恶劣，机器人甚至需要密封，特别是碰到障碍物多的管道，机器人的运动需要保证其足够的平稳性和可靠性。（4）安全性问题。机器人在管道内作业时，须得保证完成相应的管道作业如打磨焊接。但机器人行进或者作业时很有可能对管道造成二次伤害，特别是在小管径管道内，要保证零伤害几乎不可能，这时需要通过机械结构的设计和控制系统的配合，尽量减少机器人给管道带来的安全行问题。通过对以上问题的分析，设计的管道机器人要能在管道内顺利地完成相关管道作业，其结构设计时必须考虑下面几点技术要求：（1）结构尽量紧凑，体积尽量小巧，传动效率尽量高。（2）具有足够大的牵引力，方便机器人越障和带动负载。（3）有灵活的变径机构方便机器人适应不同管径的管道。（4）机器人要有足够的柔性才能顺利通过弯管，不会卡死。（5）机器人要有足够的传感器去识别监测管道内部的实时信息。1.4主要研究内容和方法通过对国内外管道机器人的研究现状进行分析，对研发一种适合当下研究背景的管道机器人需要解决的问题以及需要把握的技术要点有了一定的认识，设计一款民用的，主要用来进行管道检测以及管道清扫的运行稳定并满足设计指标的自适应管道清扫检测机器人。在本论文中，自适应管道机器人的设计研发主要关于以下几个方面的内容：1）绪论。在查阅了相关论文和期刊的基础上，主要介绍了设计研发管道机器人的背景和意义，国内外研究现状，研究难题和技术要点。2）自适应管道机器人的总体方案设计。在设定了一些必要的参数后提出了满足所需功能的管道机器人的结构设计方案和控制系统设计方案。进行结构方案设计时通过对不同的驱动机构、变径机构、通讯供电方式的对比，最后选择比较适合该款机器人工作环境的相关方案。进行控制系统方案的设计时进行了相关控制元件以及传感器的选型。3）自适应管道机器人的结构设计。具体分析了自适应管道机器人的控制室、行走装置、连接机构以及清扫装置的设计并进行了相关元件的选型。4）自适应管道机器人的重要零件的有限元强度校核。对重要的结构部件进行了受力分析，并通过有限元分析判定该部件是否符合所需的强度，确保设计合理。5）管道机器人的运动学建模与仿真。对管道机器人的零件进行装配，并通过简化模型完成运动学的一个建模仿真，然后对仿真结果进行分析。

第二章管道机器人总体方案的设计2.1主要设计指标本文设计一款适用于中小直径管道（180-240mm）、中短距离作业、可以检测识别管道裂缝并可以清扫管道内壁灰尘黏着层的管道清扫检测机器人，适用于工业管道和城市管道，以达到在中小直径管道（180-240mm）中自由作业、降低清扫成本和提高作业效率的目的。本文设计的管道机器人的性能参数如表2-1：表2-1管道机器人的主要设计指标自适应管道机器人设计指标适应管道管径范围180-240mm可通过弯度≤60°机器人主体重量2.5kg电缆重量2.5kg额定牵引力60N正常行进速度2m/min工作行进速度1m/min清扫有效值1-3最大爬升坡度30°（1）机器人主体重量：机器人分为两节式，包含行走装置、控制室、中空软管和清扫装置，除电机、丝杆螺母等装置由金属制成外，主体部件均由3D耗材打印，打印材料为ABS塑料，所以估计整机装置重量为2.5Kg。（2）电缆重量：设定电缆长度为30m、电缆直径为10mm、拖缆外皮厚度为1mm，拖缆内部铜线体积占比35%，塑料封皮占比65%，电缆外皮和塑料封皮均为聚乙烯，经solidworks软件建模并初步评估为2.5Kg。（3）正常行进速度：机器人在检测障碍物过程中以及处于暂不清扫状态时需要以较快的行进速度前进，此速度即为机器人正常行进速度设定为2m/min。（4）工作行进速度：机器人在遇到黏着性障碍物影响前行或者遇到粉尘覆盖层不好进行图像识别时需要开启清扫作业模式，此时机器人以一个较慢的速度前进，这样在获得较大力矩克服清扫摩檫力的同时能够将管道内壁表面清扫的更为彻底更为干净，方便摄像头对真实管道内壁进行一个图像二次采集识别，能增大检测识别的一个正确率，此时机器人作业行进速度为设定为1m/min。（5）有效清扫值：为了保证清扫作业的有效性，即保证机器人每行进一个刷子宽度单位清扫刷能在这个单位圆周空间清扫1-3周，设定此值为一个有效清扫值K。（6）最大爬升坡度：为了对机器人的驱动力矩进行求解，需要对机器人的一个极限工作条件进行一个设定，由于轮式管道机器人本身坡道爬升能力就较差，这里设定机器人爬升坡度为∠α，设定∠α=30°。2.2机械系统总体方案设计图2-1管道机器人结构设计流程图本设计的自适应管道机器人的整体结构，主要包括了控制室、行走装置、连接机构和清扫装置。这些主要模块组成了一个完整的自适应管道机器人，自适应管道机器人的结构设计流程图如图2-1。2.2.1结构形式的确定管道机器人的结构形式有单节式、两节式和多节式之分,结构形式比较如表2-2。表2-2结构形式比较表结构形式适用范围优点单节式大管径结构紧凑两节式中小管径结构较紧凑，附加功能可选多节式小管径具备功能多，结构冗长不同结构形式对整个机器人的功能有着很大的影响,根据本设计的机器人工作环境和设计参数的需要，对比分析三种不同的结构形式，最终本设计的自适应管道机器人的整体结构形式确定为两节式，一节为携带控制室的行走装置，另一节为清扫装置，两节之间用中空软管连接，两节式的管道机器人三维模型图如图2-2。图2-2两节式的管道机器人三维模型图1-行走装置（含控制室）；2-连接机构；3-清扫装置两节式结构使得自适应管道机器人在小管径内能够顺利通过弯道的同时还能具备清扫和检测功能，并且每节具备的功能互不相同，如同模块化设计，在不需要清扫的管道环境内只需拆卸下后面的清扫装置并更换不同的电缆线型，即可减轻机器人的负载的同时节省能源，非常符合现在的绿色环保节能理念，大大增强了自适应管道机器人的自由性。