全国大学生过程装备创新设计大赛

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1、全国大学生过程装备实践与创新大赛课题蚯蚓式管道机器人学校华东理工大学专业机械设计制造及其自动化姓名李志超导 师安 琦日期： 2006 年 5月 22日蚯蚓式管道机器人摘要：随着社会经济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。当这些管道出现问题或需要定期维护的时候，要花费大量的人力和物 力及财力。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检测技术的进一 步的发展以及相互之间的渗透程度越来越大，管道机器人担当了这个任务。本设计的蚯 蚓式管道机器人利用了蚯蚓的运动特点结合电子技术、控制及检测技术实现管道的清洁 和泄露检测。设计思想新颖，制造简单，能实现

2、所要达到的任务。关键词：管道 机器人 清洁 检测目录第一章 设计背景及设计方案的选择4 11 设计背景4 12 设计方案的选择5 121 前后筒体的驱动选择5 122 轮子或支撑脚的选择6 123 总体方案的拟订7 第二章 装配图零件图的设计8 21 零件图的设计8 211 前后筒体的零件图及设计8 212 中间筒体的零件图及设计8 213 齿轮的设计及参数10 214 齿条的设计和参数选择11 215 平板的设计和参数选择11 216 凸轮的设计和参数选择11 217 中间带孔圆柱体的设计和参数选择12 218 前/后筒体的辅助圆柱体的设计12 22 辅助件的选择12 221 滚珠的选择12

3、 222 螺栓的选择13 223 螺母的选择13 224 弹簧垫圈的选择13 225 辅助支撑杆的选择13 226 支撑杆的选择13 227 半球壳以及滚球的选择13 228 胶球的选择13 23 总装配图的实现14 231 总装配图的效果图14 232 总装配图的二维图14 第三章 蚯蚓式管道机器人的工作原理15 第四章 控制单元的描述16 第五章 设计的优点和创新点17 第六章 设计的缺点和不足18第一章 设计背景及设计方案的选择11 设计背景 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

4、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。随着人民生活水平的提高和国家国力的增强，中央空调的使用率在逐年的攀升，而 中央空调的清洁问题变得越来越重要。在中央空调使用过程中，由于时间的问题在其内 壁会堆积很多的灰尘。由于中央空调的管道比较大，在里面可能有死老鼠或是一些大的 堆积物。如果不定时的清洗和维护，随着中央空

5、调带进很多的病菌，使得室内的空气质 量下降，危害人们的身体健康。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

6、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。结合目前管道机器人所存在的缺点，应用单片机控制技术、机械设计、机械原理等 专业知识，设计出了蚯蚓式管道机器人。此机器人利用了蚯蚓爬行的运动特点，实现在 管道中的运动，完成规定的任务。控制简单，制造成本低，难度低，运行稳定。12 设计方案的选择 设计方案是根据蚯蚓的运动特点和身体结构而确定的。蚯蚓是环节动物，根据这个 特点，蚯蚓式管道机器人的

7、结构确定了：由三个圆柱筒体组成，中间的筒体比两边的筒 体大，两边的筒体相同。蚯蚓的运动是靠在其体内的横肌和纵肌的交替运动来实现，在蚯蚓的体表有很多细 细但是很坚硬的刚毛，配合横肌、纵肌的运动实现蚯蚓向前和向后运动。根据蚯蚓的运 动方式，拟订以下具体的方案并进行比较，取得最佳的方案。121 前后筒体的驱动选择方案1:曲柄滑块机构容易实现，成本较低，不需要太多的加工。但是由于曲柄滑块机构有 急回特性，使蚯蚓式管道机器人的速度很难控制，并且不能实现它的匀速运动。而且曲 柄滑块机构占用的空间很大，不利于机器人向小型化发展。方案 2：前后筒体的驱动选择齿轮齿条，如下图齿轮齿条机构相对其他的机构来说最大的

8、特点是能够实现匀速运动，同时刚度等条 件容易达到规定的要求。成本也较低，只需要简单的啮合就能实现本设计的要求，而且 占用的空间小，运动稳定。综合以上的方案评价和比较和各类因素，选择方案 2 的齿轮齿条机构作为前后筒体 的驱动机构，运行稳定，结构简单，容易实现，可以实现匀速运动。122轮子或支撑脚的选择方案 1：前后筒体的的支撑采用棘轮机构和轮子。如下图当采用这个方案时，使用棘轮机构实现轮子的单方向的运转，在圆柱形管道中爬行 时，需要中心检测模块来维持机器人的平衡，增加了一个检测模块同时也增加了设计难 度。采用这个方案不能实现蚯蚓式管道机器人在管道中两个方向的运动，只能朝一个方 向运动，一条路走

