管内步伐行走机器人设计

《管内步伐行走机器人设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《管内步伐行走机器人设计（26页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、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。12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

2、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 的最高成就一一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

3、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

4、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

5、 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 1k

6、m/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

7、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

8、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

9、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：A、 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

10、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

11、、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

12、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牵引机构及其传动此处省略 nnnnnnnnnnNn如需要完整说明书和设计 图纸等.请联系 扣扣：九七一九二零八零零另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩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

13、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。因此拟米用滚珠丝杆副。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

14、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

15、，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，控制简便，还可以根 据使用要求，做各种变形设计，具有

16、较好的经济技术效果。3.2机器人驱动方案的选择目前对于机器人的动力系统有多种不同的选择方案，可以采用电气驱动、液压驱动、气压驱动、机械驱动等不同的方式。不同的动力系统具有不同的 特点，根据不同的工作环境和应用场合，按照具体的要求来选择最合适的动力系 统可以达到预定的目标。下表为不同的驱动方式的性能对照表。项目气压驱动液压驱动电气驱动机械驱动技术要求较低较高最高较低动作快慢较快较慢快慢速度稳定性较差良好较好很好驱动力中等最大较大较大环境要求适应性好不怕震动要求高一般控制距离中等短长短经济性便宜较贵较贵一般系统结构简单复杂复杂稍复杂使用维护简单稍高较高简单速度调整容易很容易稍困难困难表3.2气压驱

17、动使用压力通常在0.4-0.6Mpa，最高可达1Mpa气压驱动的优点 是响应速度快，结构简单，控制方便。气压驱动的缺点是功率质量比少，装置体 积大，同时由于空气的可压缩性使得机器人在任意定位时，位姿精度不高。气压驱动不可避免的存在漏气的问题和气压装置体积较大，这一点不符合本步伐式机器人的工作空间要求，不适合在本系统中使用。液压驱动系统用2-15Mpa的油液 驱动，体积较气压驱动小，功率质量比大，驱动平稳，液压驱动的缺点是易漏油， 这影响工作稳定性和定位精度。由于有漏油的问题，也不适合在本系统中使用。电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负 载，减少了由电能变为压力能的中

18、间环节， 直接获得要求的机器人运动。由于电 气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号检测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等诸多优点，电气驱动已经成为最为 普遍，应用最多的驱动方式，符合本系统要求。所以选择电气驱动与机械驱动相 结合的方案。3.3电机类型的选择在上节中介绍到，电机驱动适合本步伐式机器人，在电动执行机构中，有直 流电机、交流电机、步进电机和直接驱动电机等实现旋转运动的电动机，以及实现直线运动的直线电机。目前在机器人的运动控制中较为常用的电机有直流伺服 电机、交流伺服电机和步进电机，他们的特性、工作原理与控制方式如下表。电机类型主要特点构造与工作原理控

19、制方式直流伺服电机接通直流电即可工 作，控制简单；启动 转矩大、体积小、重 量轻、转速和转矩容 易控制、效率咼；需 要定时维护和更换电 刷,使用寿命短、噪 声大由永磁体定子、线圈 转子、电刷和转向器 构成。通过电刷和换 向器使电流方向随 转子的转动角度而 变化，实现连续转 动。转速控制采用电压控 制方式，两者成正比。转矩控制采用电流控 制方式，两者成正比。交流伺服电机没有电刷和换向器， 无需维护，驱动电路 复杂，价格高按结构分为同步和 异步电机。无刷直流 电机结构与同步电 机相同，特性与直流 电机相同。分为电压控制与频率 控制两种方式。异步 电机通常采用电压控 制步进电机直接用数字信号控 制,

20、与计算机接口简 单，没有电刷，维护 方便，寿命长，缺点 是能量转换效率低， 易失歩，过载能力弱按产生转矩的方式可分为：永磁式。反映式和混合式永磁式是单向励磁， 精度高，但容易失步， 反应式是双相励磁，输出转矩大，转子过 冲小，但效率低，混 合式是单双相励磁，分辨率高，运转平稳表3.3步进电机作为一种新型的自动控制系统的执行机构，得到越来越广泛的应 用，进入了一些高、精、尖的控制领域。步进电机虽然有一些不足，如启动频率 过高或负载过大时易出现失步或堵转， 停止时转速过高易出现过冲，且一般无过 载能力，往往需要选取有较大转矩的电机来克服惯性力矩。 但步进电机点位控制 性能好，没有累积误差，易于实现

