氣動管道機器人

1、鄭書飛Email：zhengshufei85博客：性別：男 年齡：25院校：東南大學（教育部直屬重點大學，985，211高校）教育程度：碩士 英語水平：CET-6（535分）口語流利論文發(fā)表：SCI收錄2篇、EI收錄3篇教育經(jīng)歷2007.8-2010.32003.8-2007.6東南大學，機械制造及其自動化專業(yè)，碩士研究生（保送生，機械學院排名第五）東南大學，機械設計制造及其自動化專業(yè)，工學學士關(guān)鍵信息良好的機械產(chǎn)品研發(fā)能力和創(chuàng)新意識2010.3-至今某世界500強企業(yè)，機械工程師，主要負責新產(chǎn)品的機械部件研發(fā)設計2008.6-2010.3科技部重大專項課題 “精密空氣電主軸的結(jié)構(gòu)設計” 空氣

2、電主軸產(chǎn)品研發(fā)，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計，國內(nèi)首創(chuàng) 國內(nèi)第一款用于大尺寸硅片磨削的精密空氣電主軸“徑向動靜壓氣體軸承設計軟件”和“止推動靜壓氣體軸承設計軟件”軟件著作權(quán)2007.3-2007.7直線滾動導軌副疲勞壽命試驗臺的設計良好的動手和團隊協(xié)作能力2006.3-2006.6大學生科研訓練計劃（SRTP）“氣動管道機器人”的設計制作 第一屆江蘇省大學生機械創(chuàng)新設計大賽 一等獎作品（第一完成人，項目組長）良好的論文撰寫和學習能力2010.3Dynamic Design of a High-Speed Motorized Spindle-Bearing System ASME Journal of Mech

3、anical Design（SCI、EI雙收錄）2010.1A modeling approach for analysis and improvement of spindle-drawbar-bearing assembly dynamics International Journal of Machine Tools & Manufacture（SCI、EI雙收錄）2009.12Improved finite difference method for pressure distribution of aerostatic bearing Journal of Southeast Uni

4、versity (English Edition)（EI收錄）2004-2007東南大學學習優(yōu)秀生職業(yè)技能專業(yè)技能 熟悉電主軸的結(jié)構(gòu)，氣體軸承的設計原理和方法 熟悉轉(zhuǎn)子動力學，滾動軸承動力學，主軸動態(tài)設計理論和方法 了解機床結(jié)構(gòu)動態(tài)設計理論和方法；了解滾動軸承油氣潤滑的原理和實驗方法計算機 熟練使用SolidWorks，AutoCAD等機械繪圖軟件 江蘇省高等學校計算機二級Visual C+考試 優(yōu)秀 精通MATLAB語言，熟悉圖像處理、信號分析等工具箱獲獎證書2010東南大學優(yōu)秀碩士畢業(yè)生20092009年研究生培養(yǎng)基金 類碩士研究生獎助學金（機械學院排名第一）20082008年研究生培養(yǎng)基

5、金 類碩士研究生獎助學金20072007年研究生培養(yǎng)基金 類碩士研究生獎助學金2006第一屆江蘇省大學生機械創(chuàng)新設計大賽 一等獎2005東南大學第二屆大學生力學競賽 二等獎2004江蘇省第七屆高等學校非理科專業(yè)高等數(shù)學競賽 本科一級組 三等獎ZHENG SHUFEIEmail: zhengshufei85Blog: EDUCATIONSoutheast University - Candidate for Master of Mechanical Manufacturing and Automation, 2010 (Top 1%)Southeast University - Bachelor

6、 of Mechanical Design, Manufacturing & ITS Automation, 2007 (Top 3%)PROJECT EXPERIENCE2010.3-presentMechanical engineer of a world top 500 enterprise2008.6- 2010.3National Ministry of Science and Technology FundStructural design of precision aerostatic bearing spindle Innovative design of the aerost

7、atic bearing spindle Original design in China for silicon wafer grinding 2 software copyrights2008.6-2008.7Wuxi Kaiyuan Group FundDynamics analysis of a large workpiece spindle system with a machining fixture2007.3-2007.7Wuxi Kaiyuan Group FundDesign of reciprocating friction and wear test apparatus

8、 for linear rolling-guide2006.3-2006.6Southeast University SRTP FundDesign of air-powered piping robot First prize of the first mechanical creative design competition for college students in Jiangsu Province (Team leader)PAPER1. Shuyun Jiang, Shufei Zheng, Dynamic Design of a High-Speed Motorized Sp

