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1、蘭州理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）蘭 州 理 工 大 學(xué)LANZHOU UNIVERSITY TECHNOLOGY畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 管道清灰機(jī)器人的設(shè)計(jì) 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化 班級(jí)： 2010級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì) 姓名： 陸詩彧 指導(dǎo)老師：許軍山 楊萍 日期： 2012年12月 目錄前 言0第一章 概 述11.1機(jī)器人概述11.2管道機(jī)器人概述31.3國內(nèi)外管道機(jī)器人的發(fā)展41.3.1國內(nèi)外管道機(jī)器人的發(fā)展41.3.2國外管道機(jī)器人的發(fā)展51.3.3機(jī)器人的發(fā)展前景7第二章 總體方案的制定及比較92.1管道機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)92.2總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和比較92.2.1根據(jù)國內(nèi)外的管道機(jī)器人的移

2、動(dòng)方式大致可分為六種：9第三章 部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算153.1管道機(jī)器人工作計(jì)算153.2行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算16（1）行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的預(yù)算16（2）行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)173.3撐開機(jī)構(gòu)和放大桿組的設(shè)計(jì)223.4操作臂的設(shè)計(jì)23（1）吸塵器操作臂的設(shè)計(jì)23（2）卸料門的拉開桿件的設(shè)計(jì)23第四章 控制原理的設(shè)計(jì)244.1控制原理的分析和設(shè)計(jì)244.2主要控制流程圖：27致 謝2930 前 言第一章 概 述1.1機(jī)器人概述機(jī)器人這一詞最早使用始于1920年至1930年期間在捷克作家凱勒爾.凱佩克（KAREL CAPEK）的名為“羅薩姆的萬能機(jī)器人”的幻想劇中，一些小的人造的和擬人的傀儡絕對(duì)地服

3、從其主人的命令。這些傀儡被稱為“機(jī)器人”。該單詞起源于捷克語“ROBOTA”。意思是“強(qiáng)制的勞動(dòng)”。機(jī)器人的組成與人類相似。舉例說，人搬運(yùn)某一物體的運(yùn)動(dòng)過程中可用圖（a）所示的方塊圖來說明。首先，人聽到外部的命令或用眼睛看到外部的指令，并由眼睛測(cè)量出距離。感覺到這種信息經(jīng)過感覺神經(jīng)送到大腦中，大腦經(jīng)過分析計(jì)算，然后通過運(yùn)動(dòng)神經(jīng)發(fā)出指令，手臂用最好的方式伸向物體，并將物體抓住，手上的感覺神經(jīng)，感覺物體已經(jīng)抓牢了，把信息傳給大腦。大腦命令手抓起物體，同時(shí)指令腳移動(dòng)到所要求到達(dá)的地點(diǎn)，最后放下物體。一般包括以下幾個(gè)部分見圖（b）：耳、眼腦手軀干腳對(duì)象環(huán)境感受、觀測(cè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)感覺神經(jīng)行走操作（a）操作人

4、員行走裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)與操作人員聯(lián)系裝置感覺裝置外界環(huán)境控制裝置(b)1.控制中樞（相當(dāng)于人的大腦），2.操作裝置（相當(dāng)于人的手）； 3.行走裝置（相當(dāng)于人的腳）；4.有感覺的機(jī)器人還必須有感覺裝置以及與外界環(huán)境聯(lián)系的裝置（相當(dāng)于人的口、耳、眼、鼻以及皮膚上的感覺神經(jīng)）。實(shí)際的機(jī)器人在不同的程度上具有兩種特有的屬性：對(duì)環(huán)境的通用性和自動(dòng)適應(yīng)性。通用性：具有完成各種任務(wù)以及以不同的方式完成相同的結(jié)構(gòu)或機(jī)械能力。這意味著機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有可變的機(jī)械形狀。自動(dòng)適應(yīng)性：是指一個(gè)機(jī)器人必須被設(shè)計(jì)成由自己去完成任務(wù)，盡管難以預(yù)知，但卻可以有限的知道在完成任務(wù)期間環(huán)境的變化，通過改變路徑、姿態(tài)等來處理所面對(duì)的

5、問題，最終完成任務(wù)。為了對(duì)機(jī)器人進(jìn)行分類，必須能夠定義和區(qū)分不同的類型，因此根據(jù)不同的定義就有不同的分類方法?，F(xiàn)在使用的有很多種。以下介紹日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA）的分類方法：第一類：手工操作裝置：一種由操作人員操作的具有若干個(gè)自由度（DOF）的裝置；第二類：固有程序的機(jī)器人：依照預(yù)定的不變的方法按部就班執(zhí)行任務(wù)的操作裝置，對(duì)任務(wù)的執(zhí)行順序很難進(jìn)行修改；第三類：可變程序的機(jī)器人：與第二類是同一種類型的操作裝置，但其執(zhí)行步驟可以修改；第四類：再現(xiàn)式機(jī)器人：操作人員 通過手動(dòng)方式引導(dǎo)或控制機(jī)器人完成任務(wù)，而機(jī)器人控制裝置則紀(jì)錄其運(yùn)動(dòng)軌跡，需要時(shí)可以重新調(diào)出紀(jì)錄的軌跡信息，機(jī)器人就能以自動(dòng)的方式

