管道机器人设计—课程设计

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

进化和实现机器人化（robotization）生产系统。具体地说，传感型智能机器人发展较快，新型智能技术（如临场感、虚拟现实、记忆材料、多智能体系统以及人工神经网络和专家系统等）在机器人上得到开发与应用，采用模块化设计技术，进一步推动机器人工程，注意开发微型和小新机器人，重视研制行走机器人，研制应用于非结构环境下工作地非制造业机器人和服务机器人，开发敏捷制造系统，军用机器人将用于装配部队等。总的说来，虽然存在不少难关，甚至出现某些阴影，但新世纪机器人学的发展前景是十分光明和充满希望。

第二章总体方案的制定及比较

2.1 管道机器人设计参数和技术指标

（1）管道机器人的工作环境

a．管道为金属冶炼厂烟气输送管道，管道为圆管，管道直径为φ700mm--φ1000mm，管道底部每周可形成厚约100mm的烟灰堆积层； b．；管道底部每隔50m有一可自动打开的清洁，供机器人倾倒垃圾；

c．烟灰密度3.5g/cm3

d．管道中有水平、小于30。倾斜，3倍管道直径弯曲三种形式；

（2）管道机器人的技术要求

a. 机器人自动化程度高，控制方便灵活；

b．机器人必须小巧、灵活、拆卸方便；

c．机器人在工作过程中，其结构可适应应不同管径的变化情况；

d．生产能力高，每小时清洁能力应在40m左右；

2.2 总体结构的设计和比较

（1）行走机构的设计

根据国内外的管道机器人的移动方式大致可分为六种：

㈠滚轮移动式优点是移动速度快，转弯容易，结构简单，易小型化，采用多轮方式时牵引力随轮数增加而增加。缺点是着地面积小，维持一定的附着力较困难，这使得结构复杂，越障能力有限。

㈡履带移动式的优点是着地面积大，易产生较大的附着力，对路面的适应性强，牵引性能好，越障能力强。缺点是体积大不易小型化，拐弯半径大，结构复杂，还要保持履带的张紧。

㈢活塞移动式依靠其首尾两端管内流体形成的压差为驱动力，随着管内流

体的流动向前运动，其原理类似于活塞在汽缸内的运动，即把管道看作汽缸，

把具有一定弹性和硬度的PIG看作活塞。其缺点是：越障能力和拐弯能力差。

㈣蠕动移动式的优点是适应微小管径，越障能力强。缺点是移动速度慢，

控制复杂。

㈤足腿移动式的优点是对粗糙路面适应性能较好，越障能力极强，可适应不同管径的变化。缺点是结构和控制复杂，行走速度慢。

根据设计参数和技术要求，所要研制的管道机器人必须要有高可

靠性，高效率。所以采用上述行走机构的移动方式的组合来实现行走，这样可利用其综合优点避免单一移动方式的缺点。由于管道存在不同的弯管，这就要求机器人的行走机构有一定的拐弯能力和越障能力。所以，设计了一种如下页图所示的可伸缩的三只履带腿式（三只腿成120°分布）组合行走机构。