9、indle-Bearing System, ASME Journal of Mechanical Design 132 (2010) 034501-1-034501-5 (SCI, EI)2. S. Jiang, S. Zheng, A modeling approach for analysis and improvement of spindle-drawbar-bearing assembly dynamics, International Journal of Machine Tools & Manufacture 50 (2010) 131142 (SCI, EI)3. Zheng

10、Shufei, Jiang Shuyun, Improved finite difference method for pressure distribution of aerostatic bearing, Journal of Southeast University (English Edition) 25(2009) 501-505 (EI)SKILLSProfessional Skill Familiar with the structure of motorized spindle and aerostatic bearing Familiar with the deign of

11、aerostatic bearing spindle Familiar with rotor dynamics, rolling bearing theory, and the dynamics design of spindle A general idea of oil-air lubrication of rolling bearing A general idea of the dynamic design of machine toolEnglish CET-6 (535), a good command of English for reading, speaking and wr

12、itingTechnical Skilled in use of SolidWorks, AutoCAD Skilled in MATLAB language (numerical algorithm)HONORS & AWARDSExcellent Masters Graduate in 2010 of Southeast UniversityThe first master grade scoalarship in the academic year of 2009The second master grade scoalarship in the academic year of 200

13、8The first master grade scoalarship in the academic year of 2007The first prize of the frst mechanical creative design competition for college students in Jiangsu Province in 2006The third prize of the seventhadvanced mathematics competition in Jiangsu Province in 2004氣動管道機器人設計者：鄭書飛，趙徐慶，許睿指導教師：錢瑞明，郁

14、建平（東南大學機械工程學院，南京210096）摘要：該機器人由三部分組成，包括一個伸縮模塊和兩個支撐模塊。伸縮模塊主要由主運動氣缸構(gòu)成，利用驅(qū)動氣缸的收縮來實現(xiàn)機器人的行走；兩個支撐模塊結(jié)構(gòu)上完全一樣，由支撐氣缸產(chǎn)生推力，使機器人的腳與管壁壓緊，從而產(chǎn)生機器人行走所需的靜摩擦力。伸縮模塊和支撐模塊按一定的順序循環(huán)工作，從而實現(xiàn)機器人在管道內(nèi)的行走?？刂齐姶砰y的通斷電時間來實現(xiàn)調(diào)速的功能（有級調(diào)速, 設計為高、中、低三檔）。關(guān)鍵詞：管道機器人；氣動；蠕動；單片機1 引言管道在當今社會已經(jīng)得到了廣泛的應用，管道在長期的使用中難免會破裂、堵塞、積污，但是管道的檢測、清理、維護卻不是很方便，往往為了尋

15、找管道上的一個裂紋而花費大量的人力和物力。我們的機器人可以在管道內(nèi)自由地行走，具有一定的承載能力，可以成為管道檢測、清洗設備的載體，使得管道的檢測，清潔等工作易于實現(xiàn)。2 國內(nèi)外研究概況1管道機器人的驅(qū)動源大致有以下幾種：微型電機、壓電驅(qū)動、形狀記憶合金（SMA）、氣動驅(qū)動、磁致伸縮驅(qū)動、電磁轉(zhuǎn)換驅(qū)動等。管道機器人按照驅(qū)動方式大致可以分為以下三種，如圖1所示。1）自驅(qū)動（自帶動力源）；2）利用流體推力；3）通過彈性桿外加推力；圖1 管道機器人的基本形式2.1 自驅(qū)動管內(nèi)機器人自驅(qū)動管內(nèi)機器人包括圖1所示的輪式、腳式、爬行式、蠕動式，還包括履帶式等。2.1.1 輪式日本東芝公司于1997年研制了

16、一臺輪式管內(nèi)移動機器人，前部帶有一部微型CCD攝像機，能分辨管內(nèi)異物并用微型機械手實現(xiàn)清理。膠管聯(lián)接可過彎管，適應管徑：25mm；行走速度：0.36m/min；自重：16g。該機器人采用多輪驅(qū)動式為了增加牽引力，由于輪徑太小，越障能力有限，而且結(jié)構(gòu)復雜。2.1.2 腳式 西門子公司W(wǎng)erner Neubauer等人研制的微管道機器人有4、6、8支腳三種類型，可在各種類型的管里移動，其基本原理是利用腿推壓管來支撐個體，多腿可以方便地在各種形狀的彎管道內(nèi)移動。2.1.3 蠕動式 清華大學研制了一套小型蠕動機器人系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2，由1蠕動體和2、3、4電致伸縮位移器組成。蠕動體的蠕動變形形態(tài)由粘貼

