一种足式管道清洁机器人管径自适应结构设计
仿生足式管道机器人结构设计
仿生足式管道机器人结构设计仿生足式管道机器人的结构设计中，最关键的部分是足部结构。
足部结构采用了类似于生物动物的足部，它由足板、足爪和足肢组成。
足板部分负责承担机器人本体的重量以及在管道内的工作负载，具有一定的刚度和强度。
足爪部分用于在管道内保持机器人的稳定性，并提供牢固的抓握能力。
足肢部分则通过类似于生物的关节连接机构，使得足板和足爪能够以多种方式运动，以适应不同形状和尺寸的管道。
此外，足部还配备了传感器，用于探测管道内的环境信息，以提供机器人运动和姿态的反馈。
除足部结构外，仿生足式管道机器人还包括机器人本体和控制系统。
机器人本体是整个机器人的主体部分，包括电池、电机、传动装置、控制器等。
电池提供机器人所需的电能，电机通过传动装置使得足部能够运动，并由控制器控制运动。
控制系统是机器人的大脑，通过对外部环境的感知和内部状态的判断，实现机器人的自主导航和自主控制。
控制系统一般包括感知单元、决策单元和执行单元。
感知单元通过传感器获取环境信息，决策单元根据感知信息做出决策，执行单元根据决策实施相应的动作。
另外，仿生足式管道机器人还可以配备其他功能模块，如摄像头、激光雷达等。
摄像头可以用于拍摄管道内的图像信息，帮助操作员了解管道内的情况；激光雷达可以用于测量管道的各种参数，如距离、直径等。
这些功能模块可以通过接口和控制系统进行连接，实现机器人与外部设备的互联互通。
总之，仿生足式管道机器人的结构设计主要包括足部结构、机器人本体和控制系统。
足部结构采用类似于生物足部的设计，能够适应不同的管道条件；机器人本体是整个机器人的主体部分，包括电池、电机等；控制系统是机器人的大脑，通过感知、决策和执行实现机器人的自主导航和自主控制。
通过这种结构设计，仿生足式管道机器人能够在复杂的管道环境中进行各种工作，提高工作效率和安全性。
管道清洗机器人_毕业论文
摘要火炮在发射后会在身管内残留大量的物质，这些物质受高温、高压的与管壁黏贴非常牢固极不易清除，会导致身管内壁的腐蚀，进而影响炮的准确性、可靠性并影响身管的使用寿命。
这些残留物主要依靠人工和机械的方法清除，设备笨重、智能化程度低，士兵劳动强度大，效率低，且清不高，不能满足和适应现代化高科技战争的作战要求。
清洗机器人，该机器人与火炮身管构成一个柔性统，可实现清洗的智能化及管内状况的可视化，不仅极大地减轻士兵的劳动而且可以有效提高火炮身管的维护保养水平和寿命，对提高部队战斗力具的军事和经济效益，具有广阔的应用前景。
关键词：管道清洗机器人单片机自动控制AbstractDue to high temperature and pressure, the remaining substances in the bore after the gun is launched will adhere to the bore firmly and can't be removed easily, which will result in erosion of the bore and have an impact on the veracity and reliability of the gun launching as well as its operating life. These substances are removed with manual and mechanical cleaning mainly, which can't meet and accommodate with the campaign need of modernization high-tech wars because of unwieldy equipment, low intelligentization, over laboring intension of soldiers, low efficiency and cleaning extent.Robot and bore achieves in intelligentization of cleaning and visualization of inner bore, which not only greatly lessens laboring tension of soldiers, but advances maintenance level and operating life of bore as well. It is of bright future in expansive application and of great military and economic benefit in enhancing battle effectiveness of the army.Key words： bore cleaning； robot；single chip microcomputer；automationAbstract (II)第一章绪论 (1)1.1课题研究背景及关键技术 (1)1.1.1课题的研究背景 (1)1.1.2课题的关键技术 (2)1.2国内外管道机器人的研究现状和发展方向 (3)1.2.1管道机器人的研究现状 (3)1.2.2管道机器人的发展方向 (5)1.3课题的研究意义 (5)第二章炮管擦洗机器人总体方案设计 (7)2.1需求分析与设计思路 (7)2.2移动功能模块设计 (8)2.2.1运动方式分析与选择 (8)2.2.2自适应机构设计 (9)2.3擦洗功能模块设计 (11)2.3.1炮膛擦洗过程分析与研究 (11)2.3.2轴向往复式擦洗头设计 (11)2.4控制功能模块设计 (13)2.4.1主控制系统 (13)2.4.2传感器 (13)2.4.3驱动系统 (13)第三章管道清洗机器人详细设计 (15)3.1移动功能模块设计与分析 (15)3.1.1传动机构设计 (15)3.1.2连接件设计 (16)3.2擦洗功能模块的设计 (18)3.2.1旋转式清洗头设计 (18)3.3控制系统的设计 (18)3.3.1主控制芯片 (19)3.3.2 ATmega128介绍 (20)3.3.3电机控制技术 (21)3.4最小系统电路设计 (23)3.4.1时钟/复位模块设计 (23)3.4.2电源模块设计 (23)3.5人机接口电路设计 (24)3.5.1 LCD显示模块 (24)3.5.2键盘电路 (25)3.5.3蜂鸣器电路 (25)3.5.4串口通信模块 (26)3.6电机控制电路设计 (26)第四章系统软件设计 (28)4.1系统软件架构 (28)4.1.1 PWM调速程序设计 (28)结论 (31)5.1论文总结 (31)5.2工作展望 (31)参考文献 (32)附录 (34)第一章绪论1.1课题研究背景及关键技术1.1.1课题的研究背景现代国防工业日新月异，武器装备制造及维护的技术水平直接决定了国家的军事实力。
自动化管道清洗机器人的设计及控制
自动化管道清洗机器人的设计及控制随着社会发展和工业生产的不断推进，生产过程中的管道清洗已成为大型企业、工厂常见的问题。
为了高效清洗管道，人们研发了自动化管道清洗机器人。
本文旨在介绍自动化管道清洗机器人的设计及控制。
一、机器人设计方案1. 结构设计自动化管道清洗机器人主要由机械及控制系统两部分组成。
机械系统包括机器人身体、运动轮、管道探头、清洗喷头等组件，保证机器人能够顺利在管道中行走，完成清洗工作。
控制系统则由微处理器、驱动器、传感器等组件构成。
2. 原理设计自动化管道清洗机器人的工作原理是采用压缩空气作为动力源，通过微处理器控制组件的运动控制，从而实现对机器人的移动和清洗工作。
利用该工作原理可以达到自动控制管道清洗的目的。
二、控制系统设计1. 微处理器微处理器是整个控制系统的核心。
其控制机器人的运动轨迹，在管道中实现自主巡航，完成清洗任务。
同时，微处理器也可根据不同的管道情况进行自适应控制，能处理管道的各种紧急情况。
2. 传感器传感器是检测机器人与管道间距离、机器人清洗的区域等信息的重要组件，为机器人提供最新的环境信息。
这些信息将被传输到微处理器中，微处理器根据这些信息对机器人的控制进行优化。
3. 无线控制同时，由于自动化管道清洗机器人多数作业场所十分狭小复杂，传统的有线控制方式无法运用。
基于这种情况，利用无线通信技术设计出适合机器人运作的无线控制模块，确保了管道清洗的稳定高效。
三、机器人的使用及维护使用机器人前，需要进行机器人故障的排查，检查清洗器材，确保机器人的安全运行。
在机器人运行过程中，需定期检查机器人的各项设备，如轮子、清洗喷头等。
如有发现故障，请立即采取措施避免损坏机器人。
以上是自动化管道清洗机器人的设计及控制相关内容，通过机械、控制系统和传感器等组件的运作协调，实现了对管道的自动化清洗。
相信随着科技的不断发展，自动化管道清洗机器人的表现也会更加出色。
自适应管径全驱式管道机器人结构设计与分析
2023年第47卷第5期Journal of Mechanical Transmission自适应管径全驱式管道机器人结构设计与分析郑立康冯永利李占贤刘振华（华北理工大学机械工程学院，河北唐山063210）摘要针对管道焊接完成后内部情况无法通过人力检测的问题，提出了一种可在焊接管道内自主检测的管道机器人。
该机器人能够自主适应管径的变化，以解决当前机器人通过人为控制支撑机构造成的控制复杂、控制精度不高等问题。
首先，给出了管道机器人的设计需求，介绍了管道机器人整体结构与工作原理；然后，对机器人的支撑机构进行了方案设计和受力分析，分析了管道机器人整体结构的几何约束以及在弯道中的运动约束；最后，基于Adams软件对提出的方案进行仿真实验，验证了其在管道内的通过性。
