管道爬行器的研究與設(shè)計(jì)

百度文庫(kù)-讓每個(gè)人平等地提升自我百度文庫(kù)-讓每個(gè)人平等地提升自我PAGEPAGE43百度文庫(kù)-讓每個(gè)人平等地提升自我PAGE本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）論文題目：管道爬行器的研究與設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：所在院系：機(jī)電學(xué)院所學(xué)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化導(dǎo)師姓名：完成時(shí)間：摘要本課題是在對(duì)管道爬行器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)研究分析的基礎(chǔ)上。本次設(shè)計(jì)在Solidworks的基礎(chǔ)上構(gòu)建管道爬行器的若干套三維造型，然后依據(jù)要求進(jìn)行選擇。最終方案采用列車連接結(jié)構(gòu),伸縮結(jié)構(gòu)和“傘”型結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)管道內(nèi)部的彎道和大范圍內(nèi)徑轉(zhuǎn)變管道。通過(guò)電氣控制，使各電機(jī)順序動(dòng)作以完成通過(guò)十字型和丁字型等較復(fù)雜的管道,通過(guò)新型吊環(huán)的調(diào)節(jié)始終維持?jǐn)z像裝置與水平面的平行。對(duì)管道爬行器的控制要求，采用常規(guī)的電氣控制分析方式設(shè)計(jì)電氣部份的控制電路，最終方案采用人工控制電機(jī)的順序動(dòng)作進(jìn)行管道內(nèi)的轉(zhuǎn)彎，里程計(jì)反饋信息與管道工程圖相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行爬行器的定位。為研究管道爬行器打下了必然的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：自適應(yīng)性，伸縮結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑轉(zhuǎn)變，新型吊環(huán)，SolidworksTheresearchanddesignofpipingcrawlrobotAbstractThequestionfordiscussionbaseon

thestructureofpipingcrawlrobotan-dthemovinginvestigation'analyze.ThisprojectbasesonSolidworkstoconcei-vesome3Dsculptof

crawlr-obot,thenbyrequestioncarrythroughchoose.Thefinalschemeadoptthestructureabouttrainandflexstructureandumbrellastructure,forthesakeofadaptingtothepipelinethatcanchangeradiusingr-eatrange.Andsucceedoverpassingcrossmodelandt-shapedmodelcomplicatedpipingbythesequentially-operationoftheelectricmotor,andalwayscankeepparallelstatebetweenvidiconsetting

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11進(jìn)給螺桿與螺母的設(shè)計(jì) 11吊籃的設(shè)計(jì) 12機(jī)腿的設(shè)計(jì) 12方案二的分析 135方案三的設(shè)計(jì)與分析 13機(jī)身的設(shè)計(jì) 14機(jī)身內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 15進(jìn)給絲杠和螺母的設(shè)計(jì) 15選擇聯(lián)軸器 19選擇鍵 20吊環(huán)的設(shè)計(jì) 20軸承的設(shè)計(jì) 21機(jī)腿的設(shè)計(jì) 21驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì) 22管道爬行的實(shí)現(xiàn) 22管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎的實(shí)現(xiàn) 23整體裝配體設(shè)計(jì) 246管道爬行機(jī)械人的功能分析 247管道爬行機(jī)械人的動(dòng)作分析 258電氣控制大體元器件的選取 25電機(jī)的參數(shù)計(jì)算與選取 25驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的參數(shù)計(jì)算 25主電機(jī)參數(shù)計(jì)算 26機(jī)械人動(dòng)力源的選取 27電源的選取 28電機(jī)調(diào)速元件的選取 28串聯(lián)電阻調(diào)速方式的實(shí)現(xiàn) 28新型調(diào)節(jié)脈寬PWM型調(diào)速的實(shí)現(xiàn) 29電機(jī)調(diào)速方式的肯定及元件的肯定 309電路設(shè)計(jì) 31輪足電機(jī)動(dòng)作的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的電路設(shè)計(jì) 31前后傘足的張開閉合電路設(shè)計(jì) 32電機(jī)部份總電路設(shè)計(jì) 32電機(jī)順序動(dòng)作的電路設(shè)計(jì) 33人為控制 34邏輯控制 34單片機(jī)/PLC進(jìn)行自動(dòng)控制 34照明系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì) 36管道內(nèi)機(jī)械人定位系統(tǒng)（PDPS）的設(shè)計(jì) 36爬行器管道內(nèi)定位方案的提出與分析 36機(jī)械人定位系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計(jì) 3810結(jié)論 4011結(jié)束語(yǔ) 41致謝 41參考文獻(xiàn) 421緒論隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，天然氣管道和各類輸送管道的應(yīng)用愈來(lái)愈多。在我國(guó)及世界各個(gè)國(guó)家內(nèi)，由于地形的限制和土地資源的有限，在地下都埋設(shè)了很多的輸送管道，例如，一方面天然氣管道、石油管道等，在埋有管道的地面上都已經(jīng)建成了很多的建筑物、公路等，給管道的維修和保護(hù)造成了很大的困難。當(dāng)這些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等問(wèn)題時(shí)，人們普通的做法是挖開道路進(jìn)行維修，有些時(shí)候若是不能準(zhǔn)確判斷泄露和堵塞的具體位置時(shí)，會(huì)浪費(fèi)很多的時(shí)間和精力，同時(shí)降低了工作效率[7]。另一方面石油、天然氣、化工、電力、冶金等工業(yè)的管道工程大多采用焊接管路。為了保證焊接管路的焊接質(zhì)量和運(yùn)行安全,管道工程都要對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)焊接部位是不是存在虛焊、漏焊、傷痕等焊接缺點(diǎn)。常常利用的焊縫檢測(cè)方式是采用無(wú)損檢測(cè),如超聲、射線、渦流等。對(duì)于管路檢測(cè),則大多采用管道內(nèi)爬行探傷查驗(yàn)設(shè)備(簡(jiǎn)稱爬行器)對(duì)焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)。這種爬行器由于受管道尺寸的限制,大多結(jié)構(gòu)十分緊湊。在檢測(cè)進(jìn)程中,爬行器在其控制系統(tǒng)的控制下,可持續(xù)對(duì)同一管道不同位置上的焊縫質(zhì)量進(jìn)行查驗(yàn)?？紤]管道焊縫檢測(cè)的效率,常常當(dāng)管道焊接具有必然長(zhǎng)度以后,才集中對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)。若是一次要檢測(cè)的管道比較長(zhǎng),爬行器的控制系統(tǒng)應(yīng)采用車載式布置。