2.2.2驱动方案的设计驱动机构作整个管道机器人动力的来源，它的设计影响整个机器人的功能及机构稳定性。目前国内外机器人已经采用过的行走方式有轮式、履带式、蠕动式和行走式，而发展较为成熟的行走方式主要是支撑轮式、履带式和螺旋轮式。表2-3是这三种行走方式的比较结果。由表2-3比较可得，履带式机器人具有行走平稳、爬升能力强的优点，但由于其结构不紧凑，不适合需要转弯以及管径较小的情况。螺旋轮式机器人综合性能强。跟前面两种行走方式对比，支撑轮式具有行走速度快、驱动力较大、行走平稳、结构紧凑的优点，但由于支撑轮式与管壁接触面较小，其爬升能力较之履带式机器人要差一点。表SEQ图表\*ARABIC2-3行走方式比较表运动方式携带仪器越障性能结构管径适应能力运动可靠性弯道通过性履带式好好较好较强好较好支撑轮式好较好较好强好好螺旋轮式一般一般一般一般一般较好通过三种行走方式的参数和优缺点对比，选用更符合本款机器人工作环境的支撑轮式行走方式。为了提升整个机器人的运动平稳性，采用竖直面内呈120°的三组轮子提供整个机器人的动力，每组轮子由两个平行对称的轮子构成，这样增加了驱动机构和整个机器人的稳定性，还增大了轮子与管壁的接触面积，间接增大了轮子的滚动摩擦系数，增大了驱动力。2.2.3行走装置和清扫装置的变径方案的确定目前常用的变径机构有以下3种：弹簧-支撑连杆式、丝杆螺母-支撑连杆式和蜗轮蜗杆-支撑连杆式。三种变径方式的比较结果如表2-4。表2-4变径方式比较结果变径方式优点缺点弹簧-支撑连杆式结构紧凑、简单被动变径、变径范围小丝杆螺母-支撑连杆式驱动力小，传动平稳结构不紧凑蜗轮蜗杆-支撑连杆式变径范围较大结构不紧凑、效率低结合本设计的管道机器人的设计要求来看，适用管径较小，其变径范围也较小，所以蜗轮蜗杆-支撑连杆式是不被考虑的。机器人行走装置驱动机构需要主动调节来适应不同的管径，所以选用丝杆螺母-支撑连杆式变径方式，需要用轴向位移来提供径向位移，行走装置需要准备足够的长度给丝杆安装。为了减少控制量，并且使得整体结构更为紧凑，行走装置和清扫装置里的其他辅助支撑机构采用弹簧-支撑连杆式变径方式。清扫刷则直接采用依靠径向的弹簧压缩量来进行一个清扫的自主变径。2.2.4通讯方式和能源供给方式的确定管道机器人的通讯方式分为数据压缩式通讯、有线通讯和无线通讯。有线通讯方式即通过电缆跟外界进行数据的传输，数据传输快且平稳。无线通讯方式利用WIFI无线模块或者射频信号发射接收模块实现数据的传输，由于金属管道的通信屏蔽问题，往往无线通讯方式只适用于地面非金属管道。采用数据压缩式通讯方式的管道机器人进入管道后检测时将传感器采集的数据压缩至存储卡内，工作完取出存储卡再读取数据，往往机器人进入管道后不再跟外界进行交流，或者跟无线通讯方式结合在一起，然后只反馈报错信息和接受控制信号。管道机器人的能源供给方式主要有电池电力供给和电缆电力供给两种。其中电池电力供给方式主要依靠管道机器人内部携带的蓄电池或者锂电池来给机器人的行走、变径、检测、数据传输和其余作业功能提供能源，而电池的容量选择本身就很困难，电池容量大，电池本身的重量就会增大，驱动力就得更大，电池电力上就有一部分用来弥补电池重量带来的摩擦力，这无疑是较为浪费能源的，并且在要实现在管道中爬行、越障、检测乃至清扫的任务，必须要有持续的能源供给，无疑对于电池的要求会比较苛刻，这于经济性原则相悖，目前使用电池电力供给的机器人只适用于短时间的管道检测，而对于清扫打磨焊接等作业条件而言，还有很长的路要走。电缆电力供给方式即通过外界的电缆提供机器人作业所需的电力，这种供给方式较为安全、平稳。鉴于以上对通讯方式和能源供给方式的了解，本款机器人需要进行清扫作业，所以采用供电稳定的电缆电力供给方式，这也就可直接通过电缆进行有线通讯。2.3控制系统总体方案设计控制系统方案设计是整个管道机器人功能实现的前提，本设计的管道机器人具备以下三大功能：变径、检测和清扫。现针对管道机器人的功能要求进行简单的控制设备选型及控制方案的设计。2.3.1控制系统设计要求机器人具体要求和功能如下：（1）管道机器人通过树莓派的摄像头对管道内的图像进行采集，由于树莓派自身的计算能力不足，因此通过下位机将图像传到电脑上的上位机上，通过电脑对图像进行识别并由此对管道内部进行裂缝检测。（2)管道机器人可自动适应直径不同的管径，机器人的驱动机构变径是通过丝杆螺母和连杆共同实现的，而清扫机构变径依赖的是弹簧自主变径，利用壁压力和弹簧弹力共同作用从而使得机器人的清扫刷能进行自主变径。当然对于一些无法清除或者难以清除的障碍可以通过电推杆的伸缩使管道机器人进行越障。（3）为了保证控制系统的稳定，通讯方便和便于维护，采用上下位机的RS232通信方式，上位机用于接收数据，并发送控制指令，下位机用于执行命令，控制各个模块。当然对于树莓派的图像视频的传输是利用树莓派的Linux系统的usb_cam节点将摄像机拍摄的图像传输给电脑上。2.3.2控制系统方案机器人控制系统的硬件设计如下：（1）上下机位通信模块：为了保证有效距离远的效果，采用串行通讯方式。同时由于担心管道是金属性质的管道并且管道机器人在进入管道时内部情况较为复杂，因此通信方式上采用无线数据传输可能会丢失信号而且对机器人的控制不能实时控制。所以采用有线数据传输，使得数据传输更为可靠。（2）下机位的硬件系统：在整个下位机所具有的硬件设备有STM32F1单片机和树莓派。控制管道机器人用于安装在管道机器人行走轮上的减速直流电机、丝杆调节的42步进电机电机和安装在清扫机构上的直流电机，因为数据量较少同时控制较为方便，因此可以通过各自对应的驱动器连接到STM32F1单片机控制板上。