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1、 設(shè)計(jì)內(nèi)容 主要結(jié)論 第一章 概述 1. 1 機(jī)器人概述 機(jī)器人----這一詞最早使用始于1920年至1930年期間在捷克作家凱勒爾*凱佩克（Karel capek）的名為"羅莎姆的萬能機(jī)器人"的幻想劇中，一些小的人造的和擬人的傀儡絕對(duì)地服從其主人的命令。這些傀儡被稱為“機(jī)器人”。該單詞起源于捷克語“robota”。意思是“強(qiáng)制的勞動(dòng)”。 機(jī)器人的組成與人類相似。舉例說，人搬運(yùn)某一物體的運(yùn)動(dòng)過程可用圖（a）所示的方塊圖來說明。首先，人聽到外部的命令或用眼睛看到外部

2、的指令，并由眼睛測量出距離。感受到這兩種信息經(jīng)過感覺神經(jīng)送到大腦中，大腦經(jīng)過分析計(jì)算，然后通過運(yùn)動(dòng)神經(jīng)發(fā)出指令，手臂用最好的方式伸向物體，并將物體抓住，手上的感覺神經(jīng)，感覺物體已經(jīng)抓牢了，把信息傳給大腦。大腦命令手抓起物體，同時(shí)指令腳移動(dòng)到所要求到達(dá)的地點(diǎn)，最后放下物體。一般包括以下幾個(gè)部分見圖（b）： 1.控制中樞（相當(dāng)于人的大腦）； 2.操作裝置（相當(dāng)于人的手）； 3.行走裝置（相當(dāng)于人的腳）； 4.有感覺的機(jī)器人還必須有感覺裝置以及與外界環(huán)境聯(lián)系的裝置（相當(dāng)于人的口、耳、眼、鼻以及皮膚上的感覺

3、神經(jīng)）。 實(shí)際的機(jī)器人在不同的程度上具有兩種特有的屬性：對(duì)環(huán)境的通用性和自動(dòng)適應(yīng)性。①通用性：具有完成各種任務(wù)以及以不同的方式完成相同的結(jié)構(gòu)或機(jī)械能力。這意味著機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有可變的機(jī)械形狀。②自動(dòng)適應(yīng)性： 是指一個(gè)機(jī)器人必須被設(shè)計(jì)成由其自己去完成任務(wù)，盡管難以預(yù)知，但卻可以有限的知道在完成任務(wù)期間環(huán)境的變化，通過改變路徑、姿態(tài)等來處理所面對(duì)的問題，最終完成任務(wù)。為了對(duì)機(jī)器人進(jìn)行分類，必須能夠定義和區(qū)分不同的類型，因此根據(jù)不同的定義就有不同的分類方法?，F(xiàn)在使用的有很多種。以下介紹日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA）的分類方法： 第一類：手工操作裝置：一種由

4、操作人員操作的具有若干個(gè)自由度（DOF）的裝置； 第二類：固定程序的機(jī)器人：依照預(yù)定的不變的方法按部就班執(zhí)行任務(wù)的操作裝置，對(duì)任務(wù)的執(zhí)行順序很難進(jìn)行修改； 第三類：可變程序的機(jī)器人：與第二類是同一種類型的操作裝置，但其執(zhí)行步驟可以修改； 第四類：再現(xiàn)式機(jī)器人：操作人員通過手動(dòng)方式引導(dǎo)或控制機(jī)器人完成任務(wù)，而機(jī)器人控制裝置則記錄其運(yùn)動(dòng)軌跡，需要時(shí)可以重新調(diào)出記錄的軌跡信 息，機(jī)器人就能以自動(dòng)的方式完成任務(wù)； 第五類：數(shù)值控制機(jī)器人：由操作人員給機(jī)器人提供運(yùn)動(dòng)程序，而不是用手動(dòng)方式教導(dǎo)機(jī)器人完成指定的作業(yè)

5、任務(wù)； 第六類：智能機(jī)器人:通過對(duì)環(huán)境變化的感知，改變其運(yùn)動(dòng)軌跡、姿態(tài)等措施圓滿的完成任務(wù)。 機(jī)器人的誕生和機(jī)器人學(xué)的建立無疑是20世紀(jì)人類科學(xué)技術(shù)的重大成就。自60年代初機(jī)器人問世以來，作為20世紀(jì)人類最偉大發(fā)明之一的機(jī)器人技術(shù)，經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已取得了長足的進(jìn)步。特別是到了20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。除了用于工業(yè)生產(chǎn)中從事焊接、噴漆、搬運(yùn)和裝配等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人的水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的特種、智能機(jī)器人系統(tǒng)也有了長足的進(jìn)展。工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷了誕生－成長－成熟期后，已成為現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)中必不可少的核心

6、裝備，當(dāng)今世界上約有上百萬臺(tái)工業(yè)機(jī)器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在各條戰(zhàn)線上。非制造業(yè)中的仿人性機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人等各種用途的特種機(jī)器人也正以飛快的速度向?qū)嵱没~進(jìn)。 1.2 管道機(jī)器人概述 20世紀(jì)70年代以來, 石油、化工、天然氣及核工業(yè)等產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展, 各種管道作為一種重要的物料輸送設(shè)施, 得到了廣泛應(yīng)用。由于腐蝕、重壓等作用, 管道不可避免地會(huì)出現(xiàn)漏孔、裂紋等現(xiàn)象。同時(shí)多數(shù)管道安裝環(huán)境人們不能直接到達(dá)或不允許人們直接進(jìn)入, 為進(jìn)行質(zhì)量檢測和故障診斷, 采用傳統(tǒng)的全面挖掘法、隨機(jī)抽樣法工程量大, 準(zhǔn)確率低, 管道機(jī)器人就

