管道爬行机器人结构设计
管道爬行机器人结构设计
机器人是一种自动执行工作的机器装置。它的任务是协助或完全取代人类的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。作为一种机械自动化的高端表现形式，它在我们的生活中用的越来越多。伴随着科学技术的飞速发展，尤其是电子信息技术的快速发展，再加上其它学科的理论支持，使得机器人的种类逐渐增多，并且性能也有了质的飞跃，突破了传统工业机器人的意义范畴，而且机器人应用的领域也越来越多。
管道爬行机器人就是其中一种。本文欲设计出一种可在管道直径400mm内爬行的管道爬行机器人方案。采用双电机，其中一个作为行走驱动，一个用来调节整个系统的平衡。传动机构采用蜗轮蜗杆传动，调节机构采用丝杠螺母预紧变径机构，行走机构采用平行连杆式机构。整个系统结构相对简单，行走效率较高，并且能够自动适应一定的管径变化。
关键词 机器人，管道爬行，自动适应
1 引言 1
1.1 选题的目的及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 发展趋势 3
2 管道爬行机器人的总体方案设计 4
2.1 几种典型的管道机器人 4
2.2 机器人总体方案设计 8
3 轮式直进式管道机器人结构设计 10
3.1 传动机构的设计 10
3.2 调节机构的设计 15
3.3 辅助机构的设计 18
3.4 移动机构的设计 19
3.5 电动机的选择 22
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
1 引言
1．1 选题的目的及意义
管道运输在我国得到广泛的运用，然而当管道长时间处于恶劣的环境中，并且遭受到水、油混合物、硫化氢等有害气体的腐蚀，管壁可能变薄，并会产生裂缝，造成泄漏的问题，因此管道运输也存在着重大的安全生产隐患。改革开放以来，中国的管道运输运用的越来越普遍。2009年，中国的天然气以及各种管道已经遍布中国的每一个中小城市。在我国乃至世界各国，由于土地资源的缺乏和地形的限制，都在地下埋设了很多的输送管道。然而在埋有管道的地面上已经建成了很多的建筑物或者公路，这就给管道的维修和维护带来了相当大的阻碍，当这些管道由于某些原因泄漏堵塞时，人们一般是挖开道路进行维修维护，但是如果不能准确判断泄漏堵塞的具体位置时，则会浪费很多的时间、精力和资源，同时还很大程度的降低了工作效率。因此，管道爬行机器人技术的研究与设计显得十分必要。有了管道爬行机器人，人们不必为了维修维护管道而挖开道路，而是先精确定位到管道泄漏堵塞的位置，然后再进行维修维护，从而节省了大量的人力、物力和财力。管道爬行机器人可以完成的作业包括：生产和施工过程中的管道内外质量检测；管道内部清扫抛光等维护；管道破损情况检测等等。本课题欲设计出一种可以在400mm直径的管道内行走，并且能够适应一定的管径变化、爬过一些小的凹凸槽的轮式管道爬行机器人。
1．2 国内外研究现状
管道爬行机器人是一种可以沿管道内壁行走的机械装置，它可以携带一种或多种传感器以及操作装置（例如CCD传感器、位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道裂纹及管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、简单的操作机械手等），通过操作人员的控制来进行一系列的管道检测和维护维修工作。一个完整的管道爬行机器人系统，应该包括移动载体（行走机构）、管道内部环境识别检测系统、信号传递和动力传输系统以及控制系统，其中移动载体（行走机构）是管道检测移动机器人的核心部分。管道检测机器人的工作空间是复杂、封闭的各种管道，包括水平直管、各角度弯管、斜坡管、垂直管以及变径管接口等，它的运行距离一般也比较长。
目前国内外对管道机器人技术的研究已经有了相当大的进步，相应的研究成果也很多。由于国外科学技术发展相对较早，因此管道机器人的发展状况也比较好。最早的针对管道爬行机器人做出的科学研究始于二十世纪四十年代。随着微电子技术、计算机技术、机电一体化技术以及机械自动化技术的快速发展。管道爬行机器人技术也得到了进一步的发展，并且各种技术相互之间的渗透程度越来越深。管道爬行机器人是在狭窄管道空间中进行精密检测的机器人系统。管道爬行机器人技术研究所涉及的面非常之广，随着电子信息技术、计算机信息技术、机械自动化技术的发展和进步，国外的管道机器人技术自90年代初以来得到了迅猛发展并接近于应用水平。
