2008年第27卷10月第10期机械科学与技术
Mechanical Science and Technol ogy for Aer os pace Engineering Oct ober Vol .272008No .10
收稿日期:2007210219
基金项目:863计划项目(2007AA04Z256
)和部委预研项目(51318020310)
资助
作者简介:徐从启(1981-),博士研究生,研究方向为精密工程与计
算机控制,xcqnudt@https://www.doczj.com/doc/1d5304896.html,
徐从启
微小管道机器人适应不同管
径的3种调节机构的力学分析
徐从启,解旭辉,戴一帆,李圣怡
(国防科技大学机电工程与自动化学院机电系,长沙 410073)
摘 要:针对内径为15mm ～20mm 的微小管道,设计了3种适应不同管径的常用调节机构。分析了凸轮推杆和丝杠螺母副调节机构的力学特性,并给出了计算结果,比较分析了各自的优缺点。根据实际需要,最终选用了丝杠螺母副调节机构,设计了能适应管径为15mm ～20mm 管道的机器人。利用机械系统动力学仿真软件ADAMS 建立了机器人虚拟样机牵引力测试模型,仿真表明:该调节机构具有15N 左右的牵引力输出,且该调节机构的适应管径能力很好地满足设计需要。关 键 词:微小管道机器人;凸轮推杆;蜗轮蜗杆;丝杠螺母副;虚拟样机中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:100328728(2008)1021145204
Dynam i c Analysis of Three Regul ati n g M echan is m s for a
M i cro I n 2pi pe Robot Adapt able to D i fferent Pi pe D i a meters
Xu Congqi,Xie Xuhui,Dai Yifan,L i Shengyi
(College of M echatr onics Engineering and Aut omati on,Nati onal University of Defense Technol ogy,Changsha 410073)
Abstract:For m icr o p i pes whose dia meters range fr om 15t o 20mm ,three commonly used regulating mechanis m s are p r oposed by analyzing the mechanical p r operties of each type,comparing their advantages and disadvantages and giving the computing result .According t o the actual engineering needs,a lead scre w and nut pair regulating mechanis m is chosen and a novel in 2p i pe r obot is designed,which can adap t t o m icr o p i pes with dia meters in the range of 15mm ～20mm.The mechanical dyna m ics s oft w are ADAMS is adop ted t o establish the virtual p r ot otype testing model,which is used t o test the tracti on force of the r obot .Si m ulati on result shows that this regulating mechanis m has a tracti on f orce out put of 15N ,and it can meet the require ments very well .
Key words:m icr o in 2p i pe r obot;lead scre w and nut pair;virtual p r ot otype;Ca m carrier;Wor m and wor mwheel
管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械,在工作
人员的遥控操作或计算机自动控制下,进行一系列
管道作业的机、电、仪一体化系统[1]
。自上世纪80年代以来,国内外管道机器人的研究成果已经很多,但针对内径尺寸在20mm 以下的细小管道、特殊管道(如变径管道、U 形管、T 形管等)的微小型管道机器人研究尚处于探索阶段,离实际应用还有一定的
差距,但是由于该类管道在各个领域的广泛应用,因此研发该类机器人极具吸引力。
微小管道机器人技术是近年来兴起的一种将精密机械、机器人学、新材料、控制理论等相结合的一种新型技术。由于现代工农业生产及日常生活中使用着众多内径为15mm ～20mm 的微小管道,如核电厂的蒸汽发生器传热管、冶金、化工、制冷行业的细小管道等,这些管道系统的工作环境非常恶劣,容易发生腐蚀、疲劳破坏或存在使管道内部潜在的缺陷发展成破损而引起泄漏事故等。因此管道的监测、诊断、清理和维护就成为保障管道系统安全、畅通和高效运营的关键。然而管道所处的环境往往受人力或人手不及所限,且多数管道的安装环境是人不能直接到达或不允许人直接介入,检修难度很大。
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因此开发一种能适应该类微小管道的机器人势在必行,也是机器人发展的一个方向。
目前国内外研制的微小管道机器人通常只适用
于单一管道。如日本Toshiba 公司K .Suzu mori [2,3]
等人研制成功适用于 20mm 管道的直进轮式管道机器人;东京工业大学的I w ao Hayashi [4]
等人根据蚯蚓蠕动原理开发出一种蠕动式微管道机器人,但仅适用于内径为20mm 的管道,且牵引力较小只
有0122N;日本Dens o 公司[5,6]
研制的无线双压电晶片执行器微机器人适用于内径为10mm 的管道;法国Besancon 自动化实验室[7,8]
研制了一种可以在直径为10mm 管道内移动的微型管内机器人,但牵
引力较低;上海大学罗怡[9]
等人研制的适用于管径为20mm 管道的双压电薄膜细小管道机器人;国防
科技大学郭瑜[10]
等人研制的螺旋轮式管道机器人,适用于管径为15mm ～18mm 的管道;广东工业大
学程良伦[11]
等研制一种电磁力驱动的蠕动式微小管道机器人,适合在直径为15mm ～20mm 的管道内运动,但牵引力只有1N 左右。
为了克服现有微小管道机器人只适用于单一管道以及管径适应范围小的不足,针对内径为15mm ～20mm 的微小管道,本文设计了3种适应不同管径的常用调节机构,比较了各自的优缺点,并根据需要最终选用了丝杠螺母副调节机构。该调节机构具有充裕并且稳定的牵引力,且能适应 15mm ～ 20mm 的管径。