而用于拍摄图像的摄像头所拍摄的图像数据量较大因此需要直接通过与树莓派相连，再通过树莓派将所拍摄的数据直接传输给电脑。（3）摄像头控制硬件设计：由于摄像头是视察管道内情况的最主要手段，为了保证控制摄像头清晰拍到管道内图像，采用了外加3个LED灯的方式，来保证摄像头至少能够视察机器人前方的大部分空间。同时由于摄像头拍摄图像的问题，因此摄像头必须放置在整个管道机器人的最前端，以便能更快的探查出管道的裂缝和障碍。当然考虑到管道机器人所处的环境比较恶劣，因此需要在整个设想装置外加装半球形的透明塑料外壳以防止在摄像头电路上落尘和其他可能对设备造成损害的影响物。2.4本章小结本章主要讲述了自适应管道机器人总体方案的一个设计过程。首先列出了自适应管道机器人的设计指标，包括了适用管径范围、可通过弯度、机器人主体重量、电缆重量、额定牵引力、正常行进速度、工作行进速度、清扫有效值和最大爬升坡度。其次分析和确定了自适应管道机器人的具备的功能并在此基础上确定了自适应管道机器人的整体结构设计方案，包括了结构形式的确定、驱动机构的设计、行走方式的确定以及通讯能源供给方式的确定。再对机器人的控制系统进行简单的分析和硬件设计，分析其具体工作要求后进行控制设备的选型。

第三章管道机器人机械系统的具体设计与有限元分析3.1控制室的设计控制室作为整个机器人系统中用来采集管道信息和控制下位机的一个重要部分，其安装在整个机器人的最前端，整体依靠螺栓连接在行走装置上，其本体内部设计了一个零件安装平台，设计成可拆卸式，由控制室面板和控制室壳体组成。控制室的具体模型如图3-1。图3-1管道机器人控制室三维效果图1-控制室安装板；2-led灯；3-摄像头；4-超声波测距模块；5-温湿度传感器；6-控制室外壳；7-树莓派；8-STM32单片机控制室壳体是一个一侧开放的空心六棱柱，其上有供丝杆支撑端、控制室面板以及温湿度传感器安装的螺纹孔。控制室面板上有用来安装单片机和树莓派的水平平台，且其竖直面板上设置有安装摄像头、照明LED灯和超声波测距模块的固定孔。图3-2摄像头实物图控制室上安装的摄像头是跟树莓派匹配的Risym摄像头扩展模块，拥有500万像素，实物如图3-2。其产品参数如表3-1。表3-1摄像头参数表参数类型参数值像素500万感光芯片OV5647静态图片分辨率2592*1944支持1080P30,720P60以及640*480P60/90的视频录像尺寸25mm*24mm*9mm3.2行走装置的设计行走装置作为机器人的动力核心部分，其设计过程中不仅要考虑提供足够的驱动力，还得考虑整个变径结构的可行性和合理性。行走装置设计在机器人的第一节结构中，用来克服整个机器人行进时的摩擦阻力。行走装置主要包括以下三大机构：驱动机构、主驱动变径机构、辅助支撑机构，三大机构均安装在行走装置壳体上，行走装置模型如图3-3。这里主要对行走装置的驱动机构和主驱动变径机构进行参数化设计。图3-3行走装置模型图1-控制室；2-驱动机构；3-连杆；4-螺母座扩展平台；5-辅助支撑机构；6-行走装置外壳；7-步进电机；8-步进电机安装平台3.2.1驱动机构的设计三组驱动机构分布在竖直平面内互呈120°，主要用来给整个机器人提供驱动力，由轮子支撑架、双轴直流减速电机和轮子组成，与行走装置壳体通过螺栓进行连接，三组驱动机构位置如图3-4。图3-4驱动机构空间位置图机器人在爬坡时受到的阻力最大，此时所需的驱动力也最大，在坡度为30°时的管道机器人简化后的受力分析如图3-5。图3-5坡度为30°时机器人受力简图其中Ff为电缆受到管壁的摩擦力，FN2为电缆受到的管壁支撑力，G2为电缆的重力，FQ为机器人的总驱动力，G1为管道机器人的整体结构受到的重力，α为坡道角度。由于滚动摩阻远远小于滑动摩阻，所以滚动摩擦可忽略不计，机器人只有电缆部分受到管壁的滑动摩擦力和整个机器人含电缆一起受到的重力在管道轴线方向的一个分力。由本暂时可设定管道机器人行走装置重量m11为1.5Kg,清扫装置重量m12为1Kg，电缆重量m2为2.5Kg,滑动摩擦系数f为0.2，受力分析得以下公式：（3-1）代入数据求解得总驱动力FQ=29.33N。如图3-6为坡度为30°时机器人行走装置径向受力分析图。图3-6行走装置径向受力简图其中，F1、F2、F3分别为行走装置受到的管壁压力，β是管壁压力和重力的夹角，f’为主驱动轮的摩擦系数。Fmax为最大驱动力，FQ2为第二组轮子提供的驱动力。可得到以下公式：（3-2）求解得：Fmax=11.512N。提供一个安全系数1.3，如此进行求解，得轮子驱动力F=15N，这便是所需要的每个驱动电机的最大驱动力。此时设定轮子半径r为20mm，则由公式（3-3）其中T为驱动力矩，F为驱动力，r为轮子半径。求解得驱动力矩T为0.4N·m。电机正常工作转速n1可由公式（3-4）其中n1电机正常工作转速，V1为机器人正常行进速度，d为轮子直径。求解得n1=28r/min。由求解得到的电机驱动力矩T和电机工作转速n便可以对电机进行选型，这里对市面上常用的步进电机和直流减速电机进行了数据采集和对比，其优缺点如表3-2：表3-2市场上常用电机的比较名称步进电机直流减速电机优点按脉冲转动、控制精准力矩大、体积小缺点力矩较小、体积大控制不够精准考虑到管道变径范围较大而管径又较小，机器人内部结构需比较紧凑，而步进电机在同等输出力矩下体积较直流减速电机大得多，占据较大空间，这里选用能更好满足要求的体积占比较小的直流减速电机，而普通的单轴直流减速电机需和用锥齿轮更换力矩方向，这里亦不方便安装，出于各方面要求，选择如图3-7所示的较为方便安装、输出力矩大且占据空间小的JGY-370双轴直流减速电机。