从事轮式管道机器人研究工作的第一人是法国的J.VERTUT,他早在1978年就提出了轮式管道机器人管内行走的机构模型IPRIV。该款轮式管道机器人虽然结构很简单，但是为日后的轮式管道机器技术的研究起到非常大的推动和促进作用。1987年日本学者T.Morimitsn等人成功研制了一种振动式管内移动机器人，这种机器人不仅结构比较简单，而且还能够实现小型化。但是由于复杂的管道内部环境，单靠电动机驱动，难以有效控制管道机器人的运动速度。1999年西班牙Jorge Moraleda与Anibal Ollero等人在西班牙军工基金资助下，利用水流喷射产生的冲力作为驱动力研制成检测地下输水管道内部状况的管道机器人系统。2000年日本横滨国立大学电子与计算机工程系Chi Zhu等人研制成功用于检测污水排放管道的管道检测机器人，它适用于直径为200mm的管道。2011年美国纽约煤气集团公司的Daphne D’Zurko和卡内基梅隆大学机器人技术学院Hagen Schempf博士在美国国家航空和宇宙航行局的资助下开发了长距离、无缆式的管道机器人系统。
国外专家预测，机器人产业是继汽车计算机之后出现的一种新的大型高科技产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世界机器人市场前景极度看好。从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右，2004年增长率达到创记录的20％。其中，亚洲机器人增长幅度最大，高达43%。
在我国关于管道机器人方面的研究起步相对一些欧洲国家较晚，从20世纪80年代才开始少量引进爬行器，但远远不能够满足我国管道工程发展的需要。进入90年代末，国内各科研机构和大中专院校才开始研制各种管道爬行器，但由于各种原因，爬行器的适应性和过复杂管道等能力存在着较大的缺陷，而且绝大部分管道机器人还停留在实验室阶段。例如清华大学成功研发了一种“细小工业管道爬行机器人移动探测器继承系统”。该系统能够把机器人的机构、机器人控制技术、视频监控技术、涡流检测技术以及管内位置检测技术等融合在一起。这个系统能够应用于20mm管道内缺陷和裂纹探测方面。
近些年来，随着管道机器人的先进技术、经济优势和社会意义逐渐为越来越多的人们所认识，也有一些单位开始进行研制管道机器人，并已经在机构模型、动力学分析以及实验样机等方面均有所建树。较有代表性的有中科院、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、东华大学、大庆油建公司和中国石油天然气管道局等，其中中科院兰州分院于2004年成功研制出了我国第一台管道爬行机器人，很大程度上提升了我国在管道机器人研究开发领域的地位和影响力。另外，我国深圳市施罗德工业测控设备有限公司致力于中国管道检测领域，研发生产三大系列产品：管道检测爬行机器人、管道潜望镜、工业内窥镜等管道检测设备。该公司产品已广泛应用于市政、石化、锅检、电力、制造业产品质量检测、企事业单位检测实验室、检测中心等多个行业。
1．3 发展趋势
近几年管道爬行机器人的发展有这样几个趋势：管道爬行机器的人性能不断提高（高速度、高精度、便于操作和维修），机械结构向模块化、可重构化发展，例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；管道机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化，器件集成度提高，且采用模块化结构；虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者有置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
2 管道爬行机器人的总体方案设计
2. 1 几种典型的管道机器人
常见的管道机器人又蠕动式管道机器人、无缆管道机器人、轮式管道机器人、履带式管道机器人等，本文主要介绍这四种管道机器人，并分析其主要优缺点。
2.1.1 蠕动式管道机器人
1988年，Ikuta等引用蚯蚓运动的原理开发出了蠕动机器人，后来随着蠕动机器人技术的不断完善，其开始向大型化发展，目前已可在200～300 mm的管道内应用。蠕动式管道机器人主要由蠕动部分、头部、尾部组成，如图2.1所示，1—头部，2—蠕动部分，3—尾部。前部和尾部支撑分别装有超越离合锁死装置，实现单向运动自锁。
下面以电磁驱动的蠕动式管道机器人为例，分析蠕动式管道机器人的运动机理。蠕动式管道机器人的运动原理如图2.2所示，一个动作循环分为3个步骤：
(1)当初始状态时，电磁铁失电，弹簧处于自由状态，故头部与尾部分离；
(2)当电磁铁通电时，磁铁与线圈吸合，安装在头部上的超越单向行走方式使头部原位不动，尾部由于电磁吸力的作用向前移动；
(3)断开电源，电磁力作用消失，弹簧促使磁铁与线圈分开，安装在尾部上的超越单向行走方式使尾部原位不动，头部由于弹簧力的作用向前移动。
至此，机器人回到了初始状态，机器人前进了一步。
蠕动机器人的优点是可以在细小的微型管道中行走，但由于速度的间断性和缓慢性阻碍了它的发展，另外该行走方式行走效率低，导致机器人行走不连续，而且更换支撑部分时易产生机身不稳定现象，难以满足管道工程中“迅速完成作业”的需要。
