分段式管道机器人设计

STYLEREF"标题1"摘要第1章绪论1.1课题的背景、目的及意义1.1.1课题研究的背景管道是现如今非常重要的一种运输方式，它的发展对于增强国力具有很强的促进作用。不管是刚刚铺设的，还是使用过一些年限的管道，其中都不免有泥沙、石蜡等污垢。再者，根据相关规定：管道在新修建的一年内必须要进行检测，以后的检测年限视情况而定，但最高不能超过三年[1]。故对输送管道进行定期清理与检修是一项必须的工作，现如今除了人力检测，机器人也步入了社会的主流。管道机器人是一种用于管道之中的机械设备，它可以装载多种传输感应装置以及作业装置，如拍摄装置、定位和平衡感应装置、声波感应、清理设备、内壁裂纹及接口焊接装置、喷漆维护装置和抓取单元等，用于完成图像采集、裂纹定位、机器人姿态调整、内壁清理、内壁焊接、内壁维护以及物料运输等任务。管道机器人在外部人员的操控下来处理各种作业任务，并且各种管道的清理疏堵，甚至人员救助任务都可以完成[2]。综上原因，研制出一款造价低、实用性强、功能强大的微型管道机器人是很有必要的。1.1.2课题研究的目的目前，在电力、石油、天然气等行业中，在役管道腐蚀、裂纹或凹陷等缺陷的检测中多采用人工检测方式。存在检测效率低、有检测盲区等问题。管道机器人替代人工对管道进行定期检测，能进入人所不能及、复杂多变的管道环境，从而提高检测效率，降低人工作业的危险性[3]。而且管道机器人由于它的准确、高效和经济性慢慢发展起来，这也是研究管道机器人的目的。1.1.3课题研究的意义微型管道机器人在管道中的启动部分以及它在现实问题中的应用一直都困扰着国内的研发人员。外国在此方面的研究技术相比我国更为先进，而且因为国外起步早，因此在管道机器人的领域上进展很快。但是国外的技术对我国都是封锁的，并不出售，他们利用给我国提供相关技术帮助来赚取巨大费用。管道机器人在国内的研究虽然也有进步，但是如今的很多只是用于实验品，并不能真正上市。微型的管道机器人的操作范围和可实用性更是与国外差一大截。近些年国内也研制了一批机器人，大多为履带行走方式，其用于清洗行业，而管内探测较少，且价格昂贵[4]。因此，开发一种价格低廉、操作简单和实用型的无线管道探测机器人，已成为当前市场的迫切需求。管道对于国家发展的意义重大，随着对其维修清理的不断加强。无论从机器人智能化考虑，还是为了减轻清理人员的工作难度、提高时效考虑，设计出一款可以“一机多用”、造价低的机械设备都具有很大的意义。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究进展1940年前后，国外开始了对进入输送燃烧物料管道的机械设备的研究。经过1970年，各种新兴科技的出现，并经过一系列蓬勃发展，进而也带动了管道行业的进步。1990年，管道机器人经历了快速发展，并且可以时尚应用于实际。被众人所认知的是，法国的J.VERTUT是最早一批来研究管道机器人的人。1978年他提出了在管道中以腿式来进行行走的机械装置。这种简单的机构对于如今的管道机器人的现状起到了启蒙的作用。日本是智能机械的发展强国。日本的管道检测机器人在1960年生出萌芽开始发展起来，随后便开始大力发展。到了1970年就足够步入实际应用的阶段了。而到了1980年日本便开始对机器人行业进行大力提高，以求发展出更多的智能机械。日本的智能机械在社会各个方面都有应用。管道机器人在日本也是发展出了各种各样的种类。1993年，东京工业大学航空机械系的ShigeoHirose和HidetakaOhno等人开始着手研制管道机器人，他们先后研制成功了多款管道机器人，均是Thes型管道机器人，适用于50-150mm的小口径管道[5]。图1-1Thes型管道机器人机器人的出现是在美国。美国自1962年以来已经开发了工业机器人，这是世界上第一台工业机器。美国是世界上一个强大的机器人国家。它的机器人技术起步早，发展迅速。到目前为止，有无数种机器人。美国因纽特恩公司系列管道检测机器人Versatrax是国外众多的成型管道机器人之一。Versatrax150TM可以进入的管道最小直径为150毫米，防水深度30米，配备的电线长度160米，速度范围为每分钟0~10米，机器人可负担的有效载荷为92kg，机器人配有电荷耦合器件彩色直视摄像机。随后开发的范思哲300VLR可进入的管道最小直径300毫米，防水深度30米，电缆范围1830米，速度0~10米/分钟，有效载荷184公斤，这款设备也配有电荷耦合器件彩色直视摄像机。2001年，纽约天然气公司的达芙妮·祖尔科(DaphneDZurko)和卡内基梅隆大学机器人学院的哈根斯切姆普夫(HagenSchempf)博士在美国宇航局的资助下，开发研制出了一种可以长时间工作、并且没有携带外部供电设备的管道机器人——探索者（EXPLORER）。这款机器人专门用于探测地下天然气管道安全与否。管道机器人系列EXPLORER具有以下特点：（1）单次操作检测时间长，采用非外部供电设备即自带电池，自备电源可多次重复充电，这种电源使得机器人的整体具有很好的推进潜力。（2）可在多种材质的外部环境中工作，也可在压强并不稳定的环境下工作。（3）管道机器人的图像取样设备采用了一种内嵌式结构，机器人的整体很是紧凑。