畢業(yè)設計79蚯蚓式管道機器人

1 全國大學生過程裝備 實踐與創(chuàng)新大賽 課 題 蚯蚓式管道機器人 學 校 華 東 理 工 大 學 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 姓 名 李 志 超 導 師 安 琦 日期： 2006 年 5 月 22 日 2 蚯蚓式管道機器人 摘要 ： 隨著社會經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，空調和天然氣管道以及各種輸送管道的應用越來越多。當這些管道出現問題或需要定期維護的時候，要花費大量的人力和物力及財力。隨著機電一體化技術的發(fā)展，以及機器人技術的發(fā)展 和管道檢測技術的進一步的發(fā)展以及相互之間的滲透程度越來越大，管道機器人擔當了這個任務。本設計的蚯蚓式管道機器人利用了蚯蚓的運動特點結合電子技術、控制及檢測技術實現管道的清潔和泄露檢測。設計思想新穎，制造簡單，能實現所要達到的任務。 關鍵詞： 管道 機器人 清潔 檢測 3 目錄 第一章 設計背景及設計方案的選擇 4 1 1 設計背景 4 1 2 設計方案的選擇 5 1 2 1 前后筒體的驅動選擇 5 1 2 2 輪子或支撐腳的選擇 6 1 2 3 總體方案的擬訂 7 第二章 裝 配圖零件圖的設計 8 2 1 零件圖的設計 8 2 1 1 前后筒體的零件圖及設計 8 2 1 2 中間筒體的零件圖及設計 8 2 1 3 齒輪的設計及參數 10 2 1 4 齒條的設計和參數選擇 11 2 1 5 平板的設計和參數選擇 11 2 1 6 凸輪的設計和參數選擇 11 2 1 7 中間帶孔圓柱體的設計和參數選擇 12 2 1 8 前 /后筒體的輔助圓柱體的設計 12 2 2 輔助件的選擇 12 2 2 1 滾珠的選擇 12 2 2 2 螺栓的選擇 13 2 2 3 螺母的選擇 13 2 2 4 彈簧墊圈的選擇 13 2 2 5 輔助支撐桿的選擇 13 2 2 6 支撐桿的選擇 13 2 2 7 半球殼以及滾球的選擇 13 2 2 8 膠球的選擇 13 2 3 總裝配圖的實現 14 2 3 1 總裝配圖的效果圖 14 2 3 2 總裝配圖的二維圖 14 第三章 蚯蚓式 管道機器人的工作原理 15 第四章 控制單元的描述 16 第五章 設計的優(yōu)點和創(chuàng)新點 17 第六章 設計的缺點和不足 18 4 第一章 設計背景及設計方案的選擇 1 1 設計背景 隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的 提高，空調和天然氣管道以及各種輸送管道的應用越來越多。在我國及世界各個國家內，由于地形的限制和土地資源的有限，在地下都埋設了很多的輸送管道， 例如天然氣管道 、 石油管道等 ， 在埋有管道的地面上面都已經建成了很多的建筑物、公路等，給管道的維修和維護造成了很大的困難。 當這些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等問題時 ， 人們普通的做法是挖開道路進行維修，有些時候如果不能準確判斷泄露和堵塞的具體位置時，會浪費很多的時間和精力，同時降低了工作效率。 隨著人民生活水平的提高和國家國力的增強，中央空調的使用率在逐年的攀升，而中央空調的清潔問題變得越來越重要。在中央空調使用過程中，由于時間的問題在其內壁會堆積很多的灰塵 。