管内步伐式行走机器人Word格式.docx
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哈尔滨工业大学于1998年研制的水泥砂浆衬里喷涂补口作业机器人样机
（如下图），该机器人采用轮履复合式行走方式，解决了穿越管内凹型障碍的技
术难题，针对水泥砂浆的流变学特性，所设计的螺旋送料装置及离心喷涂装置解决了水泥砂浆的补口难题。
2
图1.2
清华大学于2001年研制出了一种轮式管道检测机器人Pipesbot-I，如下
图所示，该机器人采用全驱动直进式结构，由三个直流电机通过蜗轮蜗杆副，带
动三个径向均布的驱动轮，通过一个剪形弹簧压紧机构使驱动轮撑紧管壁，依靠
摩擦力运动。
设计指标为：
行走速度1km/h，探测长度1km/次，使用管径Ф
140mm-180mm。
图1.3
2机器人总体设计方案
2.1模块化设计理念
2.1.1模块化设计理论基础
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模块化设计是在产品设计和生产不断发展的过程中逐步形成的，是一种设
计方法。
而模块化设计思想却由来已久，其基本思想是以产品（系统）的总功能
为对象，以功能分析为基础，将整个产品分解为若干特定的模块，然后通过模块
的不同组合，可以得到不同产品、不同功能的产品，以满足市场的各种需求。
模块化又称模件化，模块化的定义有很多种，但是按其概念有如下的定义：
由若干具有不同用途（或性能）并可互换的模块，经不同的组合，以满足不同需
要的这种方法称之为模块化。
由此可见模块化应具有四个基本含义：
①必须具有
一定数量的模块；
②应用系统组合原理；
③最终要获得能基本满足各种不同功能
的需要；
④模块化的可分性。
进行模块化设计时，必须首先把产品划分为若干模块，然后以模块为基本单元进行设计。
因此，模块合理划分与否将直接影响产品的性能、外观以及模块通用化的程度和成本。
模块化产品，通常按功能将产品划分为若干单元，并使功能单元独立化，这些单元被称为功能模块，然后由功能棉毛裤系统实现产品的总共能。
2.1.2管内步伐机器人的模块化设计
模块的设计问题是模块化设计的核心问题，因此合理的划分模块并构造模块的结构是模块化设计的关键。
我们依据功能划分的模块化设计方法，将管内步伐式行走机器人划分为加紧模块和传动模块两个主要部分，模块之间除标准化的机械与电气连接接口外，其设计相互独立。
模块化设计的核心思想是将产品进行模块划分后，通过对某些模块进行重新设计或变异设计得到新的产品。
根据此思想，我们可以对管内步伐式行走机器人进行各种变异设计，满足不同使用要求和应用环境要求。
2.2管内步伐式行走机器人的用途及工作原理
2.2.1管内步伐式行走机器人的用途
近年来煤气回收萘不彻底，造成主管道内结萘，管内结萘堵塞管内大部分
面积，严重影响煤气输送，以清除管内萘为目标,研制管内步伐机器人，该机器
人可以完成自动清除结在煤气管道内壁的萘，可实现在管道内双向行走、自动随
管道弯度转向，可在重载条件下使用。
、
2.2.2管内步伐式机器人的工作原理
4
工作原理：
管内步伐式行走机器人的运动模仿人在井筒中四肢扶壁上下运
动的模式。
机器人由镜面对称的两个单元组成,二单元中间由万向节铰链连接,可以自动适应管道弯度转向，当管道有弯道时,后脚踩住管壁向前推进,机器人的前腿机构自动随管道弯度转向不需要专门控制。
机器人的转弯最小曲率半径由机构决定。
所以这种机器人是可以双向运动的自动转弯步伐式管内机器人。
主要工作过程：
图2.1
A、初始状态:
前脚踩在管壁上,后脚在抬起状态前后腿外摆到最大角度.（见
图1.1a）
B、第一前进步:
前后腿同时内摆到最大角度,在腿内摆过程中,前脚踩住管壁