机器人是一种自动执行工作的机器装置。它的任务是协助或完全取代人类的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。作为一种机械自动化的高端表现形式，它在我们的生活中用的越来越多。伴随着科学技术的飞速发展，尤其是电子信息技术的快速发展，再加上其它学科的理论支持，使得机器人的种类逐渐增多，并且性能也有了质的飞跃，突破了传统工业机器人的意义范畴，而且机器人应用的领域也越来越多。
管道爬行机器人就是其中一种。本文欲设计出一种可在管道直径400mm内爬行的管道爬行机器人方案。采用双电机，其中一个作为行走驱动，一个用来调节整个系统的平衡。传动机构采用蜗轮蜗杆传动，调节机构采用丝杠螺母预紧变径机构，行走机构采用平行连杆式机构。整个系统结构相对简单，行走效率较高，并且能够自动适应一定的管径变化。
关键词 机器人，管道爬行，自动适应
1 引言 1
1.1 选题的目的及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 发展趋势 3
2 管道爬行机器人的总体方案设计 4
2.1 几种典型的管道机器人 4
2.2 机器人总体方案设计 8
3 轮式直进式管道机器人结构设计 10
3.1 传动机构的设计 10
3.2 调节机构的设计 15
3.3 辅助机构的设计 18
3.4 移动机构的设计 19
3.5 电动机的选择 22
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
1 引言
1．1 选题的目的及意义
管道运输在我国得到广泛的运用，然而当管道长时间处于恶劣的环境中，并且遭受到水、油混合物、硫化氢等有害气体的腐蚀，管壁可能变薄，并会产生裂缝，造成泄漏的问题，因此管道运输也存在着重大的安全生产隐患。改革开放以来，中国的管道运输运用的越来越普遍。2009年，中国的天然气以及各种管道已经遍布中国的每一个中小城市。在我国乃至世界各国，由于土地资源的缺乏和地形的限制，都在地下埋设了很多的输送管道。然而在埋有管道的地面上已经建成了很多的建筑物或者公路，这就给管道的维修和维护带来了相当大的阻碍，当这些管道由于某些原因泄漏堵塞时，人们一般是挖开道路进行维修维护，但是如果不能准确判断泄漏堵塞的具体位置时，则会浪费很多的时间、精力和资源，同时还很大程度的降低了工作效率。因此，管道爬行机器人技术的研究与设计显得十分必要。有了管道爬行机器人，人们不必为了维修维护管道而挖开道路，而是先精确定位到管道泄漏堵塞的位置，然后再进行维修维护，从而节省了大量的人力、物力和财力。管道爬行机器人可以完成的作业包括：生产和施工过程中的管道内外质量检测；管道内部清扫抛光等维护；管道破损情况检测等等。本课题欲设计出一种可以在400mm直径的管道内行走，并且能够适应一定的管径变化、爬过一些小的凹凸槽的轮式管道爬行机器人。
1．2 国内外研究现状
管道爬行机器人是一种可以沿管道内壁行走的机械装置，它可以携带一种或多种传感器以及操作装置（例如CCD传感器、位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道裂纹及管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、简单的操作机械手等），通过操作人员的控制来进行一系列的管道检测和维护维修工作。一个完整的管道爬行机器人系统，应该包括移动载体（行走机构）、管道内部环境识别检测系统、信号传递和动力传输系统以及控制系统，其中移动载体（行走机构）是管道检测移动机器人的核心部分。管道检测机器人的工作空间是复杂、封闭的各种管道，包括水平直管、各角度弯管、斜坡管、垂直管以及变径管接口等，它的运行距离一般也比较长。
目前国内外对管道机器人技术的研究已经有了相当大的进步，相应的研究成果也很多。由于国外科学技术发展相对较早，因此管道机器人的发展状况也比较好。最早的针对管道爬行机器人做出的科学研究始于二十世纪四十年代。随着微电子技术、计算机技术、机电一体化技术以及机械自动化技术的快速发展。管道爬行机器人技术也得到了进一步的发展，并且各种技术相互之间的渗透程度越来越深。管道爬行机器人是在狭窄管道空间中进行精密检测的机器人系统。管道爬行机器人技术研究所涉及的面非常之广，随着电子信息技术、计算机信息技术、机械自动化技术的发展和进步，国外的管道机器人技术自90年代初以来得到了迅猛发展并接近于应用水平。