17、于柔性鉸鏈部位的電阻應變實時感應，機器人的外形尺寸為1506146mm，重2Kg，最大步距10m，行程40mm，運動精度0.2m。圖2 蠕動體結(jié)構(gòu)示意圖2.2 利用管道流體壓力利用管道流體壓力對管道進行直接檢測和清理技術(shù)的研究始于上世紀50年代，受當時的技術(shù)水平的限制，其主要的成果是無動力的管道清理設備PIG，此類設備依靠管內(nèi)流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動力，隨著管內(nèi)流體的流動方向向前移動，并可攜帶多種傳感器。但是PIG自身沒有行走能力，其移動速度、檢測區(qū)域不易控制。上海大學利用石油管道的石油高壓研制成在役石油管道檢測機器人如圖3，該型機器人分成多節(jié)，利用與管道密封的橡膠環(huán)（皮碗），相當于活塞，在輸油管

18、內(nèi)壓力油作用下，推動檢測機器人向前行走，主要由探頭1、高壓密封件2、電機倉3、電池倉4、儀器倉5、儀器倉6、萬向節(jié)7、里程倉8、清管器9和皮碗10組成。圖3 利用管內(nèi)流體壓力的管道機器人2.3 管外加推力 日本東京科技學院利用外加推力研制成“螺旋原理”的微型機器人如圖4。利用在管外的電機推動帶有彈性的線推動驅(qū)動部件前進，該驅(qū)動部件可以越過小的臺階。圖4 管外加力的管道機器人3設計說明適應管道直徑：200mm；爬坡能力：090；過彎能力：與直徑200mm的PVC管對應的45彎頭；設計速度：高速檔0.4m/min，中速檔0.2m/min，低速檔0.13m/min；3.1 機構(gòu)組成機器人采用外接氣源

19、，多節(jié)蠕動的形式，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖中從上至下依次是：支撐模塊、伸縮模塊，支撐模塊，三個模塊之間用關(guān)節(jié)軸承4聯(lián)接， 關(guān)節(jié)軸承中的球面副使得兩個支撐模塊相對于伸縮模塊可以繞動一個空間角度，機器人因此具備了過彎的能力。圖5 氣動管道機器人機構(gòu)示意圖 機器人的過彎能力由管道的彎曲程度和關(guān)節(jié)軸承所能提供的角決定。市場容易買到關(guān)節(jié)軸承通常提供的角為30，并且彎頭的尺寸都已標準化，考慮到角的大小和彎頭的尺寸，我們的機器人設計過彎能力為可以直接通過由45彎頭聯(lián)而成的彎管。3.2 行走原理 采用蠕動前進方式，伸縮模塊和支撐模塊按照一定時序的工作，一個周期機器人移動一個驅(qū)動氣缸的行程。具體行走步驟如圖6所示（

20、以在豎直管道內(nèi)前進為例）。圖6 氣動管道機器人行走原理示意圖各步驟動作： ：初始狀態(tài)，兩個支撐模塊均處于支撐狀態(tài)，驅(qū)動氣缸收縮，機器人靠摩擦力的作用停留在管道中； ：上支撐模塊收縮； ：驅(qū)動氣缸的氣缸桿伸出，上支撐模塊向上移動一個驅(qū)動氣缸行程； ：上支撐模塊撐開； : 下支撐模塊收縮； ：驅(qū)動氣缸收縮，下支撐模塊向上移動一個驅(qū)動氣缸行程；第步以后機器人的狀態(tài)恢復至，重復以上的動作，機器人不斷前進。3.3 氣路設計 氣路設計如圖7所示。從空氣凈化裝置出來的壓縮空氣，經(jīng)過一個四通將壓縮空氣分成三路分別給三個電磁閥，在圖7中從上而下的電磁閥依次控制支撐氣缸組1、驅(qū)動氣缸和支撐氣缸組2。通過電路控制電

21、磁閥線圈的通斷電來實現(xiàn)氣路的切換，即控制氣缸的伸縮。圖7 氣動管道機器人氣路設計圖3.4 電路設計控制電路十分精簡，如圖8所示，電路控制方面采用單片機和無線模塊來控制，然后通過光耦和三極管來驅(qū)動電磁閥。采用單片機來控制管道機器人三個腳的時序和頻率，采用單片機可以很方便的控制時序，響應無線遙控，準確定時。采用無線遙控來響應電路，用三個按鈕來控制七個功能，很方便。本電路要注意的是電磁閥不停通斷所產(chǎn)生的感應電動勢對整個電路的影響。尤其是可能影響單片機的正常工作。本電路采用了完全將兩個電路（一個是單片機的電路，一個是電磁閥的電路）隔絕的方法，使彼此不受影響。具體是用了一個DC24-5穩(wěn)壓模塊，來使5v