不动,连杆机构拖动身躯和后单元向前移动一步（图1.1a到b）
C、第一次交换支撑脚:
后脚外伸踩住管壁,同时前脚缩回抬起离开管壁,实现
支撑脚转换,在交换支撑脚过程中,机器人没有前后运动。
（图1.1b到c）
D、第二前进步:
前后单元的腿同时外摆到最大角度,在摆腿过程中,后脚踩住
管壁不动,连杆机构拖动身躯和前单元向前移动了第二步.（图1.1c到d）
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E、第二次交换支撑脚:
后脚缩回抬起,前脚伸出踩住管壁,同时前后腿外摆到最大角度恢复到初始位置,机器人没有前后运动。
（图1.1d到a）
2.3管内步伐式行走机构
管内步伐式机器人的机构主要分为3部分，有撑脚机构及其传动、牵引机构及传动、转向机构等。
下面分别介绍3种机构，下图为管内步伐式机器人的机构简图。
图2.2
2.3.1撑脚机构及其传动
撑脚机构的作用是使管道机器人被支承在管道中心线上。
其机构及传动由电
机（16）、小齿轮（15）、齿圈及平面螺纹（14）、滑杆（13）、脚靴（12）组成。
当电机
（16）带动小齿轮（15）和齿圈（14）旋转时，齿圈背面的平面螺纹驱动滑杆（13）在筒
体（10）的径向轨道内外伸推动脚靴踩在管壁上，电机反向旋转时，滑杆内缩带动脚靴径向抬起离开管壁。
脚靴三套在圆周上间隔120°
布置，三套脚靴同步伸缩,
其动作与车床三爪卡盘的动作类同。
三套脚靴伸出踩在管壁上时,使机器人处在
管道的中心线上。
为了使机器人在脚靴缩回时,仍能维持在中心线上,安装4组辅助支承轮（18）,每组三套,在圆周上间隔120°
安装,支承轮通过支承柱（19）、弹簧（20）分别与支架（3）和筒体（10）固连。
当撑脚缩回时支承轮使机器人基本上
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维持在管道中心线上。
当机器人行走过程中支承轮遇到障碍时弹簧被压缩通过障碍。
2.3.2牵引机构及其传动
牵引机构的作用是拖动机器人前进。
牵引机构（见图2）由电机
（1）、螺
杆
（2）、螺母（5）拨销（4）、拨杆（7）和支承杆（9）组成。
当电机
（1）带动螺杆转动时,螺母受拨杆的约束不能转动而沿螺杆轴向移动,固连其上的拨销（4）拨动拨杆（7）顺时针方向转动,由于脚靴（12）锁死在管壁上,支承杆（9）不能向后运动,拨杆
（7）通过销（6）带动支架（3）及其固连在（3）上的套筒（11）在筒体（10）内向前滑动,
同时通过万向节（21）拖动机器人的后单元，此时后单元的脚靴在抬起状态）向前运动,整个机器人前进。
当脚靴（12）处在抬起位置时,拨杆（7）通过支承杆（9）推动筒体在套筒（11）上向万向节方向滑动改变了腿的姿势。
2.3.3转向机构
转向机构的作用是使机器人能随管道的弯曲自动转向通过弯曲管道。
管
道行走机器人由两个镜面对称的单元组成,两个单元的套筒间由万向节（21）连
接,这是一个十字万向节机构,可使前后两单元在任意方向上转动。
当管道弯曲时万向节可自动转向适应弯曲管道,这样机器人通过弯曲管道时无需专门进行检测和控制。
2.4步伐机器人的本体技术要求
机器人设计的目的是靠行走来清除管道内的堵塞物，因此，首要的目标是使机器人能够在较长的管道空间内安全可靠的爬行，在此基础上，进一步的使机器人移动灵活，结构简单，操作方便，满足一定的技术经济性要求。
2.4.1支撑机构的技术要求
根据步伐机器人的运动特点，撑脚机构是主体，所产生的支撑力应能保
证机器人在单步运动中一端锁定在管壁中，使机器人在单步工作中保持稳定。
在
支撑-放松过程中能自如的进行，有一定的机械自锁能力提高安全性。
对撑脚机构的要求是：
能够产生足够大的支撑力；
放松和支撑能够收放自如；
结构简单、轻量化。