文献[12]同样设计了3种适应不同管径的调节机构:蜗轮蜗杆调节方式、升降机调节方式以及滚
珠丝杠螺母副调节方式[12]
,但此3种调节机构是针对管径为400mm ～650mm 的大管道,根本不适合内径为15mm ～20mm 的微小管道。而本文设计的蜗轮蜗杆和丝杠螺母副调节机构是针对 15mm ～ 20mm 管径的微小管道,并且与文献[12]中提出的结构是有区别的。1 凸轮推杆调节机构
如图1所示是凸轮推杆调节机构示意简图,凸
轮凸缘半径为R,圆心为凸轮中心O;凹陷处半径为
R 1,圆心为O 1,且|OO 1———
|=R 2。调节电机输出轴与凸
轮轴相连接,当电机工作时,带动凸轮旋转,这样推杆就沿轨道方向来回滑动,从而带动管道机器人的
支撑轮撑开或收缩,以便有一定的正压力撑紧在不同管径的管道内壁上。由于图示凸轮推杆调节机构为一对称结构,故只分析凸轮和推杆AD 的运动关系即可。假设凸轮从图示位置逆时针旋转α角时,推杆
AD 从最低处运动至图中的A ′D ′处,上升距离为h,
则由几何知识可知
h =|OG ———
-OA ———
|
(1)
根据正弦定理解△OO ′G,如图2所示,可解得
|OG ———
|=R 2co s
α+R 2
1-R 2
2sin 2
α
(2)
图1 凸轮推杆调节机构
根据式(1)有:
h =|OG ———-OA ———
|=
(R 2cos α+
R 2
1-R 2
2sin 2
α)-(R 2-R 1)(3)
对上式两边取微分,整理得
d h =-R 2sin
α1+R 2co s
αR 2
1
-R 22
sin 2
α
d α(4)
假设三根推杆都遵循上述运动规律,支撑轮与管壁间的正压力均为N ,凸轮推杆间的传动效率为
η,则根据虚位移原理有:
ηT d α+3N d h =0(5)
将式(4)代入式(5)整理得
T =3N R 2sin
αη1+R 2cos αR
21
-R 22
sin 2α
(6) 实际设计,R 1=415mm ,R 2=615mm ,输出牵
图2 △OO ′G 示意图
引力F =10N ,支撑轮与管道内壁摩擦系数μ=015,则管道内壁作用在支撑轮上的正压力
N =F /3μ=6167N ,α随
适应管径的变化而变化,当机器人行走在 15mm 管道中时,α
=29163°,当机器人行
走在 20mm 管道中
时,α=43169°,凸轮推杆间的传动效率η=80%,
6
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第10期徐从启等:微小管道机器人适应不同管径的3种调节机构的力学分析
则根据式(6)可计算出当机器人行走在 15mm 管道中时,T =224155N ?mm ,当机器人行走在 20mm 管道中时,T =1865135N ?mm 。
可见采用凸轮推杆调节机构时,电机轴所受的扭矩非常大,接近1900N ?mm ,远远超出了目前微型直流减速电机的额定转矩,故该调节机构不可取。2 蜗轮蜗杆调节机构
图3所示为蜗轮蜗杆调节机构示意图,其工作
原理是电机驱动与之相连接的蜗杆,蜗杆驱动蜗轮转动,蜗轮带动其上的小齿轮1转动,同时摆臂的旋转角度由扭簧(图中未画出)控制实现支撑轮撑开或收缩以达到适应不同管径的目的。但是由于该结构较为复杂,并且其传动效率也不高,在此就不再深入分析
。
图3 蜗轮蜗杆调节机构
3
丝杠螺母副调节机构
图4 丝杠螺母副调节机构示意图
图4所示为丝杠螺母调节机构示意图,其工作
原理是调节电机输出轴与丝杠固连,调节电机驱动丝杠转动,螺母套和连杆CD 铰接于C,另一端与支撑轮铰接于D,连杆AB 铰接在B C 上于B 处,螺母套在周向相对固定,因此丝杠的转动将带动螺母套沿丝杠方向来回滑动,从而带动连杆CD 绕C 点转动,使支撑轮撑开或者紧缩以达到适应不同管径的目的。由于丝杠螺母副调节机构为周向均布结构,共有三组连杆和支撑轮结构沿周向120°排列,故只分析
其中一组的力学特性即可,以A 为坐标原点,建立如图所示的坐标系XA Y,l 、l 1、l 2分别为连杆CD 、B C 和
AB 的长度,r 为支撑轮的半径,β、γ分别为连杆AB 和
CD 与水平方向的夹角,N 为管壁作用在支撑轮上的
正压力,F 是丝杠螺母副作用在连杆上的轴向推力,
T 为电机的输出转矩。
在坐标系XA Y 中,有如下几何关系:y E =r +l sin
γl 1sin
γ=l 2sin βx C =l 1cos
γ+l 2cos
β(7)
对上式两边分别取微分并整理得
δx C =-l 1l
(tan β+tan γ)δy E
(8) 由虚位移原理得
N δy E +F δx C =0
(9)
将式(8)代入式(9)化简可得
F =
l
l 1(tan
β+tan γ)N
(10)
设丝杠导程为p,丝杠螺母副传动效率为η,则
T =
p
2
πη∑
F =
3pl
2
πηl 1(tan β+tan γ)N (11)
实际设计中,l =6mm ,l 1=315mm ,输出牵引
力F =10N ,支撑轮与管道内壁摩擦系数取μ=
015,则管道内壁作用在支撑轮上的正压力N =
F /3
μ
=6167N ,β、
γ随适应管径的变化而变化,当机器人行走在 15mm 管道中时,β=25°、γ=30°,当机器
人行走在 20mm 管道中时,β=51°、γ=621644°,丝杠螺母副间的传动效率取η=90%,则根据式
(11)可计算出当机器人行走在 15mm 管道中时,T =416475N ?mm ,当机器人行走在 20mm 管道中
时,T =1153N ?mm 。
可见,采用丝杠螺母副调节机构时,当管径在15mm ～20mm 范围内变化时,丝杠上的最大扭矩为
416475N ?mm 。因此选择额定转矩为5188N ?mm
的微型直流减速电机即可满足需要,并且该机构在空间布置上较为简单,便于安装。微型直流电机是从厂家直接定做的,在输出轴的末端加工有10mm 长的螺纹,这样就可能使得电机输出轴在轴向和径向不能承受较大的载荷。综合考虑以上几种调节机构的优缺点,最终选用了丝杠螺母副调节机构。
采用丝杠螺母副调节机构设计的微小管道机器人实物照片如图5所示,由3个单元组成:前后部分为支撑管壁的爪结构单元,中间部分为驱动单元,各单元之间用微型十字换向节连接起来,分别由不同的
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直流减速电机驱动,这样机器人就可以通过一定曲率半径的弯管。该机器人主要由前后螺母套、前后支撑腿、前后铰接架、前后换向节、前后保持机构、导向杆、丝杠以及直流电机等部件组成。为实现平衡和形封闭,采用前后三组支撑腿结构,沿螺母套周向呈120°对称分布。该微小管道机器人处于伸长状态时总长度约为180mm (收缩状态时总长度约为170mm ),总质量约150g,负载力不小于10N 。实验表明,该机器人可以很好地适应管径为15mm ～20mm 的微小管道,并能通过曲率半径不小于80mm 的弯管,可以双向移动,且具有竖直管道的爬坡能力,移动速度5mm /s ～8mm /s
。
图5 微小管道机器人在直管内的实验照片
4 虚拟样机仿真
