Φ700mmΦ1000mm管道机器人设计伸缩机构和机身设计.docx
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Φ700mmΦ1000mm管道机器人设计伸缩机构和机身设计
毕业设计（论文）
Φ700mm-Φ1000mm管道机器人设计—
伸缩机构和机身设计
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摘要
随着机器人技术的飞速发展，工业机器人的应用领域正在不断的扩大，对应用需求提出了新的要求，为提高机器人应用的水平，我们研制了一套以管道清灰为目的的机器人系统。
本文阐述了机器人的发展历程，国内外的应用现状，及其巨大的优越性，提出具体的机器人设计要求，进行了本演示系统的总体方案设计和各自由度具体结构设计、计算；最后设计伸缩机构和机身设计。
关键字：
管道机器人、结构设计、清灰、机械结构
Abstract
Withtherapiddevelopmentofthetechnologyoftheindustrialrobot,robotapplicationfieldisconstantlyexpanding,toapplicationdemandputforwardnewdemands,inordertoimprovetheapplicationlevel,wedevelopedasetofinpipeclearingashrobotsystemforthepurposeof.
Thispaperdescribesthedevelopmentofrobot,applicationstatusathomeandabroad,anditsgreatsuperiority,putsforwardthespecificrobotdesignrequirements,forthedemonstrationoftheoverallschemeofthesystemdesignandthevariousdegreesoffreedomspecificstructuredesign,finaldesigncalculation;telescopicmechanismandmachinedesign.
KeyWords:
Pipelinerobot,structuredesign,cleaning,mechanicalstructure
第1章绪论
1.1机器人概述
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。
化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。
但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。
专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。
但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。
机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。
“工业机器人”（IndustrialRobot）：
多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。
机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。
机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。
目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。
简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。
机器人一般分为三类。
第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。
它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。
它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。
它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。
工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。
第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。
这种机器人在国外通常被称之为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动。
除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。
要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。
这些系统的性能就决定了机器人的性能。
一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图1-1所示。
图1-1机器人的一般组成
对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。
目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。
机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。
要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。
它们之间的相互关系如图1-2所示。
图1-2机器人各组成部分之间的关系
机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。
执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。
驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。
驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。
有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。
其中的机械系统又叫操作机（Manipulator），相当于本文中的执行机构部分。
1.2机器人的历史、现状
机器人首先是从美国开始研制的。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。
它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。
日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。
自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。
目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代机器人正在加紧研制。
它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。
研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。
第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。
它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）和柔性制造单元FMC（FlexibleManufacturingCell）中的重要一环。
随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。