6、完成任務(wù)；第五類：數(shù)值控制機(jī)器人：由操作人員給機(jī)器人提供運(yùn)動(dòng)程序，而不是用手動(dòng)方式教導(dǎo)機(jī)器人完成指定的作業(yè)任務(wù)；第六類：智能機(jī)器人：通過對(duì)環(huán)境變化的感知，改變其運(yùn)動(dòng)軌跡、姿態(tài)等措施圓滿的完成任務(wù)。機(jī)器人的誕生和機(jī)器人學(xué)的建立無疑是20世紀(jì)人類科學(xué)技術(shù)的重大成就。自60年代初機(jī)器人問世以來，作為20世紀(jì)人類最偉大發(fā)明之一的機(jī)器人技術(shù)，經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。特別是到了20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。除了用工業(yè)生產(chǎn)中從事焊接、噴漆、搬運(yùn)和裝配等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人的水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的特種、智能機(jī)器人系

7、統(tǒng)也有了長(zhǎng)足發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷誕生成長(zhǎng)成熟期后，已成為現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)中必不可少的核心裝備，當(dāng)今世界上約有上百萬臺(tái)工業(yè)機(jī)器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在各條戰(zhàn)線上。非制造業(yè)中的仿人性機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人等各種用途的特種機(jī)器人也正以飛快的速度向?qū)嵱没~進(jìn)。1.2管道機(jī)器人概述20世紀(jì)70年代以來，石油、化工、天然氣及核工業(yè)等產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，各種管道作為一種重要的物料輸送設(shè)施，得到了廣泛應(yīng)用。由于腐蝕、重壓等作用，管道不可避免地會(huì)出現(xiàn)漏孔、裂紋等現(xiàn)象。同時(shí)多數(shù)管道安裝環(huán)境人們不能直接到達(dá)或不允許人們直接進(jìn)入，為進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)和故障診斷，采用傳統(tǒng)的全

8、面挖掘法、隨機(jī)抽樣法工程量大，準(zhǔn)確率低，管道機(jī)器人就是為了解決這一實(shí)際問題產(chǎn)生的，它是由可沿管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走裝置、攜有一種或多種傳感器及操作裝置如：機(jī)械手、噴槍、焊槍、刷子。管道機(jī)器人的工作空間是復(fù)雜、封閉的各種管道，包括水平直管、各角度彎管、斜坡管、垂直管以及變徑管接口等，所以需要在操作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下，進(jìn)行一系列管道作業(yè)。管道機(jī)器人可完成的管道作業(yè)有以下幾類：1. 生產(chǎn)、安裝過程中的管內(nèi)質(zhì)量檢測(cè)。2. 惡劣環(huán)境下管道清掃 、噴漆、焊接、內(nèi)部拋光等維護(hù)。3. 使用過程中焊縫情況、表面腐蝕、裂縫破損等故障診斷。4. 對(duì)埋地舊管道的修復(fù)。5. 管道內(nèi)外器材運(yùn)送、搶救等其它用

9、途。1.3國內(nèi)外管道機(jī)器人的發(fā)展1.3.1國內(nèi)外管道機(jī)器人的發(fā)展國內(nèi)在管道機(jī)器人方面的研究起步較晚，而且多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)階段。哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授在國家“863”計(jì)劃課題“X射線檢測(cè)時(shí)成像管道機(jī)器人的研制”的支持下，開展了輪式行走方式的管道機(jī)器人研制，實(shí)現(xiàn)了管外機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)作業(yè)無攬操作技術(shù)，并研制了鏈?zhǔn)胶弯搸絻煞N新型管外傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)由六大部分組成（1）移動(dòng)載體（2）視覺定位（3）收發(fā)線裝置（4）X射線機(jī)（5）檢測(cè)控制，系統(tǒng)控制（6）防護(hù)系統(tǒng)上海交通大學(xué)研發(fā)了小口徑管道內(nèi)蠕動(dòng)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。它是模仿昆蟲在地面爬行時(shí)蠕動(dòng)前進(jìn)與后退的動(dòng)作設(shè)計(jì)的。其主要機(jī)構(gòu)由撐腳機(jī)構(gòu)、三個(gè)氣缸（前氣缸、中氣缸、后