从事轮式管道机器人研究工作的第一人是法国的J.VERTUT,他早在1978年就提出了轮式管道机器人管内行走的机构模型IPRIV。该款轮式管道机器人虽然结构很简单，但是为日后的轮式管道机器技术的研究起到非常大的推动和促进作用。1987年日本学者T.Morimitsn等人成功研制了一种振动式管内移动机器人，这种机器人不仅结构比较简单，而且还能够实现小型化。但是由于复杂的管道内部环境，单靠电动机驱动，难以有效控制管道机器人的运动速度。1999年西班牙Jorge Moraleda与Anibal Ollero等人在西班牙军工基金资助下，利用水流喷射产生的冲力作为驱动力研制成检测地下输水管道内部状况的管道机器人系统。2000年日本横滨国立大学电子与计算机工程系Chi Zhu等人研制成功用于检测污水排放管道的管道检测机器人，它适用于直径为200mm的管道。2011年美国纽约煤气集团公司的Daphne D’Zurko和卡内基梅隆大学机器人技术学院Hagen Schempf博士在美国国家航空和宇宙航行局的资助下开发了长距离、无缆式的管道机器人系统。
国外专家预测，机器人产业是继汽车计算机之后出现的一种新的大型高科技产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世界机器人市场前景极度看好。从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右，2004年增长率达到创记录的20％。其中，亚洲机器人增长幅度最大，高达43%。
在我国关于管道机器人方面的研究起步相对一些欧洲国家较晚，从20世纪80年代才开始少量引进爬行器，但远远不能够满足我国管道工程发展的需要。进入90年代末，国内各科研机构和大中专院校才开始研制各种管道爬行器，但由于各种原因，爬行器的适应性和过复杂管道等能力存在着较大的缺陷，而且绝大部分管道机器人还停留在实验室阶段。例如清华大学成功研发了一种“细小工业管道爬行机器人移动探测器继承系统”。该系统能够把机器人的机构、机器人控制技术、视频监控技术、涡流检测技术以及管内位置检测技术等融合在一起。这个系统能够应用于20mm管道内缺陷和裂纹探测方面。
近些年来，随着管道机器人的先进技术、经济优势和社会意义逐渐为越来越多的人们所认识，也有一些单位开始进行研制管道机器人，并已经在机构模型、动力学分析以及实验样机等方面均有所建树。较有代表性的有中科院、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、东华大学、大庆油建公司和中国石油天然气管道局等，其中中科院兰州分院于2004年成功研制出了我国第一台管道爬行机器人，很大程度上提升了我国在管道机器人研究开发领域的地位和影响力。另外，我国深圳市施罗德工业测控设备有限公司致力于中国管道检测领域，研发生产三大系列产品：管道检测爬行机器人、管道潜望镜、工业内窥镜等管道检测设备。该公司产品已广泛应用于市政、石化、锅检、电力、制造业产品质量检测、企事业单位检测实验室、检测中心等多个行业。
1．3 发展趋势
近几年管道爬行机器人的发展有这样几个趋势：管道爬行机器的人性能不断提高（高速度、高精度、便于操作和维修），机械结构向模块化、可重构化发展，例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；管道机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化，器件集成度提高，且采用模块化结构；虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者有置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
2 管道爬行机器人的总体方案设计
2. 1 几种典型的管道机器人
常见的管道机器人又蠕动式管道机器人、无缆管道机器人、轮式管道机器人、履带式管道机器人等，本文主要介绍这四种管道机器人，并分析其主要优缺点。
2.1.1 蠕动式管道机器人
1988年，Ikuta等引用蚯蚓运动的原理开发出了蠕动机器人，后来随着蠕动机器人技术的不断完善，其开始向大型化发展，目前已可在200～300 mm的管道内应用。蠕动式管道机器人主要由蠕动部分、头部、尾部组成，如图2.1所示，1—头部，2—蠕动部分，3—尾部。前部和尾部支撑分别装有超越离合锁死装置，实现单向运动自锁。
下面以电磁驱动的蠕动式管道机器人为例，分析蠕动式管道机器人的运动机理。蠕动式管道机器人的运动原理如图2.2所示，一个动作循环分为3个步骤：
(1)当初始状态时，电磁铁失电，弹簧处于自由状态，故头部与尾部分离；
(2)当电磁铁通电时，磁铁与线圈吸合，安装在头部上的超越单向行走方式使头部原位不动，尾部由于电磁吸力的作用向前移动；
(3)断开电源，电磁力作用消失，弹簧促使磁铁与线圈分开，安装在尾部上的超越单向行走方式使尾部原位不动，头部由于弹簧力的作用向前移动。
至此，机器人回到了初始状态，机器人前进了一步。
蠕动机器人的优点是可以在细小的微型管道中行走，但由于速度的间断性和缓慢性阻碍了它的发展，另外该行走方式行走效率低，导致机器人行走不连续，而且更换支撑部分时易产生机身不稳定现象，难以满足管道工程中“迅速完成作业”的需要。
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