浙江省机械设计大赛经典方案之二

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1、管道探测机器人理论设计方案具有机器视觉、嗅觉功能的管道探测机器人理论设计方案一、背景随着微机械的发展和生产的实际需要,小口径管道机器人的研制和开发越来越受到人们的关注。在核动力工厂、石油化工厂、热力交换站等处存在着大量直径约在20～30mm的管道,这些管道长期使用后可能存在腐蚀或机械损伤，会引起裂缝,酿成严重的事故。因此这些管道的探伤、维护和维修十分需要细小口径管道机器人。目前,在大管道内行走的机器人在国内外均有开发,有的已进入了实用化阶段,但对于微小管道机器人的开发和研究则刚刚起步。国外在微小管

2、道机器人的研究的方面虽有进展,但在许多方面还存在不同程度的局限，且资金投入较大。就国内而言，还有待于微制造技术的发展,使微小零件产品化,市场化;同时在现有传统加工的基础上,尽可能的简化传动机构,缩小结构尺寸。二、原理方案的构思和拟定基于上述现实情况，结合现有技术、时间、和费用的考虑，我们采用了一种新颖的微小管道探测机器人的设计方案——基于螺旋轮驱动移动机构的具有机器视觉和嗅觉功能的管道探测机器人。按照我们的理解，机器人设计、制作的难点在于管内移动机构，只有先解决这一问题，才能在此基础上实现各种仿生

3、或实际应用上的功能。我们分析认为：管内移动机构要有（1）较大的承载能力（对于直立管道内的移动机构尤为如此）；(2)较高和均匀的移动速度；(3)适应一定曲率的弯曲管道；(4)适应由于管道弯曲或管内障碍物而引起的管径变化。由于空间窄小，传统的机器人移动技术（车轮、履带、步行机构）很难直接应用到微细管道内，因此需要研究新的机构形式。我们在制定初步方案的讨论过程中曾提出如图（1）所示的电磁铁与弹簧搭配的驱动机构，它虽然在保证磁路设计原则下,能够做到体积小巧,重量轻,在管内运动灵活等,但移动速度与承载能力很

4、有限，在进行水平方向的后退移动和竖直方向移动时，可能会有困难。13管道探测机器人理论设计方案图（1）类似的，我们也曾考虑过多单元蠕动式的移动机构，虽然转弯能力很强，但进行竖直方向移动难度太大，且驱动能力受接触介面的摩擦力、粘附力大小及分布影响很大。最后，我们采用螺旋轮驱动移动机构，它能够较好的满足机器人在水平、竖直、弯曲管道移动时的驱动要求。三、机械部分原理方案说明（一）、机械设计方案说明螺旋轮移动机构的主要部分为：驱动机构、万向节、减速电机和保持机构。如图（2）所示。驱动机构万向节保持机构直流减

5、速电机图（2）1、驱动机构：如图（3）给出了驱动机构的示意图，其中阴影部分为内部结构剖示图。具体结构见附录零件结构图。驱动轮均匀分布于轮架上，轮杆以螺纹旋入轮架中，并且轮杆距边缘1mm处开一腰槽，轮轴置于此槽中，轮轴两端各连接一个轮子，轮杆内攻螺纹至腰槽边缘，弹簧置于其中，并以禁锢螺钉禁锢，这样可以使驱动轮沿轮架径向有一定的伸缩量，以保证驱动轮跨越管壁13管道探测机器人理论设计方案上的障碍物，以及在转弯时平衡三驱动轮的不均等受力，同时驱动轮与管壁呈一定的倾斜角θ。当电机通电时，电机轴带动轮架转动，

6、使驱动轮沿管壁作螺旋运动。因此，随着电机的转动，驱动机构作螺旋运动，保持机构沿管道中心轴线移动。改变施加于电机的电流极性，可改变机器人的移动方向，从而使机器人在管内进退自如。图（3）1、万向节：如图（4）所示为万向节的原理示意图，具体结构见附录原器件结构图。我们选用十字万向节，十字轴式万向节为汽车上广泛使用的不等速万向节，允许相邻两轴的最大交角为15゜～20゜。该万向节具有结构简单，传动效率高的优点，但在两轴夹角α不为零的情况下，不能传递等角速转动。我们分别在驱动机构与减速电机之间，以及减速电机与

7、支持机构之间用十字万向节连接，辅助机器人在弯管内移动。图（4）13管道探测机器人理论设计方案3、减速电机：我们选用微型直流减速电机，若以直径为50mm的微管为例，其中直流电机的外形尺寸见附录原器件结构图，尤其注意电机和减速器的总长不宜太长，不然机器人的弯管能力将大大降低。我们根据试验的具体情况，兼顾电机的结构与性能，选购了一款合适的微型直流减速电机。我们选定的微型直流电机的型号为CF1S-2075。其技术参数如下表：型号电压空载最大效率下制动Range工作范围额定电压转速电流转速电流力矩功率效率力

8、矩电流rpmArpmAg.cmW%g.cmACF1S-207512-15V12V700.22700.7911.61.2251.25603.34、保持机构结构上与驱动机构相似，但其运动方向是沿管道中心轴线移动的。如图（5）所示。图（5）13管道探测机器人理论设计方案总体看来，整个机器人被两个十字万向节分成为了三个部分，即，电机转子与驱动轮部分，减速电机部分，电机定子与保持轮部分。三部分设计较之两部分设计更有利于机器人在弯管处顺利通过。为了保证机器人的动力以及尽量减少机器人的体积，我们