7、是為解決這一實(shí)際問 題產(chǎn)生的。它是由可沿管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走裝置、攜有一種或多種傳感器及操作裝置如：機(jī)械手、噴槍、焊槍、刷子。管道機(jī)器人的工作空間是復(fù)雜、封閉的各種管道, 包括水平直管、各角度彎管、斜坡管、垂直管以及變徑管接口等, 所以需要在操作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下, 進(jìn)行一系列管道作業(yè)。管道機(jī)器人可完成的管道作業(yè)有以下幾類： 1.生產(chǎn)、安裝過程中的管內(nèi)外質(zhì)量檢測。 2.惡劣環(huán)境下管道清掃、噴涂、焊接、內(nèi)部拋光等維護(hù)。 3.使用過程中焊縫情況、表面腐蝕、裂縫破

8、損等故障診斷。 4.對(duì)埋地舊管道的修復(fù)。 5.管道內(nèi)外器材運(yùn)送、搶救等其它用用途。 1.3 國內(nèi)外管道機(jī)器人的發(fā)展 1.3.1 國內(nèi)管道機(jī)器人的發(fā)展 國內(nèi)在管道機(jī)器人方面的研究起步較晚, 而且多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室階段。哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授在國家“863”計(jì)劃課題“X射線檢測實(shí)時(shí)成像管道機(jī)器人的研制”的支持下, 開展了輪式行走方式的管道機(jī)器人研制, 實(shí)現(xiàn)了管內(nèi)外機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)作業(yè)無纜操作技術(shù), 并研制了鏈?zhǔn)胶弯搸絻煞N新型管外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)由六大部分組成 (1)移動(dòng)載體 (2)視覺定位 (3)收放線裝置 (4

9、)X射線機(jī) (5)檢測控制,系統(tǒng)控制 (6)防護(hù)系統(tǒng) 1----能源 2----控制系統(tǒng) 3----收放線裝置 4----X射線控制 5----驅(qū)動(dòng)裝置 6----X射線機(jī) 7----視覺定位裝置 8----防護(hù)罩 9----管道壁 上海交通大學(xué)研發(fā)了小口徑管道內(nèi)蠕動(dòng)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。它是模仿昆蟲在地面上爬行時(shí)蠕動(dòng)前進(jìn)與后退的動(dòng)作設(shè)計(jì)的。其主要機(jī)構(gòu)由撐腳機(jī)構(gòu)、三個(gè)氣缸（前氣缸、中氣缸、后氣缸）、軟軸、彈簧片、法蘭盤組成

10、。針對(duì)微小空間、微小管道實(shí)時(shí)探測的要求，研制成電磁驅(qū)動(dòng)微小型管道機(jī)器人樣機(jī)。微小管道機(jī)器人由四個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)單元組成。其驅(qū)動(dòng)機(jī)理模擬生物體的蠕動(dòng)爬行。它是通過給線圈加一系列的時(shí)序脈沖進(jìn)行控制，依次使各單元?jiǎng)幼?，達(dá)到蠕動(dòng)爬行的運(yùn)動(dòng)。 西安交通大學(xué)設(shè)計(jì)制作了蠕動(dòng)式微動(dòng)直線自行走機(jī)構(gòu)。這種行走機(jī)構(gòu)以電致伸縮微位移器做驅(qū)動(dòng)器，以電磁鐵機(jī)構(gòu)作為可吸附于行走表面的保持器。 廣州工業(yè)大學(xué)借用仿生學(xué)原理，研制成結(jié)構(gòu)獨(dú)特的，像蠕蟲一樣的微管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由電磁力驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人由前后兩個(gè)電磁線圈和前后兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器組 成。當(dāng)分別

11、通電時(shí)，機(jī)器人的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器相互吸合收縮。當(dāng)后電磁線圈斷電時(shí)，后部突然放松，由此產(chǎn)生的推力將機(jī)器人前部(前驅(qū)動(dòng)器)向前推進(jìn)一段距離；反向運(yùn)動(dòng)依次類推。 1.3.2 國外管道機(jī)器人的發(fā)展 國外關(guān)于燃?xì)夤艿罊C(jī)器人的研究始于20世紀(jì)40年代, 由于70年代的微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展, 管道檢測機(jī)器人技術(shù)于90 年代初，得到了迅猛發(fā)展并接近于應(yīng)用水平。 日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期, 70年代的實(shí)用期, 到80年代進(jìn)入普及提高期, 開始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。日本管道機(jī)器人眾多, 東京工業(yè)大學(xué)于1993年開始研究管道機(jī)器人, 并且成功研制出Thes系列的機(jī)器人，以

12、下介紹Thes2Ⅲ型管道機(jī)器人：如圖（1）所示, 其采用“電機(jī)- 蝸輪蝸桿- 驅(qū)動(dòng)輪”的驅(qū)動(dòng)方案, 同時(shí)每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都有一個(gè)傾斜角度測量輪, 通過測量輪探測機(jī)器人的傾斜角度, 并反饋給電機(jī)從而保證管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪以垂直的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。該管道機(jī)器人系統(tǒng)通過CCD攝像頭實(shí)現(xiàn)信息的采集, 整個(gè)系統(tǒng)采用拖纜控制方式, 檢測距離超過100m。 美國是機(jī)器人的誕生地, 早在1962 年就研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人, 是世界上的機(jī)器人強(qiáng)國之一, 其基礎(chǔ)雄厚, 技術(shù)先進(jìn), 并有很多管道機(jī)器人產(chǎn) 品。美國Inuktun公司系列