利用ADAMS 软件建立机器人在水平直管内的
牵引力测试模型如图6所示,其仿真结果如图7所示
。
图7中曲线1表示机器人在水平直管爬行时的牵引力曲线,曲线2表示机器人在竖直直管向上爬行时的负载力曲线,曲线3则表示机器人在竖直直管向下爬行时的负载力曲线。从仿真结果可以看出,机器人在竖直直管向上爬行时的负载力最小,约
为14N;在竖直直管向下爬行时的负载力最大,约为1518N;机器人牵引力约为1419N,且较稳定。5 结束语
本文介绍了凸轮推杆、丝杠螺母副和蜗轮蜗杆3种适应不同管径的常用调节机构,详细分析了前两种机构的力学特性,并根据实际设计尺寸给出了计算结果。比较研究了各种机构的优缺点,根据实际需要,最终选用了丝杠螺母副调节机构,设计了能适应管径为15mm ～20mm 管道的机器人。虚拟样机仿真表明丝杠螺母副调节机构具有较大的牵引力输出,约为15N ,且较稳定,并能较好的适应内径为15mm ～20mm 的微小管道。
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实验（4）机器人机器人静力学和雅克比实验 一、实验目的： 1）理解机器人角速度的相关概念； 2）对构建的机器人进行速度分析； 3）了解和熟悉机器人雅克比矩阵的含义， 4）能够使用simulink构建机器人仿真模型。 二、雅克比矩阵 图1 机器人雅克比矩阵 在机器人学中，通常使用雅克比将关节速度与操作臂末端的笛卡尔速度联系起来： 在matlab工具箱中，求取机器人雅克比矩阵函数为， J = (qr) ，其中p560为机器人名。 逆雅克比矩阵：
分析雅克比矩阵： 其中， 在matlab工具相中对应函数为， 推导可得， 变换为， 简化模型化为，
在matlab工具箱中，对应的RPY的雅克比速度映射函数， 该函数为从 RPY角速度到角速度的雅克比变换函数。即上式中的。在matlab工具箱中，对应的ZYZ欧拉角的雅克比速度映射函数， >> eul2jac,, ans = 对应书中p113页中公式（5-41和5-42）。 综上可得到解析型雅克比， 三、基于simulink的机器人仿真模型建立，要求机器人末端以一定
1）新建simulink 模型文件，保存为testrobotJ ； 2）在命令窗口中键入roblocks ，调出机器人library 库； 3）打开simulink 库； 4）在新建的simulink 模型文件中，从机器人库和simulink 库中查找相应的函数模型按给定例子搭建； simulink/Discrete roblocks/Kinematics simulink/User-Defined Functions matlab function simulink/Math Operations Reshape simulink/Sources roblocks/Robot Graphics DSP System Toolbox/Math functions/ matrices and Linear Algebra/matrix Operations simulink/Discrete Discrete Time Integrator
蒸汽部分计算书 一、蒸汽量计算：(6万平米) 市政管网过热蒸汽参数：压力=0.4MPa 温度=180℃ 密度=2.472kg/m3蒸汽焓值=2811.7KJ/kg 换热器凝结水参数：温度=70℃焓值=293 KJ/kg 密度=978kg/m3（1）采暖部分耗汽量：热负荷6160kW G=3.6*Q/Δh=3.6*6160*1000/(2811.7-293)=8805kg/h 凝结水量计算：G=m/ρ=8805/978=9m3/h （2）四十七层空调耗汽量：热负荷200kW G=3.6*Q/Δh=3.6*200*1000/(2811.7-293)=285kg/h 凝结水量计算：G=m/ρ=285/978=0.29m3/h （3）高区供暖耗汽量：热负荷1237kW G=3.6*Q/Δh=3.6*1237*1000/(2811.7-293)=1768kg/h 凝结水量计算：G=m/ρ=1768/978=1.8m3/h （4）中区供暖耗汽量：热负荷1190kW G=3.6*Q/Δh=3.6*1385*1000/(2811.7-293)=1980kg/h 凝结水量计算：G=m/ρ=1980/978=2m3/h （5）低区供暖耗汽量：热负荷1895kW G=3.6*Q/Δh=3.6*1895*1000/(2811.7-293)=2708kg/h 凝结水量计算：G=m/ρ=2708/978=2.8m3/h （6）低区空调耗汽量：热负荷1640kW G=3.6*Q/Δh=3.6*1640*1000/(2811.7-293)=2344kg/h 凝结水量计算：G=m/ρ=3830/978=4m3/h （7）生活热水耗汽量：热负荷200kW G=3.6*Q/Δh=3.6*200*1000/(2811.7-293)=286kg/h 凝结水量计算：G=m/ρ=286/978=0.3 m3/h （8）洗衣机房预留蒸汽量: 150kg/h
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/1d5304896.html, 管道机器人专利技术发展路线 作者：裴梦扬 来源：《科技信息·上旬刊》2017年第02期 摘要：本文对油气管道机器人技术领域的专利申请进行了分析，从中国、全球的专利申请量、技术分布等多角度进行了统计分析，从而对该领域申请量的走向、技术发展路线做了技术解析，梳理了该领域技术发展脉络。最后，并重点针对该领域三大技术分支：蠕动式、轮式、介质压差驱动式，分别做了分析。 关键词：专利；管道；机器人；运动 1.引言 管道机器人是一种能够沿管道内壁行走的机械装置，可以通过计算机控制或人工操作进行一系列的管道检修任务。为了解管道机器人领域的发展现状和趋势，促进管道机器人技术的进步，本文对国外和国内专利申请的态势和总体情况进行了分析，以期为我国相关企业的知识产权战略保护提供专利信息。 本文在中国专利文摘数据库CNABS及德温特世界数据专利库DWPI中进行了检索和统计分析。经过初步检索，CNABS数据库中截止2017年5月24日公开的管道机器人领域专利申请总量为2170件，DWPI数据库中截止2017年5月24日公开的外文管道机器人领域专利申请总量为2224件。 2.管道机器人技术构成 根据管道机器人在管道中运动的动力源及运动可控性，将其运动方式分为蠕动式、轮式、介质压差驱动式（PIG）三种。 蠕动式、轮式管道机器人具备自主行走能力，运动速度和方向可控，自身携带检测和维护仪器，可开展各种检测和维护作业，是目前管道检测机器人研究的主要发展方向。蠕动式管道机器人是模仿昆虫在地面爬行时蠕动前进与后退的动作而设计，机器人通过身体伸缩来运动。轮式行走具有结构简单、行走连续平稳、速度快、行走效率高、易于控制等优点。介质压差驱动式依靠管内输送介质的压力差来提供行走的动力，它可同时进行输油管道内径的检测及管道内壁的清理，目前广泛应用于油气管道的检测。 3.管道机器人专利情况分析 3.1 全球申请量发展趋势分析