国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。
目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。
使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。
在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。
目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。
如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。
随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。
制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。
计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。
研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。
然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。
修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。
解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。
美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：
（1）1963-1967年为试验定型阶段。
1963-1966年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。
1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。
（2）1968-1970年为实际应用阶段。
这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。
（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。
1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。
1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。
据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：
森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。
又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。
麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。
其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。
就日本来说，1967年，日本丰田织机公司引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。
通过引进技术、仿制、改造创新。
很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。
经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。
我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5-6年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。
目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。
1.3机器人发展趋势
随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。
就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势：
a）提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；
b）开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；
c）研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。
并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。
1.4本课题研究的内容与要求
在工农业生产及日常生活中，管道作为一种重要的物料输送手段，其应用范围日益广泛，数量也不断增多。
管道在使用过程中，由于各种因素的影响，会形成各种各样的管道堵塞与管道故障和损伤。
如果不及时对管道检测、维修及清洗就可能会产生事故，形成不必要的损失和浪费。
然而，管道所处的环境往往是人们不易直接达到或不允许人们直接进入的，检修及清洗难度很大。
因此最有效的方法之一就是利用管道机器人来实现管道内的在线检测、维修和清洗。
1、适应变直径管道清洁机器人工作环境
1）管道为金属冶炼厂烟气输送通道，管道为圆管，管道直径为Φ700mm-Φ1000mm,管道底部每周可形成厚约100mm的烟灰堆积层；
2）烟灰密度3.5g/cm3;
3）管道中有水平、小于30°倾斜、3倍管道直径弯曲三种形式；
4）管道底部每隔50m有一可自动打开的清洁口，供机器人倾倒垃圾。
2、机器人工作要求
1）机器人必须小巧、灵活、拆卸方便，
2）生产能力高，机器人行走速度约1m/s；
3）机器人在工作过程中，其结构可适应不同管径的变化情况；
4）机器人自动化程度高，控制方便灵活。
3、设计任务及要求
1）机器人总体设计；
2）伸缩机构和机身的设计；（其中CAD绘图1×A1，其余均为手工绘图）
3）设计说明书不少于8千字。
第2章机器人总体方案设计
2.1总体设计的思路
设计机器人大体上可分为两个阶段：
一、系统分析阶段
1、根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务。
2、分析机器人所在系统的工作环境。
3、根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。
如机器人的自由度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、所能抓取的重量、容许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。
二、技术设计阶段
1、根据系统的要求的自由度和允许的空间空做范围，选择机器人的坐标形式
2、拟订机器人的运动路线和空间作业图。
3、确定驱动系统的类型。
4、拟订控制系统的控制原理图。
5、选择个部件的具体集体够，进行机器人总装图的设计。
6、绘制机器人的零件图，并确定尺寸。
下面结合本演示系统的基本要求和设计的基本原则确定本系统的方案。
2.1设计方案过程及特点
2.1.1管道机器人的工作环境
a．管道为金属冶炼厂烟气输送管道，管道为圆管，管道直径为φ700mm--φ1000mm，管道底部每周可形成厚约100mm的烟灰堆积层；
b．烟灰密度3.5g/cm3；
c．管道中有水平、小于30。
倾斜，3倍管道直径弯曲三种形式；
d．管道底部每隔50m有一可自动打开的清洁，供机器人倾倒垃圾；
2.1.2管道机器人的技术要求
a.机器人必须小巧、灵活、拆卸方便；
b．生产能力高，每小时清洁能力应在40m左右；
c．机器人在工作过程中，其结构可适应应不同管径的变化情况；
d．机器人自动化程度高，控制方便灵活；
