管道检测机器人结构设计及运动仿真

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1、管道检测机器人结构设计及运动仿真摘要管道检测机器人主要包括三大系统：机械系统、控制系统和检测系统。本文在分析了机器人总体机械结构和检测原理的基础上，通过精确的力学计算和细致的结构分析，利用 AutoCAD 软件对机器人的机械部分，包括整体结构、电机、齿轮、轴等进行了选择与设计，并对设计方案进行分析与计算。然后利用 Solid Edge 软件将管道检测机器人的总体机械结构绘制成三维立体模型。所设计的机器人机械系统，可通过履带式移动机构满足城市排水管道的工况，并通过加装支撑臂进行 30 度的爬坡。通过细致研究，确定了机器人所使用的摄像系统和超声波检测系统。关键词：排水管道，履带式机器人，超声波无损

2、检测IIAbstractA pipeline inspection robot mainly consists of three parts, the mechanical system, the control system and the detecting system. This paper, based on the analysis of overall mechanical structure and detecting principle of the robot, by accurate mechanical calculation together with compreh

3、ensive structure analysis, the author has worked out a unique design for overall structure in AutoCAD software, motor, gears as well as axles of the robot, and the design scheme has been analyzed and calculated. Then built overall mechanical structure of pipeline inspection robot 3-D models in Solid

4、 Edge software. The design of mechanical system of the pipeline inspection robot is equipped with the tracked mobile mechanism moves along the urban drainage pipelines and two support arms can climb maximum gradient of 30 degrees. And after careful study, the camera system and the ultrasonic inspect

5、ion system of the robot are also determined in the paper.Key words: Drainage pipeline, Tracked robot, Ultrasonic nondestructive inspection管道检测机器人结构设计及运动仿真目录IV第一章绪论11.1 课题研究意义及背景11.2 管道检测机器人的发展31.2.1 管道检测机器人发展情况31.2.2 管道检测机器人类型介绍71.3 管道检测机器人的技术91.4 课题研究主要内容91.5 本章小结10第二章管道检测机器人机械结构设计方案确定112.1 管道检测机器人

6、移动方式结构设计112.1.1 管道检测机器人移动方式分析比较112.1.2 管道检测机器人移动方式选择132.2 管道检测机器人总体机械结构设计142.3 本章小结15第三章管道检测机器人机械结构设计计算163.1 管道检测机器人力学分析计算163.2 管道检测机器人执行机构设计183.2.1 传动齿轮的设计计算183.2.2 传动轴的设计计算253.3 管道检测机器人驱动系统设计293.3.1 步进电机的选择313.4 本章小结33第四章管道检测机器人附属配置354.1 能源供给方式的选择354.2 摄像系统的选择354.3 检测系统的选择364.4 电源装置的选择384.5 控制装置的选

7、择384.6 本章小结38第五章管道检测机器人三维模型设计395.1 移动机构三维模型设计395.2 支撑臂机构三维模型设计415.3 车体结构三维模型设计415.3.1 车体内部结构三维模型设计415.3.2 车体上方结构三维模型设计425.3.3 车体前方结构三维模型设计435.4 整体结构三维模型设计435.5 本章小结45第六章管道检测机器人稳定性分析466.1 承载能力466.2 检测系统476.3 质量优化476.4 本章小结48第七章经济技术分析报告49第八章总结与展望508.1 总结508.2 展望50参考文献52致谢54声明55第一章绪论1.1 课题研究意义及背景近年来，随着

8、我国经济的快速发展，城市发展的步伐也逐渐加快，煤气、输水、油气、通讯、化工以及其他用途的管道急剧增加。管道作为一种经济、高效且安全的物料输送手段一直被人们所关注。因此，管道成为城市建筑、工业、能源、军事装备等领域中使用广泛的物料运输手段。现如今石油、化工、城市水暖供应、地下排水、核工业等部门所铺设的管道累计长度急剧增长。仅以我国城市管道为例，截止到 1999 年底所铺设管道的累计长度已达到 238001 公里，平均每年增长 5.9%。其中，排水管道达到 134486 公里，平均每年增长 5.9% 1。由于历史原因，国内在役管道部分管材质量较差，加上施工建设过程中存在一些焊接缺陷与涂层缺陷，这些

9、给管道的安全使用埋下隐患。即使部分投产验收合格的管道，在运行过程中也难免会受到介质、温度、疲劳、腐蚀、局部载荷等因素的影响，服役一段时间后会产生缺陷或导致缺陷扩展，并可能最终发生失效，给人民生命财产、工业生产和社会稳定带来威胁。以排水管道为例，排水管道是城市重要的基础设施之一，是城市水污染防治和城市排渍、排涝、防洪的骨干工程。但是随着排水管道材料的老化，以及经常受到工业中各种化学物质的侵蚀等，管道会出现不同程度的损坏，致使污水外流造成环境污染，甚至影响地表结构等。另一方面，新建成的排污管道，也必须在投入使用前进行内部检测，验收合格之后才能投入使用。因此为了保护环境，以及城市道路的安全，需要对排

10、水管道进行定期的检测和维护检修。然而，由于排水管道大多都深埋地下，所处环境往往是人所不及的，工人在排除管线故障时，也只能通过摸排和人工作业的方式进行，当遇到一些老旧的细小管线时，这些维护方式就显得十分有限2。目前，关于地下管道的质检通常采用两种方法。其一，是工程量巨大的开挖抽检方法，由于随机抽检法经常出现漏检，故准确率低、效果不理想，不但劳动强度大、效益低，而且往往妨碍道路交通。其二，是靠人工来完成，在很多情况下，人无法进入管道，如管道直径较小、管道内充斥对人体有害的气体等，另外人工检测速度慢、效率低、需要投入大量的人力和物力，因此这种工作方式也同样存在很多53缺点。目前，国内外主要应用的泄漏

