机器人创新设计.docx

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机器人创新设计

摘要

机器人作为20世纪人类最伟大的发明之一，自60年代初问世以来，经历40余年的发展已取得长足的进步。

工业机器人在经历了诞生——成长一一成熟期后，已成为制造业中不可或缺的重要设备，世界上有约75万台工业机器人正战斗在各条战线上。

机器人技术虽然以工业机器人起步，但近年来随着社会的进步和科学技术的迅猛发展，特别是在微电子技术、信息技术、计算机技术、材料技术等学科迅速发展的支持下，机器人的种类日益繁多，性能不断地改进，工作领域也在不断地扩大。

现代科学技术的迅速发展，尤其是进入80年代以来，机器人技术的进步以及在各个领域的广泛应用，引起了各国专家学者的普遍关注。

许多发达国家均把机器人技术的开发、研究列入高新技术发展计划，机器人的研究领域和开发类型也在逐渐拓宽和增多。

管道机器人作为机器人学的一个重要分支，其研究工作始于20世纪60年代。

近年来，机器人应用从制造领域向非制造领域扩展。

由于这种扩展，机器人在诸如下水道作业、石油管道探测以及一些人类本身所不能进入的特殊环境的作业中，正在发挥越来越大的作用，近年来机器人研究在多方面都已经取得了很大的进展，研究的成果必将成为各行各业提高生产力的强有力的工具。

管道机器人可应用于管道内穿缆、检测等工作,属于特种作业机器人,在国内尚无相关产品投入使用,而国外产品的检测设备、技术价格又相当昂贵。

由于国内经济建设的需要,设计一种实用而又廉价的检测机器人显得尤重要。

检测技术采用流体运动的推动叶轮转动,根据叶轮带动的电机的电压确定流体速度,进而确定管道流量;并且管道机器人受到能源供给的限制,采用流体运动的推动叶轮转动,从而产生电能,供给机器人自用。

正文

要求

一种管内机器人，所述的管内机器人包括定位器、行走机构，其特征是还具有便携式机器人、动力电源、操作盒小车；定位器、行走机构、便携式机器人为模块结构，根据管道的直径选择各规格的模块装配；行走机构的导向轮安装在定位器的前端，压紧轮安装在定位器的后端，动力电源安装在定位器定位电机安装板的上面；便携式机器人由关节型手臂、腰部、行走机构、固化了控制软件的机器人控制器、控制电源组成，机器人肩部和大臂之间由肩关节轴铰链，大臂与小臂之间由肘关节轴铰链，小臂与手部之间由腕关节轴铰链组成关节型手臂，关节型手臂安装在机器人腰部的关节轴上，控制电源安装在机器人腰部内，机器人腰部安装在机器人行走机构的导轨里，机器人行走机构导轨安装在定位器上，单片机系统与机器人肩部、大臂、小臂、手腕机电模块的输入接口电路、输出功率驱动电路的连接；操作盒小车由小车行走机构、小车平板、操作盒组成，操作盒小车与定位器定位电机安装板铰链链接，操作盒安装在小车上，操作盒控制电缆沿小车分别与行走电机、定位电机、电磁铁、机器人控制器连接。

管道机器人是工作于管道内特定空间的智能装备，用来完成管道缺陷检测、防腐涂层的涂敷、异物清除、管内加工等任务．管道内部空间有限、结构环境复杂，能源供给及环境适应性是机器人长距离行走的瓶颈。

为了保证机器人能够长距离巡线，要求管道机器人具备如下性能：

①环境适应性好，②驱动效率高，③结构紧凑，功率体积比大，④移动速度快．

课题研究目的及意义

石油化工工业是一个国家经济发展的重要支柱性基础产业，石油和人们的生活密不可分，石油化工产品更是应用于人们生活的各个领域。

在这些产品的生产过程中，需用到各式各样的管束设备如：

反应釜、散热器、冷却器等，由于工艺原因，这些设备在经过一段时间的使用之后会发生管道堵塞现象，需要及时清理。

如在反应釜中，为了加快化学反应速度，提高生产效率，通常在所有管道内装入催化剂，这些催化剂用上一段时间之后就会失效，就必须重新更换新的催化剂。

但是目前国内大都采用最原始的靠人工用铁丝从下往上捅的办法，由于这些设备管道多、管径小、管道长，加之方法原始，这就导致工作效率低，清洗成本大，难于满足生产的需要。

另外，由于工人是在室内工作，操作过程中产生的汗液、唾液等都将生成酸性物质，对人体伤害极大。

鉴于如此难题，厂家迫切需要一种自动化机械产品的出现，来解决目前的难题。

本实用新型涉及一种管内机器人，目前，对输送石油天然气、化工介质的管道，在管道安装时，为保证管道的焊接质量，只能采用结构复杂，价格昂贵的国外“自动根焊机”焊接焊缝底层；在管道使用时，不能采用行之有效的作业方法，对管道内壁进行维护保养，形成了安全隐患。

针对这种状况，开发的管内机器人由便携式机器人、定位器、行走机构、操作盒小车、动力电源组成，能在输送液体、原油、天然气、化工介质的管道内进行自动焊接、维护保养等生产作业，在水利电力、石油化工企业中有着实质性的使用价值。

