螺旋輪式管道機器人的機構(gòu)設(shè)計與仿真分析

螺旋輪式管道機器人的機構(gòu)設(shè)計與仿真分析,螺旋,輪式,管道,機器人,機構(gòu),設(shè)計,仿真,分析 開題報告表 課題名稱 螺旋輪式管道機器人的機構(gòu)設(shè)計與仿真分析 課題來源 自選 課題類型 指導教師 學生姓名 學 號 專 業(yè) 1. 資料的準備： 管道是人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中常用的一種運輸工具，石油的運輸、城市中廢水和廢氣的排放城鎮(zhèn)集體供暖中暖氣的輸送和空調(diào)的通風等等，都需要用到管道。但管道并不能永久的保持有效性，如管道會出現(xiàn)老化、堵塞、破裂和附著細菌等現(xiàn)象，這就需要對管道進行檢測、維修與清理。管道結(jié)構(gòu)的特殊性，使人們進入管道內(nèi)進行檢測與維修非常困難，而一些特殊領(lǐng)域的管道具有較大的危險性，最有效的方式就是利用管道機器人代替人工進入管道執(zhí)行任務。所以管道機器人研制的根本意義在于：可以實現(xiàn)管道的無損維護、內(nèi)窺檢測及簡單的疏通清理工作；改善當前疏通管道時的工作環(huán)境，降低工人的勞動強度，保障工人的人身安全，提高管道檢測和清理的效率。管道機器人在管道這一特定環(huán)境中工作，可以攜帶各種檢測儀器或作業(yè)裝置，在操作人員的遙控或自主控制下進入管道，完成管道檢測、探傷、焊接和清理等任務。 綜合輪式驅(qū)動、履帶式驅(qū)動、腿式驅(qū)動、電磁式驅(qū)動等不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點， 以及簡單性和實用性特點，最后確定采用輪式驅(qū)動結(jié)構(gòu)。輪式驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，行走效率高，能以一定的速度平穩(wěn)地運動。通過一些結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可以適應一定的管徑變化，通過控制軸向尺寸， 采取適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)在彎管中行走。而且輪式驅(qū)動控制方便，可以方便地和各種傳感器（速度傳感器、壓力傳感器等）集成。常見的輪式驅(qū)動機構(gòu)有直進輪式驅(qū)動和螺旋輪式推進兩種方式。由于螺旋式推進機構(gòu)具有諸多優(yōu)點：前進速度快，驅(qū)動力大；對管徑大小和管道形狀變化的適應性較強；控制方便；機構(gòu)的管內(nèi)穩(wěn)定性好。因此我們最終確定采用螺旋輪式驅(qū)動的方案，該方案采用了分節(jié)式螺旋驅(qū)動輪式結(jié)構(gòu)。管道檢測機器人基本結(jié)構(gòu)由前后兩部分螺旋驅(qū)動部分和中間的超聲波探測部分構(gòu)成。 二.畢業(yè)設(shè)計的目的和要求： 畢業(yè)設(shè)計的目的： 對管道進行檢測、維修與清理。管道結(jié)構(gòu)的特殊性，使人們進入管道內(nèi)進行檢測與維修非常困難，而一些特殊領(lǐng)域的管道具有較大的危險性，最有效的方式就是利用管道機器人代替人工進入管道執(zhí)行任務。 畢業(yè)設(shè)計的要求： 實現(xiàn)前進后退，轉(zhuǎn)彎和越障功能，對管道進行檢測。 三.畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計思路： 螺旋式驅(qū)動使得機械本體在管道內(nèi)運動時整個機構(gòu)是旋轉(zhuǎn)的，為了保證中間攜帶的超聲波無損探測傳感器不發(fā)生轉(zhuǎn)動，中間設(shè)計了專用的萬向聯(lián)結(jié)接頭。 