10、氣缸）、軟軸、彈簧片、法蘭盤組成。針對(duì)微小空間、微小管道時(shí)探測(cè)要求，研制成電磁驅(qū)動(dòng)微小型管道機(jī)器人樣機(jī)。微小管道機(jī)器人由四個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)單元組成。其驅(qū)動(dòng)機(jī)理模擬生物的蠕動(dòng)爬行。它是通過給管道加一系列的時(shí)序脈沖進(jìn)行控制，依次使各單元?jiǎng)幼?，達(dá)到蠕動(dòng)爬行的運(yùn)動(dòng)。西安交通大學(xué)設(shè)計(jì)制作了蠕動(dòng)式微動(dòng)直線自行走機(jī)構(gòu)。這種行走機(jī)構(gòu)以電動(dòng)縮微位移器做驅(qū)動(dòng)器，以電磁鐵機(jī)構(gòu)作為可吸附于行走表面的保持器。廣州工業(yè)大學(xué)借用仿生學(xué)原理，研制成結(jié)構(gòu)獨(dú)特的，像蠕蟲一樣的微管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由電磁力驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人由前后兩個(gè)電磁線圈和前后兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器組成。當(dāng)分別通電時(shí)，機(jī)器人的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器互相吸合收縮。當(dāng)后電磁線圈斷電時(shí)，后部突然放松，由此

11、產(chǎn)生的推力將機(jī)器人前部（前驅(qū)動(dòng)器）向前推進(jìn)一段距離；反向運(yùn)動(dòng)依次類推。1.3.2國外管道機(jī)器人的發(fā)展國外關(guān)于燃?xì)夤艿罊C(jī)器人的研究始于20世紀(jì)40年代，由于70年代的微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，管道檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)于90年代初，得到了迅猛發(fā)展并接近于應(yīng)用水平。日本機(jī)器人的的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期，70年代的實(shí)用期，到80年代進(jìn)入普及及提高期，開始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。日本管道機(jī)器人眾多，東京工業(yè)大學(xué)于1993年開始研究管道機(jī)器人，并且成功研制出THES系列的機(jī)器人，以下介紹THES2型管道機(jī)器人：其采用“電機(jī)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)輪”的驅(qū)動(dòng)方案，同時(shí)每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都有一個(gè)傾斜角度測(cè)量

12、輪，通過測(cè)量輪探測(cè)機(jī)器人的傾斜角度，并反饋給電機(jī)，從而保證管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪以垂直的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。該管道機(jī)器人系統(tǒng)通過CCD攝像頭實(shí)現(xiàn)信息的采集，整個(gè)系統(tǒng)采用托攬控制式，檢測(cè)距離超過100CM。美國是機(jī)器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，是世界上的機(jī)器人強(qiáng)國之一，其基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)，并有很多管道機(jī)器人產(chǎn)品。美國INUKTUN公司系列管道檢測(cè)機(jī)器人VERSATRAX是國外現(xiàn)有的已成型管道機(jī)器人。美國紐約煤氣集團(tuán)公司(NYGAS)的DAPHNEDPZURKO和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人技術(shù)學(xué)院的HAGENSCHEMPF博士在美國國家航空和宇宙行局（NASA）的資助下于2001年開發(fā)

13、了長(zhǎng)距離、無攬方式的管道機(jī)器人系統(tǒng)EXLORER，專門用于檢測(cè)地下煤氣管道是情況。該管道機(jī)器人系列EXLORER就有如下特征：（1）一次作業(yè)檢測(cè)距離長(zhǎng)，用無纜方式，自帶電池并且電池可以多次反復(fù)充電，是管道機(jī)器人具有良好的自推能力。（2）可以在鑄鐵和鋼質(zhì)煤氣管道中，低壓和高壓條件下工作。管道機(jī)器人的色彩攝像頭采用嵌入式“魚眼”鏡頭，結(jié)構(gòu)非常緊湊。（3）可有利通過90的彎管接頭和垂直管道。（4）與外部操作人員采用無線通訊方式。（5）該管道機(jī)器人可以探測(cè)煤氣管道內(nèi)部是否水滲透、碎片堆積；可以確定內(nèi)部缺陷的確切位置并且定位相應(yīng)的作業(yè)裝置；采用視頻圖像的形式準(zhǔn)確反映管道內(nèi)部的狀況條件。德國工業(yè)機(jī)器人的總

14、數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。德國學(xué)者BERNHARD KLAASSEN、HERMANN ST2REICH和FRANK KIRCHNER等人在德國教育部的資助下于2000年研制成功了多關(guān)節(jié)蠕蟲式管道機(jī)器人系統(tǒng)MAKRO。該機(jī)器人由六節(jié)單元組成，其頭部和尾部?jī)蓚€(gè)單元體完成相同，每個(gè)單元之間的節(jié)點(diǎn)由3個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得MAKRO可以抬起或者彎曲機(jī)器人個(gè)體，從而可以輕松越過障礙物或?qū)崿F(xiàn)拐彎運(yùn)動(dòng)，該管道機(jī)器人系統(tǒng)MAKRO具有21個(gè)自由度，長(zhǎng)度為2M，質(zhì)量為50Kg，采用無纜控制方式，MAKRO系統(tǒng)使用于直徑為300600mm的管道。加拿大INUKTUN公司的雙履帶式管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，履帶采用剛

