管道清灰机器人设计

目录
1. 绪论 (1)
1.1机器人的发展综述 (1)
1.1.1 机器人定义 (1)
1.1.2 我国科学家对机器人的定义 (1)
1.1.3 机器人发展简史 (2)
1.2管道机器人概述 (4)
1.2.1 国外管道机器人发展现状 (4)
1.2.2 国内管道机器人发展现状 (4)
1.3管道清灰机器人系统概述 (5)
1.3.1 管道清灰机器人驱动方式 (5)
1.3.2 管道清灰机器人操作臂设计要求 (6)
1.3.3 管道清灰机器人行走机构设计 (6)
1.3.4 管道清灰机器人系统组成 (7)
2.管道清灰机器人本体结构的设计和三维模型的建立 (8)
2.1P RO/E NGINEER软件的介绍 (8)
2.1.1 Pro/E的系统特征 (8)
2.1.2 Pro/Engineer主要模块介绍 (9)
2.2管道清灰机器人本体结构三维模型的建立 (11)
3. 管道清灰机器人运动学分析 (23)
3.1机器人操作臂类型选择 (23)
3.2铲斗转角差及卸载角分析 (25)
3.3机器人操作臂自由度 (26)
3.4操作臂死点分析 (26)
4. 管道机器人运动机构仿真 (29)
4.1铲斗铲灰 (29)
4.2 铲斗举升 (31)
4.3 铲斗旋转 (32)
结论 (34)
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参考文献 . (34)
1. 绪论
1.1 机器人的发展综述
1.1.1 机器人定义
在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明确的定义，但机器人问世已有几十年，机器人的定义仍然仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。

原因之一是机器人还在发展，新的机型，新的功能不断涌现。

机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。

就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。

也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。

机器人主要类型：
操作型机器人：能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。

程控型机器人：按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。

示教再现型机器人：通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。

数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。

感觉控制型机器人：利用传感器获取的信息控制机器人的动作。

适应控制型机器人：机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。

学习控制型机器人：机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。

智能机器人：以人工智能决定其行动的机器人。

1.1.2 我国科学家对机器人的定义
我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。

在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。

随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。

结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。

对不同任务和特殊环境的
适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。

这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。

中国工程院院长宋健指出：“机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化”。

机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，它在人类生活应用领域的不断扩大正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。

我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。

所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。

而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。

在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。

目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。

1.1.3 机器人发展简史
（引自《环球科学》2007年第二期）
1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。

1939年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。

它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。

但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。

1942年美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。

虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。

1948年诺伯特·维纳出版《控制论》，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。

1954年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。

这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。

1956年在达特茅斯会议上，马文·明斯基提出了他对智能机器的看法：智能机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。

这个
定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。

1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。

随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。

由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。

1962年美国AMF公司生产出“VERSTRAN”(意思是万能搬运),与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。

1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。

人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。

1965年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。

Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。

20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。

美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。

1968年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。

它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。

Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。

1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。

加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。

日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。

1973年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。

1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。

PUMA至今仍然工作在工厂第一线。

1984年英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。

同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。

1998年丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。

1999年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。

2002年丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。

Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。

2006年 6月，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。

1.2 管道机器人概述
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。

管道工程在国民经济许多行业中如石化、天然气、核工业、给排水、管道输送等行业起着极其重要的作用。

管道在使用过程中，由于各种外界因素的影响，会形成各种各样的管道故障与管道损伤。

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。

管内机器人是一种可沿管道自动行走，携有一种或多种传感器件和作业机构，在遥控操作或计算机控制下能在极其恶劣的环境中进行一系列管道作业的机电一体化系统。

1.2.1 国外管道机器人发展现状
对较长距离管道的直接检测、清理技术的研究始于本世纪50年代美、英、法、德、日等国，受当时的技术水平的限制，主要成果是无动力的管内检测清理设备一PIG，由于PIG本身没有行走能力，其移动速度、检测区域均不易控制，所以不能算作管内机器人。

70年代以后，石油、化工、天然气及核工业的发展为管道机器人的应用提供了广阔而诱人的前景，而机器人学、计算机、传感器等理论和技术的发展，也为管内和管外自主移动机器人的研究和应用提供了技术保证。