由于中央空調的管道比較大，在里面可能有死老鼠或是一 些大的堆積物。如果不定時的清洗和維護，隨著中央空調帶進很多的病菌，使得室內的空氣質量下降，危害人們的身體健康。 隨著機電一體化技術的發(fā)展，以及機器人技術的發(fā)展和管道測試等技術的進一步發(fā)展，相互之間的滲透程度越來越深，人們制造出各種各樣的管道機器人來進行對各種管道的維 修、維護和檢測。管道機器人可以進入人們無法進入的管道中，完成一定的規(guī)定任務如檢測管道的裂縫、清掃管道，這樣的話，人們不再為了維修、維護管道時挖開道路，或是對空調等完全拆卸開，節(jié)省了大量的人力，物力和財力。 目前的管道機器人都是以履帶、輪子等實現在 管道中的移動，這樣有很多的缺點。例如目前的管道機器人都是為了專門的管道而設計的，通用性不好，舉個例子，當輪式或是履帶式的管道機器人在有一定的液體的管道中運動時，會發(fā)生滑動，使機器人在管道中不能行走，不能完成指定的任務。 還有就是這些機器人的設計不能實現在傾斜的或是垂直的管道中行走，有些即使能在垂直的管道中行走但是不能適應有液體的管道，以上的原因大大的限制了管道機器人的工作范圍。 結合目前管道機器人所存在的缺點，應用單片機控制技術、機械設計、機械原理等專業(yè)知識，設計出了蚯蚓式管道機器人。此機器人利用了蚯蚓爬行的 運動特點，實現在管道中的運動，完成規(guī)定的任務?？刂坪唵?，制造成本低，難度低，運行穩(wěn)定。 5 1 2 設計方案的選擇 設計方案是根據蚯蚓的運動特點和身體結構而確定的。蚯蚓是環(huán)節(jié)動物 ，根據這個特點 ， 蚯蚓式管道機器人 的結構確定了： 由三個圓柱筒體組成，中間的筒體比兩邊的筒體大，兩邊的筒體相同。 蚯蚓的運動是靠在其體內的橫肌和縱肌的交替運動來實現 ，在蚯蚓的體表有很多細細但是很堅硬的剛毛，配合橫肌、縱肌的運動實現蚯蚓向前和向后運動。根據蚯蚓的運動方式，擬訂以下具體的方案并進行比較，取得最佳的方案。 1 2 1 前后筒體的驅動選擇 方 案 1： 前后筒體的驅動選擇曲柄滑塊機構，如下圖： 曲柄滑塊機構容易實現，成本較低，不需要太多的加工。但是由于曲柄滑塊機構有急回特性，使蚯蚓式管道機器人的速度很難控制，并且不能實現它的勻速運動。而且曲柄滑塊機構占用的空間很大，不利于機器人向小型化發(fā)展。 方案 2： 前后筒體的驅動選擇齒輪齒條，如下圖： 齒輪齒條機構相對其他的機構來說最大的特點是能夠實現勻速運動，同時剛度等條件容易達到規(guī)定的要求。成本也較低，只需要簡單的嚙合就能實現本設計的要求，而且占用的 空間小，運動穩(wěn)定。 綜合以上的方案評價和比較和各類因素，選擇 方案 2 的齒輪齒條機構作為前后筒體的驅動機構，運行穩(wěn)定，結構簡單，容易實現，可以實現勻速運動。 1 2 2 輪子或支撐腳的選擇 6 方案 1： 前后筒體的 的支撐采用棘輪機構和輪子。 如下圖： 當采用這個方案時，使用棘輪機構實現輪子的單方向的運轉，在圓柱形管道中爬行時，需要 中心檢測模塊來維持機器人的平衡，增加了一個檢測模塊同時也增加了設計難度。 采用這個方案不能實現蚯蚓式管道機器人在管道中兩個方向的運動，只能朝一個方向運動，一條路走到黑了。 如果在管道內有液體，則輪子很 容易滑動，機器人會卡死在管道里邊。當輪式管道機器人在有一定的液體的管道中運動時，會發(fā)生滑動，使機器人在管道中不能行走，不能完成指定的任務。還有就是采用輪式的設計不能實現在傾斜的或是垂直的管道中行走，有些即使能在垂直的管道中行走但是不能適應有液體的管道。 