11、检测方法有压力图像法（压力分布法）、压力点法（PPA）、负压波法、质量平衡法、声波法、管道泄漏溶解法等等3。这些方法虽然可以检测管道的泄漏情况，但需要进行一定量的理论计算和推导，往往不如图像信息简单、直观。随着科学技术的发展，机器人技术经过近半个世纪的发展，现已取得重大的进步，广泛应用于采矿、冶金、石油、化学、船舶等传统制造业领域，同时也逐步扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域，以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域。对于那些人力难以直接到达的极限环境，如城市污水、天然气输送、工业物料运输等大量复杂隐蔽的管道，如何有效开展管道检测，及时掌握管道结构和功能的安全程度，运用科学手段指导养护及

12、维修工作，已是当务之急。因此，在人工检测方式存在诸多缺点的情况下，研发一种自动智能化的管道机器人具有重要意义。所谓管道机器人，就是一种可沿管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器件，如位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器等，以及操作机械，如管道裂纹与管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、操作手、喷枪、刷子等。在工作人员的遥控操纵或计算机控制下，可在极其恶劣的环境中，能够完成一系列管道检测、维修作业的机电一体化系统。管道机器人可完成的管道作业有：生产、施工过程中的管道内外质量检测；管道内部清扫、抛光、焊接、喷涂等维护；对接焊缝的探伤、补口作业；旧管道腐蚀程度、破损情况检测和泄漏预报等等45。通

13、过管道机器人携带必要的检测设备，在操作人员的远距离控制下，沿管道内行走并实时连续拍摄，显示出管道内部的图像，可以直观、清晰地反映出管道内的故障，克服了传统检测方法存在的诸多弊端，提高了管道检测精度，及时有效的完成了对管道的维修与维护。综上所述，管道检测机器人的研究为管道的检测、维护提供了新的技术手段， 改变了传统管道开挖抽检的单一模式和人工检测的诸多缺点。这种检测技术提高了管道检测的准确性，便于管道工程的维护人员及时了解、分析管道缺陷产生的原因， 开展管道缺陷评估，制订管道维护方案，消除管道安全隐患。在事故发生前有计划地维修或更换故障管段，以便节约大量的管道维修费用，降低管道维护成本，保障人民

14、生活及财产安全，减少有毒气体或液体泄漏造成的环境污染等678。因此， 开展管道检测机器人的研究具有重要的科学意义和显著的社会经济效益。据统计， 我国城市地下管道总长达数 10 万公里9，设计出一款适用于我国城市管道检测的机器人既利国利民，又具有极高的使用价值。因此，城市排水管道检测机器人的研究将成为一项十分重要的产业工程10。1.2 管道检测机器人的发展1.2.1 管道检测机器人发展情况1、国外典型管道机器人随着 70 年代电子技术、计算机技术、自动化技术的发展与进步，国外的管道机器人技术自 90 年代初以来，就得到了迅猛发展，并接近于应用水平。1987 年， 日本学者T.Morimitsu等

15、人，成功研制了一种振动式管内移动机器人。1999 年，西班牙的Jorge Moraleda与Anibal Ollero等人，在西班牙军工基金的资助下，利用水流喷射产生的冲力作为驱动力，研制出了用于检测下水管道内部状况的管道机器人系统。2000 年，日本横滨国立大学电子与计算机工程系Chi Zhu等人，研制成功了一种用于检测排污管道的管道检测机器人，它适用于直径为 200 毫米的管道。2001 年，美国纽约煤气集团公司的Daphne D Zurko和卡内基梅隆大学机器人技术学院的Hagen Schempf博士，在美国国家航空和宇宙航行局的资助下，开发出长距离、无缆方式的管道机器人系统。（1） P

16、EARPOINT 公司开发的轮式自来水管道检测机器人如图 1.1 所示，该机器人具有六个行走轮，能在自来水管道内前进或倒退行走， 适应管径为 150-750mm，行走速度为 0-12m/min，行走距离大约 600m 左右。对于更大管径的管道，加装 20w 灯泡（选件），可提供更明亮、精确的图像。电缆使用的是质地牢固而重量较轻的合成纤维，具有坚固和防水的特性，可抵抗 1.5kN 的张力。其高性能的带马达电缆盘，可提供超过 50kg 的牵引力。微处理器控制的离合器和刹车系统，可减少电缆回绕的摩擦力。在整个测量过程中，使用操纵杆可精确控制爬行器及摄像机。图 1.1 轮式自来水管道检测机器人（2）

17、RoboProbe Technologies Inc 的系列产品此爬行器分为串联式爬行器和并联式爬行器两种，如图 1.2 和图 1.3 所示。此爬行器系列采用不同的结构形式，可适应大范围的管径范围，最小管径为100mm， 大管径可达900mm以上11。主要技术参数：行走距离：300m 左右直视摄像头：1/3CCD 彩色工作温度：050C电源和控制箱：线性速度调节防水深度：30m拖拉力：32kg/单履载重量：46kg/单履尺寸：长 38cm宽 9cm高 10cm 重量：6kg/铝；12kg/铜/不锈钢爬行速度：0-10m/min电压：48V DC运载方式：mini 履带/微型履带图 1.2 串联