图3-7双轴直流减速电机实物图这款电机的减速装置由全金属齿轮构成，可配合调速器控制转速，可控转速范围为0-选定的空载转速，电机可正反转，具体操作为调换电机接线端子正负极切换正反转或配合店家调速配带的正反转调速器和正反转开关。除此之外，JGY-370涡轮蜗杆电机还具有断电自锁功能，其内部齿轮可最大承受力约30KG，根据所需驱动力矩和转速选取的这款电机对应的电机具体参数如表3-3。表3-3JGY-370电机参数表参数类型参数值减速比（变比）150空载电流MA<60空载转速rpm40额定转矩Kg.cm额定转速rpm4.530额定电流A<0.5最大转矩Kg.cm9.0额定电压V123.2.2轮子支撑架的有限元强度校核轮子支撑架作为驱动机构的主要支撑部件，是整个行走装置中受力最大的结构，其结构的强度校核是整个机械系统稳定性得以保证的前提。在小管径管道内，该机构与水平面夹角变小，受到轮子从管壁中的传递过来的压力，其方向和大小不变，始终与机器人中心轴线垂直，这时轮子支撑架变形程度最大。受力分析如图3-8。图3-8轮子支撑架受力分析图中ABCDE点的位置跟主驱动变径机构设计过程图3-14一样，L01和L02是力臂长度。有公式：（3-5）其中FB为轮子支撑架受到的管壁压力，FL为轮子支撑架受到的连杆的力，L01和L02分别为FB和FL的力臂长度。求解可得FL的值。此时通过solidworks软件的simulation插件进行一个有限元分析，具体步骤如下：（1）打开单独的轮子支撑架零件，在其右侧表面绘制几条跟受力孔实际受力方向垂直且通过受力孔中心的直线，然后退出草图对这些孔的内表面进行一个分割，表面分割草图如图3-9，表面分割效果如图3-10。此时便可以打开simulation插件，新建一个算例，选择静应力分析。图3-9表面分割草图图3-10表面分割效果图（2）进行应用材料的设定，将轮子支撑架设定材料为普通碳钢。（3）添加夹具。轮子支撑架通过螺栓连接在机器人外壳上，可以模拟成固定约束，所以对该连接孔内表面施加固定约束。图3-11添加夹具和载荷后的连杆图图3-12生成网格后的轮子支撑架（4）添加外部载荷。轮子支撑架的四个安装电机的小孔受到管壁给的壁压力，而和连杆连接的小孔受到和连杆同向的推力，所以对相应孔的半个受力面进行载荷力的施加。经过夹具添加和外部载荷添加的连杆如图3-11。（5）生成网格。点击运行此算例下滑选项的生成网格，网格生成结果如图3-12。图3-13轮子支撑架应力分析结果图3-14轮子支撑架位移分析结果（6）运行算例。点击运行此算例，等待结果的生成，运行结果有应力分析和位移分析，应力分析结果如图3-13，位移分析结果如图3-14。（7）分析结果保存后准备结束时，记得不要保存零件之前进行的分割面操作，否则会影响装配体的孔的配合。由应力分析结果可知，最大应力为轮子支撑架与机器人外壳连接的螺栓内孔，此处应力最大还是因为将此处添加的固定约束导致没有形变的可能，而实际情况该处是可以用小幅度形变克服应力的，且最大应力小于普通碳钢的屈服强度极限的，所以针对应力层面来讲，轮子支撑架是安全的。从位移分析结果来看，轮子支撑架越靠近管壁那端越是有较大的位移，这对于类杠杆结构来看是前面各部分位移累加的结果，最大值是0.48mm，这对于此机器人来说是可以接受的，如果遇到对位移限制较大的情况，可以更改材料。3.2.3主动变径机构的设计主动变径机构由丝杆、螺母、丝杆固定端、丝杆支撑端、螺母扩展平台、联轴器、42步进电机、42步进电机安装平台以及连杆构成，以三组径向呈120°的形式安装在机器人行走装置上,单组主动变径机构模型如图3-15。图3-15单组主驱动变径机构模型丝杆安装在机器人中间轴线上，用丝杆固定端和丝杆支撑端对丝杆进行轴向和径向上的一个固定，其中丝杆固定端与行走装置壳体通过螺栓连接，丝杆支撑端与控制室壳体亦通过螺栓连接，螺母与螺母扩展平台利用螺钉相连接，螺母与丝杆通过螺纹副配合，三个连杆连接着螺母扩展平台和三组驱动机构。42步进电机通过联轴器带动丝杆转动，在螺纹副的作用下螺母及螺母扩展平台随着左右移动，螺母扩展平台通过连杆拉动轮子支撑架转动，实现整个行走装置的变径。主动变径机构的设计先从丝杠选型开始，然后计算连杆的长度和安装位置。丝杆螺母及其附件的计算选型如下：（1）选择丝杆规格丝杆螺母作为变径装置的主要调节机构，间接承受着支撑机构传递来的壁压力，为了保证其刚度和承载能力的同时还得保证此机构的径向尺寸最小化，应选取合适的螺纹直径。另一方面，为了保证变径具有较高的精度的同时还能快速响应，也需选取合适的螺纹导程，这里选取普通规格的C7级轧制丝杆-1204款单线螺纹丝杆，即螺纹直径为12mm，导程为4mm。图3-16为丝杆实物图。图3-16丝杆实物图（2）确定丝杆的总长度及有效螺纹长度丝杆的订做图纸如图，机器人轴向单侧变径为30mm,为了使变径过程更为平稳，这里需轴向变径为60mm，考虑到螺母座及螺母联接平台的横向安装距离，取螺纹有效长度为90mm，由图纸计算可得丝杆总长度为151mm。图3-17FK10实物图图3-18FF10实物图（3）确定丝杆两端的轴承位加工方案丝杆配套的固定端和支撑端类型有B\E\F三种系列，根据轴向安装方式和丝杆支撑座的形状，在三个系列的固定端中选取了FK类型的固定端，FK固定端实物图如图3-17，也就定下了选取FF丝杆支撑端，FF丝杆支撑端如图3-18。固定端安装的轴径为10mm，选取规格为FK10内径为10mm的丝杆固定端，支撑端安装的轴径为8mm，选取规格为FF10内径为8mm的丝杆支撑端。FK10丝杆固定端和FF10的丝杆支撑端的参数如表3-4。表3-4丝杆固定端和支撑端参数型号轴承型号锁紧螺母牙螺母厚度重量(Kg)FK106000ZZM10*1.080.2FF10608ZZ0.06（4）选择与丝杆匹配的螺母根据丝杆的公称直径选取型号为SFU1204-3的螺母，螺母实物如图3-19。