油管内壁爬行机器人的设计

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前言
随着现代科学技术的发展，管道运输作为一种高效、安全、可靠的手段应用日益广泛，
城市中的地下排水系统、取暖系统、煤气系统、自来水系统等都应用了各种管道；另外，
在现代工农业、石油、化学、核工业等领域也大量使用了管道。经过长期使用，它们会出
现裂纹、腐蚀、堵塞等故障。有的管道中输送的是剧毒或放射性介质，若这些管道产生裂
纹、漏孔会造成介质泄漏，引起事故甚至发生灾难。为了防患于未然，必须对这些管道进
行定期检测和维修。但是它们有的埋在地下，甚至埋在海底，有的口径很小，人无法进入。
挖出管道进行检测、维修既不经济又不现实，由此可见，管道机器人有着广阔的市场。
我国早在1987年就开展了管内机器人的研究，并试制了几种模型，但总体水平较国
外差。管内机器人研究是机电一体化的高科技研究项目。在石油、化工、核工业、给排水
等许多管道工程中，都需要进行管内检测、喷涂及加工等工作，管内机器人在完成这些工
作中会发挥重要作用，因此，开发研究管内机器人意义很大[1]。
本次题目的内容就是设计一种可在油管内壁爬行，并且搭载工作体的部分可协助工作
体完成相应作业的机器人。采用机械结构和电气控制来达到设计目的。要实现的理想过程
是：人对主机输入一个控制信号，可以通过单片机对电机、电磁铁进行电气控制，从而使
机器人能够按照所搭载工作体的要求进行移动，并在工作体的工作位置做出相应的辅助动
作。机器人在行进过程中可在任意位置停止前进，并可以在该位置开始作业，工作体可在
步进电机驱动下完成小于360度的任意角度的旋转。
油管内壁爬行机器人的设计

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1 方案的结构选择

1．1 总体选择
总体上，本次设计主要采用机械结构设计来完成指定的动作，而用电气设计来控制这
些动作。

1．2 前进方案的选择
目前在管道内机器人的行进方式多种多样，本设计采用蠕动式行进的方式。前进方案
由旋转式步进电机、直线式步进电机、气缸中进行选择。现将3种方式在本设计中的应用
进行比较。由于本设计前进方式为直线，所以其中使用直线式电机最为简便，直线电机的
电机轴是丝杠形式的，于是可以通过丝杠的导程来计算机器人的行进距离。
使用旋转式步进电机的原理与直线式步进电机相似，可通过一个小型连轴器与丝杠相
连组成一个直线式步进电机，也可以通过一组齿轮减速器将丝杠与电机轴相连，简图见图
1-1。

图1-1 结构简图
第三种方法是使用气缸推动机器人前进。综合比较三种方法后发现，气缸实现直线运

动过程简单，但其行程不易控制，要实现精确控制需要成本过高。两种步进电机的特点相
似，但直线式的步进电机在安装时不易对心，且价格远高于旋转式步进电机。所以综合考
虑最终选择采用旋转电机的方案。

1．3 卡紧方案的选择
机器人在蠕动式爬行的时候，需要卡紧装置进行配合。所以需要选择合理的卡紧方案。
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由于本次设计的机器人需要适应从4.5到7英寸的不同管径的管道，这给卡紧方案的设计
带来很大的难度。
方案1为采用推拉式电磁铁直接进行卡紧，并使用适当的连杆机构调整电磁铁位置，
当连杆机构将电磁铁调整到指定位置后，电磁铁得电，推杆伸长，机器人卡紧管壁。工作
完成后，电磁铁失电，机器人放松[6]。结构简图见图1-2

图1-2 结构简图
方案2为使用一个旋转电磁铁，用旋转电磁铁来带动凸轮实现卡紧，通过对凸轮进行

设计可以计算出支撑杆的移动距离。当旋转电磁铁得电后，旋转一定角度，带动凸轮旋转，
使支撑杆在径向产生移动从而卡进管壁。电磁铁失电后，通过弹簧的作用使凸轮和支撑足
复位，机器人放松。结构简图见图1-3。
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４
图1-3 结构简图
Diagram 1-3 structure sketch plans
方案3为使用一推拉式电磁铁推动锥形滑块，同时设计三个长度可调的支撑杆，当电

磁铁得电后，电磁铁推杆伸出并带动锥形滑块沿轴向前进。由于滑块为锥形，支撑足产生
径向移动，机器人被卡紧[7]。电磁铁失电后，机器人放松，原理同方案2。结构简图见图
1-4。

图1-4 结构简图
Diagram 1-4 structure sketch plans

综合比较以上三种方案，首先放弃了方案1，由于管道内空间有限，电磁铁的体积太

大，无法合理的安放电磁铁，并且电磁铁的重量也相对较大，设计与之相应的连杆机构也
很困难。方案2与方案3在原理上基本相同，不同之处在于方案2用的是凸轮，而方案3
用的是锥形滑块。凸轮的结构复杂，且其表面需要非常光滑，由于凸轮曲面为复杂曲面，
所以普通磨床难以加工，需用数控加工中心进行加工，这样加大了成本。经过综合比较决
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定选择方案3。
另外，在卡紧方面也可使用气缸，此类型的设备已被开发，但由于空间问题并不适合
于本设计，故本设计不使用该方法。