关键词管道机器人自适应管径独立驱动结构设计Structural Design and Analysis of Adaptive Pipe Diameter Full Drive Pipeline RobotsZheng Likang Feng Yongli Li Zhanxian Liu Zhenhua（College of Mechanical Engineering, North China University of Technology, Tangshan 063210, China）Abstract Aiming at the problem that the internal condition of the pipeline can not pass the manual inspection after the completion of welding, a pipeline robot which can independently inspect the welded pipeline is proposed. The robot can adapt to the change of pipe diameter autonomously, so as to solve the problems of complicated control and low control precision caused by the artificial control of the support mechanism. Firstly, the design requirements of the pipeline robot are presented, and the overall structure and working principles of the pipeline robot are introduced. Secondly, the scheme design and force analysis of the supporting mechanism of the robot are carried out, and the geometric constraints of the overall structure of the pipeline robot and the movement constraints in the bend are analyzed. Finally, Adams software is used to simulate the proposed scheme to verify its passability in the pipeline.Key words Pipeline robot Adaptive pipe diameter Independent drive Structural design0 引言在现代社会，管道运输在天然气、油液等运输方面尤为重要，但由于管道受到振动、重压、腐蚀、气温等外部环境的影响以及自身影响经常出现损坏，导致管道的安全性面临着较大的问题。
具有自适应能力管道机器人的设计与运动分析
具有自适应能力管道机器人的设计与运动分析1. 本文概述在当今快速发展的技术时代，管道机器人的应用日益广泛，尤其在复杂环境下的管道检测、维修和清理等方面发挥着重要作用。
传统管道机器人在面对不同直径、弯曲度和粗糙度的管道时，往往表现出适应性不足的问题。
针对这一挑战，本文提出了一种新型的具有自适应能力的管道机器人的设计与运动分析。
本文首先概述了管道机器人的发展背景和现有技术的局限性。
随后，详细介绍了所设计的自适应管道机器人的结构和工作原理。
该设计采用了模块化组件，以适应不同管道的尺寸和形状。
特别强调了机器人的自适应能力，包括柔性的机械臂和可变形的履带系统，这些设计使得机器人能够在不同类型的管道中灵活运动。
本文还进行了详尽的运动分析，包括机器人在管道内的运动学模型和动力学模型。
通过仿真和实验验证了机器人设计的有效性和适应性。
本文讨论了该设计的潜在应用场景和未来发展方向，旨在为管道机器人的进一步研究和应用提供理论和实践基础。
2. 相关工作与研究现状自适应能力管道机器人的设计与运动分析领域，首先需要回顾管道机器人的发展历程及其分类。
传统管道机器人主要分为轮式、履带式和蠕动式等几种类型。
轮式和履带式机器人在直线管道中表现良好，但在弯曲管道中则受到限制。
蠕动式机器人虽能适应复杂管道，但其速度和稳定性有待提高。
近年来，随着材料科学和驱动技术的进步，新型管道机器人如蛇形、折叠式等设计逐渐出现，它们在复杂管道中的自适应能力得到了显著提升。
驱动机制的创新：研究新型驱动方式，如形状记忆合金（SMA）、电活性聚合物（EAP）等，以提高机器人在不同环境下的自适应能力。
结构设计与优化：通过仿生学原理，设计出能适应复杂管道环境的机器人结构，如模仿蛇类的运动方式等。
传感器与控制系统的集成：开发集成化的传感器和控制系统，使机器人能够实时感知环境变化并作出相应调整。
运动学分析与仿真：运用计算力学和动力学原理，对机器人在不同管道环境中的运动进行建模与分析，优化其运动策略。
一种新型管道机器人自适应管径机构
轮 腿式 管道 机器 人 ＿ Ｉ 作 过程 ｌ ｆ Ｉ ，需 要适 应管 径 的大
小 ，Ｈ ，适应 管径 的机 构 按动力 凋节 方式 主要 分 为主 动
和被动 两种 。
和转 弯等运动。韩 同延 大学 没计 了一种履带－ １ ． Ｉ ＝ 机 器人
ＰＡＲＯＹＳ — Ｉ Ｉ ｔ