日、美、法、德等国在此方面作了大量研究工作，其中日本从事管道机器人研究的人员最多，成果也最多。

1.2.2 国内管道机器人发展现状
我国管内移动机器人技术的研究己有十几年的历史，中国科学院沈阳自动化研究所、上海交通大学、大庆石油管理局、胜利油田、中原油田等单位都进行了这方面的研究工作。

国内有关单位也对“管内作业装置”等问题进行了多项内容的研究与开发，作出类
具有一定意义的工作，它们是：
(1)上海交通大学的“管内移动装置行走机构研究”。

(2)中原油田研制的适用于φ529mm- φ630mm埋地钢质管道的内环焊缝区域喷涂常温固化液态涂料的补口机。

(3)大庆油建科研所和吉林省模具厂联合研制的小口径管道(D=114mm)补口机。

(4)中科院研发用于400*400mm和500mm*500mm空调通风管道中的清洁机器人，具有在管道中行走、对管道内污染情况进行观察和对污染物进行清洁的功能。

经过多年的研究与开发，国内外已经在管内作业机器人领域取得了大量的成果，但是，距大规模实用化还用一定的差距。

总体看来，我国管内机器人的研制和应用己经有了一定了基础，但仍处于起步阶段。

1.3 管道清灰机器人系统概述
管道机器人是一种可沿管道自动行走，携有一种或多种传感器件和作业机构，在遥控操作或计算机控制下在极其恶劣的环境中进行一系列管道作业的机电一体化系统。

目前国内外关于管道机器人的研究很多，大多是管道监测维修，适应于φ200mm以下、φ400-600mm以及微型管道等管径。

关于管道清洁机器人，中科院研发了用于φ400mm 和φ500mm的空调通风管道中的清洁机器人。

而本文根据金属冶炼厂烟气管道内特殊环境和清灰技术要求开发了一种适应于金属冶炼厂。

φ700-φ1000mm的烟气输送管道烟灰堆积层清理的管道清灰机器人。

管道清灰机器人工作要求及性能指标：
1)管道分为水平、小于30度倾斜、3.4倍管道直径弯曲三种形式，要求能行走自如；
2)机器人必须小巧、灵活、拆卸方便，可自由通过φ600入口；
3)自动化程度高，生产能力高，每小时清理能力应在50米左右；
4)机器人应有管道监视系统；
5)可附加焊缝检测、壁厚检测模块；
6)烟灰密度3.5g/cm3。

1.3.1 管道清灰机器人驱动方式
由于管道清灰机器人工作空间狭窄，专用机器人在结构上必须小巧、灵活、拆装方便，所以机器人在结构上要注重运动传递部件、运动定位导向部件和运动部件壳体的一体化设计。

管道清灰机器人本体结构由移动装置和操作臂组成。

管道机器人经过简化，可认为是以机械手安装在移动装置上。

机械手具有两个自由度，手抓末端安装着末端操
作器—铲斗，可实现抬升和旋转两个运动。

根据液压驱动具有以下特点，机械手采用液压式驱动方式。

①驱动力或驱动力矩大，即功率重量比大，响应速度快，重复精度高，压力可达20-3 0Mpa(机器人多用0.6-0.7Mpa)。

②液压缸可直接用作机器人关节的一部分，实现直接驱动，结构简单紧凑。

③速度调节方便易控，可实现平稳的无极调速和换向。

容易实现自动化。

④液压系统可实现自我润滑，过载保护方便，使用寿命长。

1.3.2 管道清灰机器人操作臂设计要求
管道清灰机器人完成在管道内对砂状沉积物的铲掘、清理，对物料进行装、运、卸及牵引作业。

该机器人的铲掘作业和装卸物料的作业都是通过操作臂来完成的，因此操作臂的设计要达到下列要求:
i.应使铲斗在地面的铲掘位置能产生较大的铲起力；
ii.应保证铲斗从运输位置举升到最高位置的过程中，其转角差不得超出一定范围，以免在铲斗举升过程中物料撒落；
iii.应使铲斗在动臂举升过程中的各个位置，其卸载角不小于一定值，以保证卸料干净；
iv.操作臂在整个运动过程中，应满足传动角的要求，保证运动轻巧，不得出现死点；操作臂各构件之间不允许发生运动干涉。

