管内爬行机器人行走机构的设计

爬行机器人步进行走系统硬件基础开发摘要:研究机器人体系结构的目的是简化机器人系统的设计和开发。

随着机器人控制和功能的日益复杂化,机器人体系已硬件结构的设计越来越受到重视,其中通过步进电机驱动器来控制系统行走机构是重点。

所以研究步进电机的控制系统,对提高机器人控制精度和响应速度具有重要意义。

关键词:STC89C52 步进电机ULN2003驱动1 设计方案本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制步进电机的控制系统。

本系统采用STC89C52作为控制单元,通过键盘实现对步进电机转动方向及转动速度的控制,并且将步进电机的转动用四个LED灯指示。

2 硬件选择目前常用的步进电机有三类如表1所示。

通常电机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场。

该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。

当定子的矢量磁场旋转一个角度。

转子也随着该磁场转一个角度。

每输入一个电脉冲,电动机转动一个角度前进一步。

它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。

改变绕组通电的顺序,电机就会反转。

所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

在本设计中采用常用的永磁式步进电机。

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K 在系统可编程Flash存储器。

使用高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。

在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

STC89C52具有以下标准功能:8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。

在本设计采用STC89C52单片机。

爬杆作业机器⼈设计摘要在市政⼯程中，有⼤量的安装及维修等⼯作需要爬杆作业。

对于较粗的杆件，⼈⼯攀爬和⼯程车作业都⽐较⽅便，但是对于⼀些直径较细，强度较⼩的杆件⽐如路灯杆等，⼈⼯攀爬较为困难。

因此本⽂设计了⼀爬杆机器⼈，可以在没有障碍的光杆上爬⾏，对⼈⼯攀爬较难的作业具有较⼤的现实意义。

本⽂设计的爬杆机器⼈由曲柄滑块机构、并联盘形凸轮机构、移动凸轮机构以及上下机械⼿⽖等组成，通过弹簧的预紧⼒来实现机器⼈⼿⽖对杆的抱紧，通过曲柄滑块机构、凸轮机构等实现攀爬动作，同时机器⼈只需⼀个驱动源就能带动整个机器⼈的运动，能攀爬变直径的杆，⼯作简单可靠，运动灵活，可以⼴泛应⽤于各种⾼空作业。

关键字：爬杆机器⼈，变直径杆，夹紧，攀爬ABSTRACTIn the municipal engineering, there are a large number of installation and repair work needed to climb rod operation, For the coarse bar,artificial climbing and vehicle operation is convenient, artificial climbing is difficultfor for some small diameter low strength member such as a road lamp pole,so this paper designs a pole climbing robot,which can crawl on no obstacle bar,it has great practical significance for artificial climbingThe pole climbing robot consist of songCrank slider mechanism, parallel plate cam mechanism.moving cam mechanism, the robot tight the wallHold by the spring pretightening force.so as to realize Climbing action. at the same time the robot can drive by a robot motion and at the same time all devices were designed perfectl. In this text.its mechanism electric control principle and various features .it can be widely applied to various kinds of high-altitude operation.Key words：pole-climbing robot，variable-diameter pole sepal，pole-climbing1绪论 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11.1研究⽬的 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11.2国内外研究现状 --------------------------------------------------------------------------------------------- 11.3研究内容 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 31.4设计要求 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 2爬杆作业机器⼈总体⽅案设计 ------------------------------------------------------------------------- 52.1机械⽅案设计------------------------------------------------------------------------------------------------- 52.2电⽓控制系统设计------------------------------------------------------------------------------------------ 72.3⼩结 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 3机械系统设计------------------------------------------------------------------------------------------------------- 93.1减速机构设计------------------------------------------------------------------------------------------------- 93.2曲柄滑块机构设计-----------------------------------------------------------------------------------------173.3凸轮机构的设计 --------------------------------------------------------------------------------------------233.4机械⼿⽖设计------------------------------------------------------------------------------------------------243.5电动机选择 ---------------------------------------------------------------------------------------------------26 4电⽓控制 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------284.1系统论述 -------------------------------------------------------------------------------------------------------284.2直流电机单元电路设计与分析-----------------------------------------------------------------------294.3直流电机PWM控制系统的实现-----------------------------------------------------------------------36 5结论与展望----------------------------------------------------------------------------------------------------------43 参考⽂献 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------44 致谢 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------451.1研究⽬的⽬前全国⽇益加快的现代化建设步伐随着我国经济的快速增长、⼈民⽣活⽔平⽇益不断提⾼，城镇中随之矗⽴起⽆数的⾼层建筑，各类集实⽤性与美观性⼀体的市政、商业⼯程诸如电灯杆、路灯杆、⼤桥斜拉钢索、⼴告牌⽴柱等，它们的直径通常在5—30⽶，有的甚⾄⾼达百⽶，壁⾯多采⽤油漆、电镀、玻璃铜结构等，由于常年裸露在⼤⽓之中，风沙长年累⽉的积累会因此⽽形成灰尘层，酸类物质污染从⽽影响城市的美观，同时空⽓中混合的酸性物质也会对这些城市建筑特别是⾦属杆件造成损坏，加快它们的⽣锈过程，并缩短它们的使⽤寿命，因此需要定期进⾏壁⾯维护⼯作。