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2.4.2传动机构
传动机构应能保证一定的驱动力和传送速度，有较高的工作效率，能够有较
高的传动稳定性。
因此拟采用滚珠丝杆副。
实用滚珠丝杆副有很多有点：
①滚珠丝杆副是一种新型的螺旋传动元件，能够适应高温、低温、无润滑、
水中，技术比较成熟。
②滚珠丝杆副具有高效率和高精度的特点。
③具有高速特性和耐磨损性及运动可逆性等特性，而且无回程间隙。
④构件间的可动联接通常不是借助于运动副本身，而是在丝杠和螺母两构件
间利用中间元件（滚珠）来实现。
⑤轴向高度高，摩擦阻力小，运动平稳。
2.5本章小结
本章主要介绍了机器人的本体结构及技术要求，将机器人模块划分，为下面
具体设计提供依据。
3管内步伐式机器人的有关参数选择
3.1步伐式机器人移动方式的选择
各常用移动方式的优缺点见表1.1
移动方式
优点
缺点
轮式
移动速度快，控制方便，转弯
与壁面接触面积小，越障碍能
容易
力差，易产生打滑。
履带式
与壁面接触面积大，承载能力
履带磨损大，结构复杂，机动
大，移动速度快，对壁面的适
性较差。
应能力强
腿式
越障碍能力强，承载能力大，
结构复杂，移动是间歇的，速
机动性好，具有很强的壁面适
度慢，关节和足数多，控制复
应能力。
杂。
8
蠕动式承载能力大，运动平稳，控制运动速度慢，越障碍能力差
简便，对壁面适应能力比较强
表3.1
我们经过多方案比较，设计了一种步伐式行走结构形式，该结构形式有前后
两段相互独立的主体，主体上的接触脚可伸缩锁死在管壁上，能承受大载荷，适
合在重载中使用。
在行走机器人结构中用步伐式行走具有很多优点，可实现在规
则形状的任意长的管道内运动。
结构简单紧凑、运行平稳，控制简便，还可以根
据使用要求，做各种变形设计，具有较好的经济技术效果。
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3.2机器人驱动方案的选择
目前对于机器人的动力系统有多种不同的选择方案，可以采用电气驱动、液压驱动、气压驱动、机械驱动等不同的方式。
不同的动力系统具有不同的特点，根据不同的工作环境和应用场合，按照具体的要求来选择最合适的动力系统可以达到预定的目标。
下表为不同的驱动方式的性能对照表。
项目
气压驱动
液压驱动
电气驱动
机械驱动
技术要求
较低
较高
最高
动作快慢
较快
较慢
快
慢
速度稳定性
较差
良好
较好
很好
驱动力
中等
最大
较大
环境要求
适应性好
不怕震动
要求高
一般
控制距离
短
长
9
经济性
便宜
较贵
系统结构
简单
复杂
稍复杂
使用维护
稍高
速度调整
很容易
稍困难
困难
表3.2
气压驱动使用压力通常在0.4-0.6Mpa，最高可达1Mpa。
气压驱动的优点是响应速度快，结构简单，控制方便。
气压驱动的缺点是功率质量比少，装置体
积大，同时由于空气的可压缩性使得机器人在任意定位时，位姿精度不高。
气压驱动不可避免的存在漏气的问题和气压装置体积较大，这一点不符合本步伐式机器人的工作空间要求，不适合在本系统中使用。
液压驱动系统用2-15Mpa的油液驱动，体积较气压驱动小，功率质量比大，驱动平稳，液压驱动的缺点是易漏油，这影响工作稳定性和定位精度。
由于有漏油的问题，也不适合在本系统中使用。
电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负
载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。
由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号检测、传递和处理