方案 2： 前后筒體的支撐運動采用六個撐腳、 彈簧、輔助 圓柱體 、可換球 （一系列球）、 步進電機和凸輪機構共同實現。如下圖： 采用方案 2 可以克服輪式在管道中行走的缺點，由于蚯蚓 式管道機器人在管道的定 7 位和固定是靠六個撐腳的交替運動實現的。凸輪可以使支撐腳以一定的壓力壓在管道內壁上，即使管道中有液體，完全不影響蚯蚓式管道機器人的運動。 只要支撐腳能夠以一定的壓力產生摩擦力克服重力所帶來的下滑，則通過這個機構可以使蚯蚓式管道機器人在傾斜或是垂直的管道中來去自如。通過這個機構容易實現蚯蚓式管道機器人在管道中前進和后退。 綜合以上的方案和評價，選擇方案 2 作為蚯蚓式管道機器人的支撐腳，配合前后筒體的運動，實現規(guī)定的運動。 1 2 3 總體方案擬訂 綜 合 1.2.1 前后筒體的驅動選擇和 1.2.2 輪子或支撐 腳的選用，特確定了如下的傳動方案： 8 第二章 裝配圖的設計 2 1 零件圖的設計 蚯蚓式 管道機器人由前后筒體、 中間筒體、 齒條、彈簧、可換球 、凸輪、輔助圓柱體、輔助支撐腳等組成。以下逐個說明各個零件的參數， 以及在設計中所考慮到的問題，并畫出它們的二維圖。 2 1 1 前 /后筒體的 零件圖及 設計 零件圖如下： 前后筒體采用的材料是 45 鋼。在其右邊有一個 1mm 深的槽，是用來與滾珠裝配的。 中間的三個螺紋空是用來裝配輔助圓柱體的。這里的壁厚選用的是 6mm，當壁厚如果小于 5mm 的時候，在進行鉆孔的時候筒體由于剛度不足容易發(fā)生變形，故選用壁厚 6mm。 在筒體的周圍鉆了三個 螺紋 孔，相互之間的角度是 120 度。選擇 120 度是考慮這個角度是使得前 /后筒體的受力是均勻的，并且能使蚯蚓式管道機器人在管道中穩(wěn)定的定位，三個支撐腳發(fā)揮著相同的作用。如果選擇四個腳，則容易使其中一個支撐腳不能發(fā)揮作用或是不利于機 器人在管道中穩(wěn)定定位，使機器人對中性精度下降。如果選擇兩個腳，則蚯蚓式管道機器人在管道中 也 不能得到穩(wěn)定的定位 。 而螺紋孔的大小是綜合考慮了支撐桿的強度和剛度的要求所設計的，當支撐桿的直徑小于 4mm 時，在承受一定的壓力時容易發(fā)生彎曲甚至發(fā)生斷裂。于是選擇支撐桿的直徑為 4mm，考慮到裝配的原因最后選擇孔的大小為 16mm。 2 1 2 中間筒體的零件圖及設計 中間的圓柱體考慮到在里面要安裝電動機和減速裝置，故將其制造成兩分式的，方便安裝電動機和減速裝置。 中間筒體的零件圖如下： 1下圓柱體的零件圖如下： 9 2上圓柱體的零件圖如下： 這里的上下筒體的設計考慮到了以下的幾個問題： 1） 裝配。由于在中間筒體內部要安裝電動機和減速裝置、齒輪等，故將其做成是兩分式的，方便安裝。 2） 穩(wěn)定。由于這個蚯蚓式管道機器人的主要的結構是由前后筒體和中間的筒體組成，而且安裝在前后筒體上的六個 支撐腳是交替的伸出和收縮的，如果不安裝輔助支撐腳的話，則會使機器人發(fā)生向前傾斜，使機器人卡住。故考慮在中間筒體的下圓柱體上增加螺紋孔，用來安裝輔助支撐腳。以下是對有無輔助支撐腳的兩種情況的對比： 圖示是無輔助支撐腳 的受力簡圖： 10 圖示是有 輔助 支撐腳的受力簡圖： 通過兩個受力簡圖的對比可知 ，增加了輔助支撐腳增加了蚯蚓式管道機器人的穩(wěn)定性 3） 在筒體上的滾珠的設計。滾珠的作用會在后面的齒輪齒條的設計中說明。 4） 壁厚的設計也是考慮到了實際的加工，當壁厚如果小于 5mm 的時候，在進行鉆孔的時候筒體由于剛度不足容易發(fā)生變形，故選用壁厚 6.5mm。 