21、开环控制，能够在负载力矩适当的情况下，以 较小的成本与复杂度，实现电机的同步控制。综合考虑控制要求、成本等多方面 因素，本系统选用步进电机作为驱动电机。3.4夹紧机构设计在管内步伐机器人当中，夹紧机构是保证机器人具有良好的爬坡能力和越障 能力的关键。夹紧机构分为机械式和液压式两种， 机械式夹紧机构采用平面螺旋 副。驱动在圆周上均布的三个接触脚压向管壁达到锁紧的目的。平面螺旋盘的驱动靠电机一凸轮副或电机一轮副驱动。液压式夹紧机构采用液性介质弹性夹紧机 构。为此我们提出了三种结构方案： 电机一凸轮副结构方案26.道2接越獅3平观嫌旋盘4偏心圜弧凸轮5电机图3.4 电机-凸轮服结构图工作原理为：电机

22、经偏心圆弧凸轮，驱动平面螺旋盘在一定的角度内转动，再推动接触脚外伸或回缩从而与管道锁紧与放松。此结构需在平面螺旋盘的背面 径向开一个配合凸轮的滑槽。 液压式夹紧机构液压式夹紧机构是利用液性介质将压力传递给薄壁弹性套筒，使薄壁套筒产生均匀的径向变形，与管壁夹紧。如图 所示为液压式夹紧机构。其工作原理为 电机经柱塞驱动液性介质，使基体外圆四周的薄壁发生弹性变形，夹紧管道内壁。 液性介质一般采用液性塑料或油液。斗2561 一管過2柱塞字一灌性介质4一基体5-动圧杆&一砲机图3.5液压式夹紧机构 电机一齿轮副结构方案l-ff3带内齿轮的乎面螺康盘4一小齿轮苗一电机图3.6 电机-齿轮副结构图工作原理为

23、：电机经内齿轮副，驱动平面螺旋盘回转。推动接触脚外伸或回缩，与管道内壁夹紧或放松。总结：相比较几种夹紧机构，液压夹紧机构可在管壁的一个环形带上获得较大且均 布的夹紧力。采用液性塑料介质，单位压力可达 300 105 PA而且还有较高的 定心精度,一般可保证同轴度在 P.01 - 0.01mm ,但是液压夹紧机构夹紧效果但是 不易放松.还有一个不可忽视的问题是油漏，这特性不适合爬行机器人的工作空 间的要求。电机一凸轮副虽然可以达到夹紧的功能要求，但是只能在一定的角度 内回转，性能不优越且对制造的要求较高。 齿轮副的传动精度和效率较高，控制 方便。可产生较大的动力，适应性能好，所以爬行机器人本体的

24、夹紧机构选用电 机一齿轮副夹紧结构。即方案3.5减速结构设计常用的机械传动装置有带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动等图3.7链传动的特点：和齿轮传动比较，它可以在两轴中心相距较远的情况下传 递运动和动力；能在低速、重载和高温条件下及灰土飞扬的不良环境中工作；和带传动比较，它能保证准确的平均传动比，传递功率较大，且作用在轴和轴承 上的力较小；传递效率较高,一般可达0.950.97;链条的铰链磨损后,使得 节距变大造成脱落现象；安装和维修要求较高.链轮材料一般是结构钢等.图3.8带传动（皮带传动）特点（优点和缺点）:结构简单，适用于两轴中心距较大 的传动场合；传动平稳无噪声，能缓冲、吸振；过载时带

25、将会在带轮上打滑， 可防止薄弱零部件损坏，起到安全保护作用；不能保证精确的传动比.带轮材料 一般是铸铁等.图3.9齿轮传动的特点：能保证瞬时传动比恒定，平稳性较高，传递运动准确可 靠；传递的功率和速度范围较大；结构紧凑、工作可靠，可实现较大的传动比 传动效率高，使用寿命长；齿轮的制造、安装要求较高.齿轮材料一般是铸铁a)b)图 3.10涡轮蜗杆传动最主要的特点就是具有反向自锁的功能，而且相比其它传动具有较大的速比，涡轮蜗杆的输入、输出轴不在同一轴线上，甚至不在同一个平面上。自身的缺点，那就是涡轮蜗杆的传动效率不够高，精度也不是很高。3.6本章小结本章介绍了有关机器人一些参数数据的选择，包括移动

