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1、课程设计螺旋式管道机器人机器人总体方案设计1设计方案过程及特点按照上述的过程方案，由三维建模可以进一步确定机器人的可靠外形结构。 安装加工出的理想外形经过安装调试环节成为完整的机器人，最后完善整个样机 使其在螺旋管道内能顺利工作，帮助人们顺利解决难题。2机械结构一、当前状况目前国内外已研制出的管道机器人类型很多，从机械结构来区分主要有以下 几种移动方式：（1）活塞移动式，其原理类似于活塞在汽缸内的运动，即把管道看作汽缸, 把具有一定弹性和硬度的机器人看作活塞。在结构上，机器人其后面的流体压力 大于前面的压力时，在压差的作用下，机器人克服了管壁与活塞之间的摩擦阻力 而向前运动。机器人可以携带各种
2、传感器，一边行走一边用于管道检测。（2）滚轮移动式，利用滚轮驱动式的行走结构，以电机作原动机，为了增 加牵引力，一般采用多轮驱动式，由于轮径太小，越障能力有限，而且结构复杂。卤鳶灯（3）履带移动式，仿造履带式车辆行走原理，采用带齿轮减速箱的直流伺 服电机驱动。（4）足腿移动式，其基本原理是利用足腿推压管壁来支撑机体，利用多腿 可以方便地在各种形状的弯管内移动。由撑脚机构、牵引机构和转向机构构成, 可在各种类型的管道里移动。（5）蠕动移动式，模仿昆虫在地面上爬行时蠕动前进与后退的动作设计， 机构由蠕动丝杠、螺母、前后支撑足及前后封闭弹簧构成。在行走时，分别使左 右支撑足上端与管壁接触，下端用滚轮
3、与管壁接触。驱动蠕动丝杠依次左转和右 转，使螺母在丝杠上左右移动。（6）螺旋移动式，利用螺旋原理使管外电机推动带有弹性的驱动部件前进， 该驱动螺旋部件可以自动越过小的台阶。以上移动方式各有所长，我们在第六种螺旋移动的基础上进行改进，来实现我们设计目的。螺旋式上升的移动方式有着如下优点：1）移动速度稳定，能够实现中途停止，顺应了多变的情况，便于应用于工 业上实际作业。2）在整个上升过程中利用了滚动原理，较为稳定没有震动，内部能够安装 一些精密仪器。3）旋转过程中有着与管道相垂直的径向转动，接触面较广，不存在死角问 题，便于实际应用中的勘测、清洗等实际工作的具体实施。就螺旋式管道机器人各种设计也有
4、个各自的优点，就我们一些参考文献中的 设计方案进行对比来具体了解我们的机械结构原理。下图出自论文URT螺旋轮式管道检测机器人越障性能研究中，与我们的 方案类似的采用了三叉元结构，利用了三角形的稳定性。1.螺旋轮2.挠性钢丝轴3.靈动系统机体4.支撑轮5.螺旋头就单单上图的设计我们提出了如下几个没有克服的问题：1）驱动设计较少，在管道内部的环境中容易产生打滑等抱死的状况。2）弯半径较大，无法适应复杂的管道内部状况。3）上升力矩太小，垂直时无法克服重力以及管道内部的一些阻力。我们会在我们的设计过程中一一克服以上问题。二、实施方案1、螺旋头的轴心偏移在正常管道中，3个沿管道周向120均布的螺旋轮的初
5、始预紧力大小关系为：Fk1 = Fk2 = Fk3。由于螺旋头的重量与弹簧预紧力相 比较小，故可以忽略其影响。设3个螺旋轮预紧弹簧的刚度系数 均为k,则o1轮的弹簧预紧力增量为:F1 = k（ x - o。/）；螺旋头的轴心偏移力学模型o2 , o3轮的弹簧预紧力增量为：F2二koo /sin30。由于3个轮子夹角不变,通过轴心处受力平衡易知：2、多节设计F1 二AF2，即：x - ooz = ooz / sin30，故得轴心的偏移量为：oo = x /3。如图是我们的设计方案，采用此种多节设计有着以下优点：1）采用多节设计能够加大前进驱动力，不会出现卡死的现象。2）各节之间运用万向接头3连接