15、性支承結(jié)構(gòu)，兩履帶的夾角可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的作業(yè)管徑。兩履帶調(diào)節(jié)到平行位置時(shí)，可以在平地或矩形管道內(nèi)行走。但這種剛性支承的雙履帶式管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的兩履帶夾角在行走過程中是無法改變的，因此不適合管徑變化的作業(yè)場(chǎng)合。KAWAGUCH等研制的管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)只適用于500mm的管道，而且一次作業(yè)的檢測(cè)距離不大于500m;KUNTZE等采用四輪獨(dú)立屈服驅(qū)動(dòng)方案研制成管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)KARO，該機(jī)器人系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)500mm管徑的地下輸水管道的檢測(cè)，一次檢測(cè)距離為400m，系統(tǒng)采用托纜控制式。1.3.3機(jī)器人的發(fā)展前景展望21世紀(jì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，明顯地向著智能化（INTELLECTUAL

16、IZATION）發(fā)展，包括機(jī)器人本身向智能機(jī)器人進(jìn)化和實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化（ROBOTIZATION）系統(tǒng)。具體說，傳感型智能機(jī)器人發(fā)展較快，新型智能技術(shù)（如臨場(chǎng)感、記憶材料、多智能體系統(tǒng)以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)等）在機(jī)器人得到開發(fā)與應(yīng)用，采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)器人工程，注意開發(fā)微型和小新機(jī)器人，重視研制行走機(jī)器人，研制應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)環(huán)境下工作的非制造業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人，開發(fā)敏捷制造系統(tǒng)，軍用機(jī)器人將用于裝配部隊(duì)等?？偟恼f來，雖然存在不少難關(guān)，甚至出現(xiàn)某些陰影，但新世紀(jì)機(jī)器人學(xué)的發(fā)展前景是十分光明和充滿希望的。第二章 總體方案的制定及比較2.1管道機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)（1）管道機(jī)器人的

17、工作環(huán)境a.管道為金屬冶煉廠煙氣輸送管道，管道為圓管，管道直徑為600-700mm，管道底部每周可形成厚約100mm的煙灰堆積層；b.煙灰密度3.5g/cm；c.管道中有水平、小于30傾斜，3倍管道直徑彎曲三種形式；d.管道底部每隔50m有一可自動(dòng)打開的清潔，供機(jī)器人傾倒垃圾；（2）管道機(jī)器人的技術(shù)要求a.機(jī)器人必須小巧、靈活、拆卸方便；b.生產(chǎn)能力高，每小時(shí)清潔能力應(yīng)在40m左右；c.機(jī)器人在工作過程中，其結(jié)構(gòu)可適應(yīng)不同管徑的變化情況；d.機(jī)器人自動(dòng)化程度高，控制方便靈活；2.2總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和比較（1）行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.2.1根據(jù)國內(nèi)外的管道機(jī)器人的移動(dòng)方式大致可分為六種：（一）活塞移動(dòng)方

18、式（二）滾輪移動(dòng)方式（三）履帶移動(dòng)方式（四）足腳移動(dòng)方式（五）蠕動(dòng)移動(dòng)方式（六）螺旋移動(dòng)方式（一）活塞移動(dòng)式依靠其首尾兩端管內(nèi)流體形成的壓差為驅(qū)動(dòng)力，隨著管內(nèi)流體的流體的流動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)，其原理類似于活塞在汽缸內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，即把管道看做汽缸，把具有一定彈性和硬度的PIG看做活塞。其缺點(diǎn)是：越障礙能力和拐彎差。（二）滾輪移動(dòng)式優(yōu)點(diǎn)是移動(dòng)速度快，轉(zhuǎn)彎容易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易小型化，采用多輪方式時(shí)牽引力隨輪數(shù)增加。缺點(diǎn)是著地面積小，維持一定的附著力較困難，這使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，越障礙能力有限。（三）履帶移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是著地面積大，易產(chǎn)生較大的附著力，對(duì)路面的適應(yīng)性強(qiáng)，牽引性能好，越障礙能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是體積大不易小型化，拐彎

19、半徑大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還要保持履帶的張緊。（四）足腿移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)粗糙路面適應(yīng)性能較好，越障礙能力極強(qiáng)，可適應(yīng)不同管徑的變化。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，行走速度慢。（五）蠕動(dòng)移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)微小管徑，越障礙能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是移動(dòng)速度慢，控制復(fù)雜。（六）螺旋移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是有一定的越障礙能力，可適應(yīng)不同管徑的變化，可在直管道中行走。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，移動(dòng)速度慢，驅(qū)動(dòng)力要求高。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求，所要言之的管道機(jī)器人必須要有高可靠性，高效率。所以采用上述行走機(jī)構(gòu)的移動(dòng)方式的組合來實(shí)現(xiàn)行走，這樣可利用其綜合優(yōu)點(diǎn)避免單一移動(dòng)方式的缺點(diǎn)。由于管道存在不同的彎管，這樣要求機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)有一定的拐彎能力和越障礙能力