使歷時(shí),通過(guò)外部的控制器對(duì)爬行器上的控制系統(tǒng)發(fā)出指令,決定爬行器的工作狀態(tài)。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，和機(jī)械人技術(shù)的發(fā)展和管道測(cè)試等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，彼此之間的滲透程度愈來(lái)愈深，管道爬行機(jī)械人是在狹小空間中進(jìn)行精密操作、檢測(cè)或作業(yè)的機(jī)械人系統(tǒng)。其中機(jī)械人的作業(yè)環(huán)境一般是危險(xiǎn)的?；鹆Πl(fā)電廠、核電廠、化工廠、民用建筑等用到各類各小管道，其安全利用需要按期檢修。但由于窄小空間的限制，自動(dòng)維修存在必然難度。僅以核電站為例，檢查時(shí)工人勞動(dòng)條件惡劣。因此管道內(nèi)機(jī)械人化自動(dòng)檢查技術(shù)的研究與應(yīng)用十分必要。人們?cè)僖膊粸榱司S修、保護(hù)管道時(shí)挖開道路，節(jié)省了大量的人力，物力和財(cái)力。目前的管道機(jī)械人都是以履帶、輪子等實(shí)此刻管道中的移動(dòng)，其技術(shù)有著或多或少的缺點(diǎn)，市場(chǎng)尚不成熟。例如：不能適應(yīng)大范圍的管道內(nèi)徑轉(zhuǎn)變，運(yùn)行中姿態(tài)的調(diào)整不夠理想，在十字型、丁字型等較復(fù)雜的管道內(nèi)徑中不能較平穩(wěn)的通過(guò)等等；結(jié)合目前管道機(jī)械人所存在的缺點(diǎn)，應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理等專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)出了新型管道爬行機(jī)械人。此機(jī)械人可實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的管道內(nèi)徑轉(zhuǎn)變，順利通過(guò)十字型、丁字型等較復(fù)雜管道；在運(yùn)行中的姿態(tài)調(diào)整也取得了較好的解決。2設(shè)計(jì)方案初步分析無(wú)線控制與有線控制的選擇有線控制及拖拽該方式采用機(jī)械人尾部裝夾電纜、信號(hào)線、安全繩、其他電路等等，這樣會(huì)造成機(jī)械人的牽引力增大，對(duì)爬行器的負(fù)載力和足輪的摩擦力提出了更高的要求，尤其是隨著機(jī)械人的深切，牽引繩會(huì)成為機(jī)械人的累贅和桎梏。牽引繩的長(zhǎng)短禁錮著機(jī)械人的爬行深度。其優(yōu)缺點(diǎn)如下：缺點(diǎn)：附著力會(huì)不斷增大，爬行器負(fù)載轉(zhuǎn)變大，無(wú)益于長(zhǎng)距離爬行。長(zhǎng)處：爬行器本身初始載重小（本身不需攜帶能源等），信息反饋及時(shí)清楚，利于后期觀察，也利于實(shí)此刻線監(jiān)控。觀察結(jié)束時(shí)，可人工利用安全繩退出。非拖曳該方式不需跟從電纜線，本身有拍攝存儲(chǔ)功能，而且本身攜帶電源等，其優(yōu)缺點(diǎn)如下：缺點(diǎn)：爬行器本身載重加大，需設(shè)計(jì)爬行器退出管道方式等。長(zhǎng)處：爬行器載重恒定，便于爬行器爬行。其在管道內(nèi)行進(jìn)方便，尤其在彎道時(shí)，拖曳式的過(guò)大的牽引力會(huì)使爬行器驅(qū)動(dòng)輪打滑，不易通過(guò)。按照要求，非拖曳雖有自己壯大長(zhǎng)處，但爬行器在管道內(nèi)出現(xiàn)問(wèn)題而不能移動(dòng)時(shí)，需要花費(fèi)很大力氣將爬行器掏出。可以選擇有線拖拽式。驅(qū)動(dòng)方式選擇按照設(shè)計(jì)要求現(xiàn)擬訂2種爬行器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案（如圖1，2）：圖1輪式爬行圖2履帶式爬行輪式爬行設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)便，本錢低廉。但其穿越障礙能力差，只能穿越高度小于其本身半徑的障礙物。如圖3。圖3輪式爬行越障履帶爬行越障礙能力高于輪式爬行，但本身設(shè)計(jì)制造較復(fù)雜，本錢相應(yīng)提高（一個(gè)支點(diǎn)最少需4輪才可以爬行）[3]。按照設(shè)計(jì)要求本機(jī)械人是在管道內(nèi)行走的機(jī)械人，無(wú)需考慮臺(tái)階等障礙物的問(wèn)題，盡可能降低本錢，在不影響設(shè)計(jì)本身功能時(shí)，盡可能采用制造工藝簡(jiǎn)單，本錢低的設(shè)計(jì)方案?？梢圆捎幂喪脚佬小Ｗ藨B(tài)調(diào)整的選擇按照要求結(jié)合可行性，可以擬定3種方案如下：加傳感器的關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)整在管道爬行時(shí)會(huì)出現(xiàn)爬行器偏移原來(lái)軌道，可用傾斜傳感器進(jìn)行控制?，F(xiàn)擬訂采用改變輪子（履帶）前進(jìn)方向必然角度來(lái)進(jìn)行矯正（加關(guān)節(jié)）。其原理為：通過(guò)電磁鐵的吸合，從而控制爬行器的爬行軌跡。關(guān)節(jié)單元裝配圖如圖4：圖4關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)通過(guò)關(guān)節(jié)調(diào)整可實(shí)現(xiàn)如圖5：圖5關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)利用吊籃方式進(jìn)行調(diào)整在爬行器內(nèi)安裝吊籃（內(nèi)置攝像觀察裝置）。當(dāng)爬行器偏斜時(shí)，吊蘭因?yàn)楹蜋C(jī)座為鉸鏈連接，保留一個(gè)自由度，由于重力的原因不會(huì)隨著爬行器偏斜而偏斜，而是在任何時(shí)候都垂直與地面。其在爬行器內(nèi)碰到傾斜時(shí)的自動(dòng)調(diào)節(jié)如圖6。通過(guò)吊籃式調(diào)節(jié)，攝像裝置始終維持與水平面平行圖6吊籃式的實(shí)現(xiàn)采用新式吊籃進(jìn)行調(diào)整按照吊籃的原理，結(jié)合魯班的榫卯結(jié)構(gòu)，可以采用2個(gè)偏心圓環(huán)相扣，進(jìn)行重力自由調(diào)節(jié)，其原理如圖7如圖7小環(huán)直徑為150mm，大環(huán)直徑為250mm，大環(huán)與小環(huán)相切，小環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)并非能帶動(dòng)大環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，而且大環(huán)會(huì)由于重力的作用始終與地面維持平行?？梢栽诖蟓h(huán)上安裝照明器件和信號(hào)收集器件，是它們能夠與地面維持平行。按照這種思路，可以3D造型，進(jìn)行新式吊籃調(diào)節(jié)如圖8,圖9。圖7吊環(huán)原理圖自適應(yīng)分析圖7吊環(huán)原理圖圖8吊籃分裝圖圖9吊籃裝配圖圖8吊籃分裝圖圖9吊籃裝配圖伸縮臂長(zhǎng)和加彈簧方式大范圍內(nèi)徑轉(zhuǎn)變（400-1100）在支撐臂上添加變長(zhǎng)桿，小范圍內(nèi)在支撐臂上添加彈簧。伸縮臂長(zhǎng)和“傘”型搖桿在400—1100大范圍內(nèi)的管道中爬行，可通過(guò)使支架伸縮來(lái)改變。在管道直徑改變不大處爬行，十字型、丁字型等較復(fù)雜管道內(nèi)徑時(shí)可通過(guò)“傘”型搖桿閉合控制支撐臂移動(dòng)以適應(yīng)，通過(guò)“傘”型搖桿與伸縮桿的結(jié)合就可以夠變換出很多適應(yīng)不同管道內(nèi)徑的條件。以上2方案各有其長(zhǎng)處，相較較下，第2種方案更符合要求，但其需要獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)單元，因此制造本錢遠(yuǎn)高于第1種方案。在普通情況下，第1種方案足可以適應(yīng)。故再做出三維造型后進(jìn)一步進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。方案的大體肯定通過(guò)以上分析，初步肯定采用有線拖拽式，但姿態(tài)調(diào)整和自適應(yīng)均存在3種不同的方案可供選擇，故設(shè)計(jì)3種整體方案再進(jìn)一步分析。