注：1）2008年春季讲课用；2）带下划线的黑体字为板书内容；3）公式及带波浪线的部分为必讲内容第3章工业机器人静力学及动力学分析 3.1 引言 在第2章中，我们只讨论了工业机器人的位移关系，还未涉及到力、速度、加速度。由理论力学的知识我们知道，动力学研究的是物体的运动和受力之间的关系。要对工业机器人进行合理的设计与性能分析，在使用中实现动态性能良好的实时控制，就需要对工业机器人的动力学进行分析。在本章中，我们将介绍工业机器人在实际作业中遇到的静力学和动力学问题，为以后“工业机器人控制”等章的学习打下一个基础。 在后面的叙述中，我们所说的力或力矩都是“广义的”，包括力和力矩。 工业机器人作业时，在工业机器人与环境之间存在着相互作用力。外界对手部（或末端操作器）的作用力将导致各关节产生相应的作用力。假定工业机器人各关节“锁住”，关节的“锁定用”力与外界环境施加给手部的作用力取得静力学平衡。工业机器人静力学就是分析手部上的作用力与各关节“锁定用”力之间的平衡关系，从而根据外界环境在手部上的作用力求出各关节的“锁定用”力，或者根据已知的关节驱动力求解出手部的输出力。 关节的驱动力与手部施加的力之间的关系是工业机器人操作臂力控制的基础，也是利用达朗贝尔原理解决工业机器人动力学问题的基础。 工业机器人动力学问题有两类：(1)动力学正问题——已知关节的驱动力，求工业机器人系统相应的运动参数，包括关节位移、速度和加速度。(2)动力学逆问题——已知运动轨迹点上的关节位移、速度和加速度，求出相应的关节力矩。 研究工业机器人动力学的目的是多方面的。动力学正问题对工业机器人运动仿真是非常有用的。动力学逆问题对实现工业机器人实时控制是相当有用的。利用动力学模型，实现最优控制，以期达到良好的动态性能和最优指标。 工业机器人动力学模型主要用于工业机器人的设计和离线编程。在设计中需根据连杆质量、运动学和动力学参数，传动机构特征和负载大小进行动态仿真，对其性能进行分析，从而决定工业机器人的结构参数和传动方案，验算设计方案的合理性和可行性。在离线编程时，为了估计工业机器人高速运动引起的动载荷和路径偏差，要进行路径控制仿真和动态模型的仿真。这些都必须以工业机器人动力学模型为基础。 工业机器人是一个非线性的复杂的动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间。因此，简化求解过程，最大限度地减少工业机器人动力学在线计算的时间是一个受到关注的研究课题。 在这一章里，我们将首先讨论与工业机器人速度和静力学有关的雅可比矩阵，然后介绍工业机器人的静力学问题和动力学问题。
实验（4)机器人机器人静力学与雅克比实验 一、实验目得： 1）理解机器人角速度得相关概念; 2）对构建得机器人进行速度分析; 3）了解与熟悉机器人雅克比矩阵得含义， 4）能够使用simulｉnk构建机器人仿真模型． 二、雅克比矩阵 图1 机器人雅克比矩阵 在机器人学中，通常使用雅克比将关节速度与操作臂末端得笛卡尔速度联系起来: 在maｔlａｂ工具箱中，求取机器人雅克比矩阵函数为， Ｊ = p560、jａcｏb０(qｒ) ，其中p560为机器人名。 逆雅克比矩阵： 分析雅克比矩阵: 其中，
在maｔlａb工具相中对应函数为, 推导可得, 变换为, 简化模型化为， 在ｍａtlａb工具箱中，对应得RPY得雅克比速度映射函数, 该函数为从RＰY角速度到角速度得雅克比变换函数.即上式中得。 在ｍaｔlab工具箱中,对应得ZYZ欧拉角得雅克比速度映射函数， >> eｕl2jaｃ(０、1,0、2，0、3） ans ＝ 0 —0、09980、19７7 0 0、9950 ０、0198 1、００00０0、9801 对应书中p１１3页中公式（5-41与5－42). 综上可得到解析型雅克比, 三、基于sｉmｕliｎk得机器人仿真模型建立,要求机器人末端以一定得速度运行。
simulink/Math Operations simulink/Sources DSP System Toolbox/Math
图机器人库 图关节伺服单元(joinｔsｅrvｏ)与常量所在库
图输出（out)与matlab自定义函数库（matlab fｕnｃtion) 图矩阵多通道库 各模块得参数设置如下图:
作者：空青山 作品编号：89964445889663Gd53022257782215002 时间：2020.12.13 智能机器人的现状及其发展趋势 摘要：本文扼要地介绍了智能机器人技术的发展现状，以及世界各国智能机器人的发展水平，然后介绍了智能机器人的分类，从几个典型的方面介绍了智能机器人在各行各业的广泛应用，讨论了智能机器人的发展趋势以及对未来技术的展望，最后提出了自己的建议和设想，分析我国在智能机器人方面发展并提出期望。 关键词：智能机器人；发展现状；应用；趋势 The status and trends of intellectual robot Abstract: This paper briefly discusses the development, status of intellectual robot, development of intellectual robot in many countries. And then it presents the categories of intellectual robot, talks about the extensive applications in all works of life from several typical aspects and trends of intellectual robot. After that, it puts forward prospects for future technology, suggestion and a tentative idea of myself, and analyses the development of intellectual robot in China. Finally, it raises expectations of intellectual robot in China. Key words: intellectual robot; development status; application; trend 1 引言 机器人是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机，或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。智能机器人则是一个在感知- 思维- 效应方面全面模拟人的机器系统，外形不一定像人。它是人工智能技术的综合试验场，可以全