20、。所以，設(shè)計(jì)了一種如下所示的機(jī)器人，其特點(diǎn)是：移動(dòng)速度快、轉(zhuǎn)彎比較容易、有較大牽引力、對(duì)粗糙路面適應(yīng)性強(qiáng)、越障礙能力強(qiáng)；同時(shí)，可伸縮性使得機(jī)器人對(duì)變徑管道有較好的自適應(yīng)性。 （2）操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)根據(jù)管道機(jī)器人的操作對(duì)象是一些堆積的灰塵，并且灰塵在管道底部堆放的同時(shí)成疏松狀，所以操作機(jī)構(gòu)有以下兩種方案： 借鑒挖掘機(jī)的工作原理。利用鏟斗鏟起灰塵，然后行走到管道底部的傾倒垃圾開口，傾倒灰塵。這種方案簡(jiǎn)單，可靠；但是由于管道直徑的限制，其鏟斗的容積比較小，同時(shí)垃圾開口每隔50m才有一個(gè)開口，其大部分時(shí)間都在行走上，所以機(jī)器人的工作效率很低。 借鑒吸塵器的工作原理。利用帶有操作臂的吸塵器的吸頭，灰塵通過

21、吸塵器管道到主體內(nèi)部，設(shè)計(jì)箱體的容積比較大，最后，移動(dòng)到垃圾開口處傾倒垃圾，從而減少在往返的次數(shù)來提高工作效率。所以才用具有兩個(gè)自由度的機(jī)械臂，臂未端附上吸塵器頭，臂上附上塑料軟管，軟管最終以主體的垃圾箱密封連接。（3）撐開機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)由于管徑的變化，需要撐開機(jī)構(gòu)來適應(yīng)管徑的變化。在本機(jī)器人設(shè)計(jì)中，采用滾珠絲杠螺母副來和放大桿組來實(shí)現(xiàn)。1基座 2放大桿組 3撐開桿4絲杠 5絲杠螺母 6行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)絲杠4旋轉(zhuǎn)時(shí)，絲杠螺母5在絲杠上左右移動(dòng)，從而拉動(dòng)撐開桿3，撐開桿3鉸接在放大桿組2上，從而改變其傾角來適應(yīng)管徑的變化。（4）最終方案的確定根據(jù)以上的分析和比較，最后得出最終方案。設(shè)計(jì)的管道清潔機(jī)器人包

22、括以下五部分： （一） 行走裝置（為整個(gè)行走提供動(dòng)力）；（二） 撐開桿組（適應(yīng)管徑的變化）；（三） 操作臂裝置（操作臂包括吸塵器的操作部分和傾倒垃圾部分）；（四） 信號(hào)采集裝置（為控制提供信號(hào)和圖像）；（五） 控制裝置（控制管道清潔機(jī)器人行走和動(dòng)作）。第三章 部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算3.1管道機(jī)器人工作計(jì)算由于管道直徑是變化的，變化范圍為（600-700mm），通過計(jì)算當(dāng)管道直徑為700mm時(shí)，且堆積相對(duì)底部為70mm，每50m最大工作量Gmax：Rabh 其中 h=70mm,d=700;R=d/2=700/2=350mm；a=R-h=350-70=280;b=210mm=arctan(b/a)=ar

23、ctan(210/280)=36.87s=R-1/2a2b=*350-1/2*2*280*210=2*10mm每隔50m才有一個(gè)開口，所以總的工作量：為50*10v=Sl=2*10*50*10=1.0*10mm因?yàn)闊熁业拿芏葹?.5g/cmm=v=3.5*1.0*10*10=3.5*10g=3.5*10Kg 3.2行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 （1）行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的預(yù)算 預(yù)取管道清潔機(jī)器人 容積為V容： V容=35*35*35=42875cm； m=v=3.5*42875=1.50*10g=150Kg；G=mg=180*9.8=1470.6N管道機(jī)器人在裝滿的情況下，受力圖F1F1F2F2G6

24、060其中預(yù)?。篎1=400N2*cos60*F2=G+F1F2=G+F1=1470.6+400=1870.6N由于履帶是三組；成120分布；受到的是摩擦阻力；F驅(qū)2*F2+*F1（其中是橡膠與鋼之間的摩擦系數(shù)）=2*0.8*1870.6+0.8*400=3312.96N管道機(jī)器人的工作行程速度V為：V=0.5m/sW總=F驅(qū)*V=3312.96*0.5=1656.48W（W總是有效功率）是三組履帶，所以每個(gè)履帶的驅(qū)動(dòng)電機(jī)至少為：W=W總3=1656.483=552.16W選取電機(jī)的功率為800W；同時(shí)電機(jī)要能變速，才能在管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎；所以選伺服電機(jī)，最終選擇CGMAH-08A伺服電機(jī)（安川公司

25、）。（2）行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)確定行走 機(jī)構(gòu)履帶的外形尺寸由于管道直徑最小時(shí)，D=600mm；同時(shí)總體方案中已經(jīng)確定采用3組履帶，相對(duì)來說比較狹?。凰孕凶邫C(jī)構(gòu)尺寸不能太大。首先，確定履帶的寬度較小，那么它的工作所提供的驅(qū)動(dòng)力就會(huì)減??；而其寬度太大時(shí)，所受到的阻力就會(huì)很大。通過作圖的方法，取履帶的寬度Wi為：Wi=150mm。其次，確定履帶的長(zhǎng)度。履帶的長(zhǎng)度越長(zhǎng)其轉(zhuǎn)彎的靈活就會(huì)受到影響。所以，履帶的長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)。所以其長(zhǎng)度L為：L=580mm。最后，確定履帶的高度。履帶的高度受到管道直徑的限制，同時(shí)還受到撐開桿組的影響；由于撐開桿組要能在600-700mm范圍內(nèi)變化，所以桿要達(dá)到給定的范圍。通過

