浙江省機(jī)械設(shè)計(jì)大賽經(jīng)典方案之二

浙江省機(jī)械設(shè)計(jì)大賽經(jīng)典方案之二管道探測機(jī)器人理論設(shè)計(jì)方案PAGEPAGE1具有機(jī)器視覺、嗅覺功能的管道探測機(jī)器人理論設(shè)計(jì)方案一、背景隨著微機(jī)械的發(fā)展和生產(chǎn)的實(shí)際需要,小口徑管道機(jī)器人的研制和開發(fā)越來越受到人們的關(guān)注。在核動(dòng)力工廠、石油化工廠、熱力交換站等處存在著大量直徑約在20～30mm的管道,這些管道長期使用后可能存在腐蝕或機(jī)械損傷，會(huì)引起裂縫,釀成嚴(yán)重的事故。因此這些管道的探傷、維護(hù)和維修十分需要細(xì)小口徑管道機(jī)器人。目前,在大管道內(nèi)行走的機(jī)器人在國內(nèi)外均有開發(fā),有的已進(jìn)入了實(shí)用化階段,但對于微小管道機(jī)器人的開發(fā)和研究則剛剛起步。國外在微小管道機(jī)器人的研究的方面雖有進(jìn)展,但在許多方面還存在不同程度的局限，且資金投入較大。就國內(nèi)而言，還有待于微制造技術(shù)的發(fā)展,使微小零件產(chǎn)品化,市場化;同時(shí)在現(xiàn)有傳統(tǒng)加工的基礎(chǔ)上,盡可能的簡化傳動(dòng)機(jī)構(gòu),縮小結(jié)構(gòu)尺寸。二、原理方案的構(gòu)思和擬定基于上述現(xiàn)實(shí)情況，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)、時(shí)間、和費(fèi)用的考慮，我們采用了一種新穎的微小管道探測機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案——基于螺旋輪驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的具有機(jī)器視覺和嗅覺功能的管道探測機(jī)器人。按照我們的理解，機(jī)器人設(shè)計(jì)、制作的難點(diǎn)在于管內(nèi)移動(dòng)機(jī)構(gòu)，只有先解決這一問題，才能在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各種仿生或?qū)嶋H應(yīng)用上的功能。我們分析認(rèn)為：管內(nèi)移動(dòng)機(jī)構(gòu)要有（1）較大的承載能力（對于直立管道內(nèi)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)尤為如此）；(2)較高和均勻的移動(dòng)速度；(3)適應(yīng)一定曲率的彎曲管道；(4)適應(yīng)由于管道彎曲或管內(nèi)障礙物而引起的管徑變化。由于空間窄小，傳統(tǒng)的機(jī)器人移動(dòng)技術(shù)（車輪、履帶、步行機(jī)構(gòu)）很難直接應(yīng)用到微細(xì)管道內(nèi)，因此需要研究新的機(jī)構(gòu)形式。我們在制定初步方案的討論過程中曾提出如圖（1）所示的電磁鐵與彈簧搭配的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它雖然在保證磁路設(shè)計(jì)原則下,能夠做到體積小巧,重量輕,在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)靈活等,但移動(dòng)速度與承載能力很有限，在進(jìn)行水平方向的后退移動(dòng)和豎直方向移動(dòng)時(shí)，可能會(huì)有困難。圖（1）類似的，我們也曾考慮過多單元蠕動(dòng)式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，雖然轉(zhuǎn)彎能力很強(qiáng)，但進(jìn)行豎直方向移動(dòng)難度太大，且驅(qū)動(dòng)能力受接觸介面的摩擦力、粘附力大小及分布影響很大。最后，我們采用螺旋輪驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)，它能夠較好的滿足機(jī)器人在水平、豎直、彎曲管道移動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)要求。三、機(jī)械部分原理方案說明（一）、機(jī)械設(shè)計(jì)方案說明螺旋輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要部分為：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、萬向節(jié)、減速電機(jī)和保持機(jī)構(gòu)。如圖（2）所示。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)萬向節(jié)保持機(jī)構(gòu)圖（6）圖中：F——為輪子沿管壁螺旋方向的摩擦力；W——為移動(dòng)機(jī)器人的總重；Fa——為由于W引起機(jī)構(gòu)沿管子軸向滑動(dòng)趨勢的摩擦力，在最大承載能力時(shí)，F(xiàn)amax=μN(yùn)，其中μ為輪子與管壁的滑動(dòng)摩擦系數(shù)；N為管壁對輪子的支持力；Mf——為車輪滾動(dòng)摩擦阻力矩；MM——為電機(jī)輸出力矩；θ——為輪子的傾斜角；ωM——為電機(jī)的角速度；ω——為輪子的角速度。在移動(dòng)機(jī)構(gòu)的三個(gè)輪子的受力狀況一致時(shí)Wmax=3Famax-3Fsinθ

