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1摘要管道机器人的运行机构主要由减速器、主动轮、从动轮、传动轴和一些连接件组成。运行机构的总体设计有：运行阻力的计算、电动机的选择、减速比的计算、齿轮强度的计算、轴强度的计算、四杆机构的设计。本设计采用SG-27ZYJ直流电动机为动力源，电动机输出轴和减速器的高速轴通过联轴器联接，通过减速器输出比较慢的转速，输出轴通过主动轮带动履带是机器人在管道中前进或后退。关键词：齿轮转动机构；履带；轴。2ABSTRACTTherunningmechanismofpipelinerobotismainlycomposedofaspeedreducer,adrivingwheel,adrivenwheel,transmissionshaftandapluralityofconnectingpieces.Theoveralldesignofoperationmechanism:theresistanceoperation,thechoiceofmotor,reductionratio,strengthcalculation,calculationofgearshaftstrengthcalculation,fourbarmechanismdesign.ThisdesignusesSG-27ZYJDCmotorasthepowersource,themotoroutputshaftandgearboxhigh-speedshaftthroughtheshaftcoupling,reducerthroughtherelativelyslowspeedoutput,theoutputshaftthroughthedrivingwheeldrivesthecrawlerrobotforwardorbackwardinthepipeline.Keywords:Gearrotationmechanism;track;axle.3第1章引言随着城市化和工业化步伐地不断加快，管道作为一种运输工具在人们的生活和工作中出现的频率越来越高。管道不仅能完成一些特定物料地传送，而且具有可靠性高、运输安全、方便。因此，在工业和生活领域，管道起到了举足轻重的作用。管道在使用的过程中，由于环境条件的影响，必定会造成一定的腐蚀和损坏，如果不及时修理，必定会造成资源的浪费和环境污染。因此，人们越来越多地把焦点放到管道探伤机器人身上。1.1管道探伤机器人设计背景及意义随着交通、石油、化工以及城市建设的飞速发展，管道作为一种经济、高效的物料长距离运输手段而倍受人们的关注，被广泛的铺设于世界各地、陆地、海洋等环境中。我国从20世纪70年代开始油气管道的大规模建设，截止到目前，国内已建油气管道的总长度约6万千米，逐渐形成了区域的油气管网供应格局，中国的管道工业得到了极大的发展。本课题中所研究的管道探伤机器人也是应用在特殊作业环境下的一类特种机器人，其可以沿管道内壁行走，通过携带的机电仪器，能够完全自主或在人工协助下完成特定的管道作业，包括管道腐蚀程度、裂纹、焊接缺口的探伤检测，以及对焊接缝防腐补口等处理。既然管道在工业现场中有着如此广泛的应用，其安全运行问题也越来越受到人们的重视。一旦管道破损，仅维护抢修的成本巨大，从中泄露的物质会对周围的生态环境及人类生命安全造成威胁。如果能够及时发现并确定泄漏点，就能有效地减轻泄漏事故造成的损失和危害。然而由于管道埋地较深，通过常规的巡线检测方法很难步到泄漏点，另外长输管道距离长，沿途多为荒漠、沼泽或河流，而检测方法多为人工定期巡检，这都限制了泄漏检测与定位的实时性,准确性。因此，管道的维护管理、泄漏的检测、保障管道安全运行已成为界上重要的研究课题并日益受到重视。管道探伤机器人作为一类特种机器人，正是在这样的环境下应运而生，管道探伤机器人的优点在于它不仅具有探伤质量高、作业速度快等优点，而且使操作检测人员免受大剂量射线的辐射之苦。