13、管道檢測機(jī)器人Versatrax是國外現(xiàn)有的已成型管道機(jī)器人。美國紐約煤氣集團(tuán)公司(NYGAS) 的DaphneDpZurko 和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人技術(shù)學(xué)院的HagenSchempf博士在美國國家航空和宇宙航行局(NASA)的資助下于2001年開發(fā)了長距離、無纜方式的管道機(jī)器人系統(tǒng)———EXLORER, 專門用于檢測地下煤氣管道的情況, 如圖2 所示。 該管道機(jī)器人系列 EXLORER就有如下特征: ( 1) 一次作業(yè)檢測距離長,采用無纜方式, 自帶電池并且電池可以多次反復(fù)充電, 使管道機(jī)器人具有良好的自推進(jìn)能力。( 2) 可以在鑄鐵和鋼質(zhì)煤氣管道中, 低壓和高壓條件下工作。(3) 管道機(jī)

14、器人的彩色攝像頭采用嵌入式“魚眼”鏡頭, 結(jié)構(gòu)非常緊湊。(4) 可以順利通過90的彎管接頭和垂直管道。( 5) 與外部操作人員采用無線通訊方式。( 6)該管道機(jī)器人可以探測煤氣管道內(nèi)部是否水滲透、碎片堆積; 可以確定管道內(nèi)部缺陷的確切位置并且定位相應(yīng)的作業(yè)裝置; 采用視頻圖像的形式準(zhǔn)確地反映管道內(nèi)部的狀況條件。 德國工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第三位, 僅次于日本和美國。德國學(xué)者 Bernhard Klaassen、Hermann St2reich和Frank Kirchner等人在德國教育部的資助下于2000年

15、研制成功了多關(guān)節(jié)蠕蟲式管道機(jī)器人系統(tǒng)———MAKRO。該機(jī)器人由六節(jié)單元組成, 其頭部和尾部兩個(gè)單元體完全相同, 每個(gè)單元之間的節(jié)點(diǎn) 由3個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng), 使得MAKRO可以抬起或者彎曲機(jī)器人個(gè)體, 從而可以輕松 越過障礙物或?qū)崿F(xiàn)拐彎運(yùn)動(dòng),該管道機(jī)器人系統(tǒng)MAKRO具有21 個(gè)自由度, 長度為2m, 質(zhì)量為50kg, 采用無纜控制方式, MAKRO系統(tǒng)使用于直徑為<300～<600mm的管道。加拿大INUKTUN公司的雙履帶式管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu), 履帶采用剛性支承結(jié)構(gòu), 兩履帶的夾角可以調(diào)節(jié), 以適應(yīng)不同的作業(yè)管徑。兩履帶調(diào)節(jié)到平行位置時(shí), 可以在平地或矩形管道內(nèi)行走。但這種剛性支承的雙履帶

16、式管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的兩履帶夾角在行走過程中是無法改變的, 因此不適應(yīng)管徑變化的作業(yè)場合。Kawaguch等研制的管道檢測機(jī)器人系統(tǒng)只適用于200mm的管道, 而且一次作業(yè)的檢測距離不大于500m; Kuntze等采用四輪獨(dú)立伺服驅(qū)動(dòng)方案研制成管道檢測機(jī)器人系統(tǒng)KARO, 該機(jī)器人系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)200mm管徑的地下輸水管道的檢測, 一次檢測距離為400m, 系統(tǒng)采用拖纜控制方式。 1.4 機(jī)器人的發(fā)展前景 展望21世紀(jì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢，明顯地向著智能化（intellectualization）方向發(fā)展，包括機(jī)器人本身向智能機(jī)器人進(jìn)化和實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化（robotization）生產(chǎn)系統(tǒng)。具

17、體地說，傳感型智能機(jī)器人發(fā)展較快，新型智能技術(shù)（如臨場感、 虛擬現(xiàn)實(shí)、記憶材料、多智能體系統(tǒng)以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)等）在機(jī)器人上得到開發(fā)與應(yīng)用，采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)器人工程，注意開 發(fā)微型和小新機(jī)器人，重視研制行走機(jī)器人，研制應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)環(huán)境下工作地非制造業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人，開發(fā)敏捷制造系統(tǒng)，軍用機(jī)器人將用于裝配部隊(duì)等?？偟恼f來，雖然存在不少難關(guān)，甚至出現(xiàn)某些陰影，但新世紀(jì)機(jī)器人學(xué) 的發(fā)展前景是十分光明和充滿希望。

18、 第二章 總體方案的制定及比較 2.1 管道機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo) （1）管道機(jī)器人的工作環(huán)境 a．管道為金屬冶煉廠煙氣輸送管道，管道為圓管，管道直徑為φ700mm--φ1000mm，管道底部每周可形成厚約100mm的煙灰堆積層； b．煙灰密度3.5g/cm3 ； c．管道中有水平、小于30。傾斜，3倍管道直徑彎曲三種形式； d．管道底部每隔50m有一可自動(dòng)打開的清潔，供機(jī)器人傾倒垃圾； （2）管道機(jī)器人的技術(shù)要求 a. 機(jī)器人必須小巧、靈