图3-19螺母实物图其两端采用聚四氯乙烯密封、有效防尘、润滑和消音，其自身带有塑料的圆形反向器，满足成本较低、加工方便的同时还能防止螺母座反向倒退。（5）确定电机的轴径并选择相应的梅花型联轴器为了方便精确控制机器人的变径过程，采用步进电机带动丝杆转动的驱动方式从而实现变径，考虑到变径装置需要对轮子提供足够的壁压力，丝杆转动会受到较大的阻力，这里采用比28步进电机扭矩更大的型号为42BYGH34的42步进电机，其轴径为5mm。丝杆连接电机的轴端直径为12mm，故选用内径转换为5-12的梅花型联轴器，其外径为25mm，长度为30mm，两端可连接长度为9.5mm。如图3-20为梅花型联轴器实物图。图3-20梅花型联轴器实物图在丝杆螺母及其附件选型之后，进行相关零件的建模装配，最后预留出轮子支撑架和连杆的位置，通过确定的位置关系进行主驱动变径机构的运动原理分析。对于主驱动变径机构的变径范围的实现，建立以下几何模型，如图3-21为螺母在最左端时的变径机构几何模型，图3-22为螺母在最右端时的变径机构几何模型。通过求解连杆的长度和轮子支撑架的长度，最终可实现设计的变径范围要求。图3-21螺母处于最左端的几何模型其中，A点为轮子支撑架与行走装置外壳连接的孔轴心位置，D点为轮子支撑架与连杆连接孔轴心位置，B点为D点在轮子支撑架上的投影位置，C点为双轴直流减速电机输出轴在轮子支撑架上的投影位置，E点为螺母扩展平台与连杆连接孔最左端轴心位置，这里为了确保机构不存在多重解，此时D点径向投影在螺母扩展平台连接孔上与E点重合，机器人处于最大直径状态，H1为固定值。各尺寸有以下关系：（3-6）螺母处于最右端时，H2亦为固定值。图3-22螺母处于最右端的几何模型各尺寸有以下关系：（3-7）经过两个公式的联立求解，可得连杆的长度和轮子支撑架的长度。3.2.4主驱动变径机构中连杆的有限元强度校核连杆作为变径机构的主要支撑部件，也是整个行走装置中受力较大大的结构，其结构的强度校核是整个变径功能的实现得以保证的前提。在大管径管道内，该机构与水平面夹角最大，受到轮子从管壁中的传递过来的分力最大，这时连杆变形程度最大。其有限元分析步骤跟轮子支撑架类似：（1）打开单独的连杆零件，在其右侧表面绘制1条跟受力孔实际受力方向垂直且通过受力孔中心的直线，然后退出草图对这些孔的内表面进行一个分割，表面分割草图如图3-23，表面分割效果如图3-24。此时便可以打开simulation插件，新建静应力分析算例。图3-23连杆表面分割草图图3-24连杆表面分割效果图（2）进行应用材料的设定，将连杆设定材料为碳钢。添加夹具，连杆一端通过螺栓连接在螺母扩展平台上，可以模拟成固定约束，所以对该连接孔内表面施加固定约束。添加外部载荷，连杆的另一端与轮子支撑架通过螺栓连接，受到轮子支撑架传递来的压力，方向与连杆长度方向相同，所以对相应孔的半个受力面进行载荷力的施加。图3-25生成网格后的连杆（3）点击运行此算例下滑选项的生成网格，网格生成结果如图3-25。点击运行此算例，等待结果的生成，应力分析结果如图3-26，位移分析结果如图3-27。（4）分析结果保存后准备结束时，记得不要保存零件之前进行的分割面操作，否则会影响装配体内相关孔的配合。图3-26连杆应力分析结果图3-27连杆位移分析结果由应力分析结果可知，最大应力发生在连杆与轮子支撑架连接的螺栓内孔处，最大应力小于碳钢的屈服强度极限的，在应力层面来讲，连杆是安全的。从位移分析结果来看，轮子支撑架越靠近管壁那端越是有较大的位移，这类似压缩案例，也是前面各部分位移累加的结果，最大值的数量级就表明我们完全可以相信这个连杆的强度。3.2.5主驱动变径机构中丝杆螺母的有限元强度校核丝杆螺母在行走装置中受到来自3组连杆的压力，压力方向均和丝杆杆长方向相同，经合成后螺母受到轴向力最大，求解为30N。以下对丝杆螺母进行有限元分析：（1）将丝杆螺母装配在一起，新建一个静应力分析的有限元分析算例。（2）设置丝杆和螺母的材料为普通碳钢。（3）给丝杆固定和支撑的两端轴表面添加固定约束。（4）在螺母左侧平面上施加一个30N的力，方向垂直于螺母左侧平面。添加完约束和载荷的丝杆螺母效果如图3-28。图3-28丝杆螺母添加约束载荷效果图（5）生成网格并运行算例，得出丝杆螺母的应力、位移分析结果。生成网格效果如图3-29，螺母应力分析结果如图3-30，螺母位移结果如图3-31，丝杆应力分析结果如图3-32，丝杆位移分析结果如图3-33。图3-29丝杆螺母生成网格效果图图3-30螺母应力分析结果图3-31螺母位移分析结果由螺母的应力和位移分析结果可知，螺母的最大应力发生在螺纹孔附近，而螺纹牙附近应力比较小，且最大应力也小于45钢的屈服强度极限。就合位移而言，螺母的四个边角上位移最大，最大位移也只有微米级，可以忽略不计。这里用的是螺纹牙代替的滚珠，螺母实际的应力和位移会更大一些，但综合整个螺母的应力分析和位移分析可知，螺母工作时是安全可靠的。图3-32丝杆应力分析结果图3-33丝杆位移分析结果由丝杆的应力和位移分析结果来看，丝杆最大的应力分布在啮合处的螺纹牙上，最大应力只有0.8Mpa，远远小于45钢的屈服强度极限。就位移分析来看，丝杆的最大位移发生在配合的螺纹牙处，但也是微米级别，所以丝杆工作时也是稳定可靠的。3.3连接机构的设计连接机构是一根中空软管，其设计具有以下功能：（1）解决了弯管通过性问题，将机器人整体分为两个部分，有效解决弯管卡死问题；（2）增加了机器人的实际功能，两节式结构中清扫装置属于增加的管道作业功能；（3）增大了机器人的灵活性，面对管道内环境较干净的管道，可选择拆下清扫装置并更换电缆，这样大大减少了能源浪费，符合现今绿色的环保理念。