管道檢測機器人采用三節(jié)結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點： （1）兩驅(qū)動電機分擔機器人所需的驅(qū)動力，可以降低電機的外形尺寸，節(jié)省軸向安裝空間； （2）轉(zhuǎn)彎時分別控制兩電機的轉(zhuǎn)動，可以減小轉(zhuǎn)彎時驅(qū)動內(nèi)耗，增加靈活性； （3）增加爬垂直管道的驅(qū)動力； （4）前后兩部分驅(qū)動，可以盡量縮短軸向尺寸，減小轉(zhuǎn)彎半徑。 3.1如圖 1，螺旋機構(gòu)由驅(qū)動電機Μ1(Μ2) ,旋轉(zhuǎn)體 1（2）和支撐體1（2）組成。三組驅(qū)動輪均勻分布于旋轉(zhuǎn)體上，且與管壁呈一定的傾斜角θ 。隨著電機的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動電機Μ1(Μ2) 帶動旋轉(zhuǎn)體1（2） 轉(zhuǎn)動，使驅(qū)動輪沿管壁作螺旋運動，保持機構(gòu)沿管道中心軸線移動。改變施加于電機的電流極性，可改變機器人的移動方向，從而使機器人在管內(nèi)進退自如。電機采用內(nèi)嵌式安裝在支撐體1（2) 上，支撐體1（2）通過彈簧、萬向聯(lián)結(jié)接頭與無損檢測傳感器相聯(lián)結(jié)。旋轉(zhuǎn)體1（2） 和支撐體 1（2）的輪腿上裝有彈性機構(gòu)，使得機械本體有較好的越障能力。腿輪與本體之間有滑塊連接，靠螺釘固定，調(diào)節(jié)滑塊位置，腿輪可以伸縮，使得管道檢測機器人有一定的管徑適應能力。 圖1 化工管道檢測機器人機械本體結(jié)構(gòu) 1.旋轉(zhuǎn)體1 2.支撐體1 3.驅(qū)動電機M 4.萬向節(jié)1 5.探測倉 6.歷程輪 7.旋轉(zhuǎn)電機 8.超聲波探頭 9.萬向節(jié)2 10.驅(qū)動電機M 11.支撐體2 12.旋轉(zhuǎn)體2 超聲波探測機構(gòu)為一直徑Φ180mm 的空心尼龍體，其表面上裝有均勻分布的4個專用超聲測厚探頭。另一個端面與旋轉(zhuǎn)電機主軸相連， 在電機帶動下作旋轉(zhuǎn)運動， 帶動超聲探頭對被測管壁作圓周掃描。檢測的內(nèi)定位是通過里程輪來實現(xiàn)的，在無損檢測模塊外部設(shè)置里程輪，兼支撐輪，此輪由彈簧支撐緊貼管壁，隨機器人的行走而轉(zhuǎn)動。里程輪每旋轉(zhuǎn)一周，檢測器人的定位裝置便測得一個定位信號，將這個信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號并存于存儲器中，該數(shù)信號用作定位標記，兩個定位標記之間代表里程輪的周長，即可以計算出檢測機器人在管道內(nèi)部走過的距離，從而確定管道缺陷位置。同時，分別使用兩個單圈電位器與萬向節(jié)1和萬向節(jié)2的樞軸相連，通過檢測其輸出電壓的變化以確定機器人是否轉(zhuǎn)彎及轉(zhuǎn)彎方向。 3.2檢測系統(tǒng) 檢測系統(tǒng)的主要目的是使用超聲傳感器檢測化工管道的壁厚和腐蝕程度，如果檢測得到的壁厚較薄，則管道腐蝕較為嚴重需要更換；如果檢測得到的壁厚較厚，管道腐蝕較輕可繼續(xù)使用。因此，檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響檢測水平，并直接影響化工管道檢測機器人的性能。超聲檢測是目前廣泛應用的一種無損檢測方法，具有靈敏度高、穿透力強、探傷靈活、效率高、成本低的特點。動態(tài)超聲波檢測法就是旋轉(zhuǎn)體帶著若干超聲波測厚探頭在管道內(nèi)隨檢測機器人前進作旋轉(zhuǎn)探測。與靜態(tài)檢測方法對比而言，動態(tài)檢測的優(yōu)點是：成本低，檢測全面，易于采用。 設(shè)計檢測系統(tǒng)時需要注意兩個問題：一是超聲傳感器的驅(qū)動；二是返回信號的檢測和間隔時間的確定。其中，超聲傳感器的驅(qū)動是硬件問題，關(guān)鍵在于振蕩電路和驅(qū)動電路的設(shè)計本文使用集成運放設(shè)計的超聲傳感器，其發(fā)射電路和接受電路分別如圖2和圖3所示。