18、式爬行器图 1.3 并联式爬行器（3） 日本横滨国立大学开发的检测排污管道的机器人2000 年，日本横滨国立大学电子与计算机工程系 Chi Zhu 等人，成功研制出用于检测排污管道的管道检测机器人。该管道检测机器人适用于管径为 200mm 的管道。整个管道检测机器人系统由四部分组成：行走装置、作业操纵装置、用于污水采集的注射器系统、机器人控制系统。该机器人采用视觉伺服定位方式，其工作原理是主控制计算机通过处理由摄像头拍摄到的管道内壁图像，来获得管道检测机器人操作装置与管壁漏洞之间的相对位置。然后，根据管道检测机器人的逆动力学模型，分别计算出每个电机所需转动的角度。计算结果通过 RS232C 送

19、到微处理器SH7050 中。在 SH7050 的控制下，每个电机转过相应的角度，从而使作业操纵装置的位置正对着漏洞，进而将垫圈牢牢地压入漏洞中，防止污水泄漏造成的环境污染。（4） 俄罗斯 TARIS 公司的管道机器人系列俄罗斯的 TARIS 公司针对地下输水管道的检测、清理已研制出了多个系列的管道机器人系统，如图 1.4 所示。这些管道机器人为轮式驱动，能源供给和通信采用拖缆方式，装有可旋转方向的彩色摄像头，能进行视频探测，且采用防水材料制作，具有较好的密封防水性。（a）P-100 机器人系统（b）P-200 机器人系统（c）C-200 机器人系统图 1.4 TARIS 公司的管道机器人系列2

20、、国内典型管道机器人我国管道机器人研制工作起步较晚，已见报道的管道机器人多为国外进口。然而，近些年来管道机器人的经济、技术和社会意义，逐渐为更多人所认识。也有一些单位开始进行研制，并在机构模型、动力学分析，以及实验样机等方面均有所建树。较有代表性的有中科院、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、东华大学、大庆油建公司和中国石油天然气管道局等。其中，中科院兰州分院于 2004 年， 成功研制出我国第一台管道机器人，提升了我国在机器人研究开发领域的地位和影响力12。（1） 上海交通大学的履带式管道机器人上海交通大学的履带式管道机器人是仿造履带式车辆行走的原理，采用带齿轮减速箱的直流伺服电机驱动。

21、该机器人上端装有 CCD 图像传感器，由另一个直流伺服电机控制 CCD 图像传感器做俯仰运动，以扩大检测范围。另外，该机器人还装有角度传感器，如图 1.5 所示。主要技术参数： 电机功率：5w减速箱减速比：100 输出转速：0-30r/min最小管道直径：120mm运行速度：由计算机给定，一般为 1.2m/min13图 1.5 履带式管道机器人运动机构简图（2） 清华大学研制的管道机器人清华特种机器人研究小组（简称 THSR）先后研制了电致伸缩小型蠕动机器人（图 1.6a）、管道清淤机器人（四轮驱动，单螺旋桨式作业）（图 1.6b）、小型长距离管道检测机器人 Pipesbot-和 Pipesb

22、ot-（图 1.6c 和图 1.6d）。Pipesbot-适用于 140-160mm 的管径范围，采用多级串连驱动方式，机器人本体前端携带 CCD 摄像头，后部拖带控制小车和电源小车，通过交流输入和电源转换模块供电，采用PWM 调速，RS422 串行通讯。Pipesbot-为全驱动直进式结构，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，并通过一个剪形压紧机构，使驱动轮撑紧管壁，依靠摩擦力运动。剪形压紧机构具有可调接合点，调节接合点的位置， 可使机器人的驱动轮向内缩进或向外扩张，适应一定范围的管径。（a）电致伸缩小型蠕动机器人（b）管道清淤机器人（c）Pipesbot-（d）Pipes

23、bot- 图 1.6 清华大学研制的管道机器人综上所述，近几年我国管道机器人技术的研究已取得了较多成果，在某些单项技术上也已具有世界领先水平。但限于我国总体技术发展水平的制约，所研制的管道机器人的综合性能还远不及发达国家，特别是在研制排水管道检测机器人方面仍面临不少的问题。如排水管道检测机器人在管道内的越障问题、防腐技术问题等， 这些还有待进一步的研究与完善。除此之外，使用国外管道机器人的费用一般较高， 并不适合我国的国情。国内这一领域的研究很少，目前还处于科研阶段，所以本课题的研究对于提高管道检测机器人技术十分重要，而且具有很大的社会效益和经济效益。1.2.2 管道检测机器人类型介绍目前，国

24、内外已研制出的管道机器人的类型很多，按能源供给方式可分为两种，即有缆方式和无缆方式。对于有缆方式供能的管道机器人，主要存在的问题是机器人行走距离远、转弯较多时，线缆与管壁的摩擦力会变得很大，严重影响了机器人作业时的最大行走距离，而且还会带来可靠性等一系列的问题。而采用无缆方式的能源供给目前有两种方案，一是携带蓄电池，二是携带燃油发电机组，这两种方案除了体积庞大，以及增加机器人本体重量等这些共有的缺点外，还有就是所储存的能量毕竟有限，并且还会受到电池质量、充电工艺等因素的影响，因而机器人的行走距离仍然受限制14 15。管道机器人按其外型大小可分为，大型、普通和微型三种。其中，微型管道机器人又可按

25、其电驱动技术的种类划分为，基于正弦波驱动的微型管道机器人、基于电磁驱动的管道鱼鳍机器人、直流电机驱动的蛇行机器人、压电元件驱动的微型管道机器人、GMA 驱动的微型管道机器人、SMA 驱动的蚯蚓蠕动管道机器人。而如果按行走方式划分，管道机器人可分为以下几种方式16：（1） 活塞移动式，其原理类似于活塞在汽缸内的运动，即把管道看作是汽缸，把具有一定弹性和硬度的 PIG 看作是活塞。在结构上，当 PIG 其后面的流体压力大于前面的压力时，在压差的作用下，PIG 克服了管壁与活塞之间的摩擦阻力而向前运动。PIG 可以携带各种传感器，一边行走一边用于管道检测。（2） 滚轮移动式，利用滚轮驱动式的行走结构