中空软管本身是穿线软管，主要由不锈钢带、镀锌钢带、PP、PE、PA等塑料材料制成，其具有极佳的弯曲性能和柔韧性，能够承受较重的负载，中空软管的模型如图3-34。图3-34中空软管三维效果图其长度Lg设计应该比弯管轴线长度Lz多5%-10%。即有以下计算公式:（3-8）其长度在满足条件的情况下，其内径也得比电缆外径大10%，方便电缆走线。3.4清扫装置的设计清扫装置主要有左支撑体、轮子、小轴承、轮轴、轮子支撑杆、滑块、弹簧、直流电机、联轴器、小齿轮、大齿轮空心轴、轴承、轴承挡环、压盖、清扫刷变径弹簧、清扫刷、刷头、右支撑体。清扫装置三维模型如图3-35。清扫装置的主要功能第一是作为支撑部分，在轴向垂直平面上弹簧升降机构呈120度分布，管道机器人在行进的过程中能够稳定的采集管道内部的图像；第二就是实现对管道灰尘的清扫以及一些金属氧化物的清扫。清扫刷的变径依靠清扫刷变径弹簧的弹力得以实现，属于清扫机构的自主变径。图3-35清扫装置三维模型图1，自主变径支撑机构；2，清扫驱动机构；3，变径清扫机构3.4.1清扫装置中驱动机构的设计清扫刷的清扫过程是由固定端的直流电机经联轴器带动小齿轮转动，小齿轮带动轴承外的大齿轮运动件转动，而固定轴承的轴是中空的，里面用于走线。清扫刷的驱动机构设计主要是对两个齿轮齿数比进行设计并进行清扫用直流电机的选型。由于径向空间有限，齿轮齿数比的设计要满足清扫时力矩和转速，本设计的机器人只对灰尘黏着物和小型障碍物进行清扫，其所需的力矩无需太大，反倒是转速影响着清扫清洁度，这里传动比取1：2左右，而根据具体径向空间安排，且传动力矩的齿轮能够有足够的齿高，这里设计的齿轮参数如表3-5。表3-5齿轮参数表参数大齿轮小齿轮模数22压力角20°20°齿数1730宽度10mm14mm所以实际传动比为17：30。本设计的管道机器人清扫有效值为1-3，设为2，则机器人每前进一个刷头宽度距离，即12mm，清扫刷需转2-3圈，机器人清扫作业时前进速度为1m/min，则清扫速度范围为167-250r/min，电机转速为295-442r/min。选用型号为JGA24-2418的直流无刷减速电机，电机具体参数如表3-6。表3-6电机参数表参数名称参数值电压24V额定转速308r/min额定电流168mA额定扭矩0.7Kg.cm额定功率2.2W堵转扭矩3Kg.cm堵转电流0.8A3.4.2清扫装置中小齿轮的有限元强度校核由于清扫刷附件的刷头具有优良的柔韧性，而整个清扫刷变径机构是依靠弹簧进行自适应调整，所以遇到卡死状况时无非清扫刷附件头崩坏或者齿轮啮合的齿崩坏，这里假设清扫过程中，清扫刷被卡死，用solidworks2016自带的simulation模块对齿轮啮合部分的齿进行一个有限元分析。以下是分析步骤：（1）小齿轮和大齿轮轴的装配为了避免没必要的零件产生的计算，这里只对两个装配在一起的齿轮进行有限元分析。首先在小齿轮零件图里添加一个跟小齿轮心重合的基准轴1，并将切割特征下的分度圆草图显示化，在大齿轮轴零件里添加一个跟大齿轮轴轴心重合的基准轴2，也将切割特征下的分度圆草图显示化，。单独新建一个装配体，插入小齿轮和大齿轮轴的零件图，将两个基准轴进行一个重合类型的距离设定，将距离设置为齿轮中心距，如此两个齿轮的中心距被固定下来，然后对两个齿轮进行一个端面的距离设定，并将两个基准轴设定为固定状态，如此两个齿轮便只能进行一个绕基准轴转动的动作。接下来将啮合的齿面进行一个相切配合，再选用机械配合里的齿轮配合，选中两个齿轮的分度圆，设定相应的齿数比，一般系统默认数值就是分度圆之比，此时确定配合，可以发现机器人啮合了，但是无法转动，这是因为之前将啮合的面进行相切配合的处理了，只需将吃配合压缩，便可以模拟齿轮转动了，此时进行一个干涉评估，如果没有干涉，则齿轮的配合也就完成了。此时打开solidworks自带的simulation模块，新建一个算例，选择静应力分析。（2）应用材料设定。将两个零件应用材料设定为塑料类别里的ABS。（3）添加夹具。选择固定件约束，选择大齿轮轴内表面，表示大齿轮轴内表面被固定约束住，模拟的是清扫过程遇到的卡死状态。（4）添加外部载荷。选择外部载荷类型为力矩，模拟的是电机给小齿轮提供的一个扭矩，扭矩的面选择小齿轮的轴表面，方向的轴选择基准轴1。（5）连接的设定。在连接顾问里选择接触面组，组1的面选择齿轮啮合处小齿轮的几个接触面，组2的面选择齿轮啮合处大齿轮轴的几个接触面，更改摩擦系数为0.1。接触面组的选取如图3-36。图3-36齿轮接触面组选取图（6）生成网格。点击运行此算例下滑选项的生成网格，网格生成结果如图3-37。图3-37齿轮配合网格生成结果（7）运行算例。点击运行此算例，等待结果的生成，运行结果有应力分析、位移分析。应力分析结果和位移分析结果如图3-38、3-39。图3-38齿轮应力分析结果图3-39齿轮位移分析结果由齿轮的应力和位移分析结果可知，两个齿轮的在卡死的过程中，小齿轮最大应力发生在轴心处，为2Mpa，远远小于ABS材料的屈服极限50Mpa。而由位移图可见，齿轮的位移最大值为0.02mm，可以忽略不计，所以小齿轮的强度满足要求。3.4.3清扫装置中自适应变径机构的设计清扫装置的变径机构包括支撑用的弹簧-连杆机构以及清扫用的弹簧机构。支撑用的弹簧-连杆机构的尺寸设计过程和3.3.2节主驱动变径机构设计过程一样，这里仅对弹簧进行设计，弹簧原长为Lt0,弹簧弹性系数为k，弹簧大径预紧力为Ft1，弹簧小径预紧力为Ft2，弹簧在大管径下的长度Lt1，弹簧在小管径下的长度为Lt2。有以下公式：（3-9）带入各数值求解，即可求得弹簧的原长和弹性系数，再根据弹簧安装的轴径进行弹簧的选型。3.5本章小结本章节主要进行了管道机器人的机械系统的设计和对整个机械机构中比较重要的承载力较大的零件进行了一个有限元分析。结构设计包括控制室、行走装置中的驱动机构及主驱动变径机构、连接机构、清扫装置中的变径及清扫机构的设计，设计细节有单节机器人最大长度的求取，设计的合理性，三维模型的构建等。重要零件的有限元分析包括驱动机构中轮子支撑架、连杆、丝杆螺母及清扫装置中的小齿轮。