9、到黑了。如果在管道内有液体，则轮子很容易滑动，机器人会卡死在 管道里边。当轮式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。还有就是采用轮式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。方案 2：前后筒体的支撑运动采用六个撑脚、弹簧、辅助圆柱体、可换球（一系列球）、步进电机和凸轮机构共同实现。如下图：采用方案2可以克服轮式在管道中行走的缺点，由于蚯蚓式管道机器人在管道的定 位和固定是靠六个撑脚的交替运动实现的。凸轮可以使支撑脚以一定的压力压在管道内 壁上，即使管道中有液体，完全不影响蚯蚓

10、式管道机器人的运动。只要支撑脚能够以一 定的压力产生摩擦力克服重力所带来的下滑，则通过这个机构可以使蚯蚓式管道机器人 在倾斜或是垂直的管道中来去自如。通过这个机构容易实现蚯蚓式管道机器人在管道中 前进和后退。综合以上的方案和评价，选择方案2 作为蚯蚓式管道机器人的支撑脚，配合前后筒 体的运动，实现规定的运动。123 总体方案拟订综合 1.2.1 前后筒体的驱动选择和 1.2.2 轮子或支撑脚的选用，特确定了如下的 传动方案：第二章 装配图的设计21 零件图的设计 蚯蚓式管道机器人由前后筒体、中间筒体、齿条、弹簧、可换球、凸轮、辅助圆柱 体、辅助支撑脚等组成。以下逐个说明各个零件的参数，以及在设

11、计中所考虑到的问题， 并画出它们的二维图。211 前/后筒体的零件图及设计零件图如下：前后筒体采用的材料是45钢。在其右边有一个1mm深的槽，是用来与滚珠装配的。 中间的三个螺纹空是用来装配辅助圆柱体的。这里的壁厚选用的是6mm,当壁厚如果小 于5mm的时候，在进行钻孔的时候筒体由于刚度不足容易发生变形，故选用壁厚6mm。在筒体的周围钻了三个螺纹孔，相互之间的角度是120度。选择120度是考虑这个 角度是使得前/后筒体的受力是均匀的，并且能使蚯蚓式管道机器人在管道中稳定的定 位，三个支撑脚发挥着相同的作用。如果选择四个脚，则容易使其中一个支撑脚不能发 挥作用或是不利于机器人在管道中稳定定位，使

12、机器人对中性精度下降。如果选择两个 脚，则蚯蚓式管道机器人在管道中也不能得到稳定的定位 。而螺纹孔的大小是综合考虑了支撑杆的强度和刚度的要求所设计的，当支撑杆的直 径小于4mm时，在承受一定的压力时容易发生弯曲甚至发生断裂。于是选择支撑杆的直 径为4mm，考虑到装配的原因最后选择孔的大小为16mm。212 中间筒体的零件图及设计中间的圆柱体考虑到在里面要安装电动机和减速装置，故将其制造成两分式的，方便安装电动机和减速装置。中间筒体的零件图如下：1下圆柱体的零件图如下：2上圆柱体的零件图如下：这里的上下筒体的设计考虑到了以下的几个问题：1）装配。由于在中间筒体内部要安装电动机和减速装置、齿轮等，

13、故将其做 成是两分式的，方便安装。2）稳定。由于这个蚯蚓式管道机器人的主要的结构是由前后筒体和中间的筒 体组成，而且安装在前后筒体上的六个支撑脚是交替的伸出和收缩的，如 果不安装辅助支撑脚的话，则会使机器人发生向前倾斜，使机器人卡住。 故考虑在中间筒体的下圆柱体上增加螺纹孔，用来安装辅助支撑脚。以下 是对有无辅助支撑脚的两种情况的对比： 图示是无辅助支撑脚的受力简图：通过两个受力简图的对比可知，增加了辅助支撑脚增加了蚯蚓式管道机器人 的稳定性3）在筒体上的滚珠的设计。滚珠的作用会在后面的齿轮齿条的设计中说明。4）壁厚的设计也是考虑到了实际的加工，当壁厚如果小于 5mm 的时候，在进 行钻孔的时候筒体由于刚度不足容易发生变形，故选用壁厚 6.5mm。213 齿轮的设计及参数选择蚯蚓式管道机器人的设计中，齿轮起到的作用有两个：1.传递运动。2.与中间筒体 上的滚珠、辅助支撑脚共同维持前后筒体的稳定，当前/