畢業設計論文)--管道機器人行走機構設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ，行走機構至少需要三個對稱支撐點，一般為了提高姿態的穩定性，可以采用更多的支 撐點。 （ 3）驅動行走：指行走機構具有主動驅使機構。 結合本課題實際情況，同時還要滿足以下幾個條件： （ 1）結構簡單； （ 2）在滿足檢測和維修效率的前提下，微機器人應具有一定的運動速度； （ 3）機器人在行走過程中應保持姿態穩定，有利于檢測裝置作業； （ 4）機器人在管道內部可以實現水平方向前進后退，豎直方向上升和下降運動，以使對管道進行全方位作業，具有快速檢測和局部精檢測功能； （ 5）考慮搭載檢測裝置的需要，微機器人應具有一定的負載能力； （ 6）機器人驅動方式應容易實現。 直進輪式移動機構分析 輪式 移動機構的原理 該微型管道機器人采用了有纜驅動的驅動方式，其運動機理由車輪沿徑向呈三等分均布，它們分別在拉簧的作用下被支撐在管道的內壁上。由于結構對稱，此處只對其中一個車輪機構做詳述分析。 其機構簡圖如圖 31 所示 :1 為拉簧 2 為車輪 3 為末端齒輪 4 為擺臂 5 為中間齒輪 6 為蝸輪 7 為齒輪軸齒輪 8 為蝸桿。電機帶動蝸桿、蝸輪和三個齒輪運動，最后車輪通過作用于管道內壁的正壓力而產生的摩擦力使得機器人沿管道內壁直線向前或向后移動，成為微型機器人的主驅動系統。而尾部為對稱分布的三個柔性從動拖輪，用以支撐平衡電機，維持機器人系 統在管道中平衡運動。該機器人的移動機構具有結構緊湊和較大的負載能力。 圖 輪式移動機構的特點 驅動原理 分析圖 31 中的移動機構，電機輸出帶動蝸桿 8 轉動，爾后傳遞到蝸輪 6 ，蝸輪通過與其固定在同一軸上的齒輪 7 帶動齒輪 5 轉動，齒輪 5 又帶動齒輪 3 轉動，齒輪 3 與車輪固定在同一軸上，最后車輪通過作用于管道內壁的正壓力而產生的摩擦力使得機器人沿管道內壁直線向前或向后移動，成為微型機器人的主驅動系統。這種機構的最大特點是設計簡單、結構緊湊而且具有較大的負載能力。該移動機構滿足管道內行走的 基本條件。 形封閉 移動機構的前后兩部分車輪的每一部分中，三個車輪機構都是沿徑向均勻分布的 沿電機軸向看如圖 32 所示 。而前后兩部分都是沿軸向對稱的，支撐點共有六個，因此滿足形封閉條件。 圖 移動機構的軸向視圖 力封閉和自定心的實現 同樣如圖 32 所示，當移動機構行走時，三個輪子呈徑向均勻分布，三點確定一個平面，三點始終在同一個圓柱面上，因此可以實現自定心，在支撐裝置的作用下，驅動輪被緊緊壓在管道內壁上，具有較強的適應性。整個系統由于利用了對稱性，抵消了機器人在運動過程中各方面不平衡力偶的干擾，從而 使所有的力集中到電機運轉軸線所在的豎直平面上，同時，又在通過電機軸線的豎直平面上保證機器人的重心與電機運轉軸心之間適當的距離，從而保證了整個機器人運行過程中的平穩性。 直進輪式移動機構的運動分析 從上面的分析可知，整個移動機構是依靠電機驅動，驅動輪緊緊壓著管壁，驅動輪轉動時與管壁之間產生純滾動，依靠管壁對驅動輪的摩擦力作用而實現行走的，因此，機器人在管道內部的前進、后退、啟停、加減速等動作只需控制電機的正反轉、啟停和調整電機電壓大小來實現。 運動自由度分析 移動機構自由度的設計與其要完成的任務是相關 的，往往采用完成任務時所需的最小自由度數。本設計任務中對移動機構的自由度要求是能夠在管道的約束下沿管道的軸線方向移動，且不能作沿管道軸心線的旋轉運動，即只要求是一個單自由度移動機構。由上一節的分析可知，在所設計的雙電機驅動直進式移動機構中，電機殼體與機架固連，電機座的反力在電機內部被平衡掉，驅動輪僅受平面力系的作用，只能作沿軸線方向的運動而不會產生沿管道軸心線的轉動，即整個移動機構是一個單自由度移動機構。 運動速度的分析 如圖所示，假設驅動輪和管壁之間是純滾動， n n n n n n6 代表電機軸 轉速、蝸桿軸、蝸輪、與蝸輪固定連接在同一軸的齒輪、中間齒輪、末端齒輪、車輪的轉速，電機所帶的減速箱的減速比是 i1。 