方案一：姿態(tài)調(diào)整采用關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)，自適應(yīng)采用變長(zhǎng)桿和彈簧。方案二：姿態(tài)調(diào)整采用吊籃方式，自適應(yīng)采用伸縮臂和“傘”型張合結(jié)構(gòu)。方案三：姿態(tài)調(diào)整采用新式榫卯吊籃方式，自適應(yīng)采用伸縮臂和“傘”型合構(gòu)。3方案一的設(shè)計(jì)與分析綜合設(shè)計(jì)方案一如圖9.本方案大體有3部份組成，1機(jī)身、2機(jī)腿、3驅(qū)動(dòng)輪。圖9方案一的三維效果圖機(jī)身的設(shè)計(jì)可裝載各類探測(cè)設(shè)備等，如圖10。圖10機(jī)身機(jī)腿的設(shè)計(jì)由9部份組成，其三維圖與爆炸圖如圖11。機(jī)腿可分為3個(gè)單元：伸縮單元（1-5）、變長(zhǎng)單元（6）、關(guān)節(jié)單元（7-10）。通過(guò)螺紋連接。其爆炸圖如圖11。三維轉(zhuǎn)配圖如圖12。圖11機(jī)腿的爆炸圖伸縮單元1-5部份組成的伸縮單元依托彈簧的彈性變形以適應(yīng)小范圍內(nèi)的管道直徑轉(zhuǎn)變和越障。其三維圖如圖13。圖13伸縮單元三維圖圖13伸縮單元三維圖圖14變長(zhǎng)桿圖12機(jī)腿裝配圖圖14變長(zhǎng)桿圖12機(jī)腿裝配圖變長(zhǎng)單元6為變長(zhǎng)桿，可以人為的改換（增加或縮短）以適應(yīng)管道直徑的大范圍轉(zhuǎn)變。其三維圖如圖14。關(guān)節(jié)單元7-10部份組成關(guān)節(jié)單元，7、9上均裝有電磁鐵，7、8，八、9之間用螺母和繞簧固定。各部位三維圖如圖15。關(guān)節(jié)單元用于爬行器的姿態(tài)調(diào)整。其原理為∶通過(guò)傾斜傳感器對(duì)爬行器進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)爬行器偏移其原軌道，傾斜傳感器發(fā)出電信號(hào)，此時(shí)7或9上的電磁鐵得電，吸合8，促使輪子向左或右傾斜，以校正爬行器。在爬行器被校正后，傾斜傳感器發(fā)出信號(hào)，使電磁鐵斷電，在繞簧的作使勁下，使關(guān)節(jié)各部位復(fù)位。圖15關(guān)節(jié)單元零件圖爬行器正常前進(jìn)。7、9別離用于爬行器的左、右校正。驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)輪由5部份組成，如圖16圖16驅(qū)動(dòng)輪三維圖與爆炸圖(1)聯(lián)接塊用于與驅(qū)動(dòng)輪與關(guān)節(jié)單元的聯(lián)接。(2)電動(dòng)機(jī)箱安裝步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)。用以驅(qū)動(dòng)輪子。方案一的分析長(zhǎng)處：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造本錢低廉，對(duì)管道內(nèi)徑轉(zhuǎn)變不大和彎道較少時(shí)大體能知足設(shè)計(jì)要求。缺點(diǎn)：該爬行器在爬行器由于機(jī)身是長(zhǎng)方體，在管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎時(shí)，會(huì)出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象，在爬行十字型、丁字型管道內(nèi)徑時(shí)會(huì)出此刻機(jī)腿卡在管道中，驅(qū)動(dòng)輪懸空等情況；但該種情況，一般當(dāng)輪子半徑大于管道壁厚，也能順利通過(guò)。4方案二的設(shè)計(jì)與分析按照方案一的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行改良，增加必要改良元素，現(xiàn)設(shè)計(jì)出方案二，如圖17。本方案由3部份組成：1機(jī)身，2機(jī)腿，3驅(qū)動(dòng)輪。圖17方案二的三維圖機(jī)身的設(shè)計(jì)機(jī)身設(shè)計(jì)成筒狀機(jī)身和其他部件組成。如圖18.圖18機(jī)壁三維圖機(jī)身內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)身內(nèi)部主要完成“傘”足的張合傳動(dòng)，和吊籃的安裝。如圖19。圖19機(jī)身內(nèi)部三維圖進(jìn)給螺桿與螺母的設(shè)計(jì)為使機(jī)腿伸縮，采用螺旋傳動(dòng)，該類型傳動(dòng)是利用螺桿（絲杠）和螺母組成的螺旋副來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。在爬行器中其工作原理為：進(jìn)給螺桿在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從而使螺母進(jìn)行水平移動(dòng)。螺母用來(lái)推動(dòng)機(jī)腿的伸縮，使爬行器進(jìn)行自適應(yīng)伸縮如圖20。圖20絲杠螺母運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖吊籃的設(shè)計(jì)吊籃的活動(dòng)關(guān)節(jié)采用圓柱銷，采用間隙配合，以保證吊籃的左右移動(dòng)。其機(jī)構(gòu)圖如圖21，22。其工作原理為，在重力的作用下。吊籃通度日動(dòng)關(guān)節(jié)始終維持與地面的水平?；顒?dòng)關(guān)節(jié)由一活動(dòng)銷聯(lián)結(jié)。吊籃通過(guò)螺母固定在機(jī)身上。圖21吊籃三維圖圖22吊籃示用意機(jī)腿的設(shè)計(jì)機(jī)腿的三維造型如圖23圖23機(jī)腿三維圖機(jī)腿通過(guò)關(guān)節(jié)一、二、3的伸縮進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。連接桿與推動(dòng)盤連結(jié)。連接桿與關(guān)節(jié)3采用鉸接。為適應(yīng)管道最大內(nèi)徑1100mm的調(diào)節(jié)，關(guān)節(jié)1尺寸為200mm，關(guān)節(jié)2尺寸為150mm，關(guān)節(jié)3尺寸為100mm。方案二的分析長(zhǎng)處：能夠采用伸縮桿適應(yīng)大范圍管道內(nèi)壁直徑轉(zhuǎn)變，“傘”型結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)管道內(nèi)必然范圍的轉(zhuǎn)彎，牽引力大，結(jié)構(gòu)緊湊，控制簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：由于機(jī)身為一個(gè)圓筒（整體，太長(zhǎng)），不能完全適應(yīng)彎道的轉(zhuǎn)彎。吊籃安裝在機(jī)身內(nèi)部，安裝復(fù)雜，而且吊籃在內(nèi)部，不能采用攝像頭觀察管道內(nèi)壁的情況。機(jī)身的制造復(fù)雜，孔系較多。5方案三的設(shè)計(jì)與分析按照方案一，二的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合整理資料，通過(guò)反復(fù)修改，提出新的設(shè)計(jì)思路，先設(shè)計(jì)出方案三，如圖24。本方案有3部份組成，1機(jī)身、2機(jī)腿、3驅(qū)動(dòng)輪。圖24方案三的三維圖機(jī)身的設(shè)計(jì)機(jī)身主要有兩部份組成，即前機(jī)身和后機(jī)身，對(duì)于管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎的為題，咱們可以借鑒火車的節(jié)裝結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出有兩節(jié)機(jī)身組成的機(jī)車型爬行器，減小機(jī)身長(zhǎng)度，有利于機(jī)械人順利通過(guò)彎道，為減輕重量，機(jī)身材料選用硬鋁。機(jī)身組成結(jié)構(gòu)爬行器爬行最小內(nèi)徑為450mm，爬行最大內(nèi)徑1100mm。設(shè)計(jì)機(jī)身內(nèi)徑為150mm，外徑為200mm機(jī)壁厚度最小處為10mm。