其中，STX為超聲發(fā)送傳感器，SRX為超聲接收傳感器超聲發(fā)送傳感器的振蕩頻率由 R1C1確定,C2為濾波裝置。 3.3控制程序 上位機 Visual C++6.0編程，主要完成通信端口的初始化、控制字的輸出、機器人運行速度以及運行狀態(tài)等的反饋和顯示。一般情況下，通信格式可設(shè)為波特率4800，1為開始位，無奇偶校驗，1位停止位即可。單片機控制程序主要完成串口的初始化，上位機控制字的接收，電機的伺服驅(qū)動，運行速度的檢測和狀態(tài)的反饋等。 圖2 超聲傳感器發(fā)射電器 圖3 超聲傳感器接收回路 4、 研究的總體安排與進度 時間 畢業(yè)設(shè)計工作內(nèi)容 2011年12月30日—2012年2月5日 畢業(yè)設(shè)計選題、查閱資料 2012年2月 6 日—2012年2月19日 開題報告、文獻綜述、外文翻譯 2012年2月20日—2012年3月20日 畢業(yè)設(shè)計參數(shù)確定 2012年3月21日—2012年4月10日 畢業(yè)設(shè)計出三維圖 2012年4月11日—2012年5月15日 畢業(yè)設(shè)計論文撰寫 2012年5月16日—2012年5月27日 畢業(yè)設(shè)計驗收 2012年5月28日—2012年6月10日 畢業(yè)設(shè)計答辯 五、主要參考文獻 [1] 張秀麗，鄭浩峻，趙里遙.一種小型管道檢測機器人［J］. 2001.23.(7):626-629. [2] 錢晉武，章亞男，孫麟治，等FC螺旋輪驅(qū)動的細小管內(nèi)移動機器人的研究［J］. 光學 精密工程，1999.7(4):54-58. [3] 宋一然，顏國正，林良明FC基于電磁驅(qū)動的蠕動型微機器人運動機理［G］.上海交通 大學學報，2000.31(11):1504-1507,1530. [4] 孫萍，孫麟治，秦新捷等.壓電式細小管道微機器人結(jié)構(gòu)特點與運動分析［J］.儀器儀 表學報，2001，增刊335-336. [5] 龔進峰，彭商賢h履帶式可變結(jié)構(gòu)管道機器人及其雙控制系統(tǒng)的研究［J］. 高技術(shù)通 訊，2001.(12):70-72. [6] 朱敬德，周明，應金貴等.在役石油管道檢測機器人機械設(shè)計［J］. 上海大學學報（自 然科學版）2001.1(7)57-59. [7] Haynes, G.C., Khripin, A., Lynch, G., Amory, J., Saunders,A., Rizzi, A.A. and Koditschek, D.E. (2009),“Rapid pole climbing with a quadrupedal robot”, Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Kobe,Japan. [8] Hirose, S., Nagabuko, A. and Toyama, R. (1991), “Machine that can walk and climb on ? oors, walls, and ceilings”,Proceedings of the IEEE International Conference on Advanced Robotics, Pisa, Italy, pp. 753-8. [9] Hosokai, H. and Hara, F. (2001), “Manoeuvrability passing over obstacles on a pipeline by a pipeline inspection”, paper resented at the 4th International Conference on Climbing and Walking Robots, CLAWAR’01, Karlsruhe. 指導教師審核意見： 指導老師簽名： 年 月 日