管内步伐式行走机器人

1 管道机器人的发展1.1课题的背景及来源本课题来源于实际运输煤气作业中所遇到的困难，许多城市煤气回收萘不彻底，造成在主管道内结萘，管内萘堵塞管内面积超过50%以上，严重影响煤气的运输，以清除管内结萘为目标，着手研制此管内步伐式机器人。1.2管内机器人发展综述机器人是人类新世纪的伟大发明之一，是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备，机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。科学技术是第一生产力，在各国之间综合国力的竞争，很大程度上取决于高技术之间的竞争，作为机电一体化的最高成就机器人技术作为高技术的一个重要分支，普遍受到了各国的重视，随着计算机技术和现代设计制造水平的不断提高，极大的推进了机器人的发展，现代机器人已经成为了一个庞大的家族。1.2.1机器人的定义机器人技术是一种面向未来的现代化技术，机器人技术与网络技术、基因技术、通信技术、计算机技术等一样，属于高新技术。它设计的学科有材料科学、计算机技术、控制技术、传感器技术、微电子技术、通讯技术、人工智能、数学方法、仿生学等等很多学科，所以机器人的定义也是多种多样的，其原因是它具有一定的模糊性。目前有几个国际公认的定义： 1979年美国机器人协会将机器人定义为：“可重复编程的多功能操纵器，设计成通过不同的编程动作为执行多种任务移动原料、部件。工具或专门的设备。”1984年12月国际标准化组织中的工业自动化系统委员会所属工业用机器人分会作出的定义：机器人是一种自动控制下通过变成可完成某些操作或移动作业的机器。1988年法国的埃斯皮奥将机器人学定义为：机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象。我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器人具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。1.2.2我国管道机器人的发展、 哈尔滨工业大学邓宗全教授自1987年以来开展管内机器人行走机构，在国家自然科学基金的资助下，较全面的研究了不同类型的管道机器人行走机构模型，取得了很多的成果。在1995年哈工大与大庆油建公司合作研制成功的660野外大孔径管线对接焊缝工业X射线检测系统，于1996年通过黑龙江科委主持的鉴定，在陕京管线上进行了工业应用，获得成功。该机器人采用轮式行走机构，双电机驱动，PWM直流脉宽调速，由工控机和MCS-552单片机共同控制，可自动进行图像识别，在管内移动距离300m，在技术上解决了收放线的控制问题和长距离强弱信号混传干扰问题。该项目以达到国际先进水平。图1.1哈尔滨工业大学660管道机器人 哈尔滨工业大学于1998年研制的水泥砂浆衬里喷涂补口作业机器人样机（如下图），该机器人采用轮履复合式行走方式，解决了穿越管内凹型障碍的技术难题，针对水泥砂浆的流变学特性，所设计的螺旋送料装置及离心喷涂装置解决了水泥砂浆的补口难题。图1.2 清华大学于2001年研制出了一种轮式管道检测机器人Pipesbot-I，如下图所示，该机器人采用全驱动直进式结构，由三个直流电机通过蜗轮蜗杆副，带动三个径向均布的驱动轮，通过一个剪形弹簧压紧机构使驱动轮撑紧管壁，依靠摩擦力运动。设计指标为：行走速度1km/h，探测长度1km/次，使用管径140mm-180mm。图1.32机器人总体设计方案2.1模块化设计理念2.1.1模块化设计理论基础模块化设计是在产品设计和生产不断发展的过程中逐步形成的，是一种设计方法。