6、，能够在较小的半径下转弯。3）多节半径柔韧性好，出现局部受阻现象后其他部位依旧能够正常工作。3、伸缩装置为了能够适应更多内径的管道，在每一节的设计中还有一个锁紧装置。该伸缩装置一段与电机固定，另一端与一伸缩关节相连接。工作时带有螺纹的主轴会随着电机进行转动，伸缩关节会随着螺纹进行上下移动。在移动的同时带动 连杆，减少两个连杆的角度，从而增加了轮子的中心距，达到了增大半径锁紧的 目的。伸缩关节示意图单节结构示意图伸缩关节的细节图如上所示，呈现三叶草状，每一个瓣对应相应的连杆。关 节与连杆中间通螺栓进行间隙连接，能够自由移动。4、舵机变速装置为了便于控制，我们将控制轮子运动速度的电机设置为固定的，
7、而轮子的角 度则有舵机进行控制，控制范围为-20+20。如下图所示，假设有一个竖直管道，x轴为水平转动速度，y轴为竖直上升 速度。轮子与水平夹角a可以在-20+20之间进行改变，从而造成在y轴上的 分速度进行改变，达到了改变上升速度的目的。在更改a角的同时，也能够增加上升力矩，正如同千斤顶一样，用较小的力 矩去克服较大的阻力，达到克服阻碍，顺利上升的目的。V竖直管道如上图：1,2圆盘式舵机4腿部支架3轮子1,2之间可以进行相对的精确转动，从而调整轮子与水平面的角度。5、多节结构之间的连接K D2 n- m5-多节之间要能相对转动，但是却要保持连接。于是我们采用了三节万向接头 的连接方式（如右图
8、所示）。1- 套筒；2- 十字轴3- 传动轴叉4- 卡环；6 f# V% k1 述轴承外圈6-套筒叉工作原理：十字轴式万向节由一个十字轴，两个万向节叉和四个滚针轴承等 组成。两万向节叉1和3上的孔分别套在十字轴2的两对轴颈上。这样当主动轴转 动时，从动轴既可随之转动，又可绕十字轴中心在任意方向摆动，这样就适应了 夹角和距离同时变化的需要。在十字轴轴颈和万向节叉孔间装有滚针轴承5,滚 针轴承外圈靠卡环轴向定位。十字轴式刚性万向节具有结构简单，传动效率高的优点，但在两轴夹角a不 为零的情况下，不能传递等角速转动。6、预期的一些设计图预期基本参数 净重：2-5kg行走速度：05m/min无级调速适应
9、圆形管道:直径范围120200mm管内越障高度：5mm最小转弯半径:100mm机器人系统控制通过上述的机械设计的构思以及机械结构的制作，一个机器人的雏形已经形 成。但是机器人最重要的就是能使它能动起来，按照指令完成一定的动作，所以 我们通过编程及运用单片机来控制机器人的运动，实现对机器人的系统控制。如 下是螺旋管道机器人的程序说明： 电机123电机4 舵机123按键说明1复位电机4正转收缩2复位6舵机初始90度3装机器人电机反转伸长固定好机器人4慢速舵机正转：（5度）5中速舵机正转：（15度）6快速舵机反转：（25度）7上升电机123正转8下降电机123反转开始If （按键1） 电机4正转收缩
10、；（延时）If （按键2）舵机初始0度；（）If （按键3）电机反转 伸长固定好机人;ElseIf （按键4）舵机初始0度舵机旋转5度，If （按键5）舵机初始0度舵机旋转15度If （按键6）舵机初始0度舵机旋转25度ElseIf （按键7）电机正转；（延时）上升If （按键8）电机反转；（延时）下降Else电机4正转收缩；（） 舵机初始0度；（）NO8于-二按7于-二按6于-二按5&-二篠按4&一一 j镇按3&一二镖按2&一二镇按按曇Ssf黑凭升初KO旋度.Z爲和I洒B机转电反囑他度参考文献1 赵丽艳 樊友民主编机器人制作宝典北京：航空航天大学 出版社,20042 宗光华主编机器人的创意设计与实践北京：北京航空航天 大学出版社,20043 肖南峰编著智能机器人.华南理工单靴出版社,20084 张国良敬斌 刘延飞熊磊主编自主移动机器人设计与制作 西安：西安交大出版社，2002