19、活、拆卸方便； b．生產(chǎn)能力高，每小時(shí)清潔能力應(yīng)在40m左右； c．機(jī)器人在工作過程中，其結(jié)構(gòu)可適應(yīng)應(yīng)不同管徑的變化情況； d．機(jī)器人自動(dòng)化程度高，控制方便靈活； 2.2 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和比較 （1）行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 根據(jù)國內(nèi)外的管道機(jī)器人的移動(dòng)方式大致可分為六種： ㈠活塞移動(dòng)方式 ㈡滾輪移動(dòng)方式 ㈢履帶移動(dòng)方式 ㈣足腿移動(dòng)方式 ㈤蠕動(dòng)移動(dòng)方式 ㈥螺旋移動(dòng)方式 其各有優(yōu)缺點(diǎn)。以下分別介紹。 ㈠活塞移動(dòng)式依靠其首尾兩端管內(nèi)流體形成的壓差為驅(qū)動(dòng)力，隨著管內(nèi)流 體的

20、流動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)，其原理類似于活塞在汽缸內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，即把管道看作汽缸， 把具有一定彈性和硬度的PIG看作活塞。其缺點(diǎn)是：越障能力和拐彎能力差。 ㈡滾輪移動(dòng)式優(yōu)點(diǎn)是移動(dòng)速度快，轉(zhuǎn)彎容易，結(jié)構(gòu)簡單，易小型化，采用多輪方式時(shí)牽引力隨輪數(shù)增加而增加。缺點(diǎn)是著地面積小，維持一定的附著力較困難，這使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，越障能力有限。 ㈢履帶移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是著地面積大，易產(chǎn)生較大的附著力，對(duì)路面的適應(yīng)性強(qiáng)，牽引性能好，越障能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是體積大不易小型化，拐彎半徑大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還要保持履帶的張緊。 ㈣足腿移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)粗糙路面適應(yīng)性能較好，越障能力極強(qiáng)，可適應(yīng)不同管徑的變化。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，行走速度慢。

21、 ㈤蠕動(dòng)移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)微小管徑，越障能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是移動(dòng)速度慢， 控制復(fù)雜。 ㈥螺旋移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是有一定的越障能力，可適應(yīng)不同管徑的變化，可在垂直管道中行進(jìn)。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，移動(dòng)速度慢，驅(qū)動(dòng)力要求高。 根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求，所要研制的管道機(jī)器人必須要有高可靠性，高效率。所以采用上述行走機(jī)構(gòu)的移動(dòng)方式的組合來實(shí)現(xiàn)行走，這樣可利用其綜合優(yōu)點(diǎn)避免單一移動(dòng)方式的缺點(diǎn)。由于管道存在不同的彎管，這就要求機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)有一定的拐彎能力和越障能力。所以，設(shè)計(jì)了一種如下頁圖所示的可伸縮的三只履帶腿式（三只腿成120分布）組合行走機(jī)構(gòu)。 其特點(diǎn)是：移動(dòng)速度快、轉(zhuǎn)彎比較容易、有較大牽引力、對(duì)粗糙路面

22、適應(yīng) 性好、越障能力強(qiáng)；同時(shí)，可伸縮性使得機(jī)器人對(duì)變徑管道有較好的自適應(yīng)性。 （2）操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 根據(jù)管道機(jī)器人的操作對(duì)象是一些堆積的灰塵，并且灰塵在管道底部堆積，同時(shí)成疏松狀，所以操作機(jī)構(gòu)有以下兩種方案： ① 借鑒挖掘機(jī)的工作原理。利用鏟斗鏟起灰塵，然后行走到管道底部的垃圾開口，傾倒灰塵。這種方案簡單，可靠；但是由于管道直徑的限制，其鏟斗的容積比較小，同時(shí)垃圾開口每隔50m才有一個(gè)開口，其大部分時(shí)間都在行走上，所以機(jī)器人的工作效率很低。

23、 ② 借鑒吸塵器的工作原理。利用帶有操作臂的吸塵器的吸頭，灰塵通過 吸塵管道到主體內(nèi)部，設(shè)計(jì)箱體的容積比較大，最后，移動(dòng)到垃圾開口處傾倒垃圾，從而減少在往返的次數(shù)來提高工作效率。 所以才用具有兩個(gè)自由度的機(jī)械臂，臂末端附上吸塵器頭，臂上附上塑料軟管，軟管最終以主體的垃圾箱密封連接。 （3）撐開機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 由于管徑的變化，需要撐開機(jī)構(gòu)來適應(yīng)管徑的變化。在本機(jī)器人設(shè)計(jì)中，采用滾珠絲杠螺母副來和放大桿組來實(shí)現(xiàn)。其機(jī)構(gòu)簡圖如下圖所示： 1—基 座 2—放大桿組 3—撐開桿 4—絲 杠 5—絲杠螺

24、母 6—行走機(jī)構(gòu) 1—基座 2—放大桿組 3—撐開桿 4—絲 杠 5—絲杠螺母 6—行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)絲杠4旋轉(zhuǎn)時(shí)，絲杠螺母5在絲杠上左右移動(dòng)，從而拉動(dòng)撐開桿3，撐開桿3鉸接在放大桿組2上，從而改變其傾角來適應(yīng)管徑的變化。 （4）最終方案的確定 根據(jù)以上的分析和比較，最后得出最終方案。 設(shè)計(jì)的管道清潔機(jī)器人包括以下五部分： ㈠行走裝置 （為整個(gè)行走提供動(dòng)力）； ㈡撐開桿組 （適應(yīng)管徑的變化）； ㈢操作臂裝置（操作臂包括吸塵器的操作部分和傾倒垃圾部