目录 1引言 (3) 1.1 论文背景、意义及要求 (3) 1.2 国外、国内研究概况 (4) 1.3 市场需求预测 (6) 1.4 设计的重点与难点 (6) 2 机器人行走机构的设计 (7) 2.1空调管道系统介绍及清洗原理 (7) 2.2 机器人移动载体方案设计 (8) 2.2.1 总体方案设计 (8) 2.2.2 传动方案的设计 (9) 2.3张紧机构的设计 (11) 3. 具体设计计算 (12) 3.1 移动载体传动计算 (12) 3.1.1 左右驱动轮传动计算 (12) 3.1.2 后万向轮传动计算 (20) 3.2张紧启动系统的设计计算 (24) 3.2.1气缸的选择 (24) 3.2.2启动辅助元件和回路的选择设计 (26) 3.3 传动齿轮﹑蜗轮蜗杆的尺寸计算 (27) 3.4 轴的设计﹑计算和校核 (27) 3.5 轴承的寿命计算 (32) 4 机器人转弯时的管道通过性分析 (33) 4.1 管道机器人在水平直角弯管的通过性分析 (33) 4.2 管道机器人在矩形管水平圆弧形弯头的通过性分析 (35) 5 结构设计 (36)
1 引言 1.1 论文背景、意义及要求 清洁机器人作为服务机器人领域中的一个新产品,尽管目前国内在这方面的研究开发方面已经取得一定的成果, 但是仍有许多关键技术问题需要解决或提高, 行走机构就是其中的一个比较重要的技术。有的可在房间内随机移动，但要求有一定的动力和对地面有足够大的摩擦。事实上，虽然有一些公司推出了一些样品或产品，但却不能达到满意程度：清洁效果不佳，遍历时间长。随着当今社会的发展，空调通风系统在日常生活中发挥着越来越重要的作用。中央空调系统主宰着楼宇中空气的新陈代谢，被称为“建筑物之肺”。中央空调管道在长期使用中会积累许多灰尘、病菌及放射物等，这些有害物质在送风过程中便污染了空气，长期被人体吸入，就会危害大众的健康。因此人们在迫切要求提高生活质量的同时，要求提高工作居住场所及其他公共场所环境质量(特别是空气质量)的呼声也越来越急切。 国外发达国家由于很早以前便应用了众多的中央空调系统，针对空气质量对人身健康的危害，国外民众有比较深刻的认识(1976年美国费城的军团菌大爆发，事后认定其传染源就是该市某会场内的中央空调)。国外卫生机构相继出台了较为严密的中央空调使用及清洗法规，如:美国国家风管清洗协会制定的行业标准《暖通空调系统的评估、清洗和修复标准}) C ACR2002版)和日本制定的《日本风道清洗协会技术标准》CI990版)及芬兰新颁布的法律要求宾馆、饭店、洗衣房、工业加工产生粉尘物质的通风系统，每年清洁一次;医院、学校等每5年一次。类似的法律可以预见将在世界各地实施。目前发达国家均成立有中央空调风管清洗协会，如:国际通风卫生评议会(TCVH)、美国风道清洗协会(NADCA ) 、欧洲风道清洗协会(EVHA)、英国风道清洗协会(HVCA)旧本风道清洗协会(JADCA)等，国外的集中空调的风道清洗己经形成了一个巨大的产业。 国内有超过500万个各类中央空调需要清洗保养，而且每年正在以10%的速度递增，这些中央空调大部分运行了20年以上却从未清洗。随着我国经济的发展，人们对室内空气质量所带来的危害越来越重视，尤其是2003年“非典”疫情的传播，已使人们对中央空调带来的疾病隐患有了相当深刻的认识。为了保障公众健康，2006年3月1日，卫生部制定并实施了《公共场所集中空调通风系统卫生管理办法》，中央空调的卫生问题得到了前所未有的关注，对空调管道进行定期清洗势在必行。
流量与管径、压力、流速的一般关系 一般工程上计算时，水管路，压力常见为，水在水管中流速在1--3米/秒，常取米/秒。 流量=管截面积X流速=管内径的平方X流速(立方米/小时)。 其中，管内径单位：mm ，流速单位：米/秒，饱和蒸汽的公式与水相同，只是流速一般取20--40米/秒。 水头损失计算Chezy 公式 Q ——断面水流量（m3/s） C ——Chezy糙率系数（m1/2/s） A ——断面面积（m2） R ——水力半径（m） S ——水力坡度（m/m） Darcy-Weisbach公式 h f——沿程水头损失（mm3/s）
f ——Darcy-Weisbach水头损失系数（无量纲） l ——管道长度（m） d ——管道内径（mm） v ——管道流速（m/s） g ——重力加速度（m/s2） 水力计算是输配水管道设计的核心，其实质就是在保证用户水量、水压安全的条件下，通过水力计算优化设计方案，选择合适的管材和确经济管径。输配水管道水力计算包含沿程水头损失和局部水头损失，而局部水头损失一般仅为沿程水头损失的5~10%，因此本文主要研究、探讨管道沿程水头损失的计算方法。管道常用沿程水头损失计算公式及适用条件 管道沿程水头损失是水流摩阻做功消耗的能量，不同的水流流态，遵循不同的规律，计算方法也不一样。输配水管道水流流态都处在紊流区，紊流区水流的阻力是水的粘滞力及水流速度与压强脉动的结果。紊流又根据阻力特征划分为水力光滑区、过渡区、粗糙区。管道沿程水头损失计算公式都有适用范围和条件，一般都以水流阻力特征区划分。 水流阻力特征区的判别方法，工程设计宜采用数值做为判别式，目前国内管道经常采用的沿程水头损失水力计算公式及相应的摩阻力系数，按照水流阻力特征区划分如表1。 沿程水头损失水力计算公式和摩阻系数表1
机器人行走结构的类型及特点 一、移动机器人行走机构概述 机器人行走机构按照其运动轨迹可分为固定式轨迹和无固定式轨迹两种。固定式轨迹主要用于工业机器人，它是对人类手臂动作和功能的模拟和扩展；无固定轨迹就是指具有移动功能的移动机器人，它是对人类行走功能的模拟和扩展。 移动机器人的行走结构形式主要有：车轮式移动结构；履带式移动结构；步行式移动结构。此外，还有步进式移动结构、蠕动式移动结构、混合式移动结构和蛇行式移动结构等，适合于各种特别的场合。 从移动机器人所处环境看，可以分为结构环境和非结构环境两类。 结构环境：移动环境是在轨道上（一维）和铺好的道路（二维）。在这种场合，就能利用车轮移动结构。 非结构环境：陆上二维、三维环境；海上、海中环境；空中宇宙环境等原有的自然环境。陆上建筑物的阶梯、电梯、间隙沟等。在这样的非结构环境领域，可参考自然界动物的移动机构，也可以利用人们开发履带，驱动器。例如：2足、4足、6足及多足等步行结构。 行走结构的设计对于移动机器人的工作效率有着至关重要的作用，选择适当、精巧的行走结构往往可以大大提高机器人的动作效率。这就需要我们熟悉和了解不同机器人行走结构的类型及特点。 二、三种常见的行走结构 1)车轮式移动结构 两车轮：像自行车只有两个车轮的结构。两车轮的速度、倾斜等物理量精度不高，因此进行机器人化，所需便宜、简单、可靠性高的传感器难以获得。此外，两轮车制动时以及低速运行时也极不稳定。 三轮车：三轮移动结构是车轮式机器人的基本移动结构，其结构是后轮用两轮独立驱动，前轮用小脚轮构成组合。这种结构的特点是结构组成简单，而且旋转半径可以从0到无限大，任意设定。但是他的旋转中心是在连接两驱动轴的连线上，所以旋转半径即使是0，旋转中心也与车体的中心不一致。 四轮车：四轮车的驱动结构和 运动基本上和三轮车相同。和 汽车一样，适合于高速行走， 稳定性也好。 一般情况下，车轮式行走结构 最适合平地行走，不能跨越高 度，不能爬楼梯。但现今也出 现特殊的轮式结构。 全方位移动车：在平面上移动的物 体可以实现前后、左右和自转3 个 自由度的运动.但如汽车等,可以前进、拐弯而不能横向移动就不是. 若具有完全的3 个自由
