ΦmmΦmm管道机器人设计——移动装置结构设计

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前言 (ⅰ)

目录 (ⅱ)

中文摘要 (ⅲ)

第一章概述 (1)

1.1机器人概述 (1)

1.2管道机器人概述 (3)

1.3国内外管道机器人的发展 (4)

1.3.1国内管道机器人的发展 (4)

1.3.2国外管道机器人的发展 (6)

1.4 机器人的发展景 (8)

第二章总体方案的制定与比较 (10)

2.1 管道机器人设计参数和技术指标 (10)

2.2总体结构的设计和较 (10)

第三章部件的设计和算 (15)

3.1 管道机器人工作量算 (15)

3.3 撑开机构和放大杆组的计 (24)

第四章其他 (32)

5.1 大小锥齿轮的设计和核 (32)

5.2 轴Ⅰ的设计和核 (35)

5.3 键的校核 (44)

在工农业生产及日常生活中，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达到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标，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收集在装灰箱体内。当灰尘装满后，机器人行走到倒灰口，打开卸料门，将灰尘倒掉。本次设计主要对管道清洁机器人进行结构设计，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行动态仿真，验证了所设计机构的正确性。最后对主要零部件进行了设计校核计算，并简单叙述了该机器人控制方案。

第一章概述

1. 1 机器人概述

机器人----这一词最早使用始于1920年至1930年期间在捷克作家凯勒尔*

凯佩克（Karel capek）的名为"罗莎姆的万能机器人"的幻想剧中，

一些小的人造的和拟人的傀儡绝对地服从其主人的命令。这些傀儡被称为“机器人”。该单词起源于捷克语“robota”。意思是“强制的劳动”。

机器人的组成与人类相似。举例说，人搬运某一物体的运动过程可用图（a）所示的方块图来说明。首先，人听到外部的命令或用眼睛看到外部的指令，并由眼睛测量出距离。感受到这两种信息经过感觉神经送到大脑中，大脑经过分析计算，然后通过运动神经发出指令，手臂用最好的方式伸向物体，并将物体抓住，手上的感觉神经，感觉物体已经抓牢了，把信息传给大脑。大脑命令手抓起物体，同时指令脚移动到所要求到达的地点，最后放下物体。一般包括以下几个部分见图（b）：

1.2 管道机器人概述

20世纪70年代以来, 石油、化工、天然气及核工业等产业迅速发展, 各

种管道作为一种重要的物料输送设施, 得到了广泛应用。由于腐蚀、重压等作用, 管道不可避免地会出现漏孔、裂纹等现象。同时多数管道安装环境人们不能直接到达或不允许人们直接进入, 为进行质量检测和故障诊断, 采用传统的全面挖掘法、随机抽样法工程量大, 准确率低, 管道机器人就是为解决这一实际问

题产生的。它是由可沿管道内部或外部自动行走装置、携有一种或多种传感器及操作装置如：机械手、喷枪、焊枪、刷子。管道机器人的工作空间是复杂、封闭的各种管道, 包括水平直管、各角度弯管、斜坡管、垂直管以及变径管接口等, 所以需要在操作人员的遥控操作或计算机自动控制下, 进行一系列管道作业。管道机器人可完成的管道作业有以下几类：

1.生产、安装过程中的管内外质量检测。

2.恶劣环境下管道清扫、喷涂、焊接、内部抛光等维护。

3.使用过程中焊缝情况、表面腐蚀、裂缝破损等故障诊断。

4.对埋地旧管道的修复。

5.管道内外器材运送、抢救等其它用用途。

1.3 国内外管道机器人的发展

1.3.1 国内管道机器人的发展

国内在管道机器人方面的研究起步较晚, 而且多数停留在实验室阶段。哈尔滨工业大学邓宗全教授在国家“863”计划课题“X射线检测实时成像管道机器人的研制”的支持下, 开展了轮式行走方式的管道机器人研制, 实现了管内外机构同步运动作业无缆操作技术,

并研制了链式和钢带式两种新型管外旋转机构。该系统由六大部分组成

(1)移动载体 (2)视觉定位

(3)收放线装置 (4)X射线机

(5)检测控制,系统控制 (6)防护系统

西安交通大学设计制作了蠕动式微动直线自行走机构。这种行走机构以电致伸缩微位移器做驱动器，以电磁铁机构作为可吸附于行走表面的保持器。

上海交通大学研发了小口径管道内蠕动式移动机构。它是模仿昆虫在地面上爬行时蠕动前进与后退的动作设计的。其主要机构由撑脚机构、三个气缸（前气缸、中气缸、后气缸）、软轴、弹簧片、法兰盘组成。针对微小空间、微小管道实时探测的要求，研制成电磁驱动微小型管道机器人样机。微小管道机器人由四个电磁驱动单元组成。其驱动机理模拟生物体的蠕动爬行。它是通过给线圈加一系列的时序脉冲进行控制，依次使各单元动作，达到蠕动爬行的运动。

1.3.2 国外管道机器人的发展

国外关于燃气管道机器人的研究始于20世纪40年代, 由于70年代的微电子技术、计算机技术、自动化技术的发展, 管道检测机器人技术于90 年代初，得到了迅猛发展并接近于应用水平。

1.4 机器人的发展前景

展望21世纪机器人技术的发展趋势，明显地向着智能化（intellectualization）方向发展，包括机器人本身向智能机器人