（4）机器人不但能轻松通过90°弯管处而且可以攀爬垂直的工作环境，适应性很强。（5）管道内的机器人通过无线设备与工作人员进行信号传输与接收。（6）管道机器人可以用来检查管子内部是否有小型水以及是否有碎片化的杂物沉积。能够确定管子内部毛病所在地的精准位置，并自动定位所对应的工作设备。机器人会将管子里面的情况以图像的方式确切反馈出来[6]。图1-2探索者管道机器人福田和日本名古屋大学的其他人开发了一种利用太阳光照中的紫外线来供电的小型移动机械设备。这个机器人可以在空中保持停留。其下底板的面积为6400mm2，上面板子的体积为450mm3。第一步在大气压强的能力下，上板会平稳地上升并最终停留在半空中，然后太阳光的紫外线会照到机器人所携带的热能向电能相化的电子元件上，从而电子元件会产生电压。然后在下底板和上板的空间内会形成静电作用，这样就使得上平板在静电的作用下进行移动。韩国汉阳大学Kwon等研发的履带式管道机器人由3组径向均布的履带轮提供行走的动力，其上装有CCD(chargecoupleddevice)摄像机以获取管内信息，可稳定的爬坡、通过弯管和T形管，但目前不能用于现实生活中[7]。1.2.2国内研究进展我国管道机器人的技术相比国外来说不但起步较晚，而且发展也很慢，现如今的大多数均不能应用于实际管道之中。哈尔滨工业大学邓宗全教授在我国政府相关课题项目的支持下，研制出了轮式管道机器人。这款机器人具有以下特点：（1）能够工作于大直径(不小于900毫米)管道焊缝的X光探查。（2）工作时间长，一次探测可以行走2km。（3）裂缝找寻和位置确定的误差不超过5mm。（4）机械设备的工作效率高，每个裂痕的找寻市场为三分钟左右。机器人实现了管子内外机械设备共同运行的无电缆运行技术。机器人开发了链条和钢带这两种较为新颖的管子外部运转的机械设备。这个课题的研究内容和结果目的是用在大直径管道的无人检测工作之中[8]。图1-3X射线实时检测管道机器人上海大学开发了一款适用于微型管道机器人的侦察系统。该系统主要包括了机器人的众多机构和相关的操控技术。在垂直布置的内径为20毫米的工业管道中，采用了机器人管道内部定位监测等相关关键技术。在这些技术之上形成的管道内部自主检查系统。这个系统能够完成20毫米管子内部裂痕和其他问题的行走检测[9]。图1-4小型工业化管道机器人行走检测系统上海交通大学开发了一种具有立方体形状和12个蠕动元件的机器人。机器人的整体是一个边长为35mm的正方体，它的质量为20g（其中包含了控制部分）。行走速率为每分钟15mm，机器人的整体拥有12个自由度。该机器人共具有12个驱动源，可以实现管子内部的全方位行走。并且这款管道机器人还可以穿过正常的管道、弯度较大的管道、直角管道和分叉型管道[10]。清华大学研制了一款行走在直径为100毫米的微型螺旋轮式管道机器人，它的行走结构是采用旋转推动。机器人整体由三个单元组成，其中第二单元仅由保持机构组成，另外两个单元结构类似，均是由旋转和固定机构组成。第二个单元的两头由万向节分别与另外两个单元固定。这款设备结构严紧，易于人工操纵，而且机器的驱动力大，这些都是轮式机器人所不具备的。但是由于弹簧伸缩的有限，它只能工作在直径固定的管道之中[11]。图1-5微型螺旋轮式管道机器人结构图1.3论文主要内容本文主要通过查询并了解现存油气、电气管道的现状，得知现役管道主要存在污垢无法清洗、管道裂缝难以定位的问题，并且通过了解国内外在管道机器人方面的进展存在差距，市面上的管道机器人价格高昂，性价比不高。通过对以上情况的了解、结合专业知识进而设计出一款经济、实用的管道机器人来解决管道的部分难题。各章节内容与安排如下：第1章，绪论。本章节着重介绍了管道清理的重要性，并详细介绍了世界部分国家的管道机器人的发展情况。说明了设计出一种经济、可操作性强的管道机器人的必要性。最后介绍论文各章节的主要内容与相互联系。第2章，管道机器人总体方案设计。本章节主要说明了题目中对于管道机器人的设计要求，然后分别列举了几种不同的管道机器人的行走方式、管道检测方式、电力供给方式、驱动方式等方案，最终出于考虑管道机器人的灵活性、可操作性、负载偏小、体积小等特点，选择轮式行走、视频检测、携带能源装置、直流电机驱动的分段式管道机器人.第3章，分段式管道机器人的总体设计。首先将管道机器人分为驱动机构、执行机构、电力供给部分以及连接部分，各部分以串联的方式连接。然后详细介绍了各部分机构的机械组成，并对机器人的电机、齿轮传动机构和关键轴做出计算。最后说明了管道机器人整体的结构特点。第4章，对关键轴以及齿轮传动进行强度校核，结果均可以满足工作要求。并得出管道机器人能够顺利通过的最小曲率半径。第5章，在本章节中列举了市面上的管道机器人，将它们与论文中所研究的管道机器人进行对比，得出论文中的管道机器人的经济性与功能性。第2章管道机器人总体方案设计东北电力大学本科学位论文第2章管道机器人总体方案设计2.1管道机器人主要技术要求（1）管道直径D=150mm；（2）采用直进轮式驱动结构，即两个驱动电机，一个转向电机；（3）选择微型直流电动机驱动；（4）运动模块行进速度5m/min-10m/min；（5）采用无线通讯技术，使运动模块能在管道内自由行走。