2 1 3 齒輪的 設 計及參數選擇 蚯蚓式管道機器人的設計中，齒輪 起到的作用有兩個： 1.傳遞運動。 2.與中間筒體上的滾珠、輔助支撐腳共同維持前后筒體的穩(wěn)定，當前 /后支撐腳收縮時，前 /后筒體不會由于自身的重力作用而發(fā)生向下傾斜的趨勢。 齒輪的零件圖如下圖： 由于蚯蚓式管道機器人的功率小、重量輕，所以一般的齒輪材料就能滿足設計的要求和強度剛度的要求，齒輪材料選擇 45 鋼或是塑料，幾何參數參見齒輪的零件圖。齒數選擇為 30，齒輪的模數選擇為 1，壓力角 20 度，齒輪的精度等級選用 9 級精度，齒輪的轉速由電動機通過減速裝置提供，調整過后的齒輪的轉速為 10r/min。 由于機器人的功率小，轉速低，所以不需要對 齒輪 進行彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度的校核。 11 2 1 4 齒條的 設計及參數選擇 齒條的零件圖如下： 齒條的結構可以采用和齒輪相同的材料。 齒條的有齒部分長度是 50mm,齒高是2.25mm。 齒條上的溝槽的設計是為了防止前 /后筒體在運動中發(fā)生旋轉，配合滾珠的使用，可以防止當前 /后支撐腳收縮時造成的傾斜。 2 1 5 平板的設計和參數選擇 平板的平面圖如下圖所示： 平板的材料采用的是 Q235，蚯蚓式機器人采用了四塊這樣的平板，在這些平板上面可以制造出小的凸臺 和凹槽 ，便于在裝配的時候保證裝配的精度。 2 1 6 凸輪的設計和參數選擇 凸輪的平面圖如右圖所示： 凸輪的厚度是 5mm，材料為 45 鋼。 12 2 1 7 中間帶孔圓柱體的設計和參數選擇 中間帶孔圓柱體的平面圖如下圖所示： 圓柱體 的 螺紋是普通螺紋，螺紋的深度是 1mm，材料是 Q235。 2 1 8 前 /后筒體的輔助圓柱體的設計 輔 助圓柱體的平面圖如下圖所示： 輔助圓柱體的螺紋是普通螺紋，螺紋的深度是 1mm，材料是 Q235。 2 2 輔助件的選擇 2 3 3 滾珠的選擇 選擇 滾珠的材料 是 GCr15，直徑是 3mm。 滾珠的設計可以減少齒條與中間筒體內壁的摩擦，節(jié)省電源的功率。 13 2 3 4 螺栓的選擇 螺栓的 型號 是 GB/T 5783 M4 28，蚯蚓式管道機器人總計 使用 螺栓是 8 個。 2 3 5 螺母的選擇 螺母的 型號 是 GB/T 6170 M4,蚯蚓式管道機器人總計使用 螺母 8 個。 2 3 6 彈簧墊圈的選擇 彈簧墊圈的 型號 是 GB/T 96 M4，蚯蚓式管道機器人總計使用 墊圈 8 個。 2 3 7 輔助支撐桿的選擇 輔助支撐桿是長度為 16mm，直徑為 4mm 的鐵絲。經過加工處理成如下圖所示的形狀： 蚯蚓式管道機器人中使用了 2 根。 2 3 8 支撐桿的選擇 支撐桿是長度為 52mm，直徑為 4mm 的鐵絲。經過加工處理成如下圖所示的形狀： 圖中所添加的凸起是用來固定彈簧的，靈感來自于圓珠筆的結構。 蚯蚓式管道機器人中使用了 6 根。支撐桿的螺紋長度是 10mm。 2 3 9 半球殼以及滾球的選擇 半球殼的直徑為 10mm，壁厚為 1mm，材料是 Q235，在裝配的時候，與輔助支撐桿固定在一起的。滾球的直徑是 8mm，與半球殼裝配在一起。蚯蚓式管道機器人使用半球殼和滾球各 2 對。 2 3 10 膠球的選擇 膠球的直徑可以制造成一系列的，以適應不同的管徑的需要。 材料的選擇可以根據管道中的環(huán)境而定。 