第四章管道机器人运动特性分析4.1驱动机构的变径过程分析本文设计的管道机器人辅助支撑机构的变径过程均由弹簧进行调节，具有自适应性，其变径的响应过程存在不确定性，这里对人为可控调节的主驱动机构的丝杆螺母变径过程进行分析。驱动变径机构在整个运动过程中除了要满足变径范围这个参数的同时，还得考虑一个变径响应的平稳性，即机器人径向距离的改变值应该和时间成正比。如果螺母前进半个行程，而机器人径向距离改变的不多，那么螺母行进的这半个行程即需要以较快的速度前进，从而做到动态响应。对比不同变径范围内的变径结构响应状态，从而确认该变径结构的合理性。4.1.1驱动变径机构末端端点的运动学方程驱动变径结构的变径过程主要研究轮子形心在径向位置的变化与螺母轴向位置变化存在的关系，这里螺母以一定的速度v匀速从最右端向左运动，为方便计算，轮子形心的位置变化以驱动变径机构末端端点C的运动代替，此时驱动变径机构末端端点的运动学模型如图4-1。图4-1主驱动变径机构末端端点的运动学模型由几何关系可求得C点的运动学方程：（4-1）联立求解可得驱动变径机构末端端点C的位移：（4-2）式中，和为主驱动变径机构末端点C的轴向和径向位移，其中v为螺母轴向移动速度，可知道和均是一个时间函数，其斜率与速度v有关。4.1.2基于Adams的驱动机构变径过程的运动仿真这里采用Adams建立虚拟样机来仿真机器人的主驱动变径过程，通过仿真结果来分析驱动轮径向位移与时间的关系，具体步骤如下：（1）简化结构。将没有相对运动且固定在一起的零件看成一个运动部件并用solidworks对其建立有相同装配特征和结构参数的物体。（2）solidworks导出parasolid格式的物体。将多个物体装配在一起，导出物体1前，先将其他物体隐藏或压缩，然后再导出。图4-2驱动变径机构添加连接和驱动效果图（3）打开Adams，新建一个模型，导入各个物体并设置质量。（4）给各个有装配关系的物体添加相应连接，选择两个物体，选择轴和方向。（5）给丝杆移动副添加一个驱动，方向向左，效果图如图4-2。（6）进行仿真，绘制出上面驱动轮子在径向方向的位移、速度、加速度与时间的曲线图，如图4-3。图4-3一组驱动机构位移、速度、加速度时间曲线由该结果曲线可得，轮子在变径过程中呈减速过程，且在大管径变径范围内更为平稳。通过Adams数据后处理功能，还可以绘制上组轮子的轴向及径向变径的一组位置关系曲线，如图4-4。图4-4正上方轮子轴向径向位置变径曲线由图可分析得到：上方轮子轴向径向位置变化几乎一致，变径结构比较稳定。对左下角的轮子轴向及径向变径进行曲线绘制，如图4-5，其结果和上组轮子类似。图4-5左下角轮子轴向径向位置变径曲线有曲线可知，螺母在以一个速度前进时，前半个行程的变径速度几乎一致，而后半个行程的变径速度较快，需要延长后半个行程变径的时间，即在不同的管径范围内丝杆的转动速度应该不同。4.2管道机器人越障能力的分析本文设计的管道机器人在越障过程中，主驱动轮可以根据可控变径调节管壁压力从而越障，其越障过程可控，而辅助支撑机构由于弹簧带来的压力不可控，其越障受弹簧预紧力影响大，越障能力需要进行分析，而所谓越障能力，即指机器人本体在足够的驱动能力下能够越过管内障碍物最大能力。图4-6为调节轮与障碍物接触的临界受力图，其中为障碍对第N个驱动力的正压力（k=1,2,3），为对应轮子的牵引力，越障高度为h，轮子半径为r，越障角度为。图4-6调节轮与障碍物接触的临界受力图机器人在管内碰到的障碍虽然比较多，但是以环形障碍最为难跨越，因此针对环形障碍进行分析。当机器人3个调节轮同时遇到障碍时，弹簧杆被压缩，此时要想越过障碍必须满足：（4-3）其中F为机器人总的拖拽力。由于3个调节轮同时接触环形障碍物，其受力情况完全一致（此处忽略重力的影响），所以有：（4-4）其中为调节轮与环形障碍物之间的摩擦系数。而根据管道机器人实际牵引力的需求，可以适当调节预紧力来实现，所以一旦所处的管道环境、牵引力需求确定后所需的预紧力即为常数，而夹角则由管道机器人轮子直径与障碍物的高度所决定，因此当在特定的管道中行走时，可确定越障压力Nk与越障高度h的明确线性关系，又已知管道机器人此状态下的Nk与弹簧的形变△x的关系，所以机器人能越障的最大高度取决于弹簧的形变，因此只需求出同等管径下的不同预紧力便可获得最大的越障高度。4.3基于Adams的机器人通过直管过程的运动仿真本设计的机器人的清扫装置是自动变径，其直管通过性较好，所以只以行走装置为对象研究机器人的直管通过过程。（1）导入行走装置小管径状态下的简化模型并设置重量，添加各种转动副和移动副。图4-7接触参数（2）导入弯管的模型并设置为大地部件。（3）添加弯管和各个轮子的接触连接，接触参数如图4-7。（4）添加辅助支撑架的扭力弹簧，设置弹簧预紧力和弹性系数。（5）给每个轮子轴心处的转动副添加驱动。仿真前机器人在管道内的状态如图4-8。图4-8直管内管道机器人状态（6）进行直管通过过程的仿真，仿真结果如图4-9。图4-9通过直管时轮子的速度时间曲线管道机器人通过直管时轮子的速度以匀加速度加速，然后达到最大速度时匀速前进。