2.2管道机器人系统方案的确定管道机器人方案的设计直接对机器人的作业能力和检测效率产生影响。因此需要从更全面的眼光来对方案的选择进行综合分析和比较。这其中包括机器人的行走方式、管道探测方法、电力供给以及驱动方式的确定。2.2.1管道机器人的行走方式的确定根据行走原理的不同，管道机器人的行走方式包括流动式、直进轮式、履带式、蠕动式等方式。下面将对各个不同的行走方式进行对比分析，最后选出最适合的那一个。（1）流动式特性分析：这种机器人只跟随管中的物体来进行移动，属于不用电力供应的从动机器人。虽然这种机器人不消耗其他机器人所需要的能量，但其运动只能跟随管中的物体来进行。因此其并不能做到对管道内的缺陷进行精确定位[12]。（2）轮式特性分析：直进轮式是一种现如今被广泛应用于实际的行走方式。有实验证明，直进轮式行走方式具有行走平稳、移动速度快等好处。因此市面上的管道机器人大多都采用轮式移动方式。图2-1轮式管道机器人这种行走方式又分为支撑轮和普通车轮式。支撑轮式行走机构是利用空间对称，利用空间对称的封闭结构来对移动的场地产生密闭力，从而接触点产生推动机器人整体的摩擦力。这种结构具有组成简单、移动灵巧方便的特征。普通车轮式的机构与支撑轮的组成类似。但是普通车轮结构在行走的时候没有额外多余的闭合力。这种结构的闭合力只能由机器人自身的重力来进行提供，因此普通车轮结构的牵引力就不怎么大。轮式行走方式灵巧可靠、稳性强、可以轻易地穿过管子转弯处。但是轮式行走部分需要驱动轮与管子内壁保持严密地接触，来产生推动机器人前进的驱动力。关于以上的问题，现如今已经能够通过改善结构紧密性和添加用于产生密封力的机械装置来解决[13]。（3）履带式图2-2履带式管道机器人特点分析：履带式管道行走机器人有点类似轮式行走的管道机器人。履带式行走结构在附着能力这方面很有优势。很难因为接触面的缺陷而打滑，跨越障碍的能力强，牵引力大，因此这种类型的机器人一般都用于环境不好的地方。除了以上的优点，履带式驱动结构缺点就是组成结构复杂、行走灵活性和转向较差，这种结构因为其密闭的组成因此很难将其零件等小型化[14]。蠕动式特点分析：蠕动管道机器人是一种模仿昆虫或是其他爬行动物的机器人。它的运动原理是研发人员根据自然界中的昆虫、蛇类等动物的爬行方式模仿而来的。这种管道机器人的组成部分相比其他来说更简化，驱动电机数量少，控制简单，适用于微小管道。蠕动行走机构的前进速率取决于其内部的推进装置的伸缩频率及其伸缩距离[15]。这种机器人的行走效率不高，很难满足现实管道的探测需要。图2-3蠕动仿生管道机器人本题目研究的管道机器人在半径为75毫米的小型管道中来进行行走，根据以上几种行走方式的对比得出轮式相比其他行走方式更灵活、适应性更强、更适合在微型管道中使用。综上原因，决定采用轮式来作为机器人的行走方式。2.2.2管道机器人探测方法的确定当要对一个管道进行检测的时候，通常会选择用详细的数据或直观的图像来表示管中的具体状况。而以上两种检测方法通常要用到声呐、超声波或者视频检测等技术方法来完成。声呐或是超声波敏锐性强、可以穿透物体，但是容易被机器人自身的运转噪声所干扰。而且这种方法适用于大直径、超负荷污水管道。图2-4声纳成像图图2-5视频成像图图像检测则是通过机器人携带的摄像机来拍摄并传输出彩色照片或视频。摄像机可以制成体积小、小质量的微型拍摄装配，用以减轻机器人的重量，进而提高机器人移动的灵活性[16]。综上得出视频检测相比声纳更直观，人员观测更方便，更适合小型管道内使用。综上原因，管道机器人的探测方法确定为视频拍摄。2.2.3管道机器人电力供给方式的对比管道机器人的能源供给一般有两种方式选择，一种是由外部能源通过电缆为管道中的机器人提供电力；另一种是无缆式即为机器人自带电池。电缆供电图2-6拖缆式管道机器人外部电源可以确保试管道中的机器人有足够的电力。而且当机器人在管道之中发生故障的时候，外部工作人员可以通过电缆将机器人拉出来，这种供电方式的机器人自救措施良好。缺点就是线缆会影响机器人在管道中的移动，线缆额外的牵引力对机器人影响很大。这种方法并不适合小型管道机器人使用[17]。图2-7自身携带电池的管道机器人自带电池机器人自带电池相比之下能够减轻机器人的拖动负载。这种方法有利于增加机器人的工作时间，促使机器人在管道中行走更自由，方便机器人作业[18]。由于论文中管道机器人工作环境的限制，导致机器人的体积很有限，机器人的驱动力也很有限，故选用载体携带能源装置。2.2.4管道机器人驱动方式的确定表2-1管道机器人驱动方式的选择气动式液压式电动式结构组成通常由气缸、气动阀、气动马达等元件组成通常由液压缸、伺服阀液压马达、液压泵等组成由电动机、驱动器、以及机械传动装置（如各种减速器）等组成性能特点结构简单、动作迅速、维修方便、价格较低；气动的可压缩性造成控制精度较低、运动稳定性差结构紧凑、运动平稳、耐振动、耐冲击、防爆性能好、输出力较大；但是液压元器件对密封性要求较高否则容易造成污染响应快、驱动力大、控制灵活、噪声低、清洁高效；但是不适应远距离传动适用场合大多适用于中低负荷场合中一般用于输出力较大的工程机械领域主要应用于近距离驱动的机器人领域由表2-1所示，通过三种不同驱动方式的对比分析得出，气动式和液压式驱动稳定性差，电动式是更适合管道机器人的驱动方案。