来稿日期：2012-03-30基金项目：青岛市科技支撑计划项目（09-1-1-60-nsh ）作者简介：王吉岱（1961年），男，硕士，教授，研究领域：机械电子工程和机器人技术1引言爬壁机器人（Wall-Climbing Robots ）代替人工进行危险、复杂的高空作业已成为一种趋势，越来越多的行业正在引进爬壁机器人技术进行高空高危作业。

对于压力容器壁面检测机器人，永磁吸附爬壁机器人因其吸附稳定可靠，逐渐被大量采用。

目前，永磁吸附爬壁机器人多采用镶嵌有矩形永磁体的履带式行走方式和在本体腹部安装有永磁体，进行间隙吸附的轮式行走方式。

其中，履带式爬壁机器人质量较大，镶嵌于履带上的永磁体只能循环使用，磁吸附力过于分散，造成机器人转弯困难并且容易倾覆[3]；对于采用间隙永磁吸附的爬壁机器人，参考文献[1]表明由于存在间隙，吸附力不够稳定可靠，而且间隙细小的变动会导致吸附力剧烈变化。

因此，吸附高可靠性、行走高灵活性、质量轻量化成为当前爬壁机器人的发展方向。

针对永磁吸附爬壁机器人的发展趋势，对罐壁检测爬行机器人的行走吸附机构进行了创新设计，机器人在具有较强吸附力的同时，能够灵活的行走与转向，以满足壁面检测的要求。

2机器人行走吸附机构总体设计罐壁检测爬行机器人的行走吸附机构主要是由主动永磁轮机构、万向永磁轮机构、驱动系统及底盘等组成，结构为中心对称，整体尺寸为：（400×260×242）mm 。

行走吸附机构的平面示意图，如图1所示。

12345671.同步带轮2.底盘3.万向辅助永磁轮4.检测机构5.直流伺服电机6.主动永磁轮7.蜗轮蜗杆减速机图1爬壁机器人行走吸附机构示意图Fig.1The Structure Diagram of Wall-Climbing Robot新型罐壁检测爬行机器人的行走吸附机构设计王吉岱，孔辉，陈广庆，闫磊（山东科技大学，山东青岛266590）摘要：在研究磁路的基础上，提出了一种新型的轮式罐壁检测爬行机器人行走吸附机构，设计了新型的永磁轮，对磁路设计的合理性进行了研究和仿真分析，选择了永磁材料，并在永磁轮的基础上设计了万向永磁轮机构；设计了爬壁机器人的驱动系统，选择了传动方式和关键驱动部件。