圖 移動機構速度分析圖 根據電機軸與減速箱的傳動關系可得減速箱輸出軸即蝸桿軸轉速為 : 31 又根據蝸輪蝸桿傳動關系可得蝸輪蝸桿傳動比為齒數比倒數，且與轉速成反比： 32 由于與蝸輪同心固定連在一起的齒輪具有相同的轉速，所以 n2 n3。又因為三個齒輪的齒數相等，所以 n3 n4 n5。同樣，末端齒輪與車輪同心固定在同一軸上，從上面的分析可以得出， n5 n6。最后綜合 3l 、 32 式，可得到機器人移動機構沿管道內壁直線運動時的線速度： 33 上面各式中 z 表示桿蝸輪傳動減速比 z z2 分別表示蝸桿、蝸輪的齒數 ii2分別代表減速箱和蝸桿蝸輪的傳動比 r6代表車輪半徑 v代表移動機構的移動速度由式可知，當機構的參數確定后，可以通過改變電機的輸出轉速來調整整個移動機構的移動速度，一般情況下，電機的輸出轉速與加在電機上的電壓成正比，故最終應通過調整 電壓來改變移動機構的速度，移動機構的最大移動速度亦可得到，當電機輸入電壓達到最大時，電機的輸出轉速最大，同時移動機構的移動速度也將達到最大。移動機構的最大速度不僅與電機的容量有關，同時在不同負載下，其所能達到的最大速度也不同。 移動機構的受力分析 微型管道內機器人其移動機構的主要任務是攜帶探測、修補或維護所需的設備，如 CCD 傳感器，渦流傳感器或復雜的微操作手等，這就要求移動機構有一定的負載能力。該機器人的供電方式為拖纜供電，隨著機器人在管道內部行走的距離的加大，拖動電纜也就越長，這樣電纜與管壁的摩 擦力也就加大，所以要求機器人的移動機構有一定的帶載能力。當檢測不同的管道時，管道內徑可能是在一定范圍內變化的，這種變化也會影響到移動機構負載能力的變化。一般情況下，在不使機器人打滑的同時，管徑增大時，撐緊機構施加到車輪上的正壓力減小，從而摩擦力減小，負載減小，電機所需的驅動力降低。反之在管徑變小時，撐緊機構施加到車輪上的正壓力增大，從而摩擦力增大，負載增大，電機所需的驅動力降低。因此有必要將機構的負載能力，或說軸向輸出牽引力，作為一個重要的指標來分析。由前面的分析可知，移動機構在管道中行走時，要實現力封閉及 驅動行走。下面分析移動機構在管道中行走時的受力情況。 受力分析的一些假設條件 因為管道機器人的實際受力情況比較復雜，為了簡化分析和計算，所以對管道機器人的移動機構的受力情況，先做一些假設，以滿足分析的需要。下面是一些假設條件 : 移動機構是在直管中運動，忽略管道的內徑的不均勻性 。 管道機器人的移動機構的車輪在管道內作純滾動，而忽略掉零件加工中的誤差而導致的機構其他形式的運動 。 整個移動機構作勻速運動，不考慮其慣性力的影響 。 移動機構移動時共有六個輪子與管道內壁接觸，假設每個輪子的封閉力都相同 。 忽略一切損 失 。 負載無波動 。 分析時采用標量，當所求值為負時表示實際方向與圖示方向相反。 移動機構前進時的受力分析 受力分析圖如下圖所示 : 圖 移動機構受力分析圖如圖 34 所示，該圖中假定移動機構的運動方向為前進方向，圖中參數的意義如下 : F:總負載包括移動機構本體的重量及攜帶設備的重量 。 V:移動機構的運動速度 。 f:管壁對驅動輪的摩擦力 。 f:管壁對從動輪的摩擦力 。 N:管壁對驅動輪的正壓力 。 N:管壁對從動輪的正壓力 。 :電機輸出轉矩 未知量 。 下面分別以蝸桿、蝸輪及車輪為研究對象，進行受力分析，從 而為下面的機械設計計算打下基礎。 蝸桿受力分析 如圖 35 所示，以蝸桿為研究對象， P 為切向力， Pn21 為軸向力， Pr21 為法向力，有 34 35 36 上式中，α是壓力角，β是螺旋角。 圖 蝸輪受力圖 蝸輪受力分析 因為蝸輪與一個齒輪固定在同一個軸上，所以把該齒輪和蝸輪當成一 個整體分析其受力情況。又因為蝸輪為斜齒輪，其軸向力不在所研究的摩擦力 f 及正壓力 N 所在的平面內，故可以忽略。所以蝸輪與一個齒輪作為整體的受力分機如圖36 所示。