機(jī)壁與機(jī)腿之間只是做簡(jiǎn)單的伸縮動(dòng)作，前后機(jī)身可以采用旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接故采用GB119-83A5X40，采用間隙配合。其前后機(jī)身三維圖如圖25，圖26。圖25前主體三維圖圖26后主體三維圖機(jī)身內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)為機(jī)腿運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在這里運(yùn)用絲杠和螺母結(jié)構(gòu)完成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。并推動(dòng)機(jī)腿的張合。其結(jié)構(gòu)示用意如圖27進(jìn)給絲杠和螺母的設(shè)計(jì)為使機(jī)腿伸縮，采用螺旋傳動(dòng)，該類型傳動(dòng)是利用螺桿（絲杠）和螺母組成的螺旋副來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。圖27絲杠螺母裝配圖在爬行器中其工作原理為：進(jìn)給螺圖27絲杠螺母裝配圖桿在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從而使螺母進(jìn)行水平移動(dòng)。螺母用來(lái)推動(dòng)機(jī)腿的張合，使爬行器進(jìn)行自適應(yīng)張合。A初步肯定螺桿桿軸的最小軸徑按《機(jī)械設(shè)計(jì)》式15-2初步估算絲桿軸的最小軸徑，選取材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處置。按照《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-3取A0=112初步設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速為30r/min=112=(1)式中，P可按照主體電機(jī)取P=89Wn=30r/minB求取軸向力依照自鎖條件先求出當(dāng)量摩擦角，查《機(jī)械設(shè)》表5-12知螺旋副材料中鋼對(duì)鋼的摩擦系數(shù)，取中間值，則當(dāng)量摩擦角(2)(2)則在此按最大值計(jì)算，取C耐磨性計(jì)算滑動(dòng)螺旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動(dòng)速度、螺紋表面粗糙度和潤(rùn)滑狀態(tài)等因素有關(guān)。其中最主要的是螺紋工作面上的壓力，壓力越大，螺旋副間越容易形成磨損。因此，滑動(dòng)螺旋的耐磨性計(jì)算，主如果限制螺紋工作面上的壓力p，使其小于材料的許用壓力。假設(shè)作用于螺桿的軸向力為F（單位為N)，螺紋的承壓面積（指螺紋工作表面投影到垂直于軸向力的平面上的面積）為A（單位為），螺紋中徑為（單位為mm），螺紋工作高度為h（單位為mm），螺紋螺距為P（單位為mm），螺母高度為H（單位為mm），螺紋工作圈數(shù)為，則螺紋工作面上的耐磨性條件為(3)(3)上式可作為校核計(jì)算用。將代入上式整理后得(4)(4)a計(jì)算螺桿中徑查《機(jī)械設(shè)計(jì)》第97頁(yè)，由于工作圈數(shù)不多，故取查《機(jī)械設(shè)計(jì)》第97頁(yè)表5-12取則因?yàn)榘醇羟袕?qiáng)度計(jì)算的最小直徑為，由d2=26mm按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選取螺紋公稱直徑d=30mm，P=的螺紋。(5)b螺母高度(5)H==39mmc旋合圈數(shù)(6)(6)故旋合圈數(shù)合理d螺紋工作高度(7)e驗(yàn)算工作壓強(qiáng)(8)(8)D驗(yàn)算自鎖自鎖條件，對(duì)于單線螺紋，為當(dāng)量摩擦角等于。則：自鎖條件知足。E螺桿強(qiáng)度計(jì)算螺桿工作時(shí)經(jīng)受軸向壓力（或拉力）F和扭轉(zhuǎn)T的作用。螺桿危險(xiǎn)截面上既有緊縮（或拉伸）應(yīng)力，又有切應(yīng)力。因此，校核螺桿強(qiáng)度時(shí)應(yīng)按照第四強(qiáng)度理論求出危險(xiǎn)截面的計(jì)算應(yīng)力，其強(qiáng)度條件為(9)mm式中：F——螺桿所受的軸向壓力（或拉力），單位為N；——螺桿螺紋小徑，單位為mm；T——螺桿所受的扭矩；——螺桿材料的許用應(yīng)力，單位為MPa。則：螺桿材料的許用應(yīng)力查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表知=80，故螺桿強(qiáng)度知足。F螺紋牙強(qiáng)度(1)螺紋牙寬度(2)螺桿的強(qiáng)度校核螺紋牙多發(fā)生剪切和擠壓破壞，一般螺母的材料強(qiáng)度低于螺桿，故只需校核螺母螺紋牙的強(qiáng)度。若是將一圈螺紋沿螺母的螺紋大徑D（單位為mm）處展開，則可看做寬度為的懸臂梁。假設(shè)螺母每圈螺紋所經(jīng)受的平均壓力為，并作用在以螺紋中徑（單位為mm）為直徑的圓周上，則螺紋牙危險(xiǎn)截面a－a的剪切強(qiáng)度條件為(10)(10)螺紋牙危險(xiǎn)截面a－a的彎曲強(qiáng)度條件為(11)(11)式中：b——螺紋牙根部的厚度，單位為mm，對(duì)于矩形螺紋，b＝，對(duì)于梯形螺紋，b＝，P為螺紋螺距；l——彎曲力臂，單位為mm——螺母材料的許用切應(yīng)力，單位為MPa，見《機(jī)械設(shè)計(jì)》表5-13；——螺母材料的許用彎曲應(yīng)力，單位為MPa，見《機(jī)械設(shè)計(jì)》表5-13；a.抗剪強(qiáng)度其中查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表5-13并計(jì)算得=48MPab.抗彎強(qiáng)度其中查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表5-13經(jīng)計(jì)算知=80MPa。(3)絲母的強(qiáng)度校核a.抗剪強(qiáng)度其中查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-3知。b.抗彎強(qiáng)度其中查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-3知=80MPa。故絲母強(qiáng)度知足。綜上計(jì)算所的螺桿工程圖如圖28。螺母工程圖如圖29。圖28螺桿工程圖圖29螺母工程圖選擇聯(lián)軸器聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)中重要的軸系部件。主要用來(lái)聯(lián)接兩軸(有時(shí)也實(shí)現(xiàn)軸與其它轉(zhuǎn)動(dòng)零件的聯(lián)接)，使之一路轉(zhuǎn)動(dòng)并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。兩軸用聯(lián)軸器聯(lián)接，只有停機(jī)并經(jīng)拆卸才能分離；采用聯(lián)軸器可把整機(jī)分成若干部件，便于機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造、裝拆及運(yùn)輸；聯(lián)軸器多數(shù)已標(biāo)難化、系列化，因此主要問(wèn)題是如何合理選擇。因輸出輸入端均為16mm。故選擇Tl8型彈性套柱銷聯(lián)軸器。選擇鍵鍵是機(jī)械傳動(dòng)部份的動(dòng)力傳遞原件，在選擇時(shí)要求其符合傳遞扭矩的要求。且鍵已被國(guó)家定位標(biāo)準(zhǔn)件，在此主要進(jìn)行間的選擇和校核。按照軸的直徑，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6-1選擇普通平鍵的圓頭平鍵,材料選45鋼。依據(jù)鍵的校核如下：(12)式中：T——傳遞的轉(zhuǎn)矩k——k=，h為鍵的高度l——鍵的接觸長(zhǎng)度，mmd——軸的直徑，mm可計(jì)算得：查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6-2靜載荷時(shí)可知所選的圓頭平鍵符合條件吊環(huán)的設(shè)計(jì)如前所訴，吊環(huán)采用榫卯結(jié)構(gòu)，吊環(huán)與環(huán)槽的表面粗糙度要求達(dá)到。其工作原理是按照吊環(huán)的自重，調(diào)節(jié)吊環(huán)始終與地面維持垂直。因其受力不大，減輕重量，故材料采用硬鋁。