25、分）； ㈣信號(hào)采集裝置（為控制提供信號(hào)和圖像）； ㈤控制裝置（控制管道清潔機(jī)器人行走和動(dòng)作）。 ㈠行走裝置 ㈡撐開桿組 ㈢操作臂裝置 ㈣信號(hào)采集裝置 ㈤控制裝置 第三章 部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算 3.1 管道機(jī)器人工作量計(jì)算 由于管道直徑是變化的，變化范圍為（700mm—1000mm），通過計(jì)算當(dāng)管道直徑為1000mm時(shí)，且堆積相對(duì)底部為100mm,如圖下圖所示；每50m最大的工作量Gmax： 其中 h=100mm，d=1000mm；

26、R=d/2=1000/2=500mm； a=R-h=500-100=400mm； mm 由于每隔50m才有一開口，所以總的工作量：4.079 又因?yàn)闊熁业拿芏葹?.5g/cm3， h=100mm d=1000mm R=500mm 3.2 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 （1）行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的預(yù)算 預(yù)取管道清潔機(jī)器人的容積為： ; ； 管道機(jī)器人在裝滿的情況下，受力圖如左圖所示：其中預(yù)?。? =1470.6+400

27、 =1870.6N 由于履帶是三組；成120分布；受到的是摩擦阻力; （其中μ是橡膠與鋼之間的摩擦系數(shù)） =20.81870.6+0.8400 =3312.96N 取管道機(jī)器人的工作行程速度V為：V=0.5m/s （是有效功率） 由于是三組履帶，所以每個(gè)履帶的驅(qū)動(dòng)電機(jī)至少為： W=3＝1656.483=552.16W 所以，選取電機(jī)的功率為800W;同時(shí)電機(jī)要能變速，才能在管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎；所以 選擇伺服電機(jī)，最終選擇SGMAH-08A伺服電機(jī)（安川公司）。

28、 =1870.6N 3312.96N V=0.5m/s =1656.48W W=552.16W （2）行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ①確定行走機(jī)構(gòu)----履帶的外形尺寸 由于管道直徑最小時(shí)，D=700mm；同時(shí)總體方案中已經(jīng)確定采用3組履帶，相對(duì)來說比較狹??；所以行走機(jī)構(gòu)尺寸不能太大。 首先，確定履帶的寬度。由于履帶的寬度較小，那么它的工作所提供的驅(qū)動(dòng)力就會(huì)減小；而其寬度太大時(shí)，所受到的阻力就會(huì)很大。通過作圖的方法，取履帶的寬度為：=150mm。 其次，確定履帶的長度。履帶的長度

29、越長其轉(zhuǎn)彎的靈活性就會(huì)受到影響。所以，履帶的長度不能太長。所以其長度L為：L=580mm。 最后，確定履帶的高度。履帶的高度受到管道直徑的限制，同時(shí)還受到撐開桿組的影響；由于撐開桿組要能在φ=700mm—1000mm范圍內(nèi)變化，所以桿長要達(dá)到給定的范圍。通過對(duì)撐開桿組的設(shè)計(jì)，后最終確定高度H=175mm。 ②確定行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 由于外形尺寸的限制，電機(jī)內(nèi)置在履帶組中，同時(shí)采用錐齒輪來換向，最后驅(qū)動(dòng)履帶輪。其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： =150mm L=580mm H=175mm 結(jié)構(gòu)總圖 1—軸01

30、2—電機(jī) 3—小錐齒輪 4—驅(qū)動(dòng)帶輪 5—軸02 6—直齒輪01 7—直齒輪02 8—軸03 9—大錐齒輪 10—從動(dòng)帶輪 ③確定行走機(jī)構(gòu)中的履帶輪和履帶輪 采用同步帶的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)履帶。以下是同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)： 1. 適用于兩軸中心距較大傳動(dòng)，承載能力較大。 2. 帶具有良好的彈性，可以緩沖、吸振，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小。 3. 結(jié)構(gòu)簡單，制造和維護(hù)較為方便，價(jià)格低廉。 首先，確定同步帶的主要參數(shù)：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)13-42） 齒 形：梯 形 齒距制式：模數(shù)制 型 號(hào)：m7 節(jié) 距：=21.9

31、91mm 其次，設(shè)計(jì)帶輪：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)13-50） (1)初選帶輪的次數(shù)：； ⑵選擇切削帶輪齒形的刀具類型—切出直線齒廓的特別刀具； ⑶齒槽角：2φ=2β=40； ⑷節(jié) 距: =πm=mm； ⑸節(jié)圓直徑:； ⑹模 數(shù)：； ⑺齒側(cè)間隙：； =21.991mm 2φ=40 ⑻名義徑向間隙：； ⑼徑向間隙：； ⑽外圓直徑：mm（其中δ=1.750）； ⑾外圓齒距：； ⑿外圓齒槽寬：； ⒀齒槽深：； ⒁

32、齒槽底寬：； ⒂齒根圓角半徑： ； ⒃ ； 最后，設(shè)計(jì)履帶：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)13-43） 由于采用同步帶的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)履帶，同時(shí)履帶用于特殊的工作環(huán)境，所以不能完全采用同步帶的參數(shù)，根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)履帶。 ⑴節(jié) 距：=21.991； ⑵齒形角：2β=40； ⑶齒根厚：σ=10.06 ； ⑷齒 高：=4.2 ； ⑸帶 高： ； ⑹齒頂厚： ； ⑺節(jié)頂距：δ=1.750 ； ⑻帶 寬： ； =116.5mm =21.529mm =11.06mm =8.036 =21.991 2β=40 σ=10.06