电机现如今在我国各个产业中的各个方面都具有很大的作用。人们可以根据作业要求、电机长度和直径、电机转矩、速度以及速度调节难易来选择不同的电机。电机是机械设备运转和工作人员进行控制的核心。电机在历经这些年的发展后，人们对电机的改进从简单的运转变化为对其更复杂的操纵。根据应用场合的不同、作业任务的不同、精准度要求的不同，电机也有不同的种类设计和带动方法。人们根据电极的具体应用，将电机细分了好多种类。DC电机（直流电机）是电机家族第一个问世的。大概在20世纪之前，电机可以根据是否转向分为：换向器和非换向器这两种。虽然DC电机具有更好的人员操控特性，但是DC电机在机构组成、售价、清理修护方面都不如交流电机。然而，交流电机的不易操作、调速困难一直是被人诟病的原因。因为DC电机的速度调节容易、更容易带动等优点，DC电机目前仍是很多人亲睐的对象，这种情况在可控硅DC电机出现后更甚。下面，主要对DC电机进行有无电刷来进行分类，并最终确定出所选电机的种类[19]。有刷直流电机图2-8有刷直流电机有刷电机(BDCM)是指内部带有电刷的电动机。有刷电机是现在市面上其余电机的基本。有刷电机的从停止到启动的时间和从启动到停止的时间都短、速度调节范围大、人员操控简单。有刷电机的优点：①机构组成简单。有刷电机结构简单，容易批量生产加工，而且电机的修理和维护方便，方便工作人员进行控制。这种电机还具有反应速度快、可携带负载启动和变速的时候扭矩不发生改变的功能。②运行稳定。性能强大的有刷电机是通过调节电压来调节运转速度的，故这种电机启动、停止、保持一定速度运转时设备都较为平稳。无刷电机由数字变频控制。因此，无刷电机的运转并不稳定，在启动和停止时设备振动强烈，只有在匀速时才能“安静”下来。③控制精度细。有刷电机在一般情况下都是与齿轮减速设备一起使用，这些设备令电机最终传递到外部的功率更高，人员操纵起来也更精准。有刷DC电机的操纵准确度可达到10微米，只要工作环境允许，这种电机所控制的机械设备可以停在任意地点。现如今所有的对精度要求高的机床都是使用有刷电机来带动[20]。有刷电机的缺点：①电刷和换向器之间不可避免地摩擦，这会导致传输效率不高。这种电机运转起来的声音很大，而且会产生多余的热量。这就导致了有刷电机相比无刷的来说更容易损坏。②因为有电刷的缘故，电机需要不断地对其更换[21]。（2）无刷直流电机无刷直流电机（BLDCM）是在有刷电机之后发展起来的。虽然它是直流电机，但它的启动电流却是交流电。图2-9无刷电机无刷电机的优点：①运行声音小。缺少了电刷的摩擦，因此无刷电机的运转声音小。②寿命长。无刷电机的内部是控制器，与有刷电机不同。电刷的寿命相比之下就很低。③速度高。因为无刷电机相比有刷缺少了摩擦力，因此电机的旋转速度就会快不少。无刷电机的缺点：①造价高。控制器相比电刷来说，造价提升了至少上百元。因此相比之下，有刷电机更便宜。②对环境有一定的要求。若工作的环境的磁性较大则电机将会失效。因为电机本身的转子部件是磁体，它是经过充磁才有磁性的。经过高磁场将改变转子的磁场或是消掉了部分的磁性电机都将不能正常工作[21]。根据上述有刷DC电机和无刷DC电机之间的比较。尽管无刷电机运转声音小，工作时间更长，但是无刷电机的成本很高、运行起始不平稳、速度偏高。最终选择有刷直流电机作为管道机器人的驱动电机。2.3本章小结综合以上对管道机器人不同的行走方式、检测方式、电力供给方式、驱动方式的对比，并结合题目的任务要求，行走方式虽然有众多选项，但是由于流动式并不能自主控制；履带式太过笨重，不适用于小管道；蠕动式则是移动速率太低，作业时间过长，以上三种行走方式均不适合题目所要求的工作环境，因此最终选择轮式作为机器人的行走方式。在检测方式中只有声波与视频成像两种选择，因为视频成像更直观、原理简单因此被采用。拖缆式管道机器人更适用于大型的管道机器人供电和传输数据，因为小型管道机器人的体型和电机功率都有很大限制，相比之下载体携带能源装置更实用。本章节中主要介绍了直流电机的两个分支：有刷直流电机和无刷直流电机。无刷直流电机虽然在寿命和声音方面优于有刷电机，但是它的启动并不稳定，而且控制精度不高，这些缺点都是微型管道机器人所不能接受的，因此有刷直流电机才能正确的选择。第3章管道机器人的总体结构设计

第3章管道机器人的各部分结构设计3.1管道机器人总体结构组成论文中的管道机器人由四大部分组成，分别为观察机构、电源模块、驱动机构、执行机构以及连接部分。论文中要设计的管道机器人是上述四个部分以串联形成的。这样的设计更方便根据实际应用来添加和拆除相关模块。如图3-1所示为管道机器人整体结构示意图。若执行单元模块过多导致机器人整体尺寸和重量增加，此时便可增加执行机构和电力供给部分来使机器人更好地运行。图3-1管道机器人整体结构示意图3.2驱动模块结构设计管道机器人的动力来源于驱动结构的电机。电机通过齿轮减速机构，将动力传输到机器人的驱动轮上。管道机器人整体如图3-2所示：1为大定位板、2为电机固定架、3为u型板、4为小齿轮、5为驱动轮、6为驱动电机、7为大齿轮、8为驱动轮定位板A、9为驱动轮定位板B以及驱动轴。