1.3.3 管道清灰机器人行走机构设计
根据管道清灰机器人的工作环境，主要是其工作场地松软，同时由于履带式行走机构有以下特点优于轮式移动机构，该机器人移动装置采用履带式移动机构。

履带式行走装置与轮式相比较的特点:
①支承面积大，接地比压小。

适合于松软和泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能较好。

②越野性能好，爬坡、越沟性能均比轮式移动机构优越。

③履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。

同时也存在结构复杂，重量大，运动惯性大，减振功能差，零件易损坏等不足。

行走机构由三个呈120 的履带轮组成，与管壁底部接触的两个呈120 的履带为固定履带，上面与管壁顶部接触的履带为可伸缩式的，采用凸轮机构，由一压力传感器控制履带的伸缩运动，来保证三个履带全部接触到管壁，增加管道机器人在不同管径管道内行走的稳定性。

机器人工作时，随着履带式移动机构的移动，该机器人机械手上的铲
斗向前移动，将沉积在底部的灰铲在铲斗内，铲斗内的灰达到最大限度时，机器人移动到出灰口将灰倒出。

采用这种移动装置可使机器人在管道内的砂状灰上行走时增加稳定性和附着力，防止机器人陷在灰内或打滑无法前进。

移动装置采用电力驱动方式。

其体积小、结构紧凑、重量轻，运动满足要求。

1.3.4 管道清灰机器人系统组成
2. 管道清灰机器人本体结构的设计和三维模型的建立
对于机机器人本体结构模型的建立，采用代表目前机械CAD领域新标准的参数化设计软件Pro/Engineer来完成。

2.1 Pro/Engineer软件的介绍
Pro/E是美国PTC (Parametric Technology Corporation)公司于1988年开发的参数化设计系统，是一套由设计至生产的机械自动化软件[f})(gl。

参数式设计就是将零件尺寸的设计用参数来描述，并在设计修改时通过修改参数的数值来更改零件的外形。

Pro/E仍以单一数据、参数化、基于特征、全相关性以及工程数据再利用等特点改变了传统设计观念，成为目前机械CAD领域的新标准。

Pro/Engineer与传统的CAD系统仅提供绘图工具有着极大的不同，它提供了一套完整的机械产品解决方案，包括工业设计、机械设计、模具设计、板金设计、加工制造、机构分析、有限元分析和产品数据管理，甚至包括产品生命周期的管理，它使产品的设计效率大大提高，使产品在设计初期具有更多的灵活性，保证在日后根据系统要求进行相应的更改和计算;另外在产品的设计方案阶段，可以形象的表现系统的组成特点，而在产品的生产阶段可以方便与加工中心数据连接。

2.1.1 Pro/E的系统特征
1.参数化设计和特征功能
Pro/E采用参数化设计、基于特征的实体模型化系统，可采用具有智能特性的功能去生成模型，如轴、孔、槽、壳、管道、倒角及圆角，可以随意勾画草图和改变模型。

2.单一数据库
Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。

所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。

换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。

例如，一旦工程详图有改变，NC(数控)工具路径也会自动更新;组装图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。

3.行为建模功能
行为建模技术功能主要体现在智能模型和目标驱动式设计两个方面。

智能模型表现为捕捉设计和过程信息以及定义产品所需要的各种工程规范。

作为一种智能设计，它提供了一组远远超过传统核心几何特征范围的自适应过程特征，
这种特征提供了大量信息，进一步详细确定了设计意图，是生产模型的一个完整的部分，它们使得智能模型具有高度灵活性，从而对环境的变化反应迅速。