=3μ.N-3Fsinθ（1）考慮到輪軸與輪子之間存在著摩擦，因此取其中一個(gè)輪子為例，其受力狀況如圖（7）所示。其中Fx、Fy、Fz為來自輪軸的支反力，Md是來自輪軸的摩擦力矩。圖（7）由靜力平衡方程ΣMz=0,Σy=0,可以解得:（2）式中，μ1——車輪與管壁的滾動(dòng)摩擦系數(shù)；μ2——車輪與輪軸的滑動(dòng)摩擦系數(shù)；d2——輪軸直徑；d——輪子直徑。把(2)代入(1)得移動(dòng)機(jī)構(gòu)的最大載荷為:（3）同理，（4）2、移動(dòng)速度理想情況下，機(jī)器人在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可看成是一個(gè)理想的螺旋運(yùn)動(dòng)，在管徑D一定的情況下，其移動(dòng)速度取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)速n、驅(qū)動(dòng)輪的直徑d和驅(qū)動(dòng)輪的螺旋角θ，即：v=ωRtgθ此時(shí)，ω=2πn；R=(D-d)/2所以得到v=πn(D-d)tgθ（5）

3、理論估算假設(shè)：D=50mm,d2=2mm,n=10r/min,θ=8°,μ1=2,μ2=0.2,μ=0.5,d=8mm,N=4N帶入計(jì)算得：=5.93N,=0.139Nm,v=185mm/min可見，若能合理的調(diào)整各參數(shù)的數(shù)值范圍，機(jī)器人的動(dòng)力性能是可以得到很好保證的。四、電控部分設(shè)計(jì)說明由于微細(xì)管道內(nèi)空間狹小，并考慮機(jī)器人自身不宜過重，不適宜將電源如電池等內(nèi)置，況且實(shí)際管道內(nèi)情況復(fù)雜，如用無線紅外接口對機(jī)器人進(jìn)行遙控，很有可能遇到信號接受不到，控制失靈的情況。因此，我們采用通過兩個(gè)常開觸點(diǎn)開關(guān)來控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和停機(jī)，其控制形式如圖（8）所示。電源電源常開觸點(diǎn)開關(guān)2常開觸點(diǎn)開關(guān)1常開觸點(diǎn)開關(guān)2常開觸點(diǎn)開關(guān)1直流電機(jī)直流電機(jī)圖（8）其中常開觸點(diǎn)1正接電源后與直流電機(jī)連接，常開觸點(diǎn)2反接電源后與直流電機(jī)連接，其工作狀態(tài)為：（1）、兩常開觸點(diǎn)保持初始狀態(tài)，則電機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)；（2）、長按常開觸點(diǎn)開關(guān)1，且常開觸點(diǎn)開關(guān)2處于初始狀態(tài)，則電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，機(jī)器人前進(jìn)；（3）、長按常開觸點(diǎn)開關(guān)2，且常開觸點(diǎn)開關(guān)1處于初始狀態(tài)，則電機(jī)處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，機(jī)器人后退；通過以上方法達(dá)到了對機(jī)器人前進(jìn)、后退和停止的控制，這種方法簡單、易行、可靠。五、機(jī)構(gòu)運(yùn)行流程1、水平管道內(nèi)機(jī)構(gòu)運(yùn)行流程圖長長按常開觸點(diǎn)開關(guān)1（2），使電機(jī)處于正（反）轉(zhuǎn)狀態(tài)，保持機(jī)構(gòu)使電機(jī)定子不轉(zhuǎn)長長按常開觸點(diǎn)開關(guān)1（2），使電機(jī)處于正（反）轉(zhuǎn)狀態(tài)，保持機(jī)構(gòu)使電機(jī)定子不轉(zhuǎn)電機(jī)通過萬向節(jié)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，使驅(qū)動(dòng)輪正（反）轉(zhuǎn)。電機(jī)通過萬向節(jié)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，使驅(qū)動(dòng)輪正（反）轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)輪與管壁作用產(chǎn)生軸向向前（后）的摩擦力，摩擦力使驅(qū)動(dòng)輪向前（后）運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)機(jī)身，保持輪隨之滾動(dòng)前進(jìn)（后退）。驅(qū)動(dòng)輪與管壁作用產(chǎn)生軸向向前（后）的摩擦力，摩擦力使驅(qū)動(dòng)輪向前（后）運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)機(jī)身，保持輪隨之滾動(dòng)前進(jìn)（后退）。