26、方式、驱动方式、及 电动机的选择，对整体方案比较选型给出了依据和要求，确定了动力系统的方案, 选择步进电机作为驱动元件。4管内步伐式行走机器人的力学分析4.1机器人脚底对管壁的压紧力（见图2.2） 机器人结构简图根据虚位移原理撑脚电机6的有效虚功与脚底虚功相等/ ：；=3宀n 订仏 9 = 3F/ Li其中：Ti电机6的扭矩Fi单脚在管壁上的压力电机的微小转角 I电机6微小转角对应的脚底伸出量:传动效率由于3如忆说其中，i电机6到脚的传动比；P1平面螺纹的节距。将机器人参数Ti=6kgcm,ni=159,pi=1cm，二=0.5代入方程3治油任】得 Fi=8.37kgf4.2管内步伐式器人的牵

27、引力根据虚位移原理牵引电机1的有效虚功与牵引虚功相等：弘爲隔=珈爲厶?厶其中，T2电机1的扭矩；佥& 电机1的微小转角；亠 电机1微小转角对应的螺母3相对于螺杆的移动量;亠传动效率；L1摆杆4上臂长度；L2摆杆4下臂长度F2牵引力由于:将机器人参数T2=9kgcm,Li=75mm,P2=3mm,亠=0.8代入方程得：F2=209kgf4.3无防滑机构条件下管壁压力与牵引力的关系及打滑条件其中，f支撑脚底与管壁的摩擦系数。又有：百 _ 2碑R + &)将该机器人参数带入不等式右端并取；得：Ti/T211.1在无防滑机构情况下，撑脚电机扭矩要大于扭矩 11.1倍，机器人才能不打滑正 常牵引行走，即

28、该机器人产生 209kg牵引力，牵引电机扭矩9kgcm,撑脚电机扭 矩需100kgcm以上。4.4管内步伐式机器人的防滑机构及力学分析如前分析由加大脚底对管壁的正压力，使脚底与管壁间存在足够的摩擦力，以 保证机器人行走时不打滑的条件为：撑脚电机的扭矩大于牵引电机扭矩 11.1倍。 这必然导致撑脚传动机构庞大，机器人自重增加，这样机器人可转弯的最小半径将 加大，通过弯曲管道的能力减小，而且非主要做功电机远远大于主要做功电机是不 合理的，因此设计了撑脚防滑机构。4.4.1撑脚防滑机构的工作原理撑脚防滑机构如图3所示.其中长销(2)靠过盈配合固连在胶靴(3)上，当滑杆(1)与胶靴(3)相对移动时，长

29、销(2)在滑杆的长槽中滑动，在胶靴踩上管壁前， 由于弹簧(6)的作用使滑杆(1)相对于胶靴上移，固联在滑杆(1)上的短销(5)迫使两 摆杆(4)的夹角增大，使两摆杆(4)的端部缩回到胶靴底面以上。当滑杆外伸时首 先胶靴底与管壁接触，胶靴底接触管壁后，滑杆压缩弹簧(6)继续下移，短销也随滑杆下移，放松了两摆杆(4)，在弹簧(7)的作用下，两摆杆(4)的夹角减小，两 摆杆的端部从胶靴底面上伸出压在管壁上，摆杆长度设计保证摆杆此时与种新鲜 的夹角小于摆杆材料与管壁摩擦角，胶靴左右滑动时右摆杆起作用，向左滑动摆杆起作用，被锁死在管壁上不能左右滑动，起防滑作用。图4.14.4.2防滑机构受力分析，防滑机

30、构受力分析图如下图：当机器人受力F时支撑脚上的摆杆 0A和O At分别绕0和0向右转动倾 向，A点和A点受管壁限制，管壁产生了反作用力Q,销轴产生反作用力Q , Q 和Q的作用线在摆杆与管壁的接触点 A、销轴磨擦圆的相切线上。当 庄角小于 磨擦角时，接触点A不能移动，而使0和0有向管道中心运动的趋向而将机 器人支撑机构锁死，当牵引力 F消失后Q也随之消失。图4.2防滑机构受力分析4.5有防滑机构情况下支撑电机计算按支承电机维持机器人在管道中心的要求其中:Q机器人的半重量Pi平面螺纹的节距传动效率机器人的半重量Q= 21kg ,将机器人参数代入上式得Ti 4.2kgcm本机选用的支撑电机扭矩为6

31、kgcm.4.6本章小结本章主要对机器人的力学设计做了分析，对压紧力，牵引力等做了分析, 按照模块化设计思想进行结构设计，便于后续工作。对本体进行了受力分析，推 导出压紧力和牵引力计算公式，对电机扭矩进行了计算。5管内步伐行走机器人控制系统5.1控制系统的具体要求及控制对象5.1.1控制系统的要求 控制系统应有快速响应性。 可靠性高，控制简单，成本低 良好的速度、位移控制能力。5.1.2具体的控制对象 机器人支撑机构的控制。步伐行走机器人采用前部和后部相互配合的一种尺蠖蠕动爬行机构，前部和后部的支撑机构采用平面螺旋副来进行工作，通过小齿轮来驱动平面螺旋副，前部和后部分别有一个电机作为动力源。因