管道机器人三视图

管道机器人本体结构

管道机器人自适应管径调节机构结构图

移动机构结构图

功能分析

这是我设计的的三驱动电机移动载体的结构简图，它的两端各有三个支撑臂在弹簧的支撑力下产生封闭力，因而具备管内行走的基本条件。

但不是所有电机都固定在机器人的本体上，而是三个电机M1,M2和M3分别固定在三个支撑臂上，电机通过涡轮蜗杆直接驱动驱动轮，这种驱动方式有很多有点：

一·

三个电机分别驱动三个驱动轮，使之有具有差动功能，在管道内有一定曲率或出现凹凸不平的恶劣环境时，三个驱动轮不会产生相同的“能耗”现象。

而是三个驱动轮随着各自的路径不同而调整转速以适应管内各种条件

二·

三个电机输出力矩具有叠加性，即三台电机共同承担负载

三·

该驱动方式具有差动功能，因此偏心不会引起驱动轮内部的干涉。

以上3个优点使移动载体行走平稳，驱动力大，均匀，适合在弯管和管内壁恶劣及重载条件下使用。

选用适当的驱动电机，是机器人本体设计的关键，由于机器人设计要求结构紧凑、重量轻、运动特性好，因此在同样的功率情况下，要求选择的电机重量轻、外形尺寸小。

电机的选择，首先需要通过动力学计算得到各轴所需的传动转矩，除以减速器的减速比，再考虑传动机构的效率和各轴所需的转速，估算出所需的电机功率；然后根据估算的电机功率预选电机，要求预选电机的额定功率大于（尽量接近）或等于估算的电机功率；最后校核预选电机的过载能力，如果符合要求，则确定选用的电机，否则需要重新预选和校核电机。

通过对单电机，双电机和三电机驱动移动载体的分析比较，可知单电机驱动适合于大管径直管的应用条件：

双电机驱动适合于中小管径长距离的应用条件。

三电机驱动适合于大管径重载和管道直线度状况不良及管内凸凹不平条件下使用。

对多电机的机电动力学研究表明：

多电机驱动移动载体的驱动力矩叠加性有利地提高了移动载体的驱动性能，从而提高了机器人作业的可靠性。

实验和应用中证明多电机驱动是提高越障能力和稳定性的有效途径。

从整体上来看，机电系统的闭环结果使移动载体具有恒速的功能。

对某一驱动轮的驱动电机而言，由于管内障碍约束，该受阻驱动轮驱动力矩的自身负反馈调整作用使该驱动轮驱动力矩增加，提高了机器人的越障能力和可靠性。

采用多电机全主动轮式驱动轮结构形式，结合弹性轮腿式结构克服弯管障碍，但是其差动品质取决于管道环境拓扑参数的辨识精度与控制算法的实时性，而且导航策略

也要求精确建立管道机器人系统的数学模型。

本文提出了一种新型的差动式管道机器人，其驱动单元可根据环境拓扑约束自主进行差速运动，能够适应管径为~b275mm～6300mm管道。

管道机器人三轴差动式驱动单元是一个复杂的多体动力学系统，利用虚拟样机技术预测其差速特性与力学特性可解决如下基本问题：

①驱动单元是否按照理论分析进行差速；②预测驱动单元与管壁的接触状态，检验其拖动力是否足够大；③驱动单元的三轴差速机构与管径适应机构的设计是否合理．图为管道机器人三轴差动式驱动单元虚拟样机，驱动单元前后行走轮中心距L=255mm，行走轮直径d=62film，管道内径为D=297mFfl，弯管曲率半径R=1200mm，姿态角=0。

，驱动电机输出转速=no=60r／rain，弹簧预紧力F。

=450mil1．通过ADAMS软件对驱动单元进行了多体动力学仿真，仿真结果如图所示，获得了驱动单元前后驱动轮组轮心的速度响应、接触正压力及弹簧作用力变化规律．得到了如下结论：

①驱动单元在直管阶段，各行走轮转速相同，与

理论分析相符；

②驱动单元在直管阶段与弯管阶段，前后驱动

轮组同相位的前后驱动轮轮心速度相等，运动方式

为纯滚动，无寄生功率产生，与理论分析相符；

③在弯管阶段，有一个驱动轮会出现瞬时的接

触不良，但由于前、后轮同时驱动，能够保证足够的

拖动力；

④驱动单元在通过弯管时，其行走机构为适应

管道环境，发生径向收缩．

驱动单元各行走轮轮心速度

驱动单元的预紧弹簧作用力

方案评价及确定

三驱动电机管内机器人设计要求对电机要求比较高，体积较大，不宜在较小管道内实行机械运动，在移动过程中，可能会出现卡死现象。

但总体来说，三驱动电机管内机器人他的灵活性高，在机器人本体上可以自由安装所需的探测器，电动清洁刷等等。

还有一种方案就是采用螺旋方式移动的管道机器人，如图所示

采用滚珠丝杆螺母副调节方式，当管径范围变化大时，滚珠丝杆上所需的最大扭矩一般都很小，目前一般电动机可以提供，这种方式在空间布置上比较简单。

但它灵活性不够在管径有一定曲率时无法有效拐弯，也容易卡死。

综上所诉，我觉得还是三驱动电机管内机器人更好一点，不但可以自由调节管内机器人所需要的真正功能，而且在有一定曲率时也能很好的转弯。

根据三轴差速机构原理，研制成功了如图所示的管道机器人三轴差动式驱动单元的样机．经实验验证，该驱动单元随管道环境自适应调整各驱动轮组的速度，无寄生功率产生，所建立的机械差动式自适应理论体系正确，为管道机器人的自适应驱动奠定了基础．

参考文献

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