26、，以电机作为原动机，为了增加牵引力，一般采用多轮驱动式，由于轮径太小，越障能力有限，而且结构复杂。（3） 履带移动式，仿造履带式车辆行走的原理，采用带齿轮减速箱的直流伺服电机驱动。（4） 足腿移动式，其基本原理是利用足腿推压管壁来支撑机体，利用多条腿能够方便地在各种形状的弯管内移动。由支撑足机构、牵引机构和转向机构构成，可在各种类型的管道里移动。（5） 蠕动移动式，模仿昆虫在地面上爬行时，蠕动前进与后退的动作设计。机构由蠕动丝杠、螺母、前后支撑足和前后封闭弹簧构成。在行走时，分别使左右支撑足上端与管壁接触，下端用滚轮与管壁接触，驱动蠕动丝杠依次左转和右转，使螺母在丝杠上左右移动。（6） 螺旋移

27、动式，利用螺旋原理，使管外电机推动带有弹性的驱动部件前进，该驱动螺旋部件可以自动越过小的台阶。1.3 管道检测机器人的技术管道机器人系统是一种融合了多种先进技术的机电一体化装置，其研究内容涉及机构学、传感技术、控制技术、人机工程、人工智能等多门学科。管道检测机器人技术的优越性主要体现在机器人的移动技术、自动操作技术、自动定位与跟踪探伤技术、数据处理、信号识别与自动评估技术。通过对国内外一些管道机器人相关技术的研究，针对排水管道作业环境的特殊性分析可知，排水管道检测机器人的研究应从以下几个方面考虑：（1） 具有良好的管径适应能力。（2） 体积小，牵引力足够大，能越过一定大小的障碍物和爬 30 度

28、的斜坡。由于管道检测机器人的作业环境比较复杂，一方面机器人在管道中行走要有足够的摩擦力来克服重力的影响，另一方面需要提供足够大的牵引力来克服各种阻力，这就需要根据实际情况来选择合理的驱动方式。（3） 控制盒与管道机器人小车间具备可靠的控制，保证通信质量，并能为小车提供电源。（4） 管道机器人小车上应装有高分辨率的摄像机和辅助照明装置，并能控制摄像机进行多角度和全方位的拍摄。（5） 管道机器人小车内应装有传感器，可实时监测机器人小车在管道内的姿态， 防止其在管道内倾斜、翻倒。（6） 当管道机器人小车检测到故障时，能及时判断机器人小车的行走距离及位置，从而对故障进行定位。1.4 课题研究主要内容本

29、课题要求：通过所设计的机器人，能够检测新管道内有无异物、在役管道的腐蚀情况和程度，以便于确定最佳的维修方案。该机器人小车适用于管径为400-1200mm 的排水管道，能够对管道进行多角度和全方位的拍摄，并且具有较强的爬坡能力，能够爬 30 度的管道进行作业。因此，本课题要针对城市管道检测机器人的机械结构进行设计与优化，以满足管道检测的需要。整个设计从选取机器人小车的移动方式入手，初步设计机器人小车的结构，进而确定适合的驱动方式， 然后选取合适的驱动电机，最后对机器人小车的具体结构进行初步设计。排水管道检测机器人主要由四部分组成：移动载体、电源装置、收放电缆装置、控制盒，结合本课题要求，该机器人

30、的设计主要研究以下内容：（1） 整体尺寸设计，机器人的尺寸要适合直径为 400-1200mm 的管道。（2） 移动载体设计，包括驱动系统、传动系统、摄像系统、控制系统、照明装置等的外形尺寸及位置设计。（3） 爬坡能力设计，机器人在管道内能够爬 30 度的斜坡。（4） 摄像系统选择，机器人能够对管道内部进行多角度和全方位的拍摄。（5） 检测系统选择，机器人能够检测管道的腐蚀情况和程度。1.5 本章小结在本章中，主要对管道检测机器人的研究意义及背景、管道检测机器人技术的发展，包括国内外管道检测机器人的发展情况和类型进行了介绍。针对管道检测机器人的关键技术，并根据本课题的设计要求，提出基本的研究路线

31、和需解决的主要问题。第二章管道检测机器人机械结构设计方案确定由于排水管道内部的情况较复杂，会有许多突起的障碍，管壁的环境也可能较为泥泞，行走条件相对苛刻，因此为满足排水管道的工况，本课题所设计的管道检测机器人选用履带式的移动方式，其优势在于支撑面积大，适合在泥泞的环境中作业，通过性好，并且爬坡、越沟等性能均优于其它移动类型的管道机器人，这样才能保证机器人在排水管道环境下顺利完成检测任务。本章结合管道机器人的结构特点和运动特点，根据课题设计要求，对排水管道检测机器人的机械结构进行了具体的设计、分析与研究。2.1 管道检测机器人移动方式结构设计排水管道检测机器人主要由四部分组成：移动载体、电源装置

32、、收放电缆装置、控制装置，其中移动载体较大程度上决定了机器人的机械结构。管道机器人移动载体的移动方式可分为轮式、履带式、足腿式、螺旋式、张紧式、流体推动式和蠕动式等，这些移动方式各有其优缺点。为了确定更适合排水管道工作环境下机器人的移动方式，首先针对各种管道机器人移动方式的优缺点进行分析比较。2.1.1 管道检测机器人移动方式分析比较如图 2.1 所示，移动载体按运动方式可分为（a）轮式、（b）履带式、（c）足腿式、（d）螺旋式、（e）张紧式、（f）流体推动式、（g）蠕动式等几种不同的形式。图 2.1 机器人小车移动载体的移动方式1、轮式机器人轮式机器人以其运动的连续性、平稳性和车辆技术的成熟