33、 =4.2 δ=1.750 ④確定大小錐齒輪參數(shù)（詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程見第五章） 整個(gè)行走裝置里，錐齒輪的主要作用----換向，傳遞動(dòng)力。同時(shí)考慮到其完全在行走裝置內(nèi)部，尺寸受到限制。根據(jù)以上的因素，設(shè)計(jì)大小錐齒輪的具體參數(shù)。 根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，采用軸交角。齒輪類型為：直齒錐齒輪、齒形制為GB/T 12369—1990,齒形角為20、齒頂高系數(shù)=1、頂隙系數(shù)。（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)14-200） 大錐齒輪的次數(shù);小錐齒輪的次數(shù)。大小錐齒輪的具體參數(shù)分別如下：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)14-201） 大錐齒輪： ⑴法向模數(shù)： ； ⑵齒 數(shù)： ； ⑶法向齒形角： ⑷分度

34、圓直徑： ⑸分度圓錐角： ⑹齒頂圓直徑： =75+212.5 =78.044mm ⑺齒根圓直徑： 大錐齒輪： 78.044mm 71.347mm =75-2（1+0.2）2.5 =71.347mm ⑻錐

35、 距： = =47.253mm ⑼齒頂角： = =31′43″ ⑽齒根角： = =347′1″ ⑾頂圓錐角： =+31′43″ =5533′9″ ⑿根圓錐角： =-347′1″ =4844′25″ ⒀齒 寬 ： b=25mm 47.253mm b=25mm 小錐齒輪： ⑴法向模數(shù)：； ⑵齒 數(shù)：； ⑶法向齒形角

36、： ⑷分度圓直徑： ⑸分度圓錐角： ⑹齒頂圓直徑： =57.5+212.5 =61.467mm ⑺齒根圓直徑： =57.5-2（1+0.2）2.5 =52.54mm ⑻錐 距： = =47.253mm

37、⑼齒頂角： = =31′43″ 小錐齒輪： 57.5mm =61.467mm =52.54mm 47.253mm ⑽齒根角： = =347′1″ ⑾頂圓錐角： =+31′43″ = ⑿根圓錐角： =-347′1″ = ⒀齒 寬 ： b=25mm ⑤確定直齒輪的參數(shù)（詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程見第五章） 在整個(gè)行走裝置中，直齒輪的作用，主要是傳遞動(dòng)力。根據(jù)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和尺寸限制，同時(shí)為了減少零件的個(gè)數(shù)和降低成本，才用兩個(gè)完全相同的直齒輪，齒

38、頂高系數(shù)=1、頂隙系數(shù)。齒數(shù)z=40，模數(shù)。其具體參數(shù)如下： ⑴分度圓直徑： ⑵齒 頂 高： ⑶齒 根 高： =3.125 b=25mm =100mm =2.5 =3.125 ⑷全 齒 高：=2.5+3.125=5.625 ⑸齒頂圓直徑： =100+22.5 =105mm ⑹齒根圓直徑： =100-23.125 =93.75mm ⑺齒 厚： ⑻齒 根 寬： ⑼中 心 距： ⑽頂 隙： 3.3 撐開機(jī)構(gòu)和放大桿組的設(shè)計(jì)

39、 撐開機(jī)構(gòu)采用絲杠螺母和放大桿組的結(jié)合，來適應(yīng)管徑的變化。通過作圖法來模擬最?。▓Da）、最大管徑（圖b）時(shí)的情況（在CAD中，按比例1：1）如下圖所示： （圖a） 5.625 105mm 圖（b） 最后量出各桿件的長度： 撐開桿桿長：。 放大桿桿長：（由于在其之上安裝了壓力彈簧，其實(shí)際桿長為330—380mm）。 鉸接處的位置：在放大桿

40、組90mm處。 3.4 操作臂的設(shè)計(jì) 操作臂包括吸塵器的操作臂和拉開卸料門的桿件機(jī)構(gòu)。 ⑴吸塵器操作臂的設(shè)計(jì) 由于管道的管徑是變化的，同時(shí)灰塵主要分布在管道底部，所以要求操作臂要能夠適應(yīng)管徑的變化，不僅要在最小管徑是能工作，也要在管徑最大是也能正常的工作。根據(jù)這些要求，設(shè)計(jì)了具有兩個(gè)平面自由度的桿件機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)如下頁圖（c）所示： 圖（c） 其各個(gè)桿件的參數(shù)見零件圖。其驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用Maxon的直流伺服電機(jī)。功 率為120W。

41、 ⑵卸料門的拉開桿件的設(shè)計(jì) 當(dāng)垃圾箱裝滿時(shí)，重量能達(dá)到1470.6N，同時(shí)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率120W，驅(qū)動(dòng)力較??；所以，在設(shè)計(jì)時(shí)采用“死點(diǎn)”的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)卸料門的開合。 工作原理：當(dāng)卸料門閉合式，連桿處于死點(diǎn)位置即位置1，這是無論在卸料門上施加多大的力，卸料門也不會(huì)打開；當(dāng)灰塵裝滿時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通電，讓連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而破壞死點(diǎn)的狀態(tài)，在灰塵的重力和連桿的拉力下，卸料門打開即位置2。當(dāng)灰塵傾倒完后，連桿逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)連桿向上移動(dòng)從而使卸料門閉合，從而回到位置1。 其結(jié)構(gòu)簡圖見圖（d）所示：