旋式 、 蠕 动 式 、多 足爬 行式 、介质 差式 等 ，近来 ，一 种 轮腿 式 管道 机 器人得 到 ｒ 广 泛关 注和研 究 ，其具 有 轮式 和 多足式 管道 机 器人 的优点 ，运 动灵 活且 控制 简单 ，一般 采 为保 证 力稳定 Ｊ ｆ ： 提 高 管径适 位 能 力 ，本 义在轮腿
人驱 动 力突变 的 问题 ？
沈阳Ｆ １ 动 化 研 究所 干 ¨ Ｉ ＝ １ 本立 命 馆 大学 联 合 研 制 了一 种 螺 旋式 管 道 机器 人 Ｊ ， 可 缺 陷 处停 止 ，利 川机 器 人
巾部 摄像 机进 行周 向探查 ，确定 缺 Ｉ ５ ｆ １ 准确 位 置 和类 圳 ，提
７ 亡 件组成，ｎ 轻 易地 完成 上 、下 、左 、 等 全方 化运 动 ， 适 川 于 Ｌ型和 Ｔ型管道 较 多 的场合 。哈 尔滨 Ｔ业 大学 邓 宗
全教 授设 汁 ｒ一种 轮 腿 式管 道 机器 人 Ｉ ｌ ，其 可 主 动调节
符 轮腿 扦 合角 度 ，以达到 往行 走 过程 ｆ ｆ １ 适 应管 径 变化 的 目 的、 、该方 式增 大 了轮 腿开 合 范 同 ，提 高 了管 径适 虚能 力 ， 但 主动 调节会 产 生误 动作 ，存 在驱 动 轮脱 离管 壁 的』 ｘ ｌ 险 、
百 家 争 鸣
．
一
种 新 型 管 道 机 器 人 自适应 管径 机 构
管道机器人毕业设计(论文)简介
φ700mm-φ1000mm管道机器人构造设计摘要在工农业消费及日常生活中，管道应用范围极为广泛。
在管道的使用过程中，会产生管道堵塞与管道故障和损伤，需要定期维护、检修等。
但管道所处的环境往往是人们不易到达或者不允许人们直接进入，所以开发管道机器人就显得尤为重要。
以金属冶炼厂管道清洁机器人为研究目的，根据其工作环境和技术要求设计了一种可适应φ700mm-φ1000mm管道的管道清洁机器人。
该管道机器人采用三履带式的可伸缩行走装置，操作装置为2个自由的的操作臂，末端操作器上安装有吸尘头，吸尘头吸起的灰尘通过吸尘软管搜集在装灰箱体内。
当灰尘装满后，机器人行走到倒灰口，翻开卸料门，将灰尘倒掉。
本次设计主要对管道清洁机器人进展构造设计，利用三维参数化特征建模软件Pro/Engineer建立了管道清洁机器人的三维模型，生成了机器人主要零部件的工程图。
对管道机器人中的主要机构进展动态仿真，验证了所设计机构的正确性。
最后对主要零部件进展了设计校核计算，并简单表达了该机器人控制方案。
关键词：管道清洁机器人；构造设计；三维建模AbstractPipeline is very often applied on industry and agriculture production and daily life. Because pipeline is possibly jammed and distressed, it needs to be maintained and repaired and so on. However it is difficult to reach or do not allow directly accessing in pipeline, so exploiture of pipeline robot is particularly important.Regarding in-pipe clearing dust robot in exhaust gas pipeline of metal smeltery as the research object, based on working environment and technology requires of the robot, a kind of pipeline robot which is capable o f adapting φ700mm-φ1000mm pipe is designed. The robot has three-pedrail and extend-retract locomotion equipment, its operation device is 2-DOF arm, ender operation is a nose-dust-collector, dust is collected in box loading dust through tube. When the box is loaded up, the robot runs to dump opening and discharge opening is opened, and dust is unloaded. In the design, pipeline robot structure is detailedly designed. Pipeline cleaning robot model is built in three-dimensional modeling software Pro/Engineer, robot drawing is built. Robot mechanism is simulated, and it verifies project of robot to be correct. In the end mostly parts are checked and analysed, and robot control project is simply illuminated.Keywords：Pipe Cleaning Robot；Structural Design；Three-dimensional Modeling一、本课题研究背景及意义在工农业消费及日常生活中，管道作为一种重要的物料运输手段，其应用范围极为广泛。