26、對(duì)撐開桿組的設(shè)計(jì)，后最終確定高度H=175mm。確定行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)由于外形尺寸的限制，電機(jī)內(nèi)置在履帶組中，同時(shí)采用錐齒輪來換向，后驅(qū)動(dòng)履帶輪。確定行走機(jī)構(gòu)中的履帶輪和履帶輪采用同步帶的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)履帶。以下是同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：1.適用于兩軸中心距較大傳動(dòng)，承載能力較大。2.帶具有良好的彈性，可以緩沖、吸塵，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小。3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和維護(hù)較為方便，價(jià)格低廉。首先，確定同步帶的主要參數(shù)：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)13-42）齒形：梯形齒距制式：模數(shù)制型號(hào)：m7節(jié)距：Pb=21.991mm其次，設(shè)計(jì)帶輪：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)13-50）（1）初選帶輪的次數(shù)：z=17；（2）選擇切削帶輪齒形的刀具類型切出

27、直線齒廓的特別刀具；（3）齒槽角：2=2=40；（4）節(jié)距：Pb=m=*7=21.991mm；（5）節(jié)圓直徑：d=mz=7*17=119mm；（6）模數(shù)：m=7；（7）齒側(cè)間隙：Cm=1；（8）名義徑向間隙：e0=1.37；（9）徑向間隙：ee0+0.4m=1.37+0.4*7=3.836；（10）外圓直徑：d0=d-2=120-2*1.75=116.5mm（其中=1.75）；（11）外圓齒距：P0=d0/z=3.14*116.517=21.529mm；（12）外圓齒槽寬：b0=s+cm=10.06+1=11.06mm；（13）齒槽深：hg=ht+e=4.2+3.836=8.036；（14）齒

28、槽底寬：bw=7；（15）齒根圓角半徑：rb=0.25m=0.25*7=1.75；（16）rt=0.25m=0.25*7=1.75；最后，設(shè)計(jì)履帶：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)13-43）由于采用同步帶的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)履帶，同時(shí)履帶用于特殊的工作環(huán)境，所以能完全采用同步帶的參數(shù)，根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)履帶。（1）節(jié)距：Pb=21.991；（2）齒形角：2=40；（3）齒根厚：=10.06；（4）齒高：ht=4.2；（5）帶高：hs=7.7；（6）齒頂厚：st=7；（7）節(jié)頂距：=1.75；（8）帶寬：bs=115mm；確定大小錐齒輪參數(shù)整個(gè)行走裝置里，錐齒輪的主要作用換向，傳動(dòng)動(dòng)力。同時(shí)考慮到其完全在行走裝置

29、內(nèi)部，尺寸受到限制。根據(jù)以上的因素，設(shè)計(jì)大小錐齒輪的具體參數(shù)。根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，采用軸交角=90。齒輪類型為：直齒錐齒輪、齒形制為GB/T123691990，齒形角為20、齒頂高系數(shù)ha=1、頂系數(shù)c=0.2。（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)14-200）大錐齒輪的次數(shù)z1=30；小錐齒輪的次數(shù)z2=23。大小錐齒輪的具體參數(shù)分別如下：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)14-201）大錐齒輪：（1）法向模數(shù)：mn=2.5；（2）齒數(shù)：z=30；（3）法向齒形角：an=20；（4）分度圓直徑：d=mz=30*2.5=75mm；（5）分度圓錐角：1=arc cotz1/z2=arc cot30/23=523126；（6）齒頂圓直

30、徑：da=d+2ham cos1=75+2*1*2.5*cos523126=78.044mm；（7）齒根圓直徑：df=d-2(ha+c)m cos1=75-2*(1+0.2)*2.5*cos523126=71.347mm；（8）錐距：R=mz/2sin1=m/2=2.5*/2=47.253mm（9）齒頂角：a=arctan= arctan=3143（10）齒根角：f= arctan= arctan=3471（11）頂圓錐角：a=+a=523126+3143=55339（12）f=-f=523126-3471=484425（13）齒寬：b=25mm小錐齒輪：（1）法向模數(shù)：mn=2.5；（2）齒

31、數(shù)：z=23；（3）法向齒形角：an=20；（4）分度圓直徑：d=mz=23*2.5=57.5mm；（5）分度圓錐角：1=arc cotz1/z2=arc cot30/23=372834；（6）齒頂圓直徑：da=d+2ham cos1=57.5+2*1*2.5*cos372834=61.467mm；（7）齒根圓直徑：df=d-2(ha+c)m cos1=57.5-2*(1+0.2)*2.5*cos372834=52.54mm；（8）錐距：R=mz/2sin1=m/2=2.5*/2=47.253mm（9）齒頂角：a=arctan= arctan=3143（10）齒根角：f= arctan= ar