因此管道探伤机器人有着广阔的应用前景。1.2管道探伤机器人的国内外发展现状管道探伤机器人是目前智能机器人研究领域的热点问题之一。近几十年来，核工4业、石油工业的迅猛发展为管道探伤机器人提供了广阔的应用前景。由于大量地下、海底管线的维护需要刺激了管道探伤机器人的研究。从20世纪70年代起，国内外许多研究人员就针对管道探伤机器人提出了大量的设计方案并对其能够实现的功能进行不断地补充和完善，这些研究成果对管道探伤机器人的技术改进和应用场合的扩展起到巨大的推动作用。目前，各国的研究学者已经研制出了满足不同需要的管道探伤机器。从上世纪50年代起，为了满足长距离管道的自动清理及检测的需求，英、美等国相继开展了这方面的研究，其最初的成果是在1965年，美国Tuboscope公司采用漏磁检测装置Linalog首次进行了管内检测，尽管当时尚属于定性检测，但具有划时代的意义。我国从20世纪90年代初期，开始了管道探伤机器人的研发工作，国内较早进入该研究领域的有哈尔滨工业大学、清华大学、上海交通大学、大庆油建公司、中国石油天然气管道局等单位。相比较而言，我国的地下管道检测技术仍处于起步探索阶段，大部分检测管道腐蚀的技术都停留在管外检测，方法传统落后。各种管道探伤机器人仍在研究中，成熟的产品尚未开发出来。尽管某些科研单位己经研制出了几种功能样机，但它们只能对空管道进行检测，难以满足工程上的要求。1.3本文研究的主要内容本文根据直线电机的工作原理及其结构特点，设计了以直流电机为移动动力的管道探伤机器人。本课题将在以下两个方面开展研究工作（1）管道探伤机人机架的研究机架是主要有四杆机构和传动螺杆以及减速器组成，四杆机构保证机器人可以在一定范围不同直径的管道内均能使用，传动螺杆保证四杆机构能够达到所需要的位置，减速器保起到缓冲和提高精度的作用。（2）管道探伤机人履带移动部分的研究该部分主要是由减速器、驱动轮、从动轮、履带组成，驱动轮主要是带动履带转动，履带和管道接触产生移动。5第2章管道探伤机器人的要求指标根据所要设计内容管道探伤机器人的初步构想如图2-1所示。图2-1管道探伤机器人三维图2.1管道探伤机器人的技术指标(依据现代管道机器人技术)行走速度：5.36minm自重:6kg净载重：11kg机身尺寸：351mm155mm155mm自适应管道半径范围：200mm300mm越障能力：2mm5mm爬坡能力：150工作电压：12V一次性行走距离：2500m牵引力:300N400N密封性能：履带密封，机架半开放2.2管道探伤机器人的工作指标(依据现代管道机器人技术)工作环境：中性液体环境，液面高度不得高于30mm工作温度：005006第3章元器件选用3.1电动机的选用本设计采用圆周三点限位支架，三个履带行走构件相互独立，因而需要提供三个相同的电动机分别驱动各个履带。另外，管径自适应结构由丝杠螺母传动，也需要一个电动机作为驱动，于是整个机器人需要4个电动机。考虑到整个机构适用于200~300mm管径的管道内部探伤，因而整体尺寸受到严格限制，进而限定了电动机的尺寸。以最小管径200mm作为尺寸控制的参数，履带行走机构的高度50mm，所用电动机直径大约20mm。同时作为履带机构的动力来源，此电动机亦应当达到足够的功率输出，否则将必然无法与设计要求匹配。出于零件之间相互通用的设计理念，4个电机都是统一规格、同种型号。最后由于设计要求中规定了每分钟的行程，所以电动机应该转速适中，既与整个电机的功率和扭矩相匹配，又能满足行进速度的要求。综合以上几点，经过多方查阅资料。决定采用一下型号的电动机：型号：SG-27ZYJ；额定功率：10W12VDC；额定转速度：400rpm；额定转矩：300Nmm。实物图如图3-1所示。图3-1上图为电动机实物参考图3.2配件选用根据探伤机器人的要求以及目前市场所有的相关配件种类本装置应选择配件为：蓄电池:12V,9000mAh。摄象头：CCD探头，具体尺寸可选。1200范围内可以探视。