圖30吊環(huán)裝配圖圖31吊環(huán)爆炸圖軸承的設(shè)計(jì)用于固定螺桿。螺桿后部只是普通光軸，轉(zhuǎn)速低。故采用滑動(dòng)軸承（表面粗糙度要求較高），又因軸承在主體內(nèi)的緊固要求采用自行設(shè)計(jì)的軸承。的為減輕重量材料采用硬鋁。其工程圖如圖32。圖32軸承工程圖機(jī)腿的設(shè)計(jì)其三維裝配圖，爆炸圖如圖33，34。圖33機(jī)腿裝配圖圖34機(jī)腿爆炸圖機(jī)腿通過(guò)關(guān)節(jié)一、二、3的伸縮進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。連接桿與推動(dòng)盤連結(jié)。連接桿與機(jī)腿1采用鉸鏈。為適應(yīng)管道最大內(nèi)徑1100mm的調(diào)節(jié)，關(guān)節(jié)1尺寸為250mm，關(guān)節(jié)2尺寸為150mm，關(guān)節(jié)3尺寸為100mm。驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)與方案二大至上一致（部份結(jié)構(gòu)不同），故不在贅述原理。驅(qū)動(dòng)輪裝配和爆炸如圖35，圖36。原動(dòng)力電動(dòng)機(jī)的選擇與計(jì)算在機(jī)械人的電氣控制研究設(shè)計(jì)部份完成。圖35驅(qū)動(dòng)輪裝配體圖36驅(qū)動(dòng)輪爆炸視圖管道爬行的實(shí)現(xiàn)圖37管道內(nèi)爬行實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎的實(shí)現(xiàn)在十字型管道內(nèi)爬行時(shí)，會(huì)碰到驅(qū)動(dòng)輪懸空，并可能被卡住的情況。此時(shí)，在通過(guò)攝像觀測(cè)裝置觀測(cè)到該種情況時(shí)，工作人員通過(guò)控制機(jī)身電機(jī)，進(jìn)給螺桿開始轉(zhuǎn)動(dòng)，使螺母水平移動(dòng)，從而使機(jī)腿伸縮，以通過(guò)該類型管道，如圖36。其控制進(jìn)程框圖如圖37。程序中控制由現(xiàn)場(chǎng)工作人員控制，通過(guò)對(duì)機(jī)身電機(jī)的控制，以實(shí)現(xiàn)機(jī)腿的伸縮。這里只是敘述了爬行器前半身過(guò)復(fù)雜管道的控制進(jìn)程圖，再后半身過(guò)復(fù)雜管道時(shí)，大體類似，故不在贅述。圖38管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎實(shí)現(xiàn)圖38管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎實(shí)現(xiàn)圖39轉(zhuǎn)彎控制電機(jī)流程圖機(jī)械人的電氣電路控制設(shè)計(jì)將在本文的第六部份進(jìn)行論述。整體裝配體設(shè)計(jì)按照SolidWorks三維造型和各零件的設(shè)計(jì)，現(xiàn)設(shè)計(jì)出方案三整體裝配圖如圖40。圖40爬行器裝配體工程圖6管道爬行機(jī)械人的功能分析按照管道機(jī)械人的機(jī)械部份的設(shè)計(jì)，要求：這種傘型6足的爬行器在管道中要完成前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)彎和前傘，后傘的張開和閉合等動(dòng)作，管道機(jī)械人在工作條件下需要有較強(qiáng)勁的動(dòng)力，較好的可控性，能夠在管道內(nèi)肯定自己的位置，來(lái)精準(zhǔn)的定位的PDPS（PipingDisrepairPositionSystem）管道破損處定位系統(tǒng)，由機(jī)械人的位置來(lái)肯定管道破損的確切位置。要求較小的體積和較簡(jiǎn)單的電路。按照機(jī)械人的動(dòng)作要求可以把管道機(jī)械人的動(dòng)力源設(shè)計(jì)為：（1）由6個(gè)電機(jī)來(lái)控制機(jī)械人的爬行（前進(jìn)，后退）采用的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。（2）由2個(gè)電機(jī)來(lái)控制前后傘足的張開和閉合。按照前后傘足的張開和閉合，爬行機(jī)械人的轉(zhuǎn)彎等，必需要求前后傘足的張開及閉合為獨(dú)立事件，彼此不干擾才能完成轉(zhuǎn)彎時(shí)傘足的獨(dú)立動(dòng)作。7管道爬行機(jī)械人的動(dòng)作分析管道爬行機(jī)械人主要完成的動(dòng)作有：（1）六輪的驅(qū)動(dòng)（前進(jìn)，后退，調(diào)速）。（2）傘足的張開和閉合（前后相對(duì)獨(dú)立）。（3）管道中的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作順序：前傘足閉合——后傘足前進(jìn)——前傘足打開——后傘足閉合——前傘足前進(jìn)——后傘足打開。（4）由吊環(huán)進(jìn)行機(jī)械人的姿態(tài)調(diào)整自適應(yīng)。（5）照明（管道中十分黑暗，攝像頭攝像，必需有照明設(shè)施）。8電氣控制大體元器件的選取基于以上電氣運(yùn)轉(zhuǎn)控制及順序制動(dòng)的問(wèn)題分析，按照管道機(jī)械人的利用特點(diǎn)和工作條件，要求：方便，安全，靠得住，性能優(yōu)越，價(jià)廉，適用于復(fù)雜的環(huán)境條件，體積小，重量輕，可控性能好等，可對(duì)元器件進(jìn)行如下選取：電機(jī)的參數(shù)計(jì)算與選取驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的參數(shù)計(jì)算通過(guò)對(duì)機(jī)械人的三維實(shí)體建模，和材料的選取，通過(guò)已知密度進(jìn)行零件分析，查閱資料綜合算的爬行器的總質(zhì)量為:M=26Kg通過(guò)查閱相關(guān)資料查得橡膠與45#（鋼）之間摩擦系數(shù)為，則取實(shí)際計(jì)算摩擦系數(shù)為：最大功率：輪子經(jīng)受的壓力為機(jī)械人的重力與機(jī)腿張開時(shí)產(chǎn)生的管壁壓力（為機(jī)械人的重力，為機(jī)腿對(duì)管壁的壓力）由于工作時(shí)，機(jī)腿張開的幅度不同，所產(chǎn)生的壓力也不同。為了安全和電機(jī)知足設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)，機(jī)腿張開對(duì)管壁的壓力可取1倍的重力。即：按照牛頓第必然律，牛頓第二定律可算得(14)按照要求爬行器在管道內(nèi)的速度為(15)為了保證安全系數(shù)為，則實(shí)際電機(jī)計(jì)算功率為：(16)主電機(jī)參數(shù)計(jì)算主電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器—絲杠—螺母—滑塊—曲柄(機(jī)腿)通過(guò)對(duì)曲柄滑塊的分析如圖41圖41機(jī)腿張合機(jī)構(gòu)原理圖通過(guò)采用Solidworks實(shí)體分析，可以得出機(jī)腿的質(zhì)量及驅(qū)動(dòng)輪整體的質(zhì)量，即按照?qǐng)D41分析，采取安全計(jì)算方式，極限位b時(shí),對(duì)機(jī)腿進(jìn)行受力分析如圖42，滑塊的推力最大。圖42機(jī)腿機(jī)構(gòu)受力分析按照理論力學(xué)的知識(shí)，計(jì)算如下：按照平行四邊形法則，重力G可分解為,兩個(gè)分力。螺母的推力可分為，兩個(gè)分力。(17)可規(guī)定螺母速度為則依照安全計(jì)算方式，可得螺母功率為：(18)(19)從電機(jī)—聯(lián)軸器—絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)進(jìn)程中，查《機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè)》傳遞效率依次為：(19)，為了符合安全系數(shù)，和考慮到野外工作電源電壓受時(shí)間的轉(zhuǎn)變，電機(jī)功率的選應(yīng)以倍的計(jì)算功率選取。(20)機(jī)械人動(dòng)力源的選取最終肯定驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的功率為，主電機(jī)功率為。按照以上分析，需選用調(diào)速性能好，可控性高，體積小，容量小而且價(jià)廉的直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件。