管内爬行机器人行走机构的设计 【摘要】随着管内检测爬行机器人技术的不断成熟，它在工业中的应用也越来越广，本文所设计的管内爬行机器人驱动机构，即管内步伐式行走机构，是在分析以往的轮式和履带式机器人的基础上设计的一种新型的管内爬行机器人行走机构。 【关键词】管内爬行机器人；步伐式；驱动机构 0.引言 目前工业管道系统已广泛应用于冶金、石油、化工及城市水暖供应等领域,因其工作环境非常恶劣,容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部潜在缺陷发展成破损而引起泄漏事故等，必须定期地对这些管道进行检修和维护，然而管道所处的环境往往是人力所限或人手不及,检修难度很大, 所以燃气管道管内探测是一项十分重要的实用化工程,关系到燃气的安全、合理地应用和管理。管道检测机器人（管内爬行机器人驱动机构）就是为满足该需要而产生的。 根据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，设计了机器人的行走机构，有效的解决了机器人在管道内的行走。 1.管内爬行机构总体设计 管内爬行机构主要由撑脚机构及其传动，牵引机构及传动，转向机构3部分组成：见图1所示： 该管内爬行机构的运动控制过程大致为：主、副电机不同时工作，分别控制其牵引机构和撑脚机构，并且镜面对称的两单元，其支撑脚同一时间径向所处状态相反，即前脚踩在管壁上时，后脚处在抬起状态；反之亦然。具体过程为通过副电机16带动齿轮与齿圈啮合旋转，齿圈背面的平面螺纹驱动滑杆沿滑道径向移动，从而实现支撑脚的转换。主电机1通过联轴器与丝杠连接，带动丝杠旋转，将丝杠的旋转运动转换为螺母的轴向移动，从而通过连杆机构拖动身躯和前后单元向前移动，另一部分的控制过程相同。上述动作是管内爬行机构的一个步进过程，循环执行步进过程机器人继续前进，实现管内的均匀连续行走。 2.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(见图1)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。 3.牵引机构及传动 牵引机构的作用是拖动机器人前进.牵引机构(见图1)由电机1、螺杆2、螺母5拨销4、拨杆7和支承杆9组成。当电机1带动螺杆转动时,螺母受拨杆的约束不能转动而沿螺杆轴向移动,固连其上的拨销4拨动拨杆7顺时针方向转动,由于脚靴12锁死在管壁上,支承杆9不能向后运动,拨杆7通过销6带动支架3及其
纯蒸汽管道： 纯蒸汽管道，具有良好的机械性能和绝热性能，通常情况下可耐高温120℃通过改性或与其它隔热材料组合可耐高温180℃，适用于各种冷、热水高低温管道的保温工程。 蒸汽管道管件的选择 首先, 蒸汽管路上不宜采用套筒补偿器, 此补偿器需不断更换填料, 维护量太大。第二, 不宜采用轴向型波纹补偿器。轴向型波纹补偿器安装在蒸汽管路上, 虽然外形美观, 维护量小, 但内压产生的推力太大, 造成土建工程造价增高, 只是在管径较粗, 建设空间狭窄的情况下才采用此类补偿器。第三, 在大多数情况下宜采用方型补偿器, 此类补偿器有以下优点:补偿量大、推力小, 无维护。 管道的防腐保温 管道防腐必须彻底除锈, 使管道露出金属光泽方可刷漆。刷漆表面应干燥, 禁止一面刷漆一面除锈, 油漆必须符合管道的环境, 防止因管道表面温度造成新刷漆脱落。关于保温材料的选择应遵循下列原则: (1) 材料的导热系数低; (2) 具有较高的耐热性, 不致由于温度急剧变化而丧失其原来的特性; (3) 材料密度小并具有一定的孔隙率; (4) 具有一定的机械强度。 蒸汽胶管:
蒸汽软管和普通工业软管一样，都有内胶、外胶和中间层组成。 常用内外胶材料为耐热、耐蒸气、耐臭氧紫外线和化学品性能卓越的EPDM材料制成，外胶水包带包裹。 组成： 蒸汽胶管是由内胶层，多层夹布缠绕层和外胶层组成。夹布吸引胶管是由内胶层，多层夹布缠绕层，螺旋钢丝增强层和外胶层组成。主要由耐液体的内胶层、中胶层、2或4或6层钢丝缠绕增强层、外胶层组成，内胶层具有使输送介质承受压力，保护钢丝不受侵蚀的作用，外胶层保护钢丝不受损伤，钢丝（φ0.3--2.0增强钢丝）层是骨架材料起增强作用。 蒸汽管径流量对照表: 可以按照《动力管道设计手册》中的方式计算。 计算公式是d（内径mm）=18.8*（Q/V）^0.5这里面Q是体积流量M3/h，V是流速m/s。 蒸汽管道管径计算 Dn=594.5 Dn--------管道内径mm；G---------介质质量流量t/h； -------介质比容m3 /kg；（查蒸汽表） ω-------介质流速m/s，常规30m/s 饱和蒸汽流速低压蒸汽<10kgf/cm2是15~20 m/s中压蒸汽10~40kgf/cm2是20~40 m/s高压蒸汽40~120kgf/cm2是
课程考试复习题及参考答案 机器人学导论 一、名词解释题： 1.自由度： 2.机器人工作载荷： 3.柔性手： 4.制动器失效抱闸： 5.机器人运动学： 6.机器人动力学： 7.虚功原理： 驱动： 9.电机无自转： 10.直流伺服电机的调节特性： 11.直流伺服电机的调速精度： 控制： 13.压电元件： 14.图像锐化： 15.隶属函数： 网络： 17.脱机编程： ： 二、简答题： 1.机器人学主要包含哪些研究内容？ 2.机器人常用的机身和臂部的配置型式有哪些？ 3.拉格朗日运动方程式的一般表示形式与各变量含义？ 4.机器人控制系统的基本单元有哪些？ 5.直流电机的额定值有哪些？ 6.常见的机器人外部传感器有哪些？ 7.简述脉冲回波式超声波传感器的工作原理。 8.机器人视觉的硬件系统由哪些部分组成？ 9.为什么要做图像的预处理？机器视觉常用的预处理步骤有哪些？ 10.请简述模糊控制器的组成及各组成部分的用途。 11.从描述操作命令的角度看，机器人编程语言可分为哪几类？ 12.仿人机器人的关键技术有哪些？ 三、论述题： 1.试论述机器人技术的发展趋势。 2.试论述精度、重复精度与分辨率之间的关系。 3.试论述轮式行走机构和足式行走机构的特点和各自适用的场合。 4.试论述机器人静力学、动力学、运动学的关系。 5.机器人单关节伺服控制中，位置反馈增益和速度反馈增益是如何确定的？ 6.试论述工业机器人的应用准则。 四、计算题：（需写出计算步骤，无计算步骤不能得分）： 1.已知点u的坐标为[7,3,2]T，对点u依次进行如下的变换：（1）绕z轴旋转90°得到点v；（2）绕 y轴旋转90°得到点w；（3）沿x轴平移4个单位，再沿y轴平移-3个单位，最后沿z轴平移7个单位得到点t。求u, v, w, t各点的齐次坐标。
机器人技术的新进展 一、国外机器人的最新进展 从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。下将按工业机器人和先进机器人两条 技术发展路线分述机器人的最新进展情况。 1．工业机器人 （1）机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。 （2）并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已 开发出了此类产品。 （3）控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程已实现实用化。 （4）传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产 品。 （5）网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus 总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专 用设备向标准化设备发展。 （6）可靠性：由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几冬天可以满足任何场合的需 求。 2．先进机器人 近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、