目标驱动式设计表现为优化每个产品的设计，以满足使用自适应过程特征从智能模型中捕捉多个目标和不断变化的要求，同时解决相互冲突的目标问题。

规范是智能模型中固有的，一旦模型被修改，就能重新生成和重新校验是否符合规范，即用规范来实际地驱动设计。

4.机构设计技术
Pro/Engineer 2000i以后版本包含了在整个装配过程中评估行为的功能。

在装配零件时，设计人员可以快速简单地把连接类型应用于零件，然后评估真实的产品将如何动作。

可以定义己知运动自由度的运动副，为实体模型增加智能成分。

机构装配完成后，可以对整个装配进行工程分析。

2.1.2 Pro/Engineer主要模块介绍
一、Pro/Engineer
Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型、三维上色、实体或线框造型、工程图产生及不同视图(三维造型还可移动，放大或缩小和旋转)。

Pro/Engineer功能如下:
1.特征驱动(例如:凸台、槽、倒角、腔、壳等);
2.参数化(参数二尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等);
3.通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间(如表面积等)的关系来进行设计。

4.支持大型、复杂组合件的设计(规则排列的系列组件，交替排列，Pro/PROGRAM 的各种能用零件设计的程序化方法等)。

5.贯穿所有应用的完全相关性(任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动)。

其它辅助模块将进一步提高扩展Pro/ENGINEER的基本功能。

二、Pro/SURFACE
Pro/SURFACE是一个选项模块，它扩展了Pro/ENGINEER的生成、输入和编辑复杂曲面和曲线的功能。

Pro/SURFACE提供了一系列必要的工具，使得设计者很容易地生成用于飞机和汽车的曲线和曲面，船壳设计以及通常所碰到的复杂设计问题。

功能包括:
1.生成曲线及曲线种类;
2.编辑曲线;
3.生成曲面及曲面种类;
4.编辑曲面。

三、Pro/ASSEMBLY
Pro/ASSEMBLY是一个参数化组装管理系统，能提供用户自定义手段去生成一组组装系列并可自动地更换零件。

Pro/ASSEMBLY是Pro/ADSSEMBLY的一个扩展选项模块，只能在Pro/Engineer环境下运行，它具有如下功能:
1.在组合件内自动替换零件(交替式)
2.规则排列的组合(支持组合件子集)
3.组装模式下的零件生成(考虑组件内己存在的零件来产生一个新的零件)
4. Pro/ASSEMBLY里有一个Pro/Program模块，.它提供一个开发工具。

使用户能自行编写参数化零件及组装的自动化程序，这种程序可使不是技术性用户也可产生自定义设计，只需要输入一些简单的参数即可。

5.组件特征(绘零件与组件组成的组件附加特征值。

如:在两种零件之间加一个焊接特征等)。

四、Pro/MANUFACTURING
Pro/MANUFACTURING将产生生产过程规划，刀路轨迹并能根据用户需要产生的生产规划做出时间上及价格成本上的估计。

Pro/MANUFACTURING将生产过程生产规划与设计造型连接起来，所以任何在设计上的改变，软件也能自动地将己做过的生产上的程序和资料也自动地重新产生过，而无需用户自行修改。

它将具备完整关联性的Pro/ENGINEER 产品线延伸至加工制造的工作环境里。

它容许用户采用参数化的方法去定义数值控制((NC)工具路径，才可将Pro/ENGINEER生成的模型进行加工。

这些信息接着作后期处理，产生驱动NC器件所需的编码。

Pro/MANUFACTURING为下列机器操作产生自动化的工具路径:
1.铣削加工(Miffing)
2.车削加工(Turning)
3.线体电子释放机械技术
4.钻床加工(Dritting)
五、Pro/NC-CHECK
1. Pro/NC-CHECK提供图形工具。

用以对铣削加工及钻床加工操作所产生的物料，作模拟清除。

Pro/NC-CHECK内选定的工具。

会依照Pro/MANUFACTURING定义的切割路径移动，用户亦可以清楚看到物料清除的进度。

加工制造组件以阴影显示，组装线上各个组件可以由用户设定不同的颜色。

它亦让用户可以在整个加工制造过程，定义夹层平面(Clipping Plane)特定的深度。

夹层平面(Clipping Plane)对物料清除摸拟过程提供纵。