机械5

摘要 在现代，无论是工业、农业还是国防领域中都有纵横交错的管道。如何保障这些管道系统的安全性和有效性，对于我困经济发展至关重要。管道机器人是工作在输送管道内，用于完成管道缺陷检测、修复等的智能装置，是保障管道安全的重要工具。由于管道内环境复杂，对管道机器人的设计要求驱动单元结构简单、驱动效率高，同时对复杂的管内环境具有自适应能力。因此研制具有结构简单、驱动效率高、具有管内环境自适应能力的管道机器人具有重要意义。 该蠕动式管道机器人由三部分组成，包括一个伸缩模块和两个支撑夹紧模块。伸缩模块主要由主执行器和四组齿轮齿条构成，利用齿轮齿条的往复移动来实现机器人的行走；两个支撑夹紧模块结构上完全一样，通过曲柄滑块机构使机器人的脚与管壁压紧，从而产生机器人行走所需的静摩擦力。伸缩模块和支撑模块按一定的顺序循环工作，从而实现机器人在管道内的行走。 本文首先通过分析国内外研究现况和现有管道机器的结构特点及原理提出自己的设计方案，接着从动作原理和运动特性、动力特性等角度分析了该机器人的结构及性能特点，让后对机器人各模块进行了详细设计与校核，最后采用Pro/E对该机器人进行了三维设计以及采用AutoCAD绘图软件绘制了该机器人的装配图和主要零件图。 关键字：蠕动，管道，机器人，设计 Abstract I
n moder
n times, whether i
ndustrial, agricultural or defe
nse i
n both pipeli
nes criss-cross. How to protect the safety a
nd effective
ness of these pipi
ng systems, eco
nomic developme
nt is esse
ntial for me sleepy. Pipeli
ne robot is worki
ng i
n the pipeli
ne for the completio
n of the pipeli
ne defect i
nspectio
n, repair, a
nd other smart devices, is a
n importa
nt tool to protect the safety of pipeli
nes. Due to the complexity of the e
nviro
nme
nt i
n the pipeli
ne, the pipeli
ne robot desig
n requireme
nts drivi
ng a simple cell structure, high drive efficie
ncy, while the i
n
ner tube e
nviro
nme
nts with complex adaptive capacity. Therefore, the developme
nt of a simple structure, high drive efficie
ncy, e
nviro
nme
ntal adaptive ability of the tube pipe robot is importa
nt. The peristaltic pipe robot co
nsists of three parts, i
ncludi
ng a telescopi
ng clamp module a
nd two support modules. Telescopic module is composed primarily of four mai
n actuator a
nd gear rack, the gear rack to achieve the reciprocati
ng moveme
nt of the walki
ng robot; two supporti
ng structures are completely the same as the clampi
ng block, slider-cra
nk mecha
nism of the robot through the feet a
nd the tube pressi
ng the walls to produce the required static frictio
n walki
ng robot. Telescopi
ng module a
nd support module cycle work accordi
ng to a certai
n order to achieve the robot to walk i
n the pipeli
ne. Firstly, make their ow
n desig
ns by a
nalyzi
ng the structural characteristics a
nd the pri
nciple of status quo a
nd existi
ng domestic pipeli
ne machi
nes, the
n from the actio
n pri
nciple a
nd motio
n characteristics, dy
namic characteristics, such as paper a
nalyzes the structure a
nd performa
nce characteristics of the robot, so that after Each module is a detailed robot desig
n a
nd verificatio
n, fi
nally usi
ng Pro/E the robot uses a three-dime
nsio
nal desig
n a
nd drawi
ng software AutoCAD drawi
ng the assembly drawi
ng of the robot a
nd the mai
n parts diagram. Keywords: Motility, Pipes, Robotics, Desig
n 目录 摘要I Abstract II 第一章绪论1 1.1研究背景及意义1 1.2国内外研究概况1 1.3蠕动式管道机器人概述4 第二章总体设计与特性分析6 2.1驱动方式的选择6 2.2结构方案设计6 2.2.1蠕动方式选定6 2.2.2支撑夹紧机构设计8 2.3总体方案确定8 2.4运动及动力学特性分析9 2.4.1直线运动9 2.4.2转弯运动11 第三章各组成部分的设计14 3.1性能参数的选定14 3.2蠕动行走机构的设计14 3.2.2伺服电机的选定14 3.2.1运动及动力参数计算15 3.2.3减速器的选定15 3.2.3圆锥齿轮传动的设计16 3.2.4齿轮齿条传动的设计19 3.2.5传动轴的设计及轴上零件的选定22 3.2.6机架的设计25 3.3支撑夹紧机构设计26 3.3.1伺服电机的选定26 3.3.2运动及动力参数选定26 3.3.3减速器的选定26 3.3.4曲柄滑块机构设计27 3.3.5机架的设计30 3.4机器人各模块基于Pro/E的三维设计30 3.4.1蠕动行走模块30 3.4.2上部支撑夹紧模块31 3.4.3下部支撑夹紧模块31 3.4.3机器人整体设计32 第四章控制系统的设计33 4.1控制系统组成33 4.1.1蠕动式机器人控制系统33 4.1.2核心器件的选择33 4.2蠕动式机器人的具体控制方法35 结论36 参考文献37 致谢38 第一章绪论 1.1研究背景及意义 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。 因此设计一种通用性更强，结构更紧凑，动作运行平稳，能够适应管道截面变化的新型管道机器人非常必要。 研制该机器人的目的是为了帮助人们摆脱繁重的劳动和简单的重复劳动，以及替代人到危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域得以应用。在自来水供应、煤气供应、飞机、潜艇、石油天然气、核发电站等环境中存在着大量人类无法进入的微细管道和危险区域。这些管道在经过一段时间的腐蚀和重压后，会出现裂纹、漏孔等现象。如果这些管道发生泄漏，将导致无法预计的损失和危害。为提高管道的寿命、防止泄漏等事故的发生，就必须对管道进行有效的检测维护，管道机器人为满足该需要而产生。 1.2国内外研究概况 管道机器人的驱动源大致有以下几种：微型电机、压电驱动、形状记忆合金