1．4 旋转方案的选择
旋转部分采用一个旋转式步进电机，电机轴带动法兰，可在法兰上连接工作体，通过
控制步进电机的转动角度来控制工作体的转动。结构如图1-5所示。

图1-5
Diagram 1-5

1．5 调节方案的选择
由于本次设计的机器人要适应不同的管径，所以需要设计一个结构合理的可调机构。
初步拟订3个方案，方案1采用一个推拉式电磁铁推动一个连杆机构，结构与卡紧方
案1相似，结构简图见图1-2。通过控制推杆伸出的长度及连杆机构来调整支撑足。
方案2也是一种连杆机构，结构见图1-6。通过调整螺栓来调整支撑足的高度。它的
结构与汽车修理厂所用千斤顶相似。
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６
图1-6 结构简图
Diagram 1-6 structure sketch plans

方案3较为简单，将支撑杆上做出几个槽，槽的位置分别与机器人所需要工作的管径
相对应，在外安装套筒，并在套筒上开螺纹孔，通过紧钉螺钉将支撑杆与套筒相连。再将
套筒与机体相连，通过紧定螺钉与不同槽之间的配合来适应不同的管径。结构详见图1-7。

图1-7 结构简图
Diagram 1-7 structure sketch plans
再对以上三种方案进行比较，方案1的自动化程度很高，可以通过控制计算机来控制

调整机构，节省了人力。方案2的机构很合理，调整方便。但由于管道内空间的限制，这
个方案都很难在本设计中应用，而方案3虽然不是最精确的，但它制造方便，并且在空间
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上设计的很合理。并且为可换，在需要适应新的管径的时候，只需要重新制造支撑杆，十
分方便。本设计采用方案3。

1．6 结构方案改进
机器人采用丝杠来推动前进，在前进过程中对于部分机体的旋转自由度没有加以限
制，所以不排除机器人在前进过程中产生旋转。为了防止旋转，我们在丝杠的平行方向上
加一根光杠。这样机器人在前进时，当一端被卡紧时，另一部分的旋转自由度也被加以限
制，防止了旋转的发生。
机器人在前进的过程中，管道内的情况不明。有些管道的内表面已经作了加工，为了
防止划伤管道内表面，我们在机器人的三大部分上分别加上三组小轮，这样不仅可以减小
摩擦力，通过对小轮表面材料的选择也可以起到保护管道内表面的作用。
由于机器人所载工作体需做小于360°的旋转，所以应该最大限度的保证机器人的中
心与管道的中心重合，这样工作体就是绕管道的中心旋转。采用三足支撑的方法进行自动
定心，同时在其中一个支撑足上安装弹簧，使三个支撑足同时抵在管壁上，保证定心。并
将防划伤的小轮安装在这三个支撑足上。结构如图1-8所示。

图1-8 结构简图
Diagram 1-8 structure sketch plans
在原理上可以将卡紧与支撑用一个机构来执行，但是由于支撑足上安装了用来减小摩

擦力的小轮，这样电磁铁产生的卡紧力将不足以卡紧，将定心与卡紧分离，可以保证卡紧
力，只要在结构上做的尽量紧凑，充分考虑空间因素，问题将得到解决。
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2 主要部件的计算选择

2．1 步进电机的选择
本次设计步进电机共使用两个，两个电机的功能不同所用型号也不相同。
我们先对行进用的电机进行选择。本次设计中的前进动力全部来自这个步进电机，所
以该电机提供推力必须能够推动整个机体。
机器人制造材料为铝，铝的密度为 85.2 310Kg/m3
可得整个机体的质量约为1.5千克。
由于机器人工作环境所限预计工作体的质量为1.5千克。机器人整体的质量主要由机
体、工作体、电磁铁和电机的质量组成，初步选择两个电机的质量约为0.75千克。两个电
磁铁的质量为0.35千克，再补充其它部件的质量，整个机器人的质量约为5千克。
机器人在管道内所受的阻力来自于小轮与管壁的滚动摩擦力。小轮与油管内壁间的摩
擦系数决定了机器人所需推力。 根据工程实践经验可知，滚动摩擦系数在0.1与0.2之间，
这里为保证推力，取摩擦系数为0.2。得出为使机器人前进所需推力为 9.8N 。
旋转电机所输出的转距由丝杠转化为直线运动，丝杠推力由螺旋副产生，由于推力已
得出，所以计算所得的螺旋副间的摩擦阻力矩即所选电机需要满足的转矩。
计算摩擦力矩时借鉴螺纹预紧的扭紧力矩的计算方法[8]。
螺栓由于扭紧力矩T作用，使螺栓和被连接面之间产生预紧力F0 。由机械原理可知，
扭紧力矩T等于螺旋副间的摩擦阻力矩T1（即本设计中所需求的转矩）和螺母环形面与被
连接件支撑面间 的摩擦阻力矩之和，
即

21

（2-1）

螺旋副间的摩擦力矩为

vdFtan2201
（2-2）

螺母与支承面间的摩擦力矩为

202
0

303
0
0231dDdDFfc




（2-3）

将（2-2）、（2-3） 、代入（2-1），得