33、性而被广泛应用。然而，对于轮式机器人还有一些限制，如轮式机器人越障能力较差；牵引力相对履带式机器人要小；在不平整地面环境下，运动不平稳，易倾斜；微型化较困难。2、履带式机器人履带式机器人具有牵引力大，抓地性好，适应地面环境能力较强等特点，如图2.2 所示。同等条件下，可以跨越的障碍是所有驱动方式中最大的。图 2.2 履带式机器人3、足腿式机器人足腿式是一种模仿昆虫结构功能的移动方式。这种机器人对地形的适应能力较强，能越过较大的壕沟和台阶，其缺点是速度和效率低，转向比较困难，控制系统比较复杂，如图 2.3 所示。由于足腿和地面的接触面积较小，使得单位面积上的压强较大，因此应用起来比较困难。图 2

34、.3 微型六足机器人4、螺旋式机器人螺旋式机器人是利用旋转摩擦管壁产生推力。这种机器人适合在管径较小的管道中运动，其缺点是效率低，推力较小。螺旋式管道机器人通常是由静止部分和旋转部分组成，如图 2.4 所示。两部分之间由万向节连接，万向节除了起到基本连接作用外，还能够传递扭矩。静止部分装有一组导向轮，只能沿管道轴线运动，而不能绕管道轴线旋转。旋转部分装有一组滚轮，各滚轮轴线与管道轴线形成一个夹角， 称为螺旋角。当旋转部分在电机的驱动下，相对于静止部分转动时，旋转部分的各个滚轮将沿着管壁上的一条螺旋线轨迹开始运动，从而带动静止部分沿管道轴线运动，这就是螺旋式管道机器人的基本运动原理。图 2.4

35、螺旋式管道机器人2.1.2 管道检测机器人移动方式选择这些移动方式相比较而言：轮式移动方式，移动速度快、转弯容易，但其着地面积小，维持一定的附着力较困难；履带式移动方式，具有牵引力大、抓地性好、适应地面环境能力强，在同等条件下，其跨越障碍的能力是所有移动方式中表现最好的；足腿式移动方式，对粗糙路面适应性较好、带载能力强，但其控制系统与机械结构较复杂、移动困难、行走速度慢；螺旋式移动方式，比较适合在管径很小的管道中运动，其缺点是效率低、推力较小。以上是对四种不同移动方式的机器人在管内运动的优缺点进行了分析比较。结果表明，每种移动方式在管内运动都有各自的特点，都有各自适用的环境，也都存在不同的问题

36、。分析比较这些移动方式的目的，是为了选择一种适用于城市排水管道工作环境下的机器人移动方式，为此还要结合实际生活中城市排水管道内部较复杂的工况，如生活用水排水管内的沉积物多为生活垃圾，建筑工地排水管内可能有水泥浆、石灰浆、沙子等沉积物，是一种特殊的管道环境。这些使得排水管内存在许多突起的障碍，管壁环境较为泥泞，行走条件相对苛刻等，因此本课题所设计的管道检测机器人最终确定选用履带式移动方式作为机器人的行走方式，其优势在于支撑面积大，适合在泥泞的环境中作业，通过性好，并且爬坡、越沟等性能均优于其它移动类型的管道机器人。2.2 管道检测机器人总体机械结构设计本课题要求管道检测机器人需要达到如下性能指标

37、：（1） 适用管径范围：400-1200mm。（2） 负载能力：5 公斤左右。（3） 移动速度：0.1m/s 左右。（4） 最大可通过坡度：30 度。（5） 最大检测距离：60 米以上。（6） 检测系统可对管道内部进行全方位检测。（7） 摄像系统稳定可靠，可对管道内部进行全方位拍摄。经过上述分析确定了管道检测机器人采用履带式移动方式作为机器人的行走方式，实际上解决了机器人小车机械结构设计中的主要问题。下面将以履带式机器人为基础，来进一步研究确定管道检测机器人整体结构的设计。由于机器人采用履带式移动机构，机器人小车在行进时会比较平稳，因此车体可采用箱式结构。在车体内部可装有电源装置、驱动机构、传

38、动机构、控制机构、检测机构等。在车体上方可装有摄像系统、收放电缆盒等。在车体前方可装有照明装置等。设计思路如下：（1） 管道机器人小车的驱动轮定为后轮驱动，考虑到驱动轮在后方时，履带上的分支受力较小，导向轮受力较小，履带承载分支处于微张紧状态，运行阻力也较小。（2） 由于履带具有良好的挠性，能吸收振动，缓和冲击，传动平稳，噪声小，结构简单，制造、安装和维护方便等特点，并根据管道机器人结构的需要，综合考虑传动性能、成本等方面的原因，决定由电机驱动主动轮（后轮）转动，依靠履带与从动轮（前轮）啮合，使前轮一起转动，从而实现动力传递。（3） 为有效解决管道机器人在管内的越障及爬坡问题，可在机器人小车前

39、轮处加装一对成一定角度的支撑臂结构，有助于机器人通过各种障碍物，增加机器人移动的灵活度。此支撑臂与从动轮（前轮）直接相连，无需单独驱动，既可简化结构， 还可增强小车的爬坡能力。（4） 管道机器人小车通过电机的驱动，依靠前、后轮及履带的支撑可以行走。但当机器人小车遇到障碍物时，且障碍物处于前、后轮之间时，会对履带产生非常大的压力，甚至还有可能损坏履带，为此必须加装承载轮来分担履带的受力。（5） 同理，在支撑臂机构上加装承载轮，可起到保护支撑臂所用的履带，同时延长其使用寿命。综上所述，结合本课题要求及以上对管道检测机器人整体结构的基本设计，所设计的管道检测机器人的机械结构示意图，如图 2.5 所示