實(shí)現(xiàn)水平向前（后）運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)水平向前（后）運(yùn)動(dòng)2、垂直管道內(nèi)機(jī)構(gòu)運(yùn)行流程圖長長按常開觸點(diǎn)開關(guān)1（2），使電機(jī)處于正（反）轉(zhuǎn)狀態(tài)，保持機(jī)構(gòu)使電機(jī)定子不轉(zhuǎn)。長長按常開觸點(diǎn)開關(guān)1（2），使電機(jī)處于正（反）轉(zhuǎn)狀態(tài)，保持機(jī)構(gòu)使電機(jī)定子不轉(zhuǎn)。電機(jī)通過萬向節(jié)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪正轉(zhuǎn)。電機(jī)通過萬向節(jié)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪正轉(zhuǎn)。電機(jī)通過萬向節(jié)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪反轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)輪與管壁作用產(chǎn)生沿軸向向下的摩擦力分力，它與重力的合力克服滑動(dòng)摩擦力使驅(qū)動(dòng)輪向下運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)機(jī)身，保持輪隨之滾動(dòng)下降。驅(qū)動(dòng)輪與管壁作用產(chǎn)生沿軸向向上的摩擦力分力，克服重力和滑動(dòng)摩擦力的作用使驅(qū)動(dòng)輪向上運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)機(jī)身，保持輪隨之滾動(dòng)上升。驅(qū)動(dòng)輪與管壁作用產(chǎn)生沿軸向向下的摩擦力分力，它與重力的合力克服滑動(dòng)摩擦力使驅(qū)動(dòng)輪向下運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)機(jī)身，保持輪隨之滾動(dòng)下降。驅(qū)動(dòng)輪與管壁作用產(chǎn)生沿軸向向上的摩擦力分力，克服重力和滑動(dòng)摩擦力的作用使驅(qū)動(dòng)輪向上運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)機(jī)身，保持輪隨之滾動(dòng)上升。實(shí)現(xiàn)垂直向上（下）運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)垂直向上（下）運(yùn)動(dòng)。3、彎管內(nèi)機(jī)構(gòu)運(yùn)行流程圖長長按常開觸點(diǎn)開關(guān)1（2），使電機(jī)處于正（反）轉(zhuǎn)狀態(tài)，保持機(jī)構(gòu)使電機(jī)定子不轉(zhuǎn)。長長按常開觸點(diǎn)開關(guān)1（2），使電機(jī)處于正（反）轉(zhuǎn)狀態(tài)，保持機(jī)構(gòu)使電機(jī)定子不轉(zhuǎn)。電機(jī)通過萬向節(jié)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，使驅(qū)動(dòng)輪正（反）轉(zhuǎn)。電機(jī)通過萬向節(jié)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，使驅(qū)動(dòng)輪正（反）轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)輪與管壁作用產(chǎn)生向前（后）的摩擦力，摩擦力使驅(qū)動(dòng)輪向前（后）運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)機(jī)身，保持輪隨之滾動(dòng)前進(jìn)（后退）。驅(qū)動(dòng)輪與管壁作用產(chǎn)生向前（后）的摩擦力，摩擦力使驅(qū)動(dòng)輪向前（后）運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)機(jī)身，保持輪隨之滾動(dòng)前進(jìn)（后退）。當(dāng)進(jìn)入彎管時(shí)，前后兩萬向節(jié)各根據(jù)彎管彎曲程度自行調(diào)節(jié)相鄰兩軸的夾角，輔助機(jī)器人在彎管內(nèi)移動(dòng)。當(dāng)進(jìn)入彎管時(shí)，前后兩萬向節(jié)各根據(jù)彎管彎曲程度自行調(diào)節(jié)相鄰兩軸的夾角，輔助機(jī)器人在彎管內(nèi)移動(dòng)。實(shí)現(xiàn)在彎管內(nèi)向前（后）運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)在彎管內(nèi)向前（后）運(yùn)動(dòng)。六、仿生功能用機(jī)器人的嗅覺進(jìn)行管道氣體濃度探測，用機(jī)器人的視覺功能進(jìn)行管道探傷。1、機(jī)器人嗅覺管道氣體濃度探測：我們把煙霧假象為某種氣體，機(jī)器人的檢測控制流程如圖9所示。機(jī)器人行進(jìn)聲音報(bào)警器靜音風(fēng)扇停轉(zhuǎn)安全濃度機(jī)器人行進(jìn)聲音報(bào)警器靜音風(fēng)扇停轉(zhuǎn)安全濃度啟動(dòng)煙霧傳感器，開濃度檢測子程序啟動(dòng)煙霧傳感器，開濃度檢測子程序危險(xiǎn)濃度聲音報(bào)警器報(bào)警機(jī)器人停止風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)