一种管道机器人的结构设计与性能分析
一种管道机器人的结构设计与性能分析管道机器人是一种专门用于管道内部检测和维护的机器人。
它具有强大的适应性和灵活性，并且可以在不同形状、尺寸和材料的管道内进行操作。
在实际应用中，管道机器人能够有效地提高工作效率，减少人力资源和维修成本。
本文将探讨管道机器人的结构设计和性能分析。
一、管道机器人的结构设计1.机身结构管道机器人的机身主要由外壳、底盘和轮子组成。
外壳通常由高强度塑料或金属材料制成，具有较强的耐油、耐温和耐磨损性能。
底盘可以根据管道的不同形状适当调整，以保证机器人在管道内能够保持平衡和稳定性。
轮子的设计通常考虑到摩擦力和稳定性，使机器人能够有效地在管道内运动。
2.传动系统传动系统是管道机器人的核心组成部分之一，它由马达、传力装置、减速器和轮子等组成。
机器人的前后进和转向操作由传动系统中的电动机和减速器等组成。
同时，在机器人的设计过程中，减速器的设计需要根据机器人的重量和管道内的摩擦系数等因素来确定。
此外，传动系统必须确保机器人的稳定性和可靠性，以保证机器人在工作时能够持续高效地运动。
3.传感器系统传感器系统主要用于管道机器人的定位、检测和监控。
其中包括云台式摄像头、温度探头、湿度探头和烟雾探头等。
这些传感器能够对管道内的各项数据进行实时监测和分析，确保机器人在管道内能够准确获取所需信息。
4.电源系统电源系统主要包括电池、变压器、关联线路和充电设备等。
机器人的电源系统必须满足续航时间、充电效率和使用寿命等方面的高标准要求。
电池通常采用高效锂电池，具有较长的使用寿命和稳定性。
5.控制系统管道机器人的控制系统是机器人的灵魂，可以实现对机器人的远程操作、精准导航和实时数据监测等。
在控制系统中，主要包括单片机、编码器、传感器和通讯模块等，它们能够协调控制机器人的动态性能和定位精度等。
二、管道机器人的性能分析1.运动性能针对管道机器人在不同管道内的运动性能分析，主要包括前、后进速度和克服管道摩擦力等研究。
管道除尘机器人结构设计
关键词:管道机器人；安全防护；行走
Abstract
Based on the use of planetary grinding head cleaning technology for the purpose of cleaning pipes, at the conclusion of the existing pipeline robot design based on the actual situation at the scene, the first paper on the pipe cleaning robot to walk part of program design, by analysis and comparison a new pipeline after cleaning robot designed to walk a better program, and accordingly the program made a walk on part of the structure of robot design; characteristics of walking robots have been studied and put forward in the pipeline so that the robot was able to remain stable The method of operation. By the design of the robot body and the robot movement in the straight tube case study of thinking, and further verify the feasibility of the design idea.