對(duì)于此種直流小功率電機(jī)可以查《電機(jī)工程手冊(cè)》，對(duì)于直徑在30毫米以下，功率在100W以下的直流電機(jī)一般都中小功率用電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)，采用鐵氧體永磁ZYT和Y15Z的圓筒式鋼板外殼電機(jī)。經(jīng)查表對(duì)于主電機(jī)可以選用額定電壓為24V的ZYT-80/08的直流電機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)為空載時(shí)：轉(zhuǎn)速8200轉(zhuǎn)/分，內(nèi)阻歐姆，電流；負(fù)載下轉(zhuǎn)速：5000轉(zhuǎn)/分，電流，效率43%，轉(zhuǎn)矩。對(duì)于驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的選取，按照電器元件配合的簡(jiǎn)單，方便的原則，結(jié)合主電機(jī)的額度電壓24V，可以初步選擇小電機(jī)額定電壓為24V，查《電機(jī)工程手冊(cè)》初定為驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)選用ZYT20/10型。電源的選取機(jī)械人的工作場(chǎng)所一般在野外，戶外對(duì)于電源的便攜性，耐久性，靠得住性要求較高。所以選用可充電的蓄電池直流電源。它重量輕，體積小，電量大，是較為理想的恒壓源。按照機(jī)械人電機(jī)的要求和控制電路的要求，可以選擇主要技術(shù)參數(shù)為電壓24V的直流蓄電池和5V電池組作為機(jī)械人的電源。電機(jī)調(diào)速元件的選取(21)對(duì)于直流電機(jī)的調(diào)速比較簡(jiǎn)單，由公式(21)可知調(diào)速有三種方式：（1）調(diào)壓調(diào)速U（2）骨氣隙磁通K（3）調(diào)節(jié)電樞電路串接電阻調(diào)速（4）新型調(diào)節(jié)脈寬PWM對(duì)于這種永磁式小容量直流電機(jī)磁通量K為定值，調(diào)骨氣隙磁通不現(xiàn)實(shí)。采用調(diào)壓調(diào)速對(duì)于咱們所用的24V直流蓄電池來(lái)講也不現(xiàn)實(shí)，直流變壓沒(méi)有交流變壓簡(jiǎn)單，因?yàn)檫@樣設(shè)備較為復(fù)雜，本錢上升。所以咱們考慮最為簡(jiǎn)單的調(diào)速方式和新型PWM型脈寬調(diào)速。串聯(lián)電阻調(diào)速方式的實(shí)現(xiàn)在電樞電路中串接電阻（滑動(dòng)變阻器）?？梢赃M(jìn)行無(wú)極調(diào)速，雖然這樣會(huì)大大減弱電機(jī)的機(jī)械特性曲線的硬度，但不失為一種快捷，簡(jiǎn)單的變速方式。串聯(lián)電阻的計(jì)算如下：(22)對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)速可近似以為(22)(23)對(duì)于已經(jīng)出廠的電機(jī)來(lái)講是定值。(23)(24)由所選的電機(jī)參數(shù)可知，有負(fù)載時(shí)(24)(25)對(duì)于加上串聯(lián)電阻后咱們希望取得的調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速為則有，則有，，，(25)由于Ra為理論值，考慮到直流電機(jī)采用電樞串聯(lián)電阻調(diào)速會(huì)使電機(jī)的機(jī)械特性曲線大幅變軟，又要保證機(jī)械人電機(jī)在負(fù)載下能正常工作，所以就可用滑動(dòng)變阻器來(lái)進(jìn)行電阻補(bǔ)償調(diào)速。由以上計(jì)算，可選擇滑動(dòng)變阻器量程為0—1000歐姆的型號(hào)。新型調(diào)節(jié)脈寬PWM型調(diào)速的實(shí)現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)是近期流行起來(lái)的對(duì)于直流電機(jī)無(wú)極調(diào)速的最優(yōu)化的調(diào)速系統(tǒng)。它相較改變電壓電壓，改變磁通參數(shù)，改變電樞電流等具有相當(dāng)大的優(yōu)越性。脈寬調(diào)制就是使功率放大器中的晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)頻率頻率維持恒定，用調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時(shí)間的方式來(lái)改變其輸出，從而使電機(jī)電樞兩頭取得寬度隨時(shí)間轉(zhuǎn)變的給定頻率的電壓脈沖。其工作原理電樞兩頭電壓轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D43圖43PWM原理圖PWM主如果通過(guò)單片機(jī)和晶體管將電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)制轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制。通過(guò)調(diào)節(jié)頻率和脈寬使直流電動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間有必然的空行程比例，咱們成為占空比，脈寬的持續(xù)轉(zhuǎn)變，使電樞電壓的平均值也持續(xù)轉(zhuǎn)變，因此使電機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)調(diào)整。PWM調(diào)速的原理決定了它的電路圖要采用單片機(jī)，進(jìn)行脈寬的控制，和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。PWM的電路連接圖有很多，不同公司生產(chǎn)的PWM控制電路板不同，本文僅以SG1731電路板為例，其電路圖如圖44圖44PWM控制電路圖其中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功放一般選用H型橋式開關(guān)放大器，由4個(gè)晶體管組成換向，放大電路，其電路圖如圖45。這種電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可以通過(guò)激發(fā)不同的晶體管的工作方式，進(jìn)行電機(jī)正反裝控制，電機(jī)的調(diào)速。電機(jī)調(diào)速方式的肯定及元件的肯定通過(guò)以上電路的設(shè)計(jì)與分析，采用電樞串聯(lián)電阻的調(diào)速方式的特點(diǎn)是：（1）電路簡(jiǎn)單（2）價(jià)錢低廉圖45H型橋式電路圖圖45H型橋式電路圖（4）電能損耗嚴(yán)重（5）不適合長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)速采用PWM脈寬調(diào)速方式的特點(diǎn)是：（1）可調(diào)節(jié)頻帶寬（2）電流脈動(dòng)?。?）電源功率因數(shù)高（4）電機(jī)動(dòng)態(tài)硬度好（5）電路復(fù)雜（6）本錢較高綜合機(jī)械人的野外工作環(huán)境，節(jié)約電能是十分重要的，按照機(jī)械人工作時(shí)間很長(zhǎng)的要求，咱們選擇采用PWM脈寬調(diào)節(jié)器。（注：在此咱們已經(jīng)表述出直流電機(jī)PWM調(diào)速電路圖，在總設(shè)計(jì)電路圖中咱們將以方框代表調(diào)速電路）9電路設(shè)計(jì)輪足電機(jī)動(dòng)作的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的電路設(shè)計(jì)對(duì)輪足電機(jī)進(jìn)行編號(hào)，前足3個(gè)電機(jī)別離是M1、M2、M3，后足3個(gè)電機(jī)別離是M4，M5，M6。對(duì)于直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，主要采用的方式是電樞接線的正接與反接，所以可以借鑒機(jī)床電機(jī)的正反轉(zhuǎn)接線圖來(lái)設(shè)計(jì)6個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。由于電機(jī)容量小，可以直接啟動(dòng)，所以可以直接用開關(guān)直接控制接線方式。