22、的電路和24v的電路隔離，單片機輸出通過光耦和三極管來驅(qū)動電磁閥，這樣就把24v電路和5v電路完全隔離了。單片機的程序?qū)懙囊彩志啠δ苄U多的。檢測四個口的輸入，然后來決定管道機器人的啟動和停止，前進和后退，高，中，低速調(diào)節(jié)。圖8 控制電路圖單片機控制管道機器人腳詳細時序：P1.0,P1.1,P1.2分別控制機器人前腳，中間身體和后腳。P1.0輸出1時，前腳收縮；輸出0時，前腳伸出。P1.1輸出1時，中間伸出；輸出0時，中間收縮。P1.2輸出1時，前腳收縮；輸出0時，前腳伸出。初始狀態(tài)是前腳伸出，中間收縮，后腳伸出，當方向為前進時，每隔一定時間，進行一次變化。變化依次為：前腳伸出，中間收縮

23、，后腳伸出；前腳收縮，中間收縮，后腳伸出；前腳收縮，中間伸出，后腳伸出；前腳伸出，中間伸出，后腳伸出；前腳伸出，中間伸出，后腳收縮；前腳伸出，中間收縮，后腳收縮；以后不斷循環(huán)上面六步，即可實現(xiàn)前進。如須后退，只要將上面次序反一下即可。機器人的速度共有3種，高、中、低，分別對應時間0.5s，1s，1.5s（對應電磁閥變一次所用時間），對應管道機器人速度為0.4m/min，0.2m/min，0.13m/min。單片機響應遙控器4個輸入來改變管道機器人狀態(tài)。其中一個輸入是無線模塊解碼信號（當有鍵按下時，解碼信號將會輸出高電平，直到按鍵停止），用來響應中斷。當產(chǎn)生中斷后，檢測其他3個無線模塊輸入，如檢

24、測到是啟停信號，則改變當前啟停狀態(tài)；如檢測到是前進后退信號，則改變當前前進后退狀態(tài)；如檢測到是速度改變信號，則改變當前速度狀態(tài)，往高速轉(zhuǎn)變，如超過最高速則轉(zhuǎn)向最低速。單片機程序如下所示：#include#include#include #define uchar unsigned charint weizhi;/當前在第幾步int direction;/行走方向uchar v;/速度，共有1,2,3;對應低中高uchar time;/定時時間sbit p10=P10;/對應閥一sbit p11=P11;/對應閥二sbit p12=P12;/對應閥三sbit p13=P13;/無線接口1,啟停s

25、bit p14=P14;/無線接口2,前后sbit p15=P15;/無線接口3，高中低sbit p16=P16;/指示燈,啟(0)停(1)sbit p17=P17;/指示燈，前(0)后(1)sbit p30=P30;/指示燈,高(0)sbit p31=P31;/指示燈，中(0)sbit p32=P32;/無線接口5,解碼指示燈，sbit p33=P33;/指示燈，低(0)sbit p34=P34;/指示燈，工作中(0)void Change2(void) interrupt 0 using 1/中斷0,響應遙控器/p13=1;/p14=1;/p15=1;p13 = 1;_nop_();p14

26、 = 1;_nop_();p15 = 1;_nop_();if(p13=1)/按下啟動，停止鍵p16=!p16;/啟動,停止狀態(tài)互換else if(p14=1)/按下前進,后退鍵p17=!p17;/前進，后退狀態(tài)互換else if(p15=1)/按下速度鍵v+;/速度提高一級if(v=4)v=1;if(p17=0)/決定前進，后退方向direction=1;elsedirection=-1;p30=1;p31=1;p33=1;switch(v)/決定速度case 1:p33=0;time=150;break;case 2:p31=0;time=100;break;case 3:p30=0;time=50;break;while(INT0=0);/等到中斷結(jié)束void delay(uchar n)/延時n*10msuchar i;TR0=0;/關(guān)閉T/C0TR0=1;/啟動T/C0for(i=1;i=n;i+)TH0=-10000/256;/裝載計數(shù)初值,延時10msTL0=-10000%256;dowhile(!TF0);/查詢等待TF0置位為1TF0=0;/清除TF0為0TR0=0;void main()weizhi=0;direction=