4.4管道机器人通过弯管过程分析4.4.1弯管通过的约束条件管道机器人在通过弯管时需要变径方可成功的通过弯管，而管道机器人的长度与弯管半径存在着一定的关系，这里对机器人通过弯管这一过程进行数学模型的建立并求解出管道机器人的最大长度，图4-10是机器人通过弯管时的几何模型：图4-10管道机器人弯管通过分析图由图3-1可得得到以下方程：（4-5）其中机器人变径范围为Φ1-Φ2，其中Φ1为管道机器人最大直径，Φ2为管道机器人最小直径，这里的管道直径Φ=Φ1，管道机器人最大长度为L，弯管弯度为θ1，弯管曲率半径为R1。经联立求解可得L与R1的关系，经过资料搜索，弯管半径R一般取1.0D或者1.5D，更有甚者可以取4D、5D，这里取条件最为苛刻的1.0D，经过求解得：管道机器人的最大长度为398mm。而实际情况下，本款管道机器人和管壁接触方式允许机器人的长度还可以更长一些，即使在R=1D的弯管内存在一点干涉，机器人也可适应曲率半径更大一点的弯管。4.4.2机器人通过弯管状态分析管道机器人通过三组轮子差速的方法通过接头弯管，管道横截面上三组互呈120°的轮子在管道上分别有一组独立的呈圆弧形的行进轨迹，而每一组轮子与管道内壁有两个接触面，轮子与管壁的接触状态如图4-11所示。图4-11轮子与管壁接触图轮子的运行轨迹始终与水平面平行，故可将其投影到水平面上，轮子运行轨迹在水平面上的投影如图4-12所示。图4-12机器人过弯轮子轨迹图这里对求解出的每组轮子的两个接触面轨迹路径求平均值，令路径平均值为该组轮子的一个设计路径，方便对转弯时三组轮子速度进行求解，此时令最上方的轮子默认速度VA=2m/min，通过上方轮子路径求解出弯管通过时所需的时间t,并可解得下方两组轮子的速度。有公式：(4-6)得:LA=251.27mm;LB=145.33mm;LC=357.32mm;t=15s,VB=1.16m/min;VC=2.84m/min。对机器人的三维模型进行装配，并让机器人下面的两组驱动轮及三组辅助支撑轮与管道内壁相切，给机器人设置一个轴向力，分析机器人弯管通过时的状态。如图4-13为机器人行走装置刚进入弯管时的状态，为了防止控制室和管道的碰撞，须在控制室周边安装防护棉。图4-13行走装置进入弯管前行走装置进入弯管时需变径，然后再三轴差速通过弯管，通过弯管时状态如图4-14。行走机构进入弯管后，上面的那组驱动机构处于离壁状态，辅助支撑机构的三组轮子在弹簧的弹力作用下是贴壁的。图4-14行走装置进入弯管后清扫装置进入弯管前的状态如图4-15。六个支撑机构在弹簧的作用下紧紧贴壁而行。图4-15清扫装置进入弯管前清扫装置进入弯管后的状态如图4-16。六个支撑机构在管壁的压力作用下没有一个轮子处于离壁状态，而清扫刷处于最大压缩状态，此时机器人受到较大摩擦力。图4-16清扫装置进入管道后4.5本章小结本章节主要对机器人的一些运动过程进行分析，来了解机器人的具体性能，其中包括驱动机构变径过程的分析，机器人越障能力分析，机器人通过直管和弯管的一个状态分析。

总结与展望总结为了对中小管径管道进行一个检测及清扫作业，本文设计了一种自适应管道机器人，其结构简单，控制容易，能够对管道缺陷进行有效的检测识别，并且可以清扫管道内壁的灰尘黏着物，减少了管道检测、清扫作业的人力投入，提高了管道运输的经济效益的同时确保了物资运输的安全性。主要工作内容如下：1）根据国内外研究现状和技术难点，确定了本设计自适应管道机器人的设计指标，确定了自适应管道机器人的总体设计方案。其中包括，结构形式的确定、行走方式的确定、变径方式的确定、通讯方式的确定、能源供给方式的确定以及控制方案的设计。2）完成了自适应管道机器人的具体结构的设计，并绘制出三维零件图，包括控制室、行走装置中驱动机构、行走装置中主驱动变径机构、连接机构、清扫装置中清扫刷驱动机构以及清扫装置中变径机构的设计。3）完成了对重要零件的受力分析，并进行了有限元强度校核，确保结构设计方案的合理与强度满足。4）完成了自适应管道机器人的建模装配。另外对机器人的运动特性进行分析。展望由于作者对相应的仿真软件不太熟悉，只完成了变径过程和直管通过过程的仿真，而整个机器人弯道通过的建模仿真并未成功，结构设计上也存在部分缺点和不足，通过多方面验证也证明了这一点，在以后的研究中需要从以下方面进行加强研究。1）结构的优化。本设计的结构设计中考虑变径范围时选用了驱动力较大，体积较小的双轴直流减速电机，在弯道通过时控制起来没那么精确，容易打滑，结构也不是很紧凑，有部分丝杆有效长度被浪费了。需要从位置安排上优化变径机构。2）结构的稳定性。本设计的自适应管道机器人的行走装置的控制室较重，整个行走装置质心较前，连接软管和辅助支撑机构受到一个向上的力。需要调节质心使机器人运动更为平稳。

致谢

参考文献[1]年四成,邓中亮,刘铁,刘金珠.一种管道机器人的结构设计与性能分析[J].机械设计与制造,2019(11):253-255+260.[2]颜丰,徐璐辉,王路,赵云杰,陈东旭.多运动模式管道机器人结构设计与运动分析[J].机械研究与应用,2019,32(05):4-6+11.[3]HidemasaSawabe,MizukiNakajima,MotoyasuTanaka,KazuoTanaka,FumitoshiMatsuno.Controlofanarticulatedwheeledmobilerobotinpipes[J].Taylor&Francis,2019,33(20).[4]SherazYaqub,AhmadAli,MuhammadUsman,KhalilMuhammadZuhaib,AbdulMananKhan,BoyoungAn,HyungiMoon,Ji-YeongLee,ChangsooHan.ASpiralCurveGaitDesignforaModularSna