機(jī)械人的傘足的設(shè)計(jì)，在考慮電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的同時(shí)，因?yàn)榍昂髠阕憔幸粋€(gè)足要接觸管道的上表面運(yùn)動(dòng)，所以要與接觸下表面的兩個(gè)輪足的旋向相反才能使三個(gè)足同時(shí)拉動(dòng)機(jī)械人前進(jìn)。即有M3與M一、M2旋向相反，M6與M4、M5的旋向相反。如圖46所示的控制電路，為完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)動(dòng)作的電路。（注：電路中，調(diào)速PWM控制省略不畫，在以后的總電路圖中調(diào)速電路畫出）電路中，用三位開關(guān)，左接通為正傳，右接通為反轉(zhuǎn)，中位為停止。這種電路方便，簡(jiǎn)單，較易控制。適合這種低壓電氣控制電路，而且廉價(jià)。前后傘足的張開閉合電路設(shè)計(jì)圖46驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)控制接線圖對(duì)于前后傘足要求能張開和閉合。為此，圖46驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)控制接線圖要求電性能帶動(dòng)螺旋絲杠進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)?？梢匝赜抿?qū)動(dòng)電機(jī)的接線思路，借鑒機(jī)床電氣控制的接線方式，采用反接的方式進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制。如圖47所示。這種電路簡(jiǎn)單易接，沒(méi)有延遲現(xiàn)象，可以知足較快和較慢的調(diào)速需求，較為理想。圖47前后傘足的張開閉合控制電路圖47圖47前后傘足的張開閉合控制電路電機(jī)部份總電路設(shè)計(jì)綜合圖4六、圖47的電路設(shè)計(jì)可得電機(jī)部份總電路圖如圖48所示。圖48各電機(jī)控制總電路機(jī)械人中電機(jī)由8個(gè)，電機(jī)較多，采用一個(gè)電源顯然不能知足電機(jī)的能量消耗，所以采用2個(gè)電源同時(shí)供電能知足電機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間工作的要求。Q一、Q2、Q3、Q4、Q五、Q6均為3位開關(guān)，對(duì)于開關(guān)左位接通為反轉(zhuǎn)，右位接通為正轉(zhuǎn)。中位為斷路。電機(jī)順序動(dòng)作的電路設(shè)計(jì)由轉(zhuǎn)彎的方式可以分離出電機(jī)的順序動(dòng)作有：電機(jī)M7反轉(zhuǎn)電機(jī)M4、M五、M6前進(jìn)電機(jī)M7正轉(zhuǎn)電機(jī)M8反轉(zhuǎn)電機(jī)M一、M二、M3正轉(zhuǎn)電機(jī)M8正轉(zhuǎn)。對(duì)于電機(jī)的順序動(dòng)作由現(xiàn)代控制理論咱們可以由以下幾種選擇：圖49邏輯控制一(1)采用手動(dòng)開關(guān)通過(guò)攝像頭觀察，人為進(jìn)行控制。圖49邏輯控制一(2)采用傳統(tǒng)的電磁電氣控制電路進(jìn)行邏輯控制。(3)采用單片機(jī)/PLC進(jìn)行自動(dòng)控制。人為控制若采用第一種方式控制，如圖48所示，這種電路可以進(jìn)行人為的進(jìn)行電機(jī)的順序動(dòng)作控制，先閉合開關(guān)Q1的左側(cè)再斷開--閉合Q2的右邊再斷開--閉合Q1的右邊再斷開--閉合Q3的左側(cè)再斷開--閉合Q4的右邊再斷開--閉合Q3的右邊再斷開。邏輯控制若采用第二種控制方式，可以參考機(jī)床電氣控制的經(jīng)典電路作出如圖49，圖50圖50邏輯控制二組成的由電磁鐵，繼電器組成的電磁控制電路，圖50邏輯控制二采歷時(shí)間繼電器來(lái)控制元件的順序動(dòng)作（6個(gè)KT）通過(guò)不同的KT得電實(shí)現(xiàn)6個(gè)順序動(dòng)作，時(shí)間繼電器KT的延時(shí)為5秒，也可以按照不同的伸縮要求設(shè)定動(dòng)作時(shí)間。KM1控制步驟1，KM2控制步驟2，KM3控制步驟3，KM4控制步驟4，KM5控制步驟5，KM6控制步驟6。單片機(jī)/PLC進(jìn)行自動(dòng)控制考慮采用單片機(jī)/PLC自動(dòng)控制電路，可以把順序動(dòng)作分解為由不同的使能端輸出，由一個(gè)初始激發(fā)信號(hào)，來(lái)使PLC上電，同時(shí)執(zhí)行程序從而輸出各個(gè)電信號(hào)，各個(gè)電信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行原件控制電機(jī)的動(dòng)作，如圖51所示為由I/O端口分派接線圖，PLC端口分派表1如下：表1I/O口分派表輸入輸出轉(zhuǎn)彎啟動(dòng)X0前傘閉合Y1后傘足前進(jìn)Y2前傘打開Y3后傘閉合Y4前傘足前進(jìn)Y5后傘足打開Y6如圖52為電機(jī)主回路接線圖，如圖53為PLC程序梯形圖組成的PLC組合控制電路。圖51I/O端口分派接線圖圖52電機(jī)主回路接線圖圖53PLC程序梯形圖組成的PLC組合控制電路（1）電路分析：對(duì)于圖51所示I/O接線圖由SB1閉合、PLC上電發(fā)出啟動(dòng)程序指令，由X0端口接收。由圖所示程序梯形圖的執(zhí)行程序可以進(jìn)行順序的動(dòng)作執(zhí)行，通過(guò)按時(shí)器來(lái)設(shè)定元件的接電時(shí)序來(lái)輸出電信號(hào)。使Y一、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6按順序得電（共6步），其中Y一、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6依次控制轉(zhuǎn)彎時(shí)各電機(jī)的順序動(dòng)作，并由KM一、KM2、KM3、KM4、KM五、KM6依次執(zhí)行元件執(zhí)行動(dòng)作。由圖52所示電機(jī)主回路接線圖可以進(jìn)行執(zhí)行元件的直接執(zhí)行動(dòng)作，由KM一、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6觸點(diǎn)的接通和斷開來(lái)直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的順序動(dòng)作。電路的比較與選擇如下：①對(duì)于如圖48所示電路，它的長(zhǎng)處是方便，簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)精煉。但要人為的控制，而且步驟復(fù)雜，開關(guān)較多，操作麻煩。②對(duì)于如圖49，50所示電路圖，它的長(zhǎng)處是能夠由一個(gè)鼓勵(lì)信號(hào)完成所有的順序動(dòng)作，操作簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且繼電器電路一般需要24V以上的電源配合，還要連接各個(gè)觸點(diǎn)，對(duì)于管道機(jī)械人的電路系統(tǒng)要求不符合，還要從頭配置電氣系統(tǒng)，配置控制箱，系統(tǒng)龐大，不太符合野外工作要求。③對(duì)于如圖51，52，53所示電路圖，可以用PLC進(jìn)行自動(dòng)化控制，一般PLC也需要24V的電源配合，而且價(jià)錢較高，而且需要KM接觸器來(lái)進(jìn)行控制執(zhí)行，而且各類管道的小徑不同，不能通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)定延時(shí)來(lái)控制傘足的張開和閉合。用在這種機(jī)械人身上顯然牛鼎烹雞了。④通過(guò)以上電路的比較和管道爬行機(jī)械人的工作要求及條件，咱們選用人為手動(dòng)開關(guān)控制轉(zhuǎn)彎動(dòng)作，而且可以隨時(shí)調(diào)整，采用這種控制方式可以省略很多元器件，節(jié)約線材，簡(jiǎn)單快捷，價(jià)錢低廉，適合低壓控制電路，而且可以隨意的人為執(zhí)行動(dòng)作，適合不同的工作環(huán)境下的動(dòng)作執(zhí)行，接線簡(jiǎn)單，采用手柄式控制盒布線體積較小，重量輕，適合任何電源，具有必然的通用性。照明系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)照明電路選用2個(gè)24v的熒光燈并聯(lián)在電源上即可。如圖54所示。