14 2 4 總裝配圖的實現 2 4 1 總裝配圖的效果圖 2 4 2 裝配圖的二維圖 15 第三章 蚯蚓式管道機器人的工作原理 蚯蚓式管道 機器人是結合蚯蚓的身體結構和運動特點，綜合運用電子技術、控制原理、機械設 計及機械原理等知識設計完成的。 主要用途是拍攝管道中的情況，可以擴展成具有很多功能的管道機器人。 蚯蚓的運動是靠在其體內的橫肌和縱肌的交替運動來實現，在蚯蚓的體表有很多細細但是很堅硬的剛毛，配合橫肌、縱肌的運動實現蚯蚓向前和向后運動。 蚯蚓式管道機器人體內的齒輪和齒條相當于蚯蚓的“橫肌”，而前后筒體和中間筒體則相當于蚯蚓的“環(huán)節(jié)身體”。前后的六個支撐腳與蚯蚓體表的剛毛作用相同。以下介紹蚯蚓式管道機器人的運動過程： 圖 1 如 圖 1 所示，由于安裝在內部的電動機的正轉和反轉通過減速裝置帶動齒輪和齒條的運動， 實現前 后筒體以及中間筒體的收縮和伸長運動。 圖 2 如圖 2所示，當齒輪和齒條處在圖 1的位置時，中間的電動機停止運轉 ，前后筒體內的步進電機同時旋轉 60 度， 則其前筒體的三個支撐腳要通過 凸輪 以一定的壓力支撐在管壁上，后筒體的三個支撐腳要 收縮，然后中間的電動機反轉，等收縮到極限位置時，中間的電機停止運轉，步進電機繼續(xù)旋轉60 度，則前筒體 收縮，后筒體通過凸輪以一定的壓力支撐在管壁上，然后中間的電機在以向相反的方向運轉，機器人伸長，以后無限重復此過程，直至電池電量耗盡 ，或是人工控制它的停止和返回。 蚯蚓式管道機器人能夠實現在管道中的前進和后退，其后退過程的實現只是將 前進過程的前后兩個步進電機的運行步調調整一下即可。 前后筒體內的步進電機的步進和中間的電動機的正反轉，是由單片機來控制的。由 于蚯蚓式管道機器人的空間有限，可以將單片機和控制單元放置在 外面，通過電纜傳輸 信息，完成指定的任務。蚯蚓式管道機器人的行走速度為 25.13mm/s。 16 第四章 控制單元的描述 前后筒體內的步進電機的步進和中間筒體的正反轉，是通過單片機控制實現的。為 了減小蚯蚓式管道機器人的體積，將控制模塊放置在機器人的體外，通過電纜來實現信 息的傳輸。 要實現蚯蚓式管道機器人的運動過程，單片機所做的事情有： 1 控制步進電機的步進。 2 控制中間電機的正反轉。 3 通過程序控制實現中間電機和兩邊的步進電機的交替運動。 4 通過攝像頭拍攝管道中的情況，反饋到顯示器。 5 當遇到特殊情況時，使管道機器人自動返回。 控制單元的 軟件 設計要包括步進電機的輸入脈沖 電流的控制、中間電機正反轉控制、攝像頭的轉角的控制、成像裝置的控制。 蚯蚓式管道機器人步進電機及中間正反轉控制程序框圖： 程序中攝像頭的轉角和成像裝置的控制是蚯蚓式管道機器人運行過程中一直工作的，所以可以讓這些裝置處于一直運行的狀態(tài)，直至停止。 由于本人的知識不夠，這里未列出控制單元的硬件設計圖和相關的軟件程序的編制，會盡快學習相關的知識，完成控制單元的設計。 17 第五章 設計的優(yōu)點和創(chuàng)新點 本設計依據仿生學原理中的結構仿生原理，通過研究蚯蚓的肌體的構造，建造類似生物體或其中一部分的機械裝置，通過結構相似實現功能相近。 本設計的優(yōu)點是機械結構簡單， 制造簡單、 制造成本低，容易實現，克服了目前管道機器人存在的一些缺點和問題，比如為傾斜和有液體的管道中行走的問題，提供了解決的方案。 此機器人在管道中可以輕松的實現前進和后退 ，能夠在傾斜的甚至是垂直的管道中運動 。 控制單元的設計簡單，完全可以通