双头白光二级管探照光源。7第4章机架部分的设计计算根据图2-1的设想知机架部分的初步构想图如图4-1所示。图4-1机架部分三维图4.1机架部分的功能和结构机架部分的主要功能为支撑在管道内行走的管道机器人，使履带行走系能紧密的贴在管道壁面，产生足够的附着力，带动管道机器人往前行走。为了适应不同直径管道的检测，管道检测机器人通常需要具备管径适应调整的机架机构，即主要有两个作用：①在不同直径的管道中能张开或收缩，改变机器人的外径尺寸，使机器人能在各种直径的管道中行走作业；②可以提供附加正压力增加机器人的履带与管道内壁间的压力，改善机器人的牵引性能，提高管内移动检测距离。为了满足管径自适应的功能，本次设计采用了基于平行四边形机构的管径适应调整机构，在由0120空间对称分布的3组平行四边形机构组成，采用滚珠丝杠螺母调节方式，每组平行四边形机构带有履带的驱动装置示意图如4-2所示。机构调节电动机为步进电动机，滚珠丝杠直接安装在调节电动机的输出轴上，丝杠螺母和筒状压力传感器以及轴套之间用螺栓固定在一起，连杆CD的一端C和履带架铰接在一起，另一端D铰接在固定支点上，推杆MN与连杆CD铰接在M点，另一端铰接8在轴套上的Ⅳ点，连杆AB、BC和CD构成了平行四边形机构，机器人的驱动轮子安装在轮轴B、C上，轴套在圆周方向相对固定．其工作原理为：调节电动机驱动滚珠丝杠转动，由于丝杠螺母在圆周方向上相对固定，因此滚珠丝杠的转动将带动丝杠螺母沿轴线方向在滚珠丝杠上来回滑动，从而带动推杆MN运动，进而推动连杆CD绕支点D转动，连杆CD的转动又带动了平行四边形机构ABCD平动，从而使管道检测机器人的平行四边形轮腿机构张开或者收缩，并且使履带部分始终撑紧在不同管径的管道内壁上，达到适应不同管径的的．调节电动机驱动滚珠丝杠转动时，也同时推动其余对称的2组同步工作．筒状压力传感器可以间接地检测各组驱动轮和管道内壁之间的压力和，保证管道检测机器人以稳定的压紧力撑紧在管道内壁上，使管道检测机器人具有充足且稳定的牵引力。在4-2中，当00[15,80]时，机架适应管道半径的范围在mm323,196。参考常见的管道运输直径范围(Ref2),设计的管道机器人可满足成品油管的管道直径的要求机架部分的结构简图如图4-2所示Raduis履带R1=200mmR2=325mm图4-2丝杠螺母自适应机构图4.2机架部分的力学特性分析对于履带式驱动方式的管道机器人，牵引力由运动驱动电动机驱动力以及履带与管壁附着力决定。当运动驱动电动机的驱动力足够大时，机器人所能提供的最大牵引力等于附着力。附着力主要与履带对管壁的正压力和摩擦系数有关。摩擦系数由材料和接触条件决定，不能实现动态调整。履带对管壁的正压力与机器人重量有关，但通过管径适应调整机构，可以在不同管径下提供附加正压力，改变附着力，从而在一定9范围内实现牵引力的动态调整。管道机器人正常行走时，其对称中心和管道中心轴线基本重合，重力G在对称的中心线上面。因此，管道机器人在行走过程中，最多只有两个履带承受压力，即其顶部的压力为零(如图4-2所示)。12NNG（4-1）随着管道机器人在管内移动的距离的增加，或者在爬坡的时候，机器人可能由于自身重量所提供的附着力不够时，导致打滑，这就需要管道机器人提供更大的牵引力来支持机器的行走。利用管道机器人自适应管径的平行四边形丝杠螺母机构，可提供附加的正压力以增加管道机器人的附着力。通过远程控制可调节电动机输出扭矩T带动丝杠螺母相对转动，产生推动力F推动推杆运动，使得各组履带压紧贴在管道内壁，产生附加的正压力P。将各个履带由于重力而产生的作用反力定义为N,由附加正压力所产生的作用反力定义为P，丝杠螺母杆的推力为F，由力平衡原理可得：（PN）cot=F1（4-2）由Lsin+h1+h=R得cot=1212)(hhRhhRL（4-3）丝杠螺母需施加的推力F1为：F1=（PN）1212)(hhRhhRL（4-4）式中L、R、h、h1如图4-2所示。丝杠螺母所产生的切向力