驱动结构采用电机带动，然后通过齿轮减速部分将动力传输到驱动轮上，上下两个电机带动机器人整体行驶。图3-2驱动部分结构图3-3大定位板大定位板除了用于将驱动部分的零部件合理分配位置，以确保电机能够将动力传输驱动轮完成作业还要用于连接前后部分。由于要满足较大的强度及刚度要求，所以采用的材质为45钢，定位板直径为120mm，厚度为5mm。图3-4电机固定架图3-5u形板电机定位部分由电机固定架和u形板组成，如图3-4和3-5所示。电机固定架分为上下两部分，主要就是为了紧固电机。u形板除了给电机进行定位还负责连接前后两个大的定位板图3-6驱动轴连接图驱动轴的连接如图3-6所示。驱动轴的动力由电机通过齿轮减速装置传递到轴上，轮子与轴用键进行连接，并由套筒对其进行轴向定位。大齿轮与轴之间也用键进行传递动力，一侧用套筒，另一侧有轴肩对大齿轮进行轴向定位。轴两端由轴承进行支撑与固定，由于两端的轴承不仅要承受轴向力，而且要承受径向力，故轴承选用为圆锥滚子轴承，考虑到轴的转速低，承受的弯矩较大，最终型号为型圆锥滚子轴承。3.2.1电机的选型本文所采用的电机为微型直流电机，微型直流电机的选型主要包括额定转速、最大转矩、额定功率等参数的选择。为管道机器人选择合适的电动机，需首先计算出电机所需的最大扭矩。由设计要求可知，机器人需要能够在管道中平稳行驶，且机器人不能攀爬竖直的管道。故机器人在水平管道启动时，电机的转矩即达到最大值，如图3-7所示。图中，F1和F2分别为管道对管道机器人的支反力；f1和f2分别表示管壁对两个驱动轮的摩擦力；T1和T2分别表示作用在两个驱动轮上的转矩；FG1和FG2分别表示管壁对两个驱动轮的滚动摩擦力。图3-7机构受力简图令驱动轮与管道内壁的摩擦因数为μ，由于机器人是上下对称结构，由文献[22]中的机构受力公式得：（3-1）（3-2）机器人的平衡公式为：（3-3）（3-4）由上述四个公式可得：（3-5）预估计机器人的重量为5kg，驱动轮半径r1为25mm，，F1=25N，则有：T1=0.1875N·m。图3-8直流电机又由于管道内壁凹凸不平的影响，所以选择的微型直流电机型号为：JGB37-545。如图3-4所示，电机的具体参数如表3-1所示。表3-1直流电机JGB37-545的参数型号额定电压负载转速负载电流负载转矩负载功率JGB37-54524V102r/min0.35A8kg*cm15W3.2.2传动齿轮的计算由于题目规定的机器人行进速度为5m/min~10m/min，也就是要求驱动轮的线速度为5m/min~10m/min，由文献[23]中的机器人移动速度公式得：（3-6）式中V—驱动轮的线速度，m/minr1—驱动轮的半径，mn—驱动的轮转速，r/min上述数据本章节均已列出，由此可得到驱动轮转速n的范围为31.8r/min~63.6r/min。由上一小节得知选择的微型直流电机的负载转速为102r/min，故需要一对齿轮来进行减速，考虑齿轮的传动效率为0.97，故小齿轮与大齿轮间的传动比应为1.6~3.3。图3-9齿轮定位架齿轮选择为标准圆柱齿轮，压力角α为20°选择标准模数m为1，由零件图3-9得知经由计算得出大小齿轮的中心距a=23mm，齿轮间的传动比i初定为1：2，小齿轮的轮数为17，则大齿轮的齿数z2为34，经计算得出参数如表3-2所示：表3-2驱动机构齿轮参数模数m压力角α齿数z分度圆直径d齿宽b小齿轮12017166大齿轮12034306现通过下面公式验证小齿轮的直径是否符合设计要求，由文献[21]中的齿轮直径计算公式得：（3-7）式中d1—小齿轮的分度圆直径，mm；K—载荷系数，（）；T1—小齿轮转矩，N·mm；—齿宽系数；u—齿数比，（）；—齿轮材料弹性系数；—节点区域系数；—接触疲劳强度计算的重合度系数；—许用接触应力。齿轮材料最终选用铝合金，精度等级确定为7。通过查阅文献[21]确定各参数数值。其中，；；；；；；经计算得出齿轮许用接触应力=495Mpa，。将参数值带入式（3-7）得：。通过以上计算验证所取的单元传动齿轮的直径是合理的。齿轮结构如图3-10。图3-10驱动齿轮3.2.3轴的设计计算轴是电机中的一个重要零件，作为电机与设备之间机电能量转换的纽带，支承转动零部件、传递力矩和确定转动零部件对定子的相对位置。因此，电机轴必须具有可靠的强度和刚度，确保预设定设计功能的实现。选取轴的材料为40Cr，对轴进行计算。（1）求取输出轴上的功率P3、转速n3和转矩T3。由文献[21]中轴的计算公式得输出轴的功率为：（3-8）一对齿轮传动的效率为，由第3章电机的确定可知电机的功率为15w，故轴的功率。由于输出轴与驱动轮用键连接，故轴与键的转速相同，故。于是转矩为：（3-9）带入数据得转矩。求低速级大齿轮的受力。因已知低速级大齿轮的分度圆直径为d2=30mm。可求得大齿轮所受的圆周力Ft、径向力Fr及法向力Fn为：（3-10）（3-11）（3-12）带入相关数据可得。因为所设计齿轮为标准齿轮，故，故，。（3）初步确定轴的最小直径（3-13）查阅文献[21]选取A0=100，将，带入上式得，取轴的直径为6mm。（4）轴的结构设计为了给驱动轮进行轴向定位，Ⅰ-Ⅱ轴右端需制出一轴肩，故取Ⅱ-Ⅲ段的直径为6.5mm。