40、。图 2.5 管道检测机器人机械结构示意图在图 2.5 中，1 为大履带，2 为车轮，3 为上箱体，4 为收放电缆盒，5 为下箱体，6 为摄像系统，7 为小履带，8 为支撑臂，9 为承载轮。2.3 本章小结在本章中，针对管道检测机器人几种不同移动方式在管内运动的优缺点进行了分析比较，最终确定选择履带式移动方式作为机器人的行走方式。进而以履带式机器人为基础，并根据本课题的设计要求，进一步研究确定了管道检测机器人的整体机械结构，包括车体、车体内外部安装的各种工作系统及装置、支撑臂等等。第三章管道检测机器人机械结构设计计算本章根据上文所确定的管道检测机器人的移动方式及整体结构，并结合课题设计要求，对

41、管道检测机器人的整体受力情况进行了设计计算，最后对管道检测机器人的主要机械结构进行计算校核。3.1 管道检测机器人力学分析计算首先，根据管道检测机器人结构的初步设计，对各个结构的尺寸及质量做出初步的估算。对满足本课题设计要求的管道检测机器人所需主要物理量（牵引力）的计算。随后，根据牵引力的计算结果进行后续所需物理量的计算。在本课题设计要求中规定管道检测机器人能够爬 30的坡，因此机器人在 30 斜坡上行走时所需的牵引力是最大的。所设计的管道检测机器人主要由履带、车轮、车架、支撑臂和摄像头等组成，质量估计值 m 的计算过程如下：（1） 车轮：车轮直径 D=90mm，车轮宽度 L=25mm，数量

42、i=4，车轮的材料初选为铝合金。查机械设计手册得知：可铸铝合金的密度为 2.7，r =2.7 g/cm3，由此可得车轮的质量m1为：1m = p r 2 L r i= 3.14 4.52 2.5 2.7 4=1717g（2） 车体：车体长 L=350mm，宽 D=250mm，高 h=150mm，数量 i=1。车体的材料初选为铝合金。查机械设计手册得知：可铸铝合金的密度为 2.7，r =2.7 g/cm3，由此可得车体的质量m2为：m2 = L D h r i= 35 2515 2.7 1= 35438g鉴于选材和整体设计的需要，车架不为实心，乘以 13，m2大概为 11813g。（3） 支撑臂

43、：支撑臂长 L=200mm，宽 D=20mm，高 h=120mm，数量 i=1。支撑臂的材料初选为铝合金。查机械设计手册得知：可铸铝合金的密度为 2.7，m =2.7 g/cm3，由此可得支撑臂的质量m3为：m3 = L D h r i= 20 212 2.7 1= 1296g鉴于选材和整体设计的需要，支撑臂不为实心，乘以 13，m3大概为 432g。（4） 摄像头：摄像头长 L=250mm，直径为 45mm，数量 i=1。机器人全方位摄像头的质量m4为 850g。管道检测机器人小车的总质量（估计值）m 为车轮、车体、支撑臂和摄像头质量的总和。m = m1 + m2 + m3 + m4=171

44、7g+11813g+432g+850g=14812g由上述计算结果可知，管道检测机器人自重大约为 14812g。管道检测机器人受力简图（图 3.1）可以直观地表示出机器人的受力情况，由此可以计算出机器人在 30的斜坡上行走时，所需的最大牵引力 Fapp。图中 G 为地心引力，F 为平行于斜面的受力，计算过程如下：图 3.1 管道检测机器人受力简图由图可知，要使管道检测机器人静止在 30的斜坡上，所需要的力至少为：Fapp = mg sinq + mmg cosq式中为摩擦系数，查机械设计手册第五版的表 1.1-20 得知，铸铁橡胶的摩擦系数为 0.8（无润滑），m为车载质量， g 为重力加速度

45、（9.8m/s2），q 为斜坡与水平面的夹角。设q = 30 ，m=14812g， m = 0.8 ，则：Fapp =14.812 9.8 sin 30 + 0.814.812 9.8 cos 30=173N通过上述计算，可得出管道检测机器人在 30斜坡上处于静止状态时的整体受力Fapp=173N。3.2 管道检测机器人执行机构设计3.2.1 传动齿轮的设计计算在本课题中，由于受到管道检测机器人整体结构的限制，因此电机的摆放位置也要重点考虑。故使电机直接连接到小齿轮上，由小齿轮作为传递动力的元件驱动大齿轮，进而带动履带的运动。所以，只需设计两个大小不同的齿轮，使它们形成外啮合连接形式进行动力传

46、递即可。由于这些齿轮处于长期工作的状态，所以在设计完成后还要对其进行强度校核。1、初步设计设计公式：载荷系数：K=1.5 齿数比：u=i=1估算齿轮接触应力：a=1500MPa式中，试验齿轮的接触疲劳强度极限，估算安全系数=1.1。估算结果：2、几何计算齿数：取 Z=24大端模数：mm式中，取大端分度圆直径：齿宽系数：取齿宽：实际齿宽系数：中点模数：中点分度圆直径： 切向变位系数： 高变位系数：顶隙：大端齿顶高： 大端齿根高：全齿高：大端齿顶圆直径：，取（GB12369-1990 齿制）安装距：冠顶距：大端分度圆弧齿厚： （标准压力角） 大端分度圆弦齿厚：大端分度圆弦齿高：当量齿数：当量齿轮分