毕业设计（论文）开题报告 1 选题背景及其意义 行走机器人的技术研究是我国目前的热点，它综合了电子学、机械、自动控制、计算机软硬件、传感器、生物机械学、材料科学、模具、精密加工等多门学科。行走机器人的研究无疑对促进科技的发展和人类的进程有重大的现实意义，是当今科技的一种必然趋势，为机电产品的研究提供一种新的途径。特别是行走机器人技术的发展往往代表一个国家的科技实力和机电一体化的最新产品。 行走机器人是机器人学中的一个重要分支。关于行走机器人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式的和腿式的等；其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为；第三，必须考虑导航或路径规划。因此，行走机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。机器人的机械结构形式的选型和设计，应该根据实际需要进行。在机器人机构方面，应当结合机器人在各个领域及各种场合的应用，开展丰富而富有创造性的工作。对于行走机器人，研究能适应地上、地下、水中、空中、宇宙等作业环境的各种移动机构。当前，对足式步行机器人、履带式和特种机器人研究较多，但大多数仍处于实验阶段，而轮式移动机器人由于其控制简单，运动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展，从阿波罗登月计划中的月球车到美国最近推出的NASA 行星漫游计划中的六轮采样车，从西方各国正在加紧研制的战场巡逻机器人、侦察车到新近研制的管道清洗检测机器人，都有力地显示出行走机器人正在以其使用价值和广阔的应用前景而成为智能机器人发展的方向之一。因此这也是研究机器人的重要意义。 2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势） 2.1国内多足步行机器人的研究成果 1991年,上海交通大学马培荪等研制出JTUWM[1]系列四足步行机器人。JTUWM-III是模仿马等四足哺乳动物的腿外形制成,每条腿有3个自由度,由直流伺服电机分别驱动。在进行步态研究的基础上,通过对3个自由度的协调控制,可完成单腿在空间的移动。该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制系统, JTUWM-III以对角步态行走,脚底装有PVDF测力传感器,利用人工神经网络和模糊算法相结合,采用力和位置混合控制,实现了四足步行机器人JTUWM-III的慢速动态行走,极限步速为1.7 km/h[2]。为了提高步行速度,将弹性步行机构应用于该四足步行机器人,产生缓冲和储能效果[3]。 2000年,上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金SMA驱动的微型六足机器人
乐高机器人直线行走Newly compiled on November 23, 2020
简单的差速驱动装置 双差速驱动装置 制动转向装置 转向装置 三轮装置 同步驱动装置 其它结构 简介 灵活的思维造就出了许许多多的机器人，运动使创造物获得了生命，带来无限的乐趣，同时也对自己的创造力进行了挑战。大多数运动机器人都属于轮子型与腿型机器人。虽然轮子在光滑的表面很有效，但是在凹凸不平的地面上运动，腿提供了更有力的方式。 本章将概述最常用的轮型机器人结构，讨论它们的优缺点。请记住，在下面章节中介绍的底盘结构是为了突出显示它们的传动系统和连接情况，因此，在实际搭建中还需对此结构加固。 简单的差动装置 如果你根据LEGO Constructopedia中的描述已搭建出了一些模型，或者整合了第五章介绍的一些测试结构，那么你对差速装置的结构已经熟悉了。机器人具有很多优点（尤其具有简单性），至少在乐高的可移动机器人中常用到此结构。 差动装置由机器人两边两个平行的驱动轮构成，单独提供动力，另外有一个或多个轮脚（万向轮）用于支撑重量并不是没有作用（图）。注意我们称这个装置为差动装置是因为机器人的运动矢量是由两个独立部件产生的（它与差速齿轮没有关系，此装置上没有使用差速齿轮）。 当两个驱动轮以相同方向、相同速度转动时，机器人作直线运动。如果两个轮子转动速度相同，但方向相反时，机器人会绕着连接两轮线段的中心点旋转。根据轮子不同的转向，表列出了机器人的不同运动状态。 图简单差动装置 表轮子不同的旋转方向产生不同的运动状态
组合不同方向和速度，机器人可以做任意半径的旋转。因为它的灵活性、及原地旋转的功能成为许多工程的教学器具。另外，由于它很容易实现，所以乐高有一半以上的运动机器人属于此结构。 假如你想跟踪机器人的位置，那差动装置又是比较好的选择，仅仅需要简单的数学知识。（我们将在本书以后的章节中讨论） 这种结构只有一种弊端：它不能保证机器人笔直的运动，因为两个马达的功效总有差别，一个轮子会比另外一个轮子转动的快一点，因此使得机器人略微偏左或偏右。在某些应用中这中情况不会有问题，可以通过编程来避免，比如使机器人沿线走或在迷宫中寻找路线行走，但是让机器人在空地上走直线恐怕不行。 直线运动 使用简单差动装置有许多方法可以保持直线行走，最简便的方式是选择两个速度相近的马达。如果你有两个以上的马达，尽量找两个速度最匹配的马达，这种方式也不能确保机器人走直线，但至少能减小走偏的情况。 另一种简单的方法是通过软件调整速度。在第3章介绍过程序能控制每个马达的速度，在程序中选择最有效的能量等级直到合适为止，这种方法的问题在于机器人负载发生变化，两马达速度需重新调整。 使用传感器让机器人直线运动 让机器人直线运动的一种更有效果的方法是在系统中加入反馈装置。从而，根据外界的变化，使用传感器来控制和调整每一个马达的速度，这也是现实生活中大多数差动装置所具有的的结构。可以为每一个驱动轮附加计转器（测量轮子旋转次数）装置，以便在软件中控制马达功补偿两轮间的转速差。乐高角度传感器在此应用中可以作为首选。在每一个轮子上安装一个角度传感器并测量计数的差别，然后停止或降低较快的轮子以保持两个传感器的计数相同。同时还可以使用在第四章中介绍的方法。使用同样的传感器来探测障碍物，如果马达启动但轮子不转，可推断机器人被某物卡住了。另外你也可使用角度传感器实现精确角度定位。最后，角度传感器提供了最基本功能：使用odometry技术让机器人计算出自己的位置，对此我们在13章中作详细介绍。 使用齿轮让机器人直线运动 如果你只有一个角度传感器，可以使用驱动轮之间的速度差取代轮子的实际转速，回忆第四章中差速齿轮，你能使用它加或减。如果差动齿轮与驱动齿轮连在一起，它会把传动方式传递给另一个齿轮。当轮子以同速转动时差动齿轮将停止转动。 假如两轮的速度有任何的差别，差动齿轮的转动和它的方向将告知你哪一个轮子转速快。如图所示的结构，即使你没有角度传感器，也建议你搭建这种结构，因为此结构具有指导作用。我们省略了马达和其