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doi:10.16576/ki.1007-4414.2017.02.034一种足式管道清洁机器人管径自适应结构设计∗潘剑锋1,方上鹏2,韩奉林1,郑长毅3,卢开贵1(1.中南大学机电工程学院,湖南长沙㊀410000;2.北京大学汇丰商学院,广东深圳㊀518000;3.广州铁路集团广州机务段,广东广州㊀510010)摘㊀要:设计一种足式管径自适应管道清洁机器人,该机器人行走部包括基于丝杆螺母副及平行四边形机构的管径自适应机架和拥有自锁防滑功能的偏心轮足部㊂该机器人能在变管径中行走,给出了管径自适应范围的计算方法㊂关键词:足式管道机器人;管径自适应;偏心轮;丝杠中图分类号:TP242㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:1007-4414(2017)02-0112-03Design for the Diameter Adaptive Structure of In -Pipe Cleaning RobotPAN Jian -feng 1,FANG Shang -peng 2,HAN Feng -lin 1,ZHENG Chang -yi 3,LU Kai -gui 1(1.School of Mechanical and Electrical Engineering ,Central South University ,Changsha Hunan㊀410000,China ;2.HSBC Business School ,Peking University ,Shenzhen Guangdong㊀518000,China ;3.Guangzhou Locomotive Depot of Guangzhou Railway Group ,Guangzhou Guangdong㊀510010,China )Abstract :A diameter adaptive structure in the in -pipe cleaning robot is designed in this paper.The walking part of this in -pipe cleaning robot includes a diameter adaptive frame based on the screw -nut pair and parallelogram mechanism and an ec-centric foot with self -locking as well as anti -skid function.The robot can walk in pipelines with variable diameter.The calcu-lation method of the diameter range is given.Key words :foot pipe robot ;diameter adaptive ;eccentric wheel ;lead screw0㊀引㊀言随着工业和科学革命的进行,机器人越来越普及㊂管道机器人作为其中一种新型的应用工业机器人,它既可以沿着管道内外行走,还能携带各式各样的传感器来完成管道内外作业㊂管道机器人是一种复杂的机电一体化系统,主要由行走机构㊁信号采集与传递㊁动力传输系统㊁内部识别检测系统㊁自动控制系统等组成[1-2]㊂国外管道机器人的研究起步较早,1978年法国的J1VERTUT 最早提出了轮式管道机器人的行走机构模型[2]㊂市面上常见的双履带式管内机器人系统最先由加拿大研制成功,它的履带采用刚性支承结构,其结构连接紧凑,刚性好㊂但由于这种刚性支承的履带在行走过程中会使两个履带之间的夹角无法改变,因此它只适用于管径没有变化的普通作业场合[2-3]㊂国内在管道机器人方面的研究起步较晚㊂管道清洁机器人按驱动方式的不同可分为电机㊁形状记忆合金(Shape memory alloys,SMtaA)和气缸等㊂西安文理学院韩佐军等人[4]设计一种蠕动式管道机器人移动牵引机构,该机器人可自适应管径的变化,有一定的变径范围,机构由电机驱动丝杠正反转,使前后两组撑壁交替支撑在管壁导致机器人蠕动前行,该机器人每前进一步,支撑臂需要缩收一次,造成了无效运动,降低前进效率㊂2010年国防科学技术大学乔晋崴等人[5]研制出基于凸轮自锁原理的伸缩式管道机器人,该机器人利用凸轮单向自锁特性实现越程行走㊂上述各种管道机器人管径自适应能力不强[6],只能在特定的一种或者几种管径中行走,不能在变管径中行走,并且行走过程具有无效运动,效率低,只适用于管道的检测,不具备管道的清洁功能;笔者研制了一种基于音圈电机的管道清洁机器人,通过丝杆螺母副机构解决了管径自适应问题,采用足式结构,机器人在管道内部时,足腿与管壁始终接触,消除无效运动,提高行走效率㊂将管径自适应结构和凸轮自锁应用于伸缩式管道机器人的同时完善了伸缩式机器人的设计理论㊂1㊀机器人整体结构设计基于音圈电机的新型管道清洁机器人主要由前㊁后自适应结构和中间音圈电机驱动装置,机器人前中后部分采用两个万向联轴节连接,具有两个自由度的旋转,故可顺畅通过弯道,进行清洁和检查,如图1为管道机器人总体结构示意图㊂3组连杆机构均匀分布于移动机构圆周方向,相㊃211㊃设计与制造㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2017年第2期(第30卷,总第148期)㊃机械研究与应用㊃∗收稿日期:2017-03-01作者简介:潘剑锋(1993-),男,福建莆田人,研究方向:机械设计㊁汽车电子㊂隔120ʎ㊂在前㊁后两移动自适应机构的连杆结构末梢装设有单向行走机构㊂单向行走机构由偏心轮㊁旋转轴和扭簧组成,旋转轴与连杆结构固连,偏心轮可绕旋转轴转动,扭簧将偏心轮与连杆机构相连㊂前后移动自适应机构中设有管径自适应机构,管径自适应机构由直流减速电机㊁丝杆㊁轴套㊁锁止螺母㊁连杆组成㊂丝杆转动带动轴套前后移动,进而调节管径自适应机构的直径㊂图1㊀管道机器人总体结构示意图1.