而模块化设计思想却由来已久，其基本思想是以产品（系统）的总功能为对象，以功能分析为基础，将整个产品分解为若干特定的模块，然后通过模块的不同组合，可以得到不同产品、不同功能的产品，以满足市场的各种需求。模块化又称模件化，模块化的定义有很多种，但是按其概念有如下的定义：由若干具有不同用途（或性能）并可互换的模块，经不同的组合，以满足不同需要的这种方法称之为模块化。由此可见模块化应具有四个基本含义：必须具有一定数量的模块；应用系统组合原理；最终要获得能基本满足各种不同功能的需要；模块化的可分性。进行模块化设计时，必须首先把产品划分为若干模块，然后以模块为基本单元进行设计。因此，模块合理划分与否将直接影响产品的性能、外观以及模块通用化的程度和成本。模块化产品，通常按功能将产品划分为若干单元，并使功能单元独立化，这些单元被称为功能模块，然后由功能棉毛裤系统实现产品的总共能。2.1.2管内步伐机器人的模块化设计模块的设计问题是模块化设计的核心问题，因此合理的划分模块并构造模块的结构是模块化设计的关键。我们依据功能划分的模块化设计方法，将管内步伐式行走机器人划分为加紧模块和传动模块两个主要部分，模块之间除标准化的机械与电气连接接口外，其设计相互独立。模块化设计的核心思想是将产品进行模块划分后，通过对某些模块进行重新设计或变异设计得到新的产品。根据此思想，我们可以对管内步伐式行走机器人进行各种变异设计，满足不同使用要求和应用环境要求。2.2管内步伐式行走机器人的用途及工作原理2.2.1管内步伐式行走机器人的用途 近年来煤气回收萘不彻底，造成主管道内结萘，管内结萘堵塞管内大部分面积，严重影响煤气输送，以清除管内萘为目标,研制管内步伐机器人，该机器人可以完成自动清除结在煤气管道内壁的萘，可实现在管道内双向行走、自动随管道弯度转向，可在重载条件下使用。、2.2.2管内步伐式机器人的工作原理工作原理：管内步伐式行走机器人的运动模仿人在井筒中四肢扶壁上下运动的模式。机器人由镜面对称的两个单元组成, 二单元中间由万向节铰链连接,可以自动适应管道弯度转向，当管道有弯道时,后脚踩住管壁向前推进,机器人的前腿机构自动随管道弯度转向不需要专门控制。机器人的转弯最小曲率半径由机构决定。所以这种机器人是可以双向运动的自动转弯步伐式管内机器人。主要工作过程：图2.1A、初始状态:前脚踩在管壁上,后脚在抬起状态前后腿外摆到最大角度.(见图1.1a)B、第一前进步:前后腿同时内摆到最大角度,在腿内摆过程中,前脚踩住管壁不动,连杆机构拖动身躯和后单元向前移动一步(图1.1a到b)C、第一次交换支撑脚:后脚外伸踩住管壁,同时前脚缩回抬起离开管壁,实现支撑脚转换,在交换支撑脚过程中,机器人没有前后运动。(图1.1b到c)D、第二前进步:前后单元的腿同时外摆到最大角度,在摆腿过程中,后脚踩住管壁不动,连杆机构拖动身躯和前单元向前移动了第二步.(图1.1c到d)E、第二次交换支撑脚:后脚缩回抬起,前脚伸出踩住管壁, 同时前后腿外摆到最大角度恢复到初始位置,机器人没有前后运动。(图1.1d到a)2.3管内步伐式行走机构管内步伐式机器人的机构主要分为3部分，有撑脚机构及其传动、牵引机构及传动、转向机构等。下面分别介绍3种机构，下图为管内步伐式机器人的机构简图。 图2.22.3.1撑脚机构及其传动撑脚机构的作用是使管道机器人被支承在管道中心线上。其机构及传动由电机(16)、小齿轮(15)、齿圈及平面螺纹(14)、滑杆(13)、脚靴(12)组成。当电机(16)带动小齿轮(15)和齿圈(14)旋转时，齿圈背面的平面螺纹驱动滑杆(13)在筒体(10)的径向轨道内外伸推动脚靴踩在管壁上，电机反向旋转时，滑杆内缩带动脚靴径向抬起离开管壁。脚靴三套在圆周上间隔120°布置，三套脚靴同步伸缩,其动作与车床三爪卡盘的动作类同。