2.2总体结构的设计和比较
2.2.1行走机构的设计
根据国内外的管道机器人的移动方式大致可分为六种：
㈠活塞移动方式㈡滚轮移动方式㈢履带移动方式
㈣足腿移动方式㈤蠕动移动方式㈥螺旋移动方式
其各有优缺点。
以下分别介绍。
㈠活塞移动式依靠其首尾两端管内流体形成的压差为驱动力，随着管内流
多轮方式时牵引力随轮数增加而增加。
缺点是着地面积小，维持一定的附着力较困难，这使得结构复杂，越障能力有限。
㈢履带移动式的优点是着地面积大，易产生较大的附着力，对路面的适应性强，牵引性能好，越障能力强。
缺点是体积大不易小型化，拐弯半径大，结构复杂，还要保持履带的张紧。
㈣足腿移动式的优点是对粗糙路面适应性能较好，越障能力极强，可适应不同管径的变化。
缺点是结构和控制复杂，行走速度慢。
㈤蠕动移动式的优点是适应微小管径，越障能力强。
缺点是移动速度慢，
控制复杂。
㈥螺旋移动式的优点是有一定的越障能力，可适应不同管径的变化，可在垂直管道中行进。
缺点是结构复杂，移动速度慢，驱动力要求高。
根据设计参数和技术要求，所要研制的管道机器人必须要有高可靠性，高效率。
所以采用上述行走机构的移动方式的组合来实现行走，这样可利用其综合优点避免单一移动方式的缺点。
由于管道存在不同的弯管，这就要求机器人的行走机构有一定的拐弯能力和越障能力。
所以，设计了一种如下页图所示的可伸缩的三只履带腿式（三只腿成120°分布）组合行走机构。
其特点是：
移动速度快、转弯比较容易、有较大牵引力、对粗糙路面适应
性好、越障能力强；同时，可伸缩性使得机器人对变径管道有较好的自适应性。
2.2.2操作机构的设计
根据管道机器人的操作对象是一些堆积的灰尘，并且灰尘在管道底部堆积，同时成疏松状，所以操作机构有以下两种方案：
1借鉴挖掘机的工作原理。
利用铲斗铲起灰尘，然后行走到管道底部的垃圾开口，倾倒灰尘。
这种方案简单，可靠；但是由于管道直径的限制，其铲斗的容积比较小，同时垃圾开口每隔50m才有一个开口，其大部分时间都在行走上，所以机器人的工作效率很低。
②借鉴吸尘器的工作原理。
利用带有操作臂的吸尘器的吸头，灰尘通过
吸尘管道到主体内部，设计箱体的容积比较大，最后，移动到垃圾开口处倾倒垃圾，从而减少在往返的次数来提高工作效率。
所以才用具有两个自由度的机械臂，臂末端附上吸尘器头，臂上附上塑料软管，软管最终以主体的垃圾箱密封连接。
2.2.3撑开机构的设计
由于管径的变化，需要撑开机构来适应管径的变化。
在本机器人设计中，采用滚珠丝杠螺母副来和放大杆组来实现。
其机构简图如下图所示：
1—基座2—放大杆组3—撑开杆
4—丝杠5—丝杠螺母6—行走机构
1—基座
2—放大杆组
3—撑开杆
4—丝杠
5—丝杠螺母
6—行走机构
当丝杠4旋转时，丝杠螺母5在丝杠上左右移动，从而拉动撑开杆3，撑开杆3铰接在放大杆组2上，从而改变其倾角来适应管径的变化。
（4）最终方案的确定
根据以上的分析和比较，最后得出最终方案。
设计的管道清洁机器人包括以下五部分：
㈠行走装置（为整个行走提供动力）；
㈡撑开杆组（适应管径的变化）；
㈢操作臂装置（操作臂包括吸尘器的操作部分和倾倒垃圾部分）；
㈣信号采集装置（为控制提供信号和图像）；
㈤控制装置（控制管道清洁机器人行走和动作）。
第3章伸缩机构和机身设计和计算
3.1管道机器人工作量计算
由于管道直径是变化的，变化范围为（700mm—1000mm），通过计算当管道直径为1000mm时，且堆积相对底部为100mm,如图下图所示；每50m最大的工作量Gmax：
其中h=100mm，d=1000mm；
R=d/2=1000/2=500mm；
a=R-h=500-100=400mm；
mm
由于每隔50m才有一开口，所以总的工作量：
4.079
又因为烟灰的密度为3.5g/cm3，
h=100mm
d=1000mm
R=500mm
3.2伸缩机构设计计算
其中该部分主要包括撑开机构和放大杆组的设计
撑开机构采用丝杠螺母和放大杆组的结合，来适应管径的变化。
通过作图法来模拟最小（图a）、最大管径（图b）时的情况（在CAD中，按比例1：
1）如下图所示：
（图a）
5.625
105mm
图（b）
最后量出各杆件的长度：
撑开杆杆长：
。
放大杆杆长：
（由于在其之上安装了压力弹簧，其实际杆长为330—380mm）。
铰接处的位置：
在放大杆组90mm处。
3.3操作臂的设计
操作臂包括吸尘器的操作臂和拉开卸料门的杆件机构。
⑴吸尘器操作臂的设计
由于管道的管径是变化的，同时灰尘主要分布在管道底部，所以要求操作臂要能够适应管径的变化，不仅要在最小管径是能工作，也要在管径最大是也能正常的工作。
根据这些要求，设计了具有两个平面自由度的杆件机构来实现。
其结构如下页图（c）所示：
图（c）
其各个杆件的参数见零件图。
其驱动电机采用Maxon的直流伺服电机。
功
率为120W。
⑵卸料门的拉开杆件的设计
当垃圾箱装满时，重量能达到1470.6N，同时电机的驱动功率120W，驱动力较小；所以，在设计时采用“死点”的结构来实现卸料门的开合。
工作原理：
当卸料门闭合式，连杆处于死点位置即位置1，这是无论在卸料门上施加多大的力，卸料门也不会打开；当灰尘装满时，驱动电机通电，让连杆
转动，从而破坏死点的状态，在灰尘的重力和连杆的拉力下，卸料门打开即位置2。
当灰尘倾倒完后，连杆
逆向转动，推动连杆
向上移动从而使卸料门闭合，从而回到位置1。
其结构简图见图（d）所示：
图（d）
各个杆件的长度，根据具体的结构尺寸，采用作图法计算出杆件的长度。
其尺寸参数如下：
连杆
：
=70mm
连杆
：
=150mm
连杆
：
=120mm
=70mm
=150mm
=120mm
第4章控制系统的设计
4.1控制系统模式的选择
构建机器人平台的核心是建立机器人的控制系统。
首先需要选择和硬件平台，控制系统硬件平台对于系统的开放性、实现方式和开发工作量有很大的影响。
一般常用的控制系统硬件平台应满足：
硬件系统基于标准总线机构，具有可伸缩性；硬件结构具有必要的实时计算能力；硬件系统模块化，便于添加或更改各种接口、传感器和特殊计算机等；低成本。
到目前为止，一般机器人控制系统的硬件平台可以大致分为两类：
基于VME总线（VersamodelEurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工业开放标准总线）的系统和基于PC总线的系统。
近年来，随着PC机性能的快速发展，可靠性大为提高，价格却大幅度降低，以PC机为核心的控制系统已广泛被机器人控制领域所接受。
基于PC机控制系统一般包括单PC控制模式，PC+PC的控制模式，PC+分布式控制器的控制模式，PC+DSP运动控制卡的控制模式，PC+数据采集卡的控制模式，由于基于采集卡的控制方式灵活，成本低廉，有利于本文设计中的废物利用，在程序和算法上可以自主编制各类算法，适合本课题研究的需要。
因此本文选定PC+数据采集卡的控制方式。
4.2控制系统的搭建
图4.1控制系统框图
4.2.1工控机
在此选用研华工业控制机,主频233MHz,内存128兆，32位数据总线。
底板有9个ISA插槽，4个PCI插槽，带VGA显示器。
其性能价格比优越，兼容性好，有利于软硬件维护和升级。
与普通个人计算机相比工业控制PC机有以下优点：
·芯片筛选要比一般个人计算机严格；
·芯片驱动能力较强；
·整机内部结构属于工业加强型，具有较强的防震和抗干扰性能；
·对环境（如温度、湿度、灰尘等）的要求要比一般计算机低得多。
4.2.2数据采集卡
在本设计中我们主要用到研华公司的PCL812PG和PCL726，其参数如下。
PCL-812PG
主要特点：
·16路单端12位模拟量输入
·2路12位模拟量输出
·采样速率可编程，最快达30KHz
·带DMA或中断的A/D
·16路数字量输出
PCL-726
主要特点：
·6路独立D/A输出
·12位分辨率双缓冲D/A转换器
·16路数字量输入及16路数字量输出
·多种电压范围：
+/-10V，+/-5V，0—+5V，0—+10V和4—20mA电流环。
4.2.3伺服放大器
在驱动系统设计过程中，主要是对伺服电机的驱动，本文中利用报废
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