螺母㊀2.足㊀3.轴套㊀4.丝杆㊀5.箱体㊀6.直流减速电机7.万向联轴节㊀8.弹簧㊀9.音圈电机㊀10.扭弹簧㊀11.导流罩㊀12.电机㊀13.连杆㊀14.清洁球㊀㊀该结构通过万向联轴节与伸缩机构相连㊂中部的伸缩机构由弹簧㊁音圈电机㊁单片机控制模块和万向联轴节组成,通过该机构的伸缩动作实现机器人分步前进㊂如图2所示,管道机器人一个运动循环周期组合要分为三个状态㊂状态1:管道机器人通过不同管径自适应机构调节及单片机控制模块调节到管道机器人前进所需的状态,此时音圈电机处于通电状态㊂图2㊀管道机器人一个运动循环周期图㊀㊀状态2:音圈电机所在的伸缩机构收缩,收缩过程中右边移动机构发生凸轮自锁与管壁锁止,而左边移动机构未发生自锁,所以左边移动机构向右滑动Δs /2㊂状态3:音圈电机所在的伸缩机构伸长,伸长过程中左边移动机构发生凸轮自锁与管壁锁止,而右边移动机构未发生自锁,所以右边移动机构向右滑动Δs /2,完成一个周期后,管道机器人的有效行程为Δs ,目前设计Δs 为20mm㊂2㊀管道自适应结构设计2.1㊀管径自适应结构管道机器人设有一个管道自适应机构来满足能够适应多种不同直径的管道的要求㊂管径自适应机构包含于前后移动机构中,使结构更加紧凑㊂管道自适应结构的足部采用单向行走机构,是由偏心轮㊁连杆㊁旋转轴和扭簧组成,旋转轴与连杆结构固连,偏心轮可绕旋转轴轴转动,扭簧将偏心轮与连杆机构相连㊂该足部可产生单向运动,消除了无效运动,提高行走效率㊂单向行走机构的核心功能就是反向自锁,即机构向某一个方向运动时,通过行走时与管壁接触的偏心轮的曲线的变化,使得偏心轮与管壁之间的压力增大,来产生较大的摩擦力使得机构不能反向运动,达到单向行走的目的㊂其原理如图3㊂图3㊀偏心轮单向运动原理图㊀㊀如图3所示,A 点为偏心轮与管壁的接触点,B点为偏心轮的旋转中心㊂当足部行走机构向右运动时,偏心轮有向右运动的趋势,偏心轮与管壁的摩擦力向左,因此偏心轮将绕B 点逆时针旋转,此时接触点与旋转中心的距离减小,管壁与偏心轮间的压力减小,摩擦力减小,机构向右运动㊂当足部行走机构向左运动时,偏心轮也有向左运动的趋势,此时摩擦力向右,摩擦力产生转矩使偏心轮绕B 点顺时针旋转,接触点与旋转中心的距离有增大的趋势,管壁与偏心轮间压力增大,摩擦力增大,偏心轮卡死,无法向左运动㊂因此,该机构只能实现单向运动㊂当足部贴紧在管径中运动,遇到了管径的变化时,如未采用管径自适应机构,机器人将卡死在管道中,使作业停止㊂因此在管道的清洁作业中,采用管径自适应机构是必要的㊂如图4为管径自适应机构示意图即丝杠螺母副调节机构,其工作原理是直流减速电机输出轴与丝杆固连,直流减速电机驱动丝杆转动㊂丝杆的转动将带动轴套沿丝杆方向来回滑动,从而带动BC 杆向内外平移,使管径自适应撑开或者紧缩以达到适应不同管径的目的㊂在未工作时,由于丝杆的自锁作用,轴套锁死无㊃311㊃㊃机械研究与应用㊃2017年第2期(第30卷,总第148期)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀设计与制造法移动,管径自适应机构处于锁死状态;在工作时,通过控制直流减速电机正反转,进而控制管径自适应的扩张与收缩㊂如图5为机器人通过变径管道示意图根据实际管道管径大小确定自适应机构的直径(即自适应机构的扩张程度),当自适应机构撑紧管道时,通过光电编码器模块检测电机输出轴是否处于堵转状态,判定机构无法再扩张,控制系统使电机断电,保护电机㊂图4㊀丝杠螺母副调节机构示意图1.锁止螺母㊀2.足㊀3.轴套㊀4.丝杆㊀5.箱体6.连杆㊀7.直流减速电机图5㊀机器人通过变径管道示意图2.1.1㊀管道直径由小变大为使管道机器人通过变径管,机器人的后部设有加速度计㊂如图5(a),在小管径管道内前进时,管道机器人后部的加速度数值周期性变化㊂当机器人前足由小管径管道进入大管径管道时,前足处于未撑紧状态而无法自锁,此时机器人后足无法前进,处于静止状态㊂控制系统检测到机器人后部无加速度变化,判断其处于变径管中,使机器人前部直流减速电机运转,从而使前足扩张,直至撑紧新的管壁㊂同时,机器人后足尝试性扩张,若直流减速电机堵转,则判断后足仍处于小管径管道内;若直流减速电机正常转动,则说明后足已进入大管径管道,再使机器人后部直流减速电机运转,从而使后足扩张,直至撑紧新的管壁,管道机器人顺利通过变径管道㊂2.1.2㊀管道直径由大变小如图5(b),机器人在大管道内前进时,后部的加速度周期性变化㊂当机器人前足碰到小管道时,机器人无法前进㊂控制系统检测到机器人无加速度变化,使机器人前部直流减速电机运转,从而使前足收缩,直至机器人恰好能够通过小管道,前足撑紧新的管壁㊂类似的,当机器人后足碰到小管道时,机器人无法前进㊂控制系统检测到机器人无加速度变化,使机器人后部直流减速电机运转,从而使后足收缩,直至机器人恰好能通过小管道,后足撑紧新的管壁,管道机器人顺利通过变径管道㊂2.2㊀管径自适应范围计算当足部撑紧在管道内壁时,可使运动机构简化成如图6所示㊂图6㊀丝杠螺母副调节机构运动简图㊀㊀以机器人处于最大管径时为初始位置(l 