32、ctan=3471（11）頂圓錐角：a=+a=372834+3143=413017（12）f=-f=372834-3471=334133（13）齒寬：b=25mm確定直齒輪的參數(shù)在整個(gè)行走裝置中，直齒輪的作用，主要是傳遞動(dòng)力。根據(jù)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和尺寸限制，同時(shí)為了減小零件的個(gè)數(shù)和降低成本，才用兩個(gè)完全相同的直齒輪，齒頂高系數(shù)h*a=1、頂隙系數(shù)c*=0.25。齒數(shù)z=40，模數(shù)mn=2.5.具體參數(shù)如下：（1） 分度圓直徑：d1=mz=2.5*40=100（2） 齒頂高：ha=h*am=1*2.5=2.5（3） 齒根高：hf=（h*a+c*）m=(1+0.25)*2.5=3.125（4） 全齒

33、高：h=ha+hf=2.5+3.125=5.625（5） 齒頂圓直徑：da1=d+2ha=100+2*2.5=105mm（6） 齒根圓直徑：df1=d1-2hf=100-2*3.125=93.75mm（7） 齒厚：s=m/2=3.14*2.52=3.927（8） 齒根寬：e=m/2=3.14*2.5/2=3.927（9） 中心距：a=d=100mm（10） 頂隙：c=c*m=0.25*2.5=0.6253.3撐開機(jī)構(gòu)和放大桿組的設(shè)計(jì)撐開機(jī)構(gòu)采用絲杠螺母和放大桿組的結(jié)合，來適應(yīng)管徑的變化。通過作圖法來模擬最小、最大管徑時(shí)的情況。最后量出各桿件的長(zhǎng)度：撐開桿桿長(zhǎng)：lc=200mm。放大桿桿長(zhǎng)：lf

34、=300mm（由于在其之上安裝了壓力彈簧，其實(shí)際桿長(zhǎng)為330380mm）。鉸接處的位置：在放大桿組90mm處。3.4操作臂的設(shè)計(jì)操作臂包括吸塵器的操作臂和拉開卸料門的桿件機(jī)構(gòu)。（1）吸塵器操作臂的設(shè)計(jì)由于管道的管徑是變化的，同時(shí)灰塵主要分布在管道底部，所以要求操作臂要能適應(yīng)管徑的變化，不僅要在最小管徑中能工作，也要在管徑最大時(shí)也能正常工作。根據(jù)這些要求，設(shè)計(jì)了具有兩個(gè)平面自由度的桿件機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。其各個(gè)桿件的參數(shù)零件圖。其驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用MAXON的直流伺服電機(jī)。功率為120W。（2）卸料門的拉開桿件的設(shè)計(jì)當(dāng)垃圾箱裝滿時(shí)，重量能達(dá)到1470.6N，同時(shí)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率120W，驅(qū)動(dòng)力較??；所以，在設(shè)計(jì)

35、時(shí)采用“死點(diǎn)”的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)卸料門的開合。工作原理：當(dāng)卸料門閉合式，連桿處于死點(diǎn)位置即位置1，這是無論在卸料門上施加多大的力，卸料門也不會(huì)打開；當(dāng)灰塵裝滿時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通電，讓連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而破壞死點(diǎn)的狀態(tài)，在灰塵的重力和連桿的拉力下，卸料門打開。當(dāng)灰塵傾倒完后，連桿逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)連桿向上移動(dòng)從而使卸料門閉合，從而回到位置1。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖各個(gè)桿件的長(zhǎng)度，根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)尺寸，采用作圖法計(jì)算出桿件的長(zhǎng)度。其參數(shù)如下：連桿LAB：LAB=700mm連桿LBC：LBC=150mm連桿lCD：LCD=120mmABDC位置2位置1卸料門 第四章 控制原理的設(shè)計(jì)4.1控制原理的分析和設(shè)計(jì)我們擬將兩對(duì)光電傳感器（記

36、為Ga組和Gb組）分別置于本管道清潔機(jī)器人前后兩側(cè)從而在前進(jìn)或后退時(shí)都可以檢測(cè)行徑前方有無障礙物從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。見下面示意圖： 將一對(duì)超聲波測(cè)距傳感器（記為Ca和Cb）置于本管道清潔機(jī)器人車體前后適應(yīng)位置，用來檢測(cè)其前進(jìn)或后退時(shí)管徑的變化情況，以使CPU驅(qū)動(dòng)相關(guān)電機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作。另外，將一個(gè)光電傳感器（記為GC）置于吸塵裝置下方適應(yīng)位置，用來檢測(cè)下方管壁上的灰塵是否已清潔干凈；又將一個(gè)壓力傳感器（記為YL）置于垃圾箱底板適當(dāng)位置，用來檢測(cè)垃圾箱是否已經(jīng)裝滿，從而使本管道情節(jié)機(jī)器人停止繼續(xù)清灰塵轉(zhuǎn)而倒垃圾。另外一個(gè)超聲波傳感器（記為CC）置于裝灰塵的垃圾箱下方適應(yīng)位置，在垃圾箱裝滿后通過檢測(cè)前方