圖54照明電路管道內(nèi)機(jī)械人定位系統(tǒng)（PDPS）的設(shè)計(jì)在機(jī)械人工作時(shí)，通過(guò)人眼觀察攝像頭傳輸?shù)男畔?lái)肯定管道是不是破損，需要對(duì)機(jī)械人進(jìn)行管道中的定位來(lái)肯定管道破損處的定位。爬行器管道內(nèi)定位方案的提出與分析按照所學(xué)的電路及信號(hào)方面的知識(shí)。大致列出機(jī)械人管道中定位方案如下：方案一：可按照工業(yè)進(jìn)程控制中，常常利用的小車模型中的肯定小車位置的行程開關(guān)或感光元件（光敏管、發(fā)光二極管、感光二極管）進(jìn)行編號(hào)，對(duì)機(jī)械人通過(guò)時(shí)進(jìn)行信號(hào)的傳輸，來(lái)肯定機(jī)械人在管道中的位置。方案二：可以借鑒通信運(yùn)營(yíng)商的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，自行設(shè)計(jì)無(wú)線傳輸通信系統(tǒng)，對(duì)機(jī)械人進(jìn)行安裝信號(hào)源，通過(guò)外部的全局的信號(hào)接受，來(lái)肯定機(jī)械人的確切的位置。（即小型的管道用GPS）。方案三：對(duì)于管道機(jī)械人的特殊性，可以變相的以為管道機(jī)械人就是一列小型的有軌火車，則可以仿照火車調(diào)度室的火車運(yùn)行定位方案進(jìn)行管道機(jī)械人定位的設(shè)計(jì)。方案四：由于管道是封鎖的，有固定路徑的，可以仿出租車的里程計(jì)算系統(tǒng)來(lái)直接計(jì)算出機(jī)械人的行程長(zhǎng)度，通過(guò)計(jì)算里程和比對(duì)管道線路工程圖來(lái)間接的肯定機(jī)械人的準(zhǔn)確位置。對(duì)于方案一那就必需把管道內(nèi)部依照必然的步距安裝必然密度的敏光管或感光二極管等感應(yīng)器，信號(hào)反饋線路（有線或無(wú)線），外接串口或并口。對(duì)感應(yīng)器進(jìn)行編號(hào)，由個(gè)編號(hào)的感應(yīng)器發(fā)出的信號(hào)來(lái)肯定機(jī)械人所在的大致位置。按照機(jī)械人的大致位置，和攝像頭所發(fā)出的視頻信號(hào)人為的判斷管道是不是破損，對(duì)破土進(jìn)行管道維修提供破損定位。對(duì)于方案二可以在管道機(jī)械人上安裝衛(wèi)星定位器，借助通信運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行衛(wèi)星結(jié)合管道的布局圖進(jìn)行定位（類似于車載衛(wèi)星定位GPS，可以把道路看做管道線路，把車看成管道爬行機(jī)械人）。其衛(wèi)星定位原理如圖55，運(yùn)用到機(jī)械人上形成的上位機(jī)展示圖如圖56。圖55衛(wèi)星定位原理圖56上位機(jī)仿真圖像圖57列車運(yùn)行圖對(duì)于方案三基于有軌列車的軌道行進(jìn)進(jìn)程中?？梢越M建列車線路網(wǎng)，基于列車線路網(wǎng)這個(gè)平臺(tái)進(jìn)行列車行駛位置的監(jiān)控。如圖57。對(duì)于火車的調(diào)度及運(yùn)行定位可以查到，系統(tǒng)采用以GPS定位為主，以相關(guān)信息為輔的定位方式，通過(guò)車載計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)各功能模塊信息的交互，完成對(duì)機(jī)車運(yùn)行全進(jìn)程的信息收集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車運(yùn)況的監(jiān)測(cè)。同時(shí)應(yīng)用無(wú)線通信手腕與地面設(shè)備相結(jié)合，由此實(shí)現(xiàn)地面各單位對(duì)線路上機(jī)車運(yùn)況全進(jìn)程的跟蹤、監(jiān)測(cè)。并據(jù)此可以為成立各類信息平臺(tái)提供詳實(shí)、靠得住的信息資源。圖57列車運(yùn)行圖由此啟發(fā)，可以火車線路網(wǎng)換成管道線路網(wǎng)，把火車換成管道爬行機(jī)械人。運(yùn)用無(wú)線反饋設(shè)備，對(duì)機(jī)械人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)于方案四咱們已知管道線路，已知管道各段的長(zhǎng)度，和管道的路徑。就可以夠按照機(jī)械人運(yùn)行的參考量來(lái)判定機(jī)械人在管道中的具體位置?？隙C(jī)械人位置的參考量有很多，比如路程，位移，時(shí)間，管道內(nèi)部標(biāo)志等等，通過(guò)對(duì)參考量的分析，顯然用位移，時(shí)間，管道內(nèi)部標(biāo)志來(lái)肯定機(jī)械人的位置比較粗略，精度相當(dāng)不高。用路程來(lái)衡量機(jī)械人在管道中的位置比較適合，精度適中。那就必需在機(jī)械人上安裝里程計(jì)（由于管道的長(zhǎng)度不像城市的道路那么長(zhǎng)，所以里程計(jì)的精度必需要達(dá)到），通過(guò)測(cè)量運(yùn)行的距離，反映到譯碼管上，讀出機(jī)械人運(yùn)動(dòng)的距離，通過(guò)機(jī)械人移動(dòng)的距離可以與通過(guò)管道線路的對(duì)比就可標(biāo)出出機(jī)械人的確切位置。機(jī)械人管道內(nèi)模擬圖如圖58圖58機(jī)械人管道內(nèi)定位模擬圖機(jī)械人定位系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計(jì)通過(guò)以上的分析，咱們按照機(jī)械人的工作條件，和野外工作狀況，和本錢低廉，制作簡(jiǎn)單，方便攜帶的原則，可以選擇采用里程式機(jī)械人管道內(nèi)定位系統(tǒng)。圖59里程計(jì)原理圖里程式系統(tǒng)的原理是采用肯定機(jī)械人的移動(dòng)距離來(lái)反饋機(jī)械人在管道內(nèi)的位置。測(cè)量機(jī)械人的移動(dòng)距離是關(guān)鍵，咱們采用普遍的計(jì)數(shù)器，編碼盤，感光二極管，發(fā)光源等組成一個(gè)輪輻運(yùn)動(dòng)圈數(shù)的反饋電路，為了編程方便，可設(shè)計(jì)編碼盤的直徑為D=，那么編碼盤圖59里程計(jì)原理圖轉(zhuǎn)動(dòng)一圈行走的距離為，其原理圖如圖59。編碼盤分的越細(xì)，里程計(jì)顯示的越精準(zhǔn),在本次設(shè)計(jì)中，里程計(jì)的電路原理是通過(guò)編碼盤旋轉(zhuǎn)，光源發(fā)光，感光二極管的感光次數(shù)通過(guò)計(jì)數(shù)器（89C51單片機(jī)）計(jì)數(shù)，來(lái)肯定驅(qū)動(dòng)輪所走的圈數(shù)，驅(qū)動(dòng)輪的周長(zhǎng)已知，進(jìn)行乘法運(yùn)算就可取得機(jī)械人行走的距離，再進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)74LS47譯碼器譯碼，輸出LED（數(shù)碼管）。里程計(jì)電路圖如圖60圖60里程計(jì)內(nèi)部接線圖圖60里程計(jì)內(nèi)部接線圖由于電路中采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和信號(hào)輸出，所以必需要有單片機(jī)的運(yùn)行程序來(lái)控制單片機(jī)的動(dòng)作，單片機(jī)中有2個(gè)計(jì)數(shù)器，為了高效的利用單片機(jī)，咱們采用計(jì)數(shù)器C1，C2同時(shí)利用，產(chǎn)生3位數(shù)據(jù)輸出。其低級(jí)設(shè)定程序如圖61圖61里程計(jì)初級(jí)程序圖（注：這本章中，已經(jīng)完整的表述了里程計(jì)及其顯示電路的原理，接線圖和程序，在總電路圖的設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化電路，咱們以方框代內(nèi)外程計(jì)系統(tǒng)。）圖61里程計(jì)初級(jí)程序圖10結(jié)論通過(guò)以上的電路分析和比較，咱們可以選用采用手動(dòng)開關(guān)的電路進(jìn)行整合，和電源負(fù)載平均分派，可得如下圖62電路圖。圖62電氣部分總電路圖圖62電氣部分總電路圖其中：Q1為驅(qū)動(dòng)電路總開關(guān)，Q2為調(diào)整電路總開關(guān)，Q3為前輪正反轉(zhuǎn)控制開關(guān)，Q4為后輪正反轉(zhuǎn)控制開