三套脚靴伸出踩在管壁上时,使机器人处在管道的中心线上。为了使机器人在脚靴缩回时, 仍能维持在中心线上,安装4 组辅助支承轮(18),每组三套, 在圆周上间隔120°安装,支承轮通过支承柱(19)、弹簧(20)分别与支架(3)和筒体(10)固连。当撑脚缩回时支承轮使机器人基本上维持在管道中心线上。当机器人行走过程中支承轮遇到障碍时弹簧被压缩通过障碍。2.3.2牵引机构及其传动牵引机构的作用是拖动机器人前进。 牵引机构(见图2) 由电机( 1)、 螺杆(2)、螺母(5)拨销(4)、拨杆(7)和支承杆(9)组成。当电机(1)带动螺杆转动时,螺母受拨杆的约束不能转动而沿螺杆轴向移动,固连其上的拨销(4) 拨动拨杆(7)顺时针方向转动, 由于脚靴(12) 锁死在管壁上, 支承杆(9)不能向后运动,拨杆(7)通过销(6)带动支架(3)及其固连在(3)上的套筒(11)在筒体(10)内向前滑动, 同时通过万向节(21)拖动机器人的后单元，此时后单元的脚靴在抬起状态)向前运动,整个机器人前进。当脚靴( 12)处在抬起位置时, 拨杆( 7)通过支承杆( 9)推动筒体在套筒(11)上向万向节方向滑动改变了腿的姿势。2.3.3转向机构转向机构的作用是使机器人能随管道的弯曲自动转向通过弯曲管道。管道行走机器人由两个镜面对称的单元组成,两个单元的套筒间由万向节( 21)连接, 这是一个十字万向节机构,可使前后两单元在任意方向上转动。 当管道弯曲时万向节可自动转向适应弯曲管道,这样机器人通过弯曲管道时无需专门进行检测和控制。2.4步伐机器人的本体技术要求 机器人设计的目的是靠行走来清除管道内的堵塞物，因此，首要的目标是使机器人能够在较长的管道空间内安全可靠的爬行，在此基础上，进一步的使机器人移动灵活，结构简单，操作方便，满足一定的技术经济性要求。 2.4.1支撑机构的技术要求 根据步伐机器人的运动特点，撑脚机构是主体，所产生的支撑力应能保证机器人在单步运动中一端锁定在管壁中，使机器人在单步工作中保持稳定。在支撑-放松过程中能自如的进行，有一定的机械自锁能力提高安全性。对撑脚机构的要求是：能够产生足够大的支撑力；放松和支撑能够收放自如；结构简单、轻量化。2.4.2传动机构传动机构应能保证一定的驱动力和传送速度，有较高的工作效率，能够有较高的传动稳定性。因此拟采用滚珠丝杆副。实用滚珠丝杆副有很多有点：滚珠丝杆副是一种新型的螺旋传动元件，能够适应高温、低温、无润滑、水中，技术比较成熟。滚珠丝杆副具有高效率和高精度的特点。具有高速特性和耐磨损性及运动可逆性等特性，而且无回程间隙。构件间的可动联接通常不是借助于运动副本身，而是在丝杠和螺母两构件间利用中间元件（滚珠）来实现。轴向高度高，摩擦阻力小，运动平稳。2.5本章小结 本章主要介绍了机器人的本体结构及技术要求，将机器人模块划分，为下面具体设计提供依据。 3管内步伐式机器人的有关参数选择3.1步伐式机器人移动方式的选择各常用移动方式的优缺点见表1.1移动方式优点缺点轮式移动速度快，控制方便，转弯容易与壁面接触面积小，越障碍能力差，易产生打滑。履带式与壁面接触面积大，承载能力大，移动速度快，对壁面的适应能力强履带磨损大，结构复杂，机动性较差。腿式越障碍能力强，承载能力大，机动性好，具有很强的壁面适应能力。结构复杂，移动是间歇的，速度慢，关节和足数多，控制复杂。蠕动式承载能力大，运动平稳，控制简便，对壁面适应能力比较强运动速度慢，越障碍能力差表3.1我们经过多方案比较，设计了一种步伐式行走结构形式，该结构形式有前后两段相互独立的主体，主体上的接触脚可伸缩锁死在管壁上，能承受大载荷，适合在重载中使用。在行走机器人结构中用步伐式行走具有很多优点，可实现在规则形状的任意长的管道内运动。结构简单紧凑、运行平稳