其特点是：移动速度快、转弯比较容易、有较大牵引力、对粗糙路面适应

性好、越障能力强；同时，可伸缩性使得机器人对变径管道有较好的自适应性。

（2）操作机构的设计

根据管道机器人的操作对象是一些堆积的灰尘，并且灰尘在管道底部堆积，同时成疏松状，所以操作机构有以下两种方案：

①借鉴吸尘器的工作原理。利用带有操作臂的吸尘器的吸头，灰

尘通过

吸尘管道到主体内部，设计箱体的容积比较大，最后，移动到

垃圾开口处倾倒垃圾，从而减少在往返的次数来提高工作效率。

②借鉴挖掘机的工作原理。利用铲斗铲起灰尘，然后行走到管道

底部的垃圾开口，倾倒灰尘。这种方案简单，可靠；但是由于

管道直径的限制，其铲斗的容积比较小，同时垃圾开口每隔50m

才有一个开口，其大部分时间都在行走上，所以机器人的工作

效率很低。

所以才用具有两个自由度的机械臂，臂末端附上吸尘器头，臂上附上塑料软管，软管最终以主体的垃圾箱密封连接。

（3）撑开机构的设计

由于管径的变化，需要撑开机构来适应管径的变化。在本机器人设计中，采用滚珠丝杠螺母副来和放大杆组来实现。

当丝杠4旋转时，丝杠螺母5在丝杠上左右移动，从而拉动撑开杆3，撑开杆3铰接在放大杆组2上，从而改变其倾角来适应管径的变化。（4）最终方案的确定

根据以上的分析和比较，最后得出最终方案。

设计的管道清洁机器人包括以下五部分：

㈠行走装置（为整个行走提供动力）；

㈡撑开杆组（适应管径的变化）；

㈢操作臂装置（操作臂包括吸尘器的操作部分和倾倒垃圾部分）；

㈣信号采集装置（为控制提供信号和图像）；

㈤控制装置（控制管道清洁机器人行走和动作）。

㈠行走装置

㈡撑开杆组

㈢操作臂装置

㈣信号采集装置

㈤控制装置

第三章总体方案的制定及比较

2.1 管道机器人设计参数和技术指标

（1）管道机器人的工作环境

a．管道为金属冶炼厂烟气输送管道，管道为圆管，管道直径为φ700mm--φ1000mm，管道底部每周可形成厚约100mm的烟灰堆积层；

b．烟灰密度3.5g/cm3 ；

c．管道中有水平、小于30。倾斜，3倍管道直径弯曲三种形式；

d．管道底部每隔50m有一可自动打开的清洁，供机器人倾倒垃圾；

（2）管道机器人的技术要求

a. 机器人必须小巧、灵活、拆卸方便；

b．生产能力高，每小时清洁能力应在40m左右；

c．机器人在工作过程中，其结构可适应应不同管径的变化情

况；

d．机器人自动化程度高，控制方便灵活；

2.2 总体结构的设计和比较

（1）行走机构的设计

根据国内外的管道机器人的移动方式大致可分为六种：

㈠活塞移动方式㈡滚轮移动方式㈢履带移动方式

㈣足腿移动方式㈤蠕动移动方式㈥螺旋移动方式

其各有优缺点。以下分别介绍。

㈠活塞移动式依靠其首尾两端管内流体形成的压差为驱动力，随着管内流

体的流动向前运动，其原理类似于活塞在汽缸内的运动，即把管道看作汽缸，

把具有一定弹性和硬度的PIG看作活塞。其缺点是：越障能力和拐弯能力差。

㈡滚轮移动式优点是移动速度快，转弯容易，结构简单，易小型化，采用多轮方式时牵引力随轮数增加而增加。缺点是着地面积小，维持一定的附着力较困难，这使得结构复杂，越障能力有限。

㈢履带移动式的优点是着地面积大，易产生较大的附着力，对路面的适应性强，牵引性能好，越障能力强。缺点是体积大不易小型化，拐弯半径大，结构复杂，还要保持履带的张紧。

㈣足腿移动式的优点是对粗糙路面适应性能较好，越障能力极强，可适应不同管径的变化。缺点是结构和控制复杂，行走速度慢。

㈤蠕动移动式的优点是适应微小管径，越障能力强。缺点是移动速度慢，

控制复杂。

㈥螺旋移动式的优点是有一定的越障能力，可适应不同管径的变化，可在垂直管道中行进。缺点是结构复杂，移动速度慢，驱动力要求高。

根据设计参数和技术要求，所要研制的管道机器人必须要有高可靠性，高效率。所以采用上述行走机构的移动方式的组合来实现行走，这样可利用其综合优点避免单一移动方式的缺点。由于管道存在不同的弯管，这就要求机器人的行走机构有一定的拐弯能力和越障能力。所以，设计了一种如下页图所示的可伸缩的三只履带腿式（三只腿成120°分布）组合行走机构。

其特点是：移动速度快、转弯比较容易、有较大牵引力、对粗糙路面适应

性好、越障能力强；同时，可伸缩性使得机器人对变径管道有较好的自适应性。

（2）操作机构的设计

根据管道机器人的操作对象是一些堆积的灰尘，并且灰尘在管道底部堆积，同时成疏松状，所以操作机构有以下两种方案：

③借鉴挖掘机的工作原理。利用铲斗铲起灰尘，然后行走到管道

底部的垃圾开口，倾倒灰尘。这种方案简单，可靠；但是由于

管道直径的限制，其铲斗的容积比较小，同时垃圾开口每隔

50m才有一个开口，其大部分时间都在行走上，所以机器人的

工作效率很低。

②借鉴吸尘器的工作原理。利用带有操作臂的吸尘器的吸头，灰尘通过

吸尘管道到主体内部，设计箱体的容积比较大，最后，移动到垃圾开口处倾倒垃圾，从而减少在往返的次数来提高工作效率。

所以才用具有两个自由度的机械臂，臂末端附上吸尘器头，臂上附上塑料软管，软管最终以主体的垃圾箱密封连接。

（3）撑开机构的设计

由于管径的变化，需要撑开机构来适应管径的变化。在本机器人设计中，采用滚珠丝杠螺母副来和放大杆组来实现。其机构简图如下图所示：

1—基座2—放大杆组3—撑开杆

4—丝杠5—丝杠螺母6—行走机构

1—基座

2—放大杆组

3—撑开杆

4—丝杠

5—丝杠螺母

6—行走机构

当丝杠4旋转时，丝杠螺母5在丝杠上左右移动，从而拉动撑开杆3，撑开杆3铰接在放大杆组2上，从而改变其倾角来适应管径的变化。（4）最终方案的确定

根据以上的分析和比较，最后得出最终方案。

设计的管道清洁机器人包括以下五部分：