左端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径，驱动轮与轴配合的毂孔长度为10mm，为了保证轴端挡圈只压在轮毂上而不压在轴的端面上，故Ⅰ-Ⅱ段长度应为9mm。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用深沟球轴承。参照工作要求并根据轴的Ⅱ-Ⅲ段的直径为6.5mm，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组，标准精度等级的深沟球轴承628/7，其尺寸为，故Ⅲ-Ⅳ段的直径和Ⅶ-Ⅷ段的直径为7mm，而Ⅶ-Ⅷ段的长度为5mm，经过后续的计算设计出轴的结构如图3-11。图3-11驱动轴3.3电源模块结构设计图3-11电源部分结构电源部分由1从动轮、2从动轮支架、3轴卡、4从动轴、5电源箱体、6箱体封盖、7轴套组成，如图3-11所示。电源箱体内部用放置电池，然后电力通过导线传输到其余机构，箱体四周的四个从动轮可以有效保证管道机器人的平稳运行。图3-12箱体封盖箱体封盖如图3-12。它用于保护箱体内部的电池，以及对外部的从动轮进行定位，封盖圆柱空心体用于连接软管。封盖中心有三个圆孔用于给箱体进行空气流通，帮助电池散热。图3-13从动轮部分从动轮部分的组成如图3-13所示，从动轮通过轴端以及轴套来进行定位，而轴套和轴卡将从动轴固定在支架上。从动轮支架设计为7形，并用肋来对直角处进行加固。3.4功能模块结构设计论文的管道机器人的功能模块分为观察机构和执行机构。这两个作业机构使管道机器人完美做到了“一机多用”的效果，与市面上的只能观测或是只能清扫的机器人相比，论文中的管道机器人更具有实用性。这两个作业机构就是在管道机器人在管中行驶的时候一方面完成对管带内部缺陷以及其他情况的了解，另一方面就是可以帮助清理管道内壁，免去了专门清理管道的繁琐程序和资金花费。3.4.1毛刷机构毛刷机构即为管道机器人尾部的执行机构，如图3-14所示。图3-14毛刷结构毛刷机构的特殊组成部分是毛刷、套筒和电机，其余部分的设计与电源机构类似。它的主要作用是外部的毛刷由电机通过套筒来带动旋转，在机器人在管道内行走的过程中对管道内壁进行清理。电机套筒内部为空心设计，套筒的定位与紧固都由电机轴与定位销来完成。套筒细节见图3-15。图3-15电机套筒刨面图3.4.2观察机构图3-16摄像机构观察机构如图3-16所示。观察机构位于机器人的前方，能够更好地观察管道内的情况，提前了解前方管道内是否则存在危险，或是否存在需要维修的部分。为了能够使用视频图像检测管道中的具体情况，管道机器人必须携带图像采集设备也就是摄像装置。经过工业摄像头的发展，现如今的图像采集设备通常会选择CCD摄像机。选择图像采集设备通常主要考虑两个方面：分辨率和镜头。除了以上两个外，光线问题也是需要考虑的。图像采集设备的清晰度指的是水平清晰度，清晰度越好，则分辨率越大。为了获得更清楚的视频，就要选择更高分辨率的设备。论文中的管道机器人采用的图像采集设备分辨率为350，此摄像设备基本满足观测的需要[25]。3.5管道机器人整体模型及工作原理图3-17管道机器人整体模型管道机器人整体模型如图3-17所示。管道机器人四个机构和连接装置连接后总长为540mm，适应管径150mm。从左向右依次为摄像机构、电源机构、驱动机构、毛刷机构，各机构之间由软管进行连接，机构与机构之间都有直径为20mm的通孔，使得电源机构中的电力能够通过导线来传递给其余机构的电机与摄像装置。该管道机器人在摄像机构、电源机构、毛刷机构均安装有竖直方向和水平方向的-导向轮。该导向轮可以使机器人在作业的进程中始终保持在管道的中心位置，使得机器人在管道中行驶的时候更加平稳。论文中的管道机器人的工作原理如下：电机通过齿轮减速机构将动力传递到轮上，然后轮子通过与管道内壁的摩擦力来带动机器人向前（后）行驶。在机器人移动的时候，前方的摄像装置将管道内的真实情况记录下来并传递到外部的计算机，后方的毛刷机构则由其中的电机带动旋转，对管道内壁进行清理。在通过弯道时，机器人前方摄像机构的两个水平导向轮帮助机器人调整方向，在其通过弯道后，弯曲的软管来带动后续机构顺利通过弯道。3.6本章小结本章从管道机器人的作业需要和技术要求出发，提出了结构紧密、牵引力强、可根据工作需要来拆卸或装配相关机构的机器人结构设计方案，通过计算管道机器人所需的电机功率及转速，选择了合适的驱动电机。根据电机转速与驱动轮的要求转速设计出了适合的齿轮减速机构。计算出了驱动轴的最小直径，并根据实际需要选择了合适的轴承，后续设计出了轴的模型图。最后完成了对机器人的整体结构的设计，并详细介绍了管道机器人的工作原理和机构特点。第4章主要零部件的校核