42、 圖（d） 各個(gè)桿件的長度，根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)尺寸，采用作圖法計(jì)算出桿件的長度。其尺寸參數(shù)如下： 連桿：=70mm 連桿：=150mm 連桿：=120mm =70mm =150mm =120mm 第四章 控制原理的設(shè)計(jì) 4.1 控制原理的分析和設(shè)計(jì) 我們擬將兩對(duì)光電傳感器（記為Ga組和Gb組）分別置于本管道清潔機(jī)器人前后兩側(cè)從而在前進(jìn)或后退時(shí)都可以檢測行進(jìn)前方有無障礙物從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。見下面示意圖： 將

43、一對(duì)超聲波測距傳感器(記為Ca和Cb)分別置于本管道清潔機(jī)器人車體前后適當(dāng)位置，用來檢測其前進(jìn)或后退時(shí)管徑的變化情況，以使CPU驅(qū)動(dòng)相關(guān)電機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作。 另外，將一個(gè)光電傳感器(記為Gc)置于吸塵裝置下方適當(dāng)位置，用來檢測下方管壁上的灰塵是否已清潔干凈；又將一個(gè)壓力傳感器（記為YL）置于垃圾箱底板適當(dāng)位置，用來檢測垃圾箱是否已經(jīng)裝滿，從而使本管道情節(jié)機(jī)器人停止繼續(xù)清灰塵轉(zhuǎn)而倒垃圾。另外一個(gè)超聲波傳感器(記為Cc)置于裝灰塵的垃圾箱下方適當(dāng)位置，在垃圾箱裝滿后通過檢測前方一定距離范圍內(nèi)有沒有障礙物來判斷清潔口是否已經(jīng)打開，從而使CPU驅(qū)動(dòng)相關(guān)電動(dòng)機(jī)作出傾倒灰塵的

44、 動(dòng)作；再將一個(gè)霍爾轉(zhuǎn)數(shù)檢測傳感器（記為HE）置于履帶輪軸附近適當(dāng)位置， 用來檢測置于率帶輪軸上的磁極的旋轉(zhuǎn)信號(hào)，從而測出率帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，進(jìn)而通過CPU計(jì)算出本管道清潔機(jī)器人前進(jìn)的距離。 于是，控制過程實(shí)現(xiàn)過程如下： ① 吸塵器工作開始清潔灰塵，光電傳感器Ga組、Gc、超聲波傳感器Ca以及壓力傳感器YL和霍爾轉(zhuǎn)數(shù)檢測傳感器HE工作實(shí)時(shí)檢測收集各信息； ② 一旦光電傳感器Gc檢測到吸塵裝置下方的灰塵清理干凈，則CPU發(fā)送指令驅(qū)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)電機(jī)組（記為ZDJ）工作，即機(jī)器人前進(jìn)。又當(dāng)Gc檢測到吸塵裝置下方又有灰塵則CPU再次發(fā)送指令使主

45、電機(jī)組停止工作重新開始過程①； ③ ①、②步驟重復(fù)運(yùn)行一段時(shí)間后，機(jī)器人的垃圾箱裝滿了灰塵，這時(shí)候置于垃圾箱底部的壓力傳感器就把檢測到的信號(hào)傳遞給CPU，則CPU發(fā)送指令令吸塵器和運(yùn)動(dòng)電機(jī)停止前進(jìn)，同時(shí)停止接收霍爾轉(zhuǎn)數(shù)檢測傳感器HE的數(shù)據(jù)，并開始判斷本管道清潔機(jī)器人所走過的路程是否小于25米，若是則運(yùn)行步驟④，若否則運(yùn)行步驟⑤； ④ CPU發(fā)送指令使主運(yùn)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)即令機(jī)器人后退，并且開始接收超聲波傳感器Cc的信號(hào)，以判斷是否已到請(qǐng)接口上方（超聲波傳感器Cc位置一定要放恰當(dāng)，以使垃圾能完全從請(qǐng)接口倒出），若否則繼續(xù)本步驟，若是則運(yùn)行步驟⑥； ⑤ CPU發(fā)送指令使主運(yùn)動(dòng)電機(jī)正傳即令機(jī)器人前進(jìn)

46、，并且開始接收超聲波傳感器Cc的信號(hào)，以判斷是否已到請(qǐng)接口上方，若否則繼續(xù)運(yùn)行奔步驟， 若是則運(yùn)行步驟⑥； ⑥ CPU再發(fā)送指令停止主運(yùn)動(dòng)電機(jī)，即使機(jī)器人停下，然后驅(qū)動(dòng)垃圾箱開關(guān)電動(dòng)機(jī)打開垃圾箱來傾倒灰塵。期間，一旦壓力傳感器檢測到灰塵已經(jīng)倒完，則再驅(qū)動(dòng)垃圾箱開關(guān)電動(dòng)機(jī)關(guān)閉垃圾箱。然后CPU發(fā)送指令使機(jī)器人反向運(yùn)動(dòng)并且停止接收超聲波傳感器Cc的信號(hào)而開始接收光電傳感器Gc的信號(hào)以判斷是否已回到上次清潔干凈的位置。若是，則重新開始運(yùn)行步驟①，若否則繼續(xù)移動(dòng)、檢測。 ⑦ 當(dāng)本管道清潔機(jī)器人前進(jìn)過程中CPU要