47、度圆直径：当量齿轮顶圆直径：当量齿轮根圆直径：当量齿轮传动中心距：当量齿轮基圆齿距： 啮合线长度：端面重合度：齿中部接触线长度：3、齿面接触疲劳强度校核强度条件：1.7齿面接触应力计算公式：许用接触应力计算公式：中点分度圆上的切向力：使用系数： 中点节速度：（3-1）（3-2）动载系数：由 6 级精度和中点线速度可得，齿向载荷分布系数：取，有效工作齿宽，由此可以得出分布系数端面载荷系数：取值：节点区域系数：中点区域系数计算：参数F1和F2计算： 弹性系数：螺旋角系数：直齿轮 载荷分配系数：计算接触应力：1110MPa试验齿轮的接触疲劳极限： 润滑油影响系数：寿命系数：工作硬化系数： 尺寸系数：

48、最小安全系数： 许用接触应力值：（长期工作，取为无限寿命设计）齿面接触强度校核结果：经过上述计算，接触应力小于许用接触应力。可得出结论，此齿轮的接触应力校核符合本课题要求。4、齿根抗弯疲劳强度校核强度条件：齿面接触应力计算公式：齿根弯曲应力基本值计算公式：许用弯曲应力计算公式：（3-3）（3-4）（3-5）通用系数同前：复合齿形系数：按照当量齿轮齿数： 重合度系数：齿轮系数计算：载荷分配系数：齿根弯曲应力计算值：N/ 齿根弯曲疲劳强度基本值：寿命系数：（长期工作，取为无限寿命设计）相对齿根圆角敏感系数： 相对齿根表面状况系数： 尺寸系数：最小安全系数： 许用弯曲应力值：齿根弯曲强度校核结果：经

49、过上述计算，弯曲应力小于许用弯曲应力。可得出结论，此齿轮的弯曲应力校核符合本课题要求。3.2.2 传动轴的设计计算本课题中，齿轮与电机两者之间需要有连接部分，起到固定和传递扭矩的作用， 因此设计一款合适的传动轴显得尤为重要。进行传动轴强度校核计算时，应根据轴的具体载荷分布及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。对于仅仅（或主要）承受扭矩的（传动） 轴，应按扭转强度条件计算；对于只承受弯矩的轴（心轴），应按弯曲强度条件计算；对于既承受弯矩，又承受扭矩的轴（转轴），应按弯矩合成强度条件进行计算，需要时还应按疲劳强度条件进行精确校核。此外，对于瞬时过载很大或应力循环不对称性较为严重的

50、轴，还应按峰尖载荷校核其静强度，以免产生过量的塑性变形。1、按扭转强度条件计算按扭转强度条件计算是按照轴所受的扭矩来计算轴的强度。在对轴的结构进行设计时，通常用这种方法初步估算轴的直径。轴的扭转强度条件为：（3-6）式中：为扭转切应力，单位为 MPa；T 为轴所受的扭矩，单位为；为轴的抗扭截面系数，单位为；n 为轴的转速，单位为 r/min； P 为轴的传动功率，单位为 kw；d 为截面处轴的直径，单位为 mm； 许用扭转切应力，单位为 MPa。因此，由上式可得轴的直径：经上述计算，初步选定传动轴的最小直径为 。考虑到弯扭组合的作用，以及需要键槽来固定，直径可稍微增大至 8mm 和 10mm。

51、传动轴的初步尺寸确定之后，进行强度校核计算。2、按弯扭合成强度条件计算（1） 齿轮受力分析及其扭矩计算：切向力：径向力： 轴向力： 法向力：（压力角）NN（2） 弯矩扭矩计算由于轴承为向心轴承，在受力分析时将轴简化为简支梁。竖直方向受力分析，如图 3.2（a）所示。分别计算和：解得，分析并画出其竖直方向所受剪切力和弯矩的简图，如图 3.2（b）和图 3.2（c）所示。水平方向受力分析，如图 3.2（d）所示。分别计算和：解得，分析并画出其水平方向所受剪切力和弯矩的简图，如图 3.2（e）和图 3.2（f）所示。由公式，计算总弯矩 M，并画出总弯矩图，如图 3.2（g）；总扭矩，如图 3.2（h

52、）所示。（a）轴竖直方向受力简图 (b)轴竖直方向剪切力图 (c)轴竖直方向弯矩图（d）轴水平方向受力简图 (e)轴水平方向剪切力图 (f)轴水平方向弯矩图（g）轴的总弯矩图 （h）轴的总扭矩图图 3.2 轴竖直和水平方向受力、剪切力、弯矩图3、由第三强度理论进行弯扭合成校核由弯矩图 M 可知，b 处为危险截面。对 b 截面进行强度校核计算。计算公式为：式中，扭转切应力为对称循环应力， 取 1。对于直径为 d 的圆轴，弯曲应力为s = MW，扭转切应力为t = TWT= T 。2W将 和 带入上式中，则传动轴的弯扭合成强度条件为：式中：为轴的计算应力，单位为 MPa； M 为轴所受的弯矩，单位

53、为； T 为轴所受的扭矩，单位为；W 为轴的抗弯截面系数，单位为。实心轴的抗弯截面系数公式为：式中，s -1 为对称循环变应力轴的许用弯曲应力。由以上条件可计算出：轴的常用材料及其主要力学性能可查 45 号钢的许用弯曲应力为 55-60， 所以可比较：经过上述校核计算，可得出结论，此传动轴校核符合本课题要求。传动轴与车体之间使用轴承进行连接，轴承使用向心球轴承。3.3 管道检测机器人驱动系统设计本课题所设计的管道检测机器人的驱动系统，包括动力提供装置、履带及车轮系统。目前，管道检测机器人常用的驱动方式主要有：（1） 电磁驱动：最常用的是微电机，微电机又分为有刷直流电机、无刷直流电机、步进电机和