引 言 在一般工业、核设施、石油天然气、军事装备等领域中，管道作为一种有效的物料输送手段而得到广泛的应用。为提高管道的寿命、防止泄漏等事故的发生，就必须对管道进行有效的检测维护，管道机器人为满足该需要而产生。管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。目前国内外管道机器人的研究成果已经很多，可是在微小管道、特殊管道（如变径管道、带有Ｕ型管的管道）进行检测、维修还刚起步，但是由于该类管道在各个领域的广泛应用，因此研发该类机器人极具吸引力。 管道机器人的驱动源大致有以下几种：微型电机、压电驱动、形状记忆合金（ＳＭＡ）、气动驱动、磁致伸缩驱动、电磁转换驱动等。管道机器人按照驱动方式大致可以分为以下三种（如图一）： １）自驱动（自带动力源）；２）利用流体推力；３）通过弹性杆外加推力； １． 国内外管道微型机器人的发展近况 １．１ 自驱动管内机器人 自驱动管内机器人包括图１所示的轮式、脚式、爬行式、蠕动式，还包括履带式等。 １．１．１ 轮式 日本学者福田敏男、细贝英夫在１９８６年研制了可以通过“Ｌ”无圆弧过渡的管内移动机器人。该机器人行走机构分别由头部和本体两部分组成，头部和本体可相对回转。当机器人在直管内行走时，本体上的电动机Ｍ１通过减速装置带动本体上的驱动轮转动，使机器人沿直管行走。当通过９０度弯管时，电动机Ｍ２驱动头部做姿态调整，同时驱动头部履带，引导机器人通过弯管。该机器人的技术指标为：适应管径：φ５０ｍｍ；行走速度：８．１ｍｍ／ｓ；转弯性能：可以通过９０度直角弯管；机器人重量为：２４０ｇ；机器人长度：７６ｍｍ。 日本东芝公司于１９９７年研制了一台轮式管内移动机器人，前部带有一部微型ＣＣＤ摄像机，能分辨管内异物并用微型机械手实现清理。胶管联接可过 管道机器人的发展现状 □ 甘小明 徐滨士 董世运 张旭明 装甲兵工程学院 装备再制造技术国防科技重点实验室 ［摘 要］ 按管道机器人的驱动方式－－自带驱动力、利用管道内流体压力以及管外加推力的方式介绍了当前国内外的管道机器人的发展现状。指出研究工程应用中的特殊管道机器人具有很高的实用价值和学术价值。 ［关键词］ 管道， 机器人， 发展现状 [Abstract] Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｄｉｎｇ ，ｐｕｓｈｉｎｇ ａｎｄ ｓｅｌｆ－ｒｕｎｎｉｎｇ ｉｎ－ｐｉｐｅ ｒｏｂｏｔ ｆｏｒｍ ａｒｅ ｉｎｔｒｏ－ｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｏｄｅ ．Ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｅｓ ｏｆ ｉｎ－ｐｉｐｅ ｒｏｂｏｔ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ．Ｔｈｅ ｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｉｎ－ｐｉｐｅ ｒｏｂｏｔ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． [Key words] ｐｉｐｅ， ｒｏｂｏｔ， Ｔｈｅ ｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｔｈｅ－ａｒｔ ［作者介绍］甘小明：１９７１年，男，四川人，装甲兵工程学院硕士生，研究方向管道机器人。
第19卷第3期湖 北 工 学 院 学 报2004年6月 V ol.19N o.3 Journal of H ubei Polytechnic U niversity Jun.2004 [收稿日期]2004-03-01 [作者简介]段成龙(1980-),男,湖北武汉人,中国地质大学(武汉)硕士研究生,研究方向:机械设计及理论. [文章编号]1003-4684(2004)0620017202 行走机器人运动结构特性分析 段成龙,张 萌 (中国地质大学机械与电子工程学院,湖北武汉430074) [摘 要]介绍了行走机器人的发展、分类、结构和运动特性,并详细叙述了几种典型的机器人行走机构和特 点,最后介绍采用U G 设计软件对机器人结构设计的模拟仿真.[关键词]机器人;行走机构;仿真[中图分类号]TP24[文献标识码]:A 行走机器人是机器人学中的一个重要分支.关于行走机器人的研究涉及许多方面,首先,要考虑移动方式,可以是轮式的、履带式的和腿式的等.其次,必须考虑驱动器的控制,以使机器人达到期望的行为.第三,必须考虑导航或路径规划.因此,行走机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统. 1 行走机器人的结构设计技术发展现 状 机器人的机械结构形式的选型和设计,应该根据实际需要进行.在机器人机构方面,应当结合机器人在各个领域及各种场合的应用,开展丰富而富有创造性的工作.对于行走机器人,研究能适应地上、地下、水中、空中、宇宙等作业环境的各种移动机构. 当前,对足式步行机器人、履带式和特种机器人研究较多,但大多数仍处于实验阶段,而轮式移动机器人由于其控制简单,运动稳定和能源利用率高等特点,正在向实用化迅速发展,从阿波罗登月计划中的月球车到美国最近推出的NASA 行星漫游计划中的六轮采样车,从西方各国正在加紧研制的战场巡逻机器人、侦察车到新近研制的管道清洗检测机器人,都有力地显示出行走机器人正在以其使用价值和广阔的应用前景而成为智能机器人发展的方向之一. 2 几种行走机器人行走机构特点 2.1 轮式行走机器人 轮式行走机器人是机器人中应用最多的一种机 器人,滚轮由电机直接驱动,它一般是将具有独立驱动装置、换向装置和制动装置的滚轮安装在由电机驱动的腿结构的末端,这些机构和装置在增强了行走机器人可操作性能的同时,也增加了机器人的重量,一定程度上限制了其机动性能.图1所示机器人是一种特殊的轮式机器人从动轮式机器人 . 从动轮式机器人作为特殊的轮式机器人,其滚轮是作为从动轮,滚轮上无任何附加主动力,通过水平连杆、垂直连杆和滚轮的协调动作,利用滚轮受到的法向摩擦力远大于切向力的特点,可以使系统受到的摩擦力合力指向前方,产生机器人驱动力,驱动机器人运动.从动轮式机器人可实现多种运动姿态,其功能相当于万向轮式行走机器人,具有较大的灵活性[1]. 该机器人是由四个装有滚轮的机械腿和机器人本体构成.每个腿有水平连杆和垂直连杆构成,四个腿协调运动.每个机械腿分别有两个直流控制电机驱动.第一个电机控制水平连杆的前后摆动,另一个电机控制垂直连杆内外摆动.根据运动形式,确定四个腿的水平连杆的初始摆角,通过四个腿上的水平连杆和垂直连杆的协调动作,可以调节机器人所受合力的大小和方向,使机器人按要求的路径滑行.