方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动已经成为最为普遍，应用最多的驱动方式，符合本系统要求。
所以选择电气驱动与机械驱动相结合的方案。
3.3电机类型的选择
在上节中介绍到，电机驱动适合本步伐式机器人，在电动执行机构中，有直流电机、交流电机、步进电机和直接驱动电机等实现旋转运动的电动机，以及实现直线运动的直线电机。
目前在机器人的运动控制中较为常用的电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机，他们的特性、工作原理与控制方式如下表。
电机类型主要特点构造与工作原理控制方式
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接通直流电即可工
由永磁体定子、线圈
作，控制简单；
启动
转子、电刷和转向器
转矩大、体积小、重
转速控制采用电压控
构成。
通过电刷和换
量轻、转速和转矩容
制方式，两者成正比。
直流伺服电机
向器使电流方向随
易控制、效率高；
需
转矩控制采用电流控
转子的转动角度而
要定时维护和更换电
变化，实现连续转
刷，使用寿命短、噪
动。
声大
按结构分为同步和
分为电压控制与频率
没有电刷和换向器，
异步电机。
无刷直流
控制两种方式。
异步
交流伺服电机
无需维护，驱动电路
电机结构与同步电
电机通常采用电压控
复杂，价格高
机相同，特性与直流
制
电机相同。
永磁式是单向励磁，
直接用数字信号控
精度高，但容易失步，
制，与计算机接口简
按产生转矩的方式
反应式是双相励磁，
单，没有电刷，维护
步进电机
可分为：
永磁式。
反
输出转矩大，转子过
方便，寿命长，缺点
映式和混合式
冲小，但效率低，混
是能量转换效率低，
合式是单双相励磁，
易失歩，过载能力弱
分辨率高，运转平稳
表3.3
步进电机作为一种新型的自动控制系统的执行机构，得到越来越广泛的应
用，进入了一些高、精、尖的控制领域。
步进电机虽然有一些不足，如启动频率
过高或负载过大时易出现失步或堵转，停止时转速过高易出现过冲，且一般无过
载能力，往往需要选取有较大转矩的电机来克服惯性力矩。
但步进电机点位控制
性能好，没有累积误差，易于实现开环控制，能够在负载力矩适当的情况下，以
较小的成本与复杂度，实现电机的同步控制。
综合考虑控制要求、成本等多方面
因素，本系统选用步进电机作为驱动电机。
3.4夹紧机构设计
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在管内步伐机器人当中，夹紧机构是保证机器人具有良好的爬坡能力和越障能力的关键。
夹紧机构分为机械式和液压式两种，机械式夹紧机构采用平面螺旋副。
驱动在圆周上均布的三个接触脚压向管壁达到锁紧的目的。
平面螺旋盘的驱动靠电机一凸轮副或电机一轮副驱动。
液压式夹紧机构采用液性介质弹性夹紧机构。
为此我们提出了三种结构方案：
①电机一凸轮副结构方案
图3.4电机--凸轮服结构图
工作原理为：
电机经偏心圆弧凸轮，驱动平面螺旋盘在一定的角度内转动，
再推动接触脚外伸或回缩从而与管道锁紧与放松。
此结构需在平面螺旋盘的背面径向开一个配合凸轮的滑槽。
②液压式夹紧机构
液压式夹紧机构是利用液性介质将压力传递给薄壁弹性套筒，使薄壁套筒产
生均匀的径向变形，与管壁夹紧。
如图所示为液压式夹紧机构。
其工作原理为电机经柱塞驱动液性介质，使基体外圆四周的薄壁发生弹性变形，夹紧管道内壁。
液性介质一般采用液性塑料或油液。
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图3.5液压式夹紧机构
③电机一齿轮副结构方案
图3.6电机--齿轮副结构图