第4章主要零部件的校核4.1驱动结构的齿轮强度校核当一对齿轮处于顶端的两对齿轮共同啮合时，在这个时候两对齿一起分担载荷。虽然这个时候距离较大，但啮合力并不大，所以齿根的应力不是最大的。根据书籍的相关分析，当载荷作用于一对齿啮合时的最高点时，齿根产生的应力最大。对此，部分文献有详尽的计算方法。为了简化计算，同时又保证一定的精度，这里介绍载荷作用于齿顶，并由一对齿轮承担时，在齿根产生弯曲应力的计算方法。对于由此产生的误差，用重合度系数予以修正。经验表明，按照这种方法计算得到的结果偏于安全。齿轮传动时，往往齿根所受弯矩最大，因此齿轮强度校核时，需要对齿化进行弯曲疲劳强度校核，由文献[21]得传动齿轮校核公式如下：（4-1）式中—齿根弯曲强度；—弯曲疲劳强度计算的载荷系数，；—齿形系数；—载荷作用于齿顶时的应力修正系数；—弯曲疲劳强度计算的重合度系数；—齿根许用弯曲强度。通过查阅文献[23]确定以上参数值，取使用系数KA为1，动载荷系数为1.1，齿间载荷分配系数为1.1，齿根弯曲疲劳强度为1.2；最终确定。按照当量齿数，经过查文献[21]中的表选取=1.55，=1.64，=2.73，=2.43，=0.81。齿宽b=6mm；齿宽系数。m=2mm；=17。上述参数带入公式（4-1），得处两齿轮均满足弯曲疲劳强度的要求。4.2驱动结构轴强度的校核轴是机械设备中最常见的一种零件，也是机械传动系统中重要的零件。各种各样的轴，在实际工作中会遇到不同的载荷。而这些载荷所带来的应力是轴必须来计算的。例如，用于旋转带动设备运转的轴就是在弯扭拒共同作用的情况下工作。旋转轴的强度校核通常使用两种方法：等效应力法或疲劳安全裕度法。这些计算方法是基于材料的的破坏理论。还得要顾及到轴截面上弯曲应力和扭转应力的施力特性。轴的形状和其他参数等因素对轴的寿命的影响。在第3章我们得知作用在齿轮上的力，做出轴的弯矩、扭矩图为图4-1。图中各个长度从左到右依次为10mm、8.5mm、16.5mm。从图中可以看出齿轮所在的截面是需要校核的所在。现将齿轮截面处的MH、MV及M的值列于表4-1。表4-1驱动轴受力情况载荷水平面H垂直面V支反力F，，弯矩M总弯矩扭矩T按照弯扭合成应力校核轴的强度：进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面C）的强度。图4-1传动轴弯矩、扭矩图由文献[21]得轴的计算应力公式为：(4-2)取，带入相关数据得轴的计算应力为。前已选定轴材料为40Cr，调质处理，查阅文献[21]得，因为53.86<70，因此轴是安全的。4.3从动轮支撑杆的强度校核图4-2从动轮部分从动轮部分如图4-2所示。由图可知，从动轮支撑杆是受均布载荷的悬臂梁。故该杆仅受剪力和弯矩作用。因为机器人的重量和支撑力大部分都是由主动轮提供的，故从动轮收到的载荷较小，取其材料为Q235A，热处理方式为锻后空冷。令其受到的载荷为5N，由以上条件，针对此杆绘制其剪力、弯矩图得。由文献[24]中的剪力及弯矩计算公式得：(4-3)(4-4)式中—杆所受载荷，N；A—杆的横截面积，mm2；M—杆所受的弯矩，N·mm；W—杆的抗弯截面系数，mm3。对上述式子分别代入相关数据得，。经查阅文献[28]得Q235A的弯曲疲劳极限和剪切疲劳极限分别为和，故支撑杆的材料强度足够。图4-3支撑杆所受剪力、弯矩图4.4连接部分杆的强度校核连接部分就像是管道机器人的骨骼，它负责连接各部分，用以完成动力的传递。因此对连接部分杆的强度校核具有很重要的意义。连接部分如图4-4，由塑料软管、连接杆以及连接接头组成。易知连接杆仅受连接接头和塑料软管的横向剪切力。由于机器人整体的驱动力主要是驱动结构来进行提供，故当管道机器人后退牵引电源机构和观察机构时，驱动机构前方的连接机构受力最大。若想确切知道连接杆的强度是否足够，便需对这种情况下的连接杆进行校核。连接杆的材料为Q235A，热处理为锻后空冷。由图易知杆的上下部分和中间部分受力方向不同，所以有两个剪切面。令管道机器人电源机构和观察机构重量为总重的一半，即为2.5kg。又因为机器人与管壁之间是滚动摩擦，摩擦系数取0.3，所以连接机构所受的载荷为7.5N。图4-4连接部分故将=7.5N，带入上一小节的公式（4-3）可得由上一小节可知，杆的许用剪切强度为170MPa，故连接杆的强度满足管道机器人的要求。4.5机体的弯道通过性由于微型管道机器人在管中行走时，不但只有直行管道，也会碰到弯管。为了防止机器人在遇到弯管时因体积过大而被卡住的情况，现将机器人但愿你恶狗触及管壁的情况分析如下。设机器人在转弯处触及管壁的状况如图4-5：图4-5管道机器人单元结构触及管壁令此时为管道机器人能顺利通过弯道的临界值。若管道的曲率半径大于这个临界值则机器人能顺利通过，若小于次临界值，机器人则会触及管壁。由文献[28]得机体弯道通过性公式如下：（4-5）（4-6）对于论文研究的管道机器人可知，电源机构为最优先计算的部分，如图4-3，于是有：（4-7）式中r—弯道内侧曲率半径，mm；a—机器人单节长度，mm；R—弯道外侧曲率半径，mm；l—机器人截面长度，mm；s—管道截面长度，mm；D—管道直径，mm；h—机器人截面高度，mm。论文所设计的管道机器人电源机构数据如下：a=80mm，l=64mm，D=150mm，h=60mm。由上述式子得：r=10mm。即为管道机器人可以通过的最小曲率半径为10mm。图4-6电源机构尺寸简图4.6本章小结机械结构零部件的校核能够确保产品是否具有安全隐患、产品的使用年限、是否能够安全作业都具有很大的指导意义。对主要零部件进行校核更是如此，这是设计完成之后不可避免的一项工作。本章节主要对管道机器人的传动齿轮、传动轴的强度校核计算，以及计算机器人能顺利通过曲率半径为多少的弯道。通过这些校核确保了管道机器人的安全合理，以及能够顺利作业的最小曲率半径的弯道。第5章经济性与实用性分析