圖中 G23 為蝸輪與齒輪整體的重量。 圖 蝸輪受力圖 根據假設，移動機構作勻速運動，所以對中心 O2 的力矩滿足： 37 由上式得： 38 又：且 即：即： 39 310 （ 3）驅動輪受力分析 因為驅動輪與一個齒輪固定在同一個軸上，所以把該齒輪和驅動輪當成一個整體分析其受力情況。所以驅動輪與一個齒輪作為整體的受力分析如圖 37 所示。圖中 G56。為蝸輪與齒輪整體的重量， N2 為擺臂對該驅動輪和齒輪軸的壓力，r5 為齒輪的分度圓半徑， r6 為驅動輪的半徑。 圖 驅動輪受力圖 因為該移動機構作勻速運動，三個圓柱齒輪的參數都一樣大，根據假設條件，可以得出 Pn56 Pn43， Pr56 Pr43。驅動輪在純滾動勻速運動時對中心 O6 的力矩滿足 : 311 由式 311 得 : 312 又 且 即： 313 314 移動機構設計 該微型管道機器人的移動機構包括直流電機、蝸輪蝸桿嚙合機構、兩級齒輪嚙合機構、機架和拉簧支撐機構等幾部分組成。由于機械設計過程中涉及的力學計算公式及其機械設計手冊的校核公式、圖表較多，由于篇幅所限本論文并不全部按照通常設計流程進行，而只是 給出部分零件的主要的設計步驟。 機的選擇 管道機器人是在管道限定的環境里運行，尤其是在有彎曲管道里運行，一方面，機器人在彎管（包括垂直管道）行走中要有足夠的摩擦力來克服重力的影響，另一方面需要提供足夠大的驅動力來克服各種阻力，現在使用的驅動方式一般是直流電機驅動。 圖 移動機構受力分析圖 由于該機器人由兩個電機同時驅動的對稱結構，現對由一電機驅動三驅動輪進行分析： 1．頂部驅動輪受管壁壓力： F：為彈簧預緊力； ：為搖臂與豎直方向的傾斜角。 2．兩下驅動輪受管壁壓力： G：為機器人所受重力。 3．機器人 所受總摩擦力： ：為驅動輪與管壁的動摩擦因素。 4．機器人運動消耗功率： 5．代入數據： 已知： F’ 1200N， G 600N，機器人設計行進速度 120mm/s，查《機械設計手冊》得橡膠與鋼鐵的動摩擦因數，代入數據得： 進行計算、校驗之后，根據尺寸的限制選擇電機型號為 QZD08 串勵直流微特電機技術參數如下表： 表 電機技術參數 電機指標 參數 電機型號 QZD08 功率 800W 額定電壓 24V 額定電流 勵磁方式 串勵 絕緣等級 B 位的設計計算 傳動比 此設計在機器人有較大速度的前提下進行，因此先預計機器人最終行進速度在 120mm/s。初選車輪直徑 d 105 mm，則此時車輪轉速度為： nw 60v/ π d 。因為電機的額定轉速為 1750 r/min，由傳動比公式： i 1750/ω，得： i 1750/ 。選： i 82。 選擇傳動方式 因為蝸桿蝸輪能獲得較大的單級傳動比，故結構緊湊。在傳遞動力時，傳動比一般為 8~100。用于分度機構中，傳動 比可達幾百，甚至到 1000。因此傳動比完全由蝸桿蝸輪來實現，即取蝸桿蝸輪的傳動比 i 82，由于空間尺寸受很大的限制，本設計采用 3 個參數完全一樣的齒輪來傳遞運動。故最終實現了傳動比的傳遞，而且解決了受空間限制的問題。 蝸輪蝸桿的傳動設計 以下設計計算均沿用《機械設計手冊》計算模式。 蝸輪蝸桿的主要參數 模數 m 1，壓力角α 20176。，蝸桿直徑系數 q 18，所以蝸桿分度圓直徑 d1 18 mm。蝸桿分度圓上的導程角γ 3176。 10′ 47〃。考慮到預期實現的傳動比 i 82，Z1 與 Z2 最好避免有公因數，所以選擇蝸桿頭數 Z1 1，蝸輪齒數 Z2 82，變位系數 X2 0。 蝸桿傳動的失效形式和材料的選擇 失效形式：在一般情況下，蝸桿的強度總要高于蝸輪的輪齒強度，因此失效總是在蝸輪上發生。由于在傳動中，蝸桿和蝸輪之間的相對滑動速度較大，更容易產生膠合和磨損。 材料選擇：考慮到傳遞的功率不大，轉速較低，選用 ZA 蝸桿傳動，精度 7C GB/T100891988。蝸桿材料 45，表面淬火到 45~55HRC。蝸輪材料 ZCuSn10Pb1金屬模鑄造，查得。