32、此需要控制2个步进电机。 机器人的传动机构的控制。步伐行走机器人的传动机构是滚珠丝杆副，丝杆与 前部相连，螺母与后部相连，用一个步进电机通过齿轮副来驱动丝杆旋转， 靠轴 向力使机器人不断的进行运动。在管内步伐行走机器人中，所有部件的运动均是通过电机进行动力传递的，对支撑机构和传动机构有稳定性好、 操作方便的要求，因此对电机的控制方 式选择是非常重要的，根据系统的具体要求，选用采用可编程控制器（ PLC对 电机进行控制。5.2PLC的组成结构与特点从机构上分，PLC分为固定式和模块式两种。固定 PLC板、I/O板、显示面 板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC包括

33、CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定的 规则组合配置。图4.1为PLC的结构框图。编程器输入单元输出单元u系统程序存储器iL用户程供存储器电源中央处理单元(CPU)图5.1PLC结构框图本系统选用采用PLC对电机进行控制，主要是因为它有下列优点： PLC的 软硬件功能非常强大，其内部具有很多功能；使用维护方便，PLC不需要像用计算机控制那样在输入输出接口上做大量工作，它的输入输出接口是已经按不同需求做好的，可以直接与控制现场的设备相连接的接口；运行稳定可靠，同时采用了微电子技术，大量的开关动作由无触电点的半导体电路来完成，同时还才用了屏蔽、滤波、隔离等抗干扰

34、措施，所以其平均为故障时间在两万小时以上； 设计施工周期短，PLC采用面向控制过程和面向问题的梯形语言编程方法，既 继承了传统控制路线清晰直观的优点，又考虑了大多数电气控制技术人员的读图 习惯及应用微机水平，很容易被电气技术人员接受。5.3PLC控制单元的组成PLC控制单元主要有PC+PLC勺上下位机、点击驱动器、电机四大部分组成。 上位机为高性能的PC机，下位机PLC通过位置模块控制各个步进电机的运动， 通过开关量输入/输出模块接受和输出各类开关量；上下位机之间的通过串行通 讯进行数据联系。本系统选用了 LG公司的MasterK200系列中的K3P-07BSPLC。 其组成框图如4.2所示。

35、系统的主要配置如下，PLC硬件配置。CPU模 块K3P-07BS电源模块G6M-PAFA输入模块1G6I-D222A输入模块2G6Q-RY2A输出模块1G6Q-RY2A输出模块2G6Q-RY2A位置模块1G6F-PP30位置模块2G6F-PP30上位 计算机RS-232RS-232甕动器厂 |步进电机宛动黯步进电机步選电机图5.2 PLC 控制单元组成框图（The structure of PLC controlsystem)5.4 PLC控制单元工作流程及程序框图PLC控制单元的工作流程是：首先通过 PLC控制头部的夹紧电机工作，使头部锁止在管壁中，传动电机是丝杆带动尾部前进，达到指定位置时

36、，尾部夹紧电机工作，使其锁止在管壁中，头部夹紧电机逆向转动使头部放松， 使头部向 前移动。程序控制框图如5.3所示。图5.35.5本章小结本章主要介绍了机器人的控制系统，对控制系统提出了设计要求及PLC电机控制单元分析。6结论本文提出了管道步伐式机器人的设计方案， 对系统中的关键技术环节进行了 深入的分析，成功地完成了系统的设计。对移动方式及受力分析等进行了分析， 对系统技术单元的稳定性、可靠性进行了分析。本文的主要研究成果如下： 广泛的查阅了当前有关管内机器人的文献， 了解了国内外的研究现状，通过对 管内机器人的移动结构的对比、分析和设计，结合本课题的设计要求，提出了一 种管内步伐式行走机器人。 系统的研究了管内机器人的运动原理、驱动方式以及结构形式，详细的讨论了 管内机器人本体研制的相关技术问题。管内机器人的本体结构是本文的重点内容，对本体的支撑结构和传动机构进行了具体的分析设计，在动力系统的驱动下 在规定的管道中做步伐运动。机器人本体部分按功能划分的模块化设计方法进行 设计，将本体结构分为支撑结构和传动结构两大模块， 对独立的模块可进行相应 的变形设计。 设计了一种自锁式安全保护装置。 应用PLC作为控制核心，实现准确控制。