第5章经济性与实用性分析经济性分析主要是对该产品的投入成本与产品收益进行比较，来判断产品的设计与量产是否可行。实用性，是指发明创造的产品是否具有一定的积极作用，并且可以应用到实际问题之中。进一步判断该产品是否能够提高企业的竞争力甚至是核心竞争力。总而言之，对所设计的产品进行经济性与实用性分析非常必要，它能够决定该设计产品是否有资格投入生产甚至量产。在本章节中将列举市面上的微型管道机器人，介绍其特点及价格，并与论文中的管道机器人进行对比分析[30]。论文研究的内容为分段式管道机器人，而且机器人适用的管径很小。小型管道相比大型管道在清理维修方面具有更大的难题：一个是管道内部缺陷难以发现，另一个就是内壁难以清理。论文研究的管道机器人刚好可以同时解决这两个问题，而且由于分段式的结构，机器人整体可以另外增加其他结构以满足实际需要，相比市面上的一体化的管道机器人更具有实用性。论文研究的机器人结构简单，多个部分采用的零件均为同一种类型，因此零件的加工也较为方便保守估计机器人的价格为8万人民币左右。图5-1SINGA100管道机器人如图为市面上出售的SINGA100管道机器人，其特征如下：SINGA100为微型管道检机器人，可以工作在直径为100~600毫米的管道之中。它的整体所占空间较小、质量也并不大、移动机构十分灵活，可以精细调整它的移动速度等特点。这款设备主要使用在空间较小、人员进入困难的场所。对比分析：此机器人采用外部电缆供电，虽然可以保证机器人电力供应足够，但是也同时为机器人增加了拖动电缆的负担，就需要选择更大功率的电机。此机器人功能单一，执行机构仅为前方的摄像装置，相比之下，论文中的管道机器人在管道中侦察的同时还能对管道内壁进行清理，可谓一举两得。这款管道机器人作业时外部都需要放置有电缆收放装置，总体上来说体积和重量都比论文中的管道机器人大太多。目前这种类型的机器人在市面上的售价为15-20万人民币，而论文中的管道机器人价格在为8万人民币左右。从经济性与实用性两方面来说都是论文中的管道机器人更有优势。总结

总结管道机器人作为探查、维修管道的主力军，在近年来随着探查管道环境的不同，各种各样担当不同工作任务的管道机器人也就衍生了出来。虽然管道机器人的行走方式增多了，但是主流的行走方式还是轮式机构，这主要是因为轮式机构适应性广、运动平稳、运动效率高等优点。现役的管道机器人功能都较为单一，很难做到“一机多用”，这样就导致管道机器人的实用性不强，而且有的管道机器人由于体型较大或控制繁琐导致弯道通过性差[30]。为了解决上述问题，本文提出并设计了一款行驶灵活、可根据作业要求及负载大小自由拆卸部分结构的分段式管道机器人，主要内容如下：（1）分析了现役管道存在的缺陷难定位、管道内壁难清理等问题，由于人工定位与清理工作太过于繁琐，而且存在效率不高、有检测盲区、工作环境不安全等缺点，于是管道机器人便应运而生。但由于国外先发展起此技术，因此国内的技术相比之下就较为落后，现在市面上的管道机器人价格高昂，实用性、性价比都不高，因此设计出一款经济实用的管道机器人就很有必要性。（2）说明了题目中对于管道机器人的设计要求，然后分别列举了几种不同的管道机器人的行走方式、管道检测方式、电力供给方式、驱动方式等方案，最终出于考虑管道机器人的灵活性、可操作性、负载偏小、体积小等特点，选择轮式行走、视频检测、携带能源装置、直流电机驱动的分段式管道机器人。（3）将管道机器人整体分模块化设计，分别介绍了管道机器人的驱动部分、电源部分、以及执行部分的结构组成，以及具体的设计细节。通过计算，选出了合适的电机以及正确的齿轮减速机构，并确定了关键轴的直径及材料。（4）对关键轴以及齿轮传动进行强度校核，结果均可以满足工作要求。对管道机器人的弯道通过性进行计算分析，得出了管道机器人可以顺利通过弯道的最小曲率半径。（5）对论文中的管道机器人进行经济与实用性分析，并与市面上一款管道机器人进行对比，得出论文中的管道机器人具有良好的经济与实用性。管道机器人是一个很多人都心之向往的领域，涉及到了许多的学科。短短几个月的时间要设计出一款完美的管道机器人确实不太现实，论文中的管道机器人一样也存在有诸多缺陷，所以笔者将缺陷陈述如下：（1）此管道机器人适应的管径范围较小，不能自动调节支撑臂的长度；（2）机器人若要运行较长时间，则需要携带足够的电池，这就使得机器人的负载加重，对机器人的电机运转产生影响；（3）管道机器人只能在单一方向的管道内作业，并不能适应分叉式连接管道。为了使设计的机器人更加完美，可以更早地应用于实际生活中，作者对以后的工作展望如下：（1）在管道机器人的前方安装定位传感器，以更好地定位管道内壁的缺陷位置；（2）在管道机器人外部添加支撑式结构，使得机器人不但能工作在水平管道之中，更可以攀爬竖直的管道；（3）论文中管道机器人不但要工作在干燥的管道之中，还可能会遇到积水、有电子辐射等工作环境。接下来需要对上述提到的特殊环境做出防范措施。参考文献

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