电机经内齿轮副，驱动平面螺旋盘回转。
推动接触脚外伸或回缩，与管道内壁夹紧或放松。
总结：
相比较几种夹紧机构，液压夹紧机构可在管壁的一个环形带上获得较大且均
布的夹紧力。
采用液性塑料介质，单位压力可达300105PA而且还有较高的
定心精度,一般可保证同轴度在0.010.01mm,但是液压夹紧机构夹紧效果但是
不易放松.还有一个不可忽视的问题是油漏，这特性不适合爬行机器人的工作空
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间的要求。
电机一凸轮副虽然可以达到夹紧的功能要求，但是只能在一定的角度
内回转，性能不优越且对制造的要求较高。
齿轮副的传动精度和效率较高，控制
方便。
可产生较大的动力，适应性能好，所以爬行机器人本体的夹紧机构选用电
机一齿轮副夹紧结构。
即方案③
3.5减速结构设计
常用的机械传动装置有带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动等
图3.7
链传动的特点:
①和齿轮传动比较,它可以在两轴中心相距较远的情况下传
递运动和动力;
②能在低速、重载和高温条件下及灰土飞扬的不良环境中工作;
③和带传动比较,它能保证准确的平均传动比,传递功率较大,且作用在轴和轴承上的力较小;
④传递效率较高,一般可达0.95～0.97;
⑤链条的铰链磨损后,使得节距变大造成脱落现象;
⑥安装和维修要求较高.链轮材料一般是结构钢等.
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图3.8
带传动（皮带传动）特点（优点和缺点）:
①结构简单,适用于两轴中心距较大的传动场合;
②传动平稳无噪声,能缓冲、吸振;
③过载时带将会在带轮上打滑,可防止薄弱零部件损坏,起到安全保护作用;
④不能保证精确的传动比.带轮材料一般是铸铁等.
图3.9
齿轮传动的特点:
①能保证瞬时传动比恒定,平稳性较高,传递运动准确可靠;
②传递的功率和速度范围较大;
③结构紧凑、工作可靠,可实现较大的传动比;
④传动效率高,使用寿命长;
⑤齿轮的制造、安装要求较高.齿轮材料一般是铸铁
等.
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图3.10
涡轮蜗杆传动最主要的特点就是具有反向自锁的功能，而且相比其它传动具
有较大的速比，涡轮蜗杆的输入、输出轴不在同一轴线上，甚至不在同一个平面
上。
自身的缺点，那就是涡轮蜗杆的传动效率不够高，精度也不是很高。
3.6本章小结
本章介绍了有关机器人一些参数数据的选择，包括移动方式、驱动方式、及
电动机的选择，对整体方案比较选型给出了依据和要求，确定了动力系统的方案，
选择步进电机作为驱动元件。
4管内步伐式行走机器人的力学分析
4.1机器人脚底对管壁的压紧力（见图2.2）{机器人结构简图}
根据虚位移原理撑脚电机6的有效虚功与脚底虚功相等
16
=3
η1T1△θ=3F1△L1
其中:
T1——电机6的扭矩
F1——单脚在管壁上的压力
——电机的微小转角
——电机6微小转角对应的脚底伸出量
——传动效率
由于
其中，i——电机6到脚的传动比；
P1——平面螺纹的节距。
将机器人参数T1=6kgcm,n1=159,p1=1cm，=0.5代入方程
得F1=8.37kgf
4.2管内步伐式器人的牵引力
根据虚位移原理牵引电机1的有效虚功与牵引虚功相等：
其中，T2——电机1的扭矩；
——电机1的微小转角；
——电机1微小转角对应的螺母3相对于螺杆的移动量；
——传动效率；
L1——摆杆4上臂长度；
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