危險(xiǎn)濃度聲音報(bào)警器報(bào)警機(jī)器人停止風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)圖9我們選用的TGS-202氣體傳感器設(shè)計(jì)報(bào)警電路，如圖10所示。圖102、機(jī)器人視覺管道探傷：我們計(jì)劃采用基于機(jī)器視覺的方法進(jìn)行管道探傷微型CCD攝像機(jī)如圖11所示。我們選用具有較大視場范圍的微型CCD攝像機(jī),以保證對管道內(nèi)壁的無遺漏檢測,在其外端面上增裝LED發(fā)光二極管作為光源,改制后攝像機(jī)的直徑約為φ19mm,長度約為18mm,重量約為5g。圖11我們假想在管道中有裂縫或缺陷，機(jī)器人的檢測控制流程如圖12所示。機(jī)器人行進(jìn)綠色LED亮機(jī)器人行進(jìn)綠色LED亮不是裂縫或缺陷不是裂縫或缺陷圖像二值化處理CCD攝取的圖圖像二值化處理CCD攝取的圖像判斷是否為裂縫或缺陷是裂縫或缺陷是裂縫或缺陷紅色LED亮電極停轉(zhuǎn)拍照啟動(dòng)鍵啟動(dòng)鍵圖12七、設(shè)計(jì)小結(jié)通過理論計(jì)算，我們認(rèn)為經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計(jì)的基于螺旋運(yùn)動(dòng)的細(xì)小管道機(jī)器人機(jī)構(gòu)具有較大的承載能力，可以在較高的速度下實(shí)現(xiàn)連續(xù)移動(dòng)，由于這種機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分和保持部分都加入彈簧裝置，使機(jī)構(gòu)的管徑適應(yīng)性增加，同時(shí)，由于不需依靠電磁力使機(jī)構(gòu)吸附管壁，使材料選取范圍更加廣泛，可以用鋼管等金屬材料，也可用PVC管、玻璃管非金屬材料，因此它是一種通用性較強(qiáng)的機(jī)構(gòu)形式。

在原理說明中，我們僅以一組驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為例，實(shí)際制作時(shí)可以通過設(shè)置多組驅(qū)動(dòng)輪增加驅(qū)動(dòng)力。還可以通過調(diào)節(jié)保持機(jī)構(gòu)中的彈簧壓緊螺母來調(diào)節(jié)保持力矩。但是，我們也考慮到螺旋輪驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)靠摩擦驅(qū)動(dòng)，在受載情況下可能會(huì)有打滑現(xiàn)象，這樣實(shí)際移動(dòng)速度會(huì)隨重量的增加有明顯的下降。同時(shí)，如果驅(qū)動(dòng)力矩和保持力矩不相匹配，可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)構(gòu)移動(dòng)遲滯或保持機(jī)構(gòu)反轉(zhuǎn)的情況。這些，都是我們在今后的設(shè)計(jì)改進(jìn)和機(jī)構(gòu)調(diào)試中必須關(guān)注的，尤其是在管徑減小的情況下?？傊覀儗⒃诮窈蟮膶?shí)用過程中，以實(shí)際需要為依據(jù)使之持續(xù)改進(jìn)和不斷完善。八、參考文獻(xiàn)1、一種新型管外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究機(jī)械設(shè)計(jì),2004年06期鄧宗全許馮平2、一種新型管道檢測機(jī)器人系統(tǒng)上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2004年08期徐小云顏國正鄢波3、基于蚯蚓原理的多節(jié)蠕動(dòng)機(jī)器人機(jī)器人,2004年04期左建勇顏國正4、機(jī)器人視覺伺服研究進(jìn)展機(jī)器人,2004年03期王麟琨徐德譚民5、機(jī)器視覺關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用展望昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版),2004年02期唐向陽張勇李江有黃崗楊松關(guān)宏6、微型管內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀與展望制造業(yè)自動(dòng)化,2000年12期張永順7、管內(nèi)移動(dòng)微型機(jī)器人研究與發(fā)展現(xiàn)狀光學(xué)精密工程,2003年04期孫立寧劉品寬吳善強(qiáng)劉濤8、管道微型機(jī)器人的發(fā)展近況機(jī)械工程師,2000年05期李旻章亞男陳方泉龔振邦9、國