37、一定距離范圍內(nèi)有沒有障礙物來判斷清潔口是否已經(jīng)打開，從而使CPU驅(qū)動(dòng)相關(guān)電動(dòng)機(jī)作出傾倒灰塵的動(dòng)作；再將一個(gè)霍爾轉(zhuǎn)數(shù)檢測(cè)傳感器（記為HE）置于履帶輪軸附近適當(dāng)位置，用來檢測(cè)置于履帶輪軸上的磁極的旋轉(zhuǎn)信號(hào)，從而測(cè)出履帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，進(jìn)而通過CPU計(jì)算出本管道清潔機(jī)器人前進(jìn)的距離。于是，控制過程實(shí)現(xiàn)過程如下： 吸塵器工作開始清潔灰塵，光電傳感器GA組、GC、超聲波傳感器CA以及壓力傳感器YL和霍爾轉(zhuǎn)數(shù)檢測(cè)傳感器HE工作實(shí)時(shí)檢測(cè)收集各信息； 一旦光電傳感器GC檢測(cè)到吸塵裝置下方的灰塵清理干凈，則CPU發(fā)送指令驅(qū)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)電機(jī)組（記為ZDJ）工作，即機(jī)器人 。又當(dāng)GC檢測(cè)到吸塵裝置下方又有灰塵則CPU再次發(fā)

38、送指令使主電機(jī)組停止工作重新開始過程； 、步驟重復(fù)運(yùn)行一段時(shí)間后，機(jī)器人的垃圾箱裝滿了灰塵，這時(shí)候置于垃圾箱底部的壓力傳感器就把檢測(cè)到的信號(hào)傳遞給CPU，則CPU發(fā)送指令令吸塵器和運(yùn)動(dòng)電機(jī)停止前進(jìn)，同時(shí)停止接收霍爾轉(zhuǎn)數(shù)檢測(cè)傳感器HE的數(shù)據(jù)，并開始判斷本管道清潔機(jī)器人所走過的路程是否小于25m。若是則運(yùn)行步驟，若否則運(yùn)行步驟； CPU發(fā)送指令使主運(yùn)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)即令機(jī)器人后退，并且開始收超聲波傳感器CC的信號(hào)，以判斷是否已經(jīng)請(qǐng)接口上方（超聲波傳感器CC位置一定要放恰當(dāng)，以使垃圾能完全從請(qǐng)接口倒出），若否則繼續(xù)本步驟，若是則運(yùn)行步驟； CPU發(fā)送指令使主運(yùn)動(dòng)電機(jī)正傳即令機(jī)器人前進(jìn)，并且開始收超聲破傳感

39、器CC的信號(hào)，以判斷是否已到請(qǐng)接口上方，若否則繼續(xù)運(yùn)行本步驟，則運(yùn)行步驟； CPU再發(fā)送指令停止運(yùn)動(dòng)電機(jī)，即使機(jī)器人停下，然后驅(qū)動(dòng)圾箱開關(guān)電動(dòng)機(jī)打開垃圾箱來傾倒灰塵。期間，一旦壓力傳感器檢測(cè)到灰塵已經(jīng)倒完，則再驅(qū)動(dòng)垃圾箱開關(guān)電動(dòng)機(jī)關(guān)閉垃圾箱。然后CPU發(fā)送指令使機(jī)器人反向運(yùn)動(dòng)并且停止接收超聲波CC的信號(hào)而開始接收光電傳感器GC的信號(hào)以判斷是否已回到上次清潔干凈的位置。若是，則重新開始運(yùn)行步驟，若否則繼續(xù)移動(dòng)、檢測(cè)。 當(dāng)本管道清潔機(jī)器人前進(jìn)過程中CPU要光電傳感器組GA的實(shí)時(shí)信號(hào)，一旦檢測(cè)到前方有彎道則命令兩主運(yùn)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生速度差從而轉(zhuǎn)彎道；而當(dāng)后退過程中則要接收光電傳感器組GB的實(shí)時(shí)信號(hào)，以使本管道清潔機(jī)器人能在后退時(shí)也順利轉(zhuǎn)過彎道。同樣的，在前進(jìn)過程中還要檢測(cè)管徑的變化，通過超聲波傳感器CA收集的距離信息來使本管道清潔機(jī)器人自動(dòng)適應(yīng)管徑的變化；后退時(shí)則是通過超聲波傳感器CB來檢測(cè)信號(hào)從而使本管道清潔機(jī)器人在后退時(shí)也能自動(dòng)適應(yīng)管徑的變化。從而使其順利地完成工作。4.2主要控制流程圖：主要的控制流程圖，見圖（一）：開始初始化吸塵并停止前進(jìn)管徑適應(yīng)子程序1轉(zhuǎn)彎子程序1倒煙灰子程序是否干凈是否裝滿是否變徑管是否轉(zhuǎn)彎前進(jìn)并記錄轉(zhuǎn)數(shù)YYNNNNYY主程序流程圖致 謝