47、接收光電傳感器組Ga的實(shí)時(shí)信號(hào)，一旦檢測倒前方有彎道則命令兩主運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生速度差從而轉(zhuǎn)過彎道；而當(dāng)后退過程中則要接收光電傳感器組Gb的實(shí)時(shí)信號(hào)，以使本管道清潔機(jī)器人能在后退時(shí)也順利轉(zhuǎn)過彎道。同樣的，在前進(jìn)過程中還要檢測管徑的變化，通過超聲波傳感器Ca收集的距離信息來使本管道清潔機(jī)器人自動(dòng)適應(yīng)管徑的變化；后退時(shí)則是通過超聲波傳感器Cb來檢測信號(hào)從而使本管道清潔機(jī)器人在后退時(shí)也能自動(dòng)適應(yīng)管徑的變化。從而使其順利地完成工作。 4.2 主要控制流程圖 主要的控制流程圖，見下頁圖（一）：

48、 主程序流程圖 第五章 其它 5.1 大小錐齒輪的設(shè)計(jì)和校核 ⑴選擇齒輪的類型,精度等級(jí),材料和齒數(shù) ① 選擇直齒圓錐齒輪 ② 8級(jí)精度齒輪,軟齒面 ③ 小齒輪的材料為40Cr，調(diào)制處理，硬度為280HBS；大齒輪的材料為45鋼，調(diào)制處理HBS。 ④ 初選小齒輪的齒數(shù)；大齒輪的齒數(shù)為。 ⑵按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 ① 根據(jù)軸承布置方式和載荷的沖擊情況，取K=1.8。 ② 查附錄2（機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)）得小齒輪的接觸疲勞極限為： 大齒輪的接觸

49、疲勞極限為： 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力： ③計(jì)算小齒輪的分度圓直徑 =195.153.856mm 其中 =36.1 N.m ⑶按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 ① 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)并查取齒形系數(shù)，兩齒輪的分度圓錐角分別為： 當(dāng)量齒數(shù)為：

50、 查附錄2得： ② 由附錄2得，小齒輪的彎曲疲勞極限為： 大齒輪的彎曲疲勞極限為： 53.856mm =36.1 N.m = ③ 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力： 大齒輪數(shù)值大，代入計(jì)算 ④ 計(jì)算： = =2.1635 取m=2.5則： 取 ，?。? ⑤ 錐距為：

51、 =47.253mm ⑥ 分度圓直徑為： ⑦ 分度圓錐角為： ， 2.1635 ⑧ 齒 寬 ： b=25mm 5.2 軸Ⅰ的設(shè)計(jì)和校核 1. 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件，初步估計(jì)軸徑： 其中=110，查機(jī)械設(shè)計(jì)（P362）表15-3可得。 代入上面得值，計(jì)算可得： 由于軸上有一鍵槽，所以：，取軸的最小直徑為：d=20mm。 2. 軸的結(jié)構(gòu)簡圖如下： 3. 按彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)度校核 ①

52、做出軸的計(jì)算簡圖 軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，做出其受力簡圖如下圖所示： b=25mm d=20mm。 ② 校核所需要的基本參數(shù) ③ 計(jì)算齒輪的嚙合力： A: 直齒輪的齒輪嚙合力 1. 齒輪圓周力： =685.9 N 直齒輪： 685.9 N 2.齒輪徑向力： B: 錐齒輪的齒

53、輪嚙合力 1. 齒輪圓周力： =914.533 N 2. 齒輪徑向力： =202.634 N 3. 齒輪軸向力： = =264.078 N ④ 求水平面的支反力和做出彎矩圖: 1. 其受力分析圖如下圖所示: 錐齒輪： =914.533N =202.634 N =264.078 N

54、 2. 對(duì)A點(diǎn)求矩： 則有： =372.848 N 3. 對(duì)B點(diǎn)求矩： 則有： = = -144.216 N 4. 根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，畫出彎矩圖。 =372.848 N

55、 ⑤ 求垂直面內(nèi)的支反力，并作出彎矩圖 1. 受力分析如圖所示： 2. 對(duì)A點(diǎn)求矩： 則有：（其中） = -8.590 N 2. 對(duì)D點(diǎn)求矩： 則有： = -8.590 N

56、 = -38.423 N 3. 做出對(duì)應(yīng)彎矩圖 ⑥ 求支反力 =149.246 N =312.965 N ⑦ 合成彎矩圖 =2889.432 N

57、 =25774.198 N =23238.956 N ⑧ 根據(jù)已知條件，做出扭矩 ⑨ 校核危險(xiǎn)截面 綜上所知，C面為危險(xiǎn)截面： (其中，由于扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，所以取，T=36100) =31767.982 (其中

58、 =1251.74) C截面圖 = ，軸滿足要求。 (其中=55查機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程P261-表11-13得) 下頁附：彎矩圖 1251.74 5.3 鍵的校核 在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，由于平鍵的制作方便，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性比較好，所以能采用平鍵的情況下，都采用平鍵。平鍵的主要失效形式為工作面被壓潰；嚴(yán)重過載時(shí)，可能出現(xiàn)鍵被剪斷。所以，

59、通常情況下只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。 由于在軸01上的鍵 825 其結(jié)構(gòu)尺寸最小，受力較大。在這里就只校核該鍵，其余可以不予與校核。 普通平鍵的強(qiáng)度條件： 其中 T ---傳遞扭矩： ； ---鍵與輪轂鍵槽的接觸高度： ---鍵的工作長度，圓頭平鍵為： ---軸的直徑 =42.47 由于鍵的材料為45，同時(shí)其載荷性質(zhì)為輕微沖擊，查機(jī)械設(shè)計(jì)（P-106）表6-2可得： 所以 ，鍵滿足要求。 =42.47 滿足要求 51