54、舵机等。电磁驱动方式对电机的控制比较成熟，目前小型电机常采用PWM 控制方法，这种控制方法简单、精度较高。（2） 压电驱动：通常压电元件的能量变换率高、驱动力大、响应速度快、稳定性好、驱动精度高。故常用的压电元件有两种驱动方式：一种是利用动态响应快的特点，做高频振动，把振动作为动力源；另一种是利用驱动力大、精度高的特点，驱动位移或力作为驱动源。（3） 形状记忆合金驱动：形状记忆合金是一种特殊的合金。其特点：一是变化率大，是普通金属的近十倍；二是变位方向的自由度大，形状记忆合金是单一材料， 没有方向的依赖性，可向任何方向变位；三是在特定的温度下，变位急剧发生，并且具有温度的迟滞性，适合于开关动作

55、。（4） 超声波驱动：具有结构简单、体积小、响应快、力矩大等特点，不需要减速就可以低速运行，常用于照相机快门的动作等。超声波驱动有三种驱动方式：振动方向变换型、行进波型和复合振动型，这两种驱动方式一般应用在微机器人上。（5） 气动驱动：利用压缩空气驱动气动马达或气缸运动，适合潮湿恶劣的环境， 不需要电源，但运动精度较低。（6） 人工肌肉驱动：是一种新型的气动橡胶驱动器，结构是由内部橡胶筒套及外部纤维编织网构成。气动人工肌肉具有重量轻、输出力大、柔顺性好等特点。其缺点是：与传统气动执行元件相比行程小；气动人工肌肉的变形为非线性环节，具有时变性，使准确控制其位移十分困难；在工作过程中，气动人工肌肉

56、自身温度会发生变化，随着温度的变化，其性能也会改变，这给高精度控制带来困难。对于复杂的排水管道布局来说，管道机器人在工作时难免会遇到许多狭窄的拐弯，因此对于管道机器人的驱动精度要求较高。由于电磁驱动方式具有控制简单、精度较高等特点，所以初选电磁驱动方式较为合适。目前，管道检测机器人常用的电机主要有以下几种：（1） 直流电机：直流电机最大的优点就是可以实现“平滑而经济的调速”。直流电机的调速不需要其它设备的配合，可通过改变输入电压/电流或者励磁电压/电流来调速，这些是交流电机无法取代的。直流电机过载能力较强，热动和制动转矩较大，虽不需要其它设备来帮助调速，但其自身结构复杂，换向困难，还会产生火花

57、， 寿命短，需要经常维护，制造成本高，价格也贵一些。（2） 交流电机：交流电机必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。（3） 伺服电机：伺服电机可使控制速度、位置精度非常准确。将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。但其价格较高，维护较麻烦，不宜推广。（4） 步进电机：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同

58、时，还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。由于脉冲信号数与步距角具有线性关系，再加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得步进电机在速度、位置等控制领域变得非常简单，而且其价格也比较便宜。通过上述比较，步进电机具有较好的控制性、精确性、可操作性等特点， 且性价比较高，满足管道的工况和设计要求，因此选择步进电机作为所设计管道检测机器人的驱动电机较为适合。3.3.1 步进电机的选择确定步进电机的三大要素是步距角（包括相数）、静转矩和电流。一旦三大要素被确定，步进电机的型号便确定了。1、步距角的选择步进电机的步距角取决于负载精度的要求。将负载的最小分辨率（

59、当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速），电机的步距角应等于或小于此角度。目前，市场上步进电机的步距角一般有 0.36/0.72（二、四相电机）、1.5/3 （三相电机）等。五相电机）、0.9/1.8本课题所设计的管道检测机器人的主要任务是在行进中对管道进行检测，对精度的要求不是很严格。本课题所设计的管道检测机器人的车轮直径为 90mm，步距角以 1.8来计算，电机每转一周，车轮所转的距离大约是=1mm， 因此可以满足检测要求。同时，二相步进电机应用广泛，传动效果好，性价比高， 基本可以满足本课题所设计的机器人需要。2、静力矩的选择步进电机的动态力矩很难确定，通常需要先确定电

60、机的静力矩。静力矩的选择依据是电机工作的负载，而负载又可分为惯性负载和摩擦负载两种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。（一般由低速）直接起动时，两种负载均要考虑； 加速起动时，主要考虑惯性负载；恒速运行时，只考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应在摩擦负载的 2 倍内为好。静力矩一旦确定，电机的几何尺寸便能确定下来。根据之前所计算出的管道检测机器人整体受力的大小，便可方便地计算出步进电机的静力矩。由机器人整体受力的大小，便可求出机器人在本课题要求工况下所需的功率为：P = Fappv式中 v 为管道检测机器人运动的线速度。假设 v = 0.1m / s ，则所需功率P=17.3W。步进电机一般在较大范围内调速使用，其功率是变化的，一般只用力矩来衡量， 力矩 M 与功率 P 换算如下：v /r式中 P 为功率，单位为瓦； 为每秒角速度，单位为弧度；n 为每分钟转速；r 为车轮半径的初步设计尺寸；M 为力矩，单位为牛米。因此，管道检测机器人所需的摩擦力矩为：M=P/=17.3/1.25=13.84Nm假设管道检测机器人的四个车轮所处的工况完全相同，则每个车轮的受力情况可用图 3.3 表示。图 3.3 管道检测机器人车轮受力简图假设机器人为一个质量均匀分布的整体，如果使用两个电机分别驱动两个后轮，则每个车轮所需的摩擦力矩应为：M = M = 13.84 = 6.92N m