3=0),可确定管径的大小与电机旋转圈数N 的关系㊂根据设计尺寸关系,AB =DC =EC =l 1,丝杆螺距为P ,长度为l 4㊂当电机从初始位置转的圈数为N 时:㊀㊀l 3=NP(1)则C 到ADE 的距离为:㊀㊀h =CD 2-DE 2æèöø2(2)代入CD ,DE 得到:㊀㊀h =l 12-l 2+l 32æèöø2=l 12-l 2+NP 2æèöø2(3)从而得到R 关于N 的函数:R N ()=r +l 12-l 2+NP 2æèöø20ɤN ɤl 4P æèöø(4)易得:㊀R max =R 0()=r +l 21-l 22æèöø2(5)(下转第116页)㊃411㊃直线的位置,即如何实现X,Y,Z三个方向的确定位置,并且可以自锁㊂为了实现结构设计要求,采用步进电机带动滚珠丝杠,滚珠丝杠旋转运动带动滚珠螺母副做直线运动,从而带动工作平台运动,并且为了确保一定的传动稳定性和传动准确度,尽可能使其的摩擦力小,采用滚珠丝杠螺母副[2]㊂由于滚动导轨的摩擦力小,精度高等特点,因此选用滚动导轨㊂首先为使该定位器可以很容易移动和控制,采用万向轮结构,为了实现X㊁Y运动可以采取万向轮带刹车,允许水平方向360ʎ旋转,可采用8轮㊂移动该定位器到病床前,当到达所需的位置时,踩下万向轮的刹车,将其锁死,则该定位器X㊁Y方向的位置确定,该结构简单,容易操作,成本也低,可以实现预期效果㊂实现纵向运动使用滚动导轨,电机带动滚珠丝杠,滚珠丝杠的主要作用是将其旋转运动变成直线运动,由于滚珠丝杠轴与滚珠丝杠螺母中间存在许多的滚珠做滚动运动,因此可以达到比较高的传动效率;具有精度高,轴向刚度高等特点㊂滚珠丝杠螺母副能够预压,但是由于预压力使沿着轴的方向之间的间隙可变到负值,从而达到非常强的刚度㊂导轨初步选用了滚动直线导轨,每根导轨上配备两个滑块,可以很好的实现导向的作用,并且摩擦也小,符合设计所预期的效果㊂由于该定位器不可能一次性就可以运动到准确位置,因此还需要横向进给,横向进给系统同样采用和纵向运动结构一样的结构,实现在横梁上水平运动,使其可以到达确定的位置㊂当到达大致的位置后,用探头检测所要穿刺的病变部位,由于要求检测探头能实现0ʎ~120ʎ的空间自由回转,为了实现该要求,将探头用球面副结构与纵向运动机构连接,可以容易实现该要求㊂选取的自定心夹紧机构,采用类似机械手结构,可达到预期的效果㊂当探头检测到病变部位的确定位置后,就要将其锁死㊂当需要自锁时,可以将带轴瓦的螺钉拧入,使探头自锁,则穿刺的位置确定㊂当探头的位置确定后,将探头取下,把探针换上,探针可以做成带模具的,这样很容易定心,并且更换也非常方便㊂当以上结构的位置确定后,则可以准确定位㊂4㊀结㊀语穿刺介入技术在一定程度上依靠穿刺探针的定位精度,定位器的结构是否合理㊂穿刺技术能利用装置的精准动作㊁定位精确高㊁操作方便等优点辅助外科医生进行很好的手术操作,成功率会显著提高[3]㊂这样不仅可以减轻医疗工作者的疲劳,并且在提高手术的精度和安全性方面获得更大的进展㊂如今,依然有许多医疗工作者借助医学成像技术的指引下运用定位器机构来提高穿刺手术方面进行了研究,希望可以在提高定位精度方面有所突破㊂参考文献:[1]㊀修雯雯.经皮穿刺手术辅助机器人系统[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.[2]㊀濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2006.[3]㊀刘吉斌.现代介入性超声诊断与治疗[M].北京:科学技术文献出版社,2004.ʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏ(上接第114页)㊀R min=R l4Pæèöø=r+l21-l2+l42æèöø2(6)故管径范围为:r+l21-l2+l42æèöø2<Rɤr+l21-l22æèöø2(7)3㊀结㊀语利用丝杆传动使机器人适应不同的管径,足部采用偏心轮机构形成单向运动,在管道清洁机器人的研究中是一种新的尝试㊂它可以适应不同的管径,适应性较强,同时消除了无效运动,提高了效率㊂另外还可以应用于化工㊁石油㊁天然气管道的清理和检测㊂参考文献:[1]㊀张秀丽.一种小型管道检测机器人[J].机器人,2001(10):67-69.[2]㊀陈奕颖.管道机器人的发展现状及其趋势[J].科技创新与应用,2015(36):76-77.[3]㊀甘小明.管道机器人的发展现状[J].机器人技术与应用,2003(5):11-13.[4]㊀韩佐军,段颖妮.一种蠕动式管道机器人移动牵引机构[P].中国:CN202708464U,2013.[5]㊀乔晋崴,尚建忠.基于凸轮自锁原理的伸缩式管道机器人设计[J].机械工程学报,2010,46(11):85-86.[6]㊀方上鹏,郑长毅.一种基于电控永磁铁的足式管道机器人[P].中国:CN203847916U,2014.㊃611㊃。