机器人行走机构原理机器人行走机构是指用于控制机器人移动和行走的结构和装置。

它是实现机器人在不同环境中自由移动和执行任务的关键部件。

机器人行走机构的设计和原理直接影响着机器人的稳定性、速度、灵活性和适应性。

1. 基本概念在探讨机器人行走机构的原理之前，先来了解一些基本概念：•步态（Gait）：指机器人在运动过程中，支撑腿与摆动腿之间的相对运动规律。

不同步态适用于不同环境和任务需求。

•支撑腿（Support Leg）：指在行走过程中用于支撑和稳定身体的腿。

•摆动腿（Swing Leg）：指在行走过程中用于推进身体向前移动的腿。

•步态周期（Gait Cycle）：指完成一次完整步态所需要的时间。

•步幅（Stride Length）：指每一步前进的距离。

2. 行走方式2.1. 轮式行走轮式行走是最常见且简单的行走方式之一。

它使用轮子作为机器人的运动部件，通过控制轮子的转动来实现机器人的行走。

轮式行走机构可以分为两种类型：差速驱动和全向驱动。

2.1.1. 差速驱动差速驱动是指通过控制左右两侧轮子的转速差异来实现机器人的转弯和定位。

当左右两侧轮子转速相等时，机器人直线行走；当两侧轮子转速不等时，机器人会产生转向力矩，从而实现转弯。

差速驱动的优点是结构简单、成本低廉，适用于平坦且无障碍物的环境。

然而，它在不同地面上的摩擦力变化较大时容易出现滑移现象，并且在越野或不平坦地形上表现较差。

2.1.2. 全向驱动全向驱动是指通过控制多个轮子（通常是三个或四个）以不同方向和速度旋转来实现机器人的任意方向移动。

全向驱动可以通过组合直线运动和旋转运动来实现复杂路径的行走。

全向驱动的优点是机器人具有更好的机动性和灵活性，能够在狭窄空间中进行精确移动和定位。

然而，全向驱动的结构复杂、成本较高，并且对地面摩擦力要求较高。

2.2. 腿式行走腿式行走是模仿生物行走方式的一种机器人行走方式。

它使用类似于生物的腿部结构来实现机器人的行走。

一.设计目的：机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸以及润滑方式等进行构思、分析和计算，并将其转化为制造依据的工作过程。

、机械结构的构思与设计是机械产品生产的首要环节，是决定机械产品性能的最主要环节，通过这一课程设计我们可以学会综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题的能力，让我们在了解机械运动的变换与传递及力传递的过程中，对机械的运动、动力分析与设计有一个较完整的概念；在这一过程中也使我们的运算、绘图、运用计算机和技术资料的能力和表达、归纳、总结和独立思考与分析的能力得到锻炼与进步。

二.设计任务及要求：我所设计的是类螃蟹状横向行走（爬行）的爬杆机构，但其本质运动机理是模仿尺蠖的屈伸爬行运动。

如下方示意图所示，整个机器由上下两组对称的连杆滑块机构组成，始末两端各装载一个相同的电动机，为整个机器提供动力，与要爬竖直杆的三个接触处各装置一个采用常见的梯形空腔、钢球结构的自锁套，可以在自锁套有下滑趋势时效地阻止其下滑动作，两条腿（连杆机构组合）与腹部（中部自锁套）交替运动以实现整个机器人的向上攀爬。

是，需要考虑两个自由度，因此在设计时需要考虑两条腿（连杆组合机构）的动作的高度协调，因此在设计中，应首先确定机器运动的机构原理，并获得所爬行竖杆相关数据，以便制定好机构的各个参数，再查阅相关资料，精确计算机构的各个运动状态，最终确定设计方案的详细内容并完成设计说明书。

三．机械机构简图自由度计算01：n1=18，p1=26； 02：n2=17，p1’=25,； F1=3*n1-2*p1=2 F2=3*n2-2*p1’=2四.运动方案设计 1．运动预期机理：本机构以靠两组尺蠖状连杆滑块组合与腹部交替运动来达到整体的攀爬动作，即依靠分布在机构始末两端的两个电动机对相连的曲柄分别施加绕顶轴转动的主动力，使两个曲柄在各自相应的状态下，带动连杆滑块的运动，通过二者的配合来达到整体的协调运动，具体功能运动方案将在接下来叙述。

摘要在石油管道中存在管道环焊缝不能处理的情况，严重影响了管道的寿命。

单节管道的腐蚀直接影响整个管道的运输。

因此，管道机器人在管道焊缝处理方面有很好的前景。

在轮式机器人的基础上，设计开发了一种新的管内移动机器人行走机构．机器人的3组驱动轮沿圆周方向成120°均匀分布，3个驱动电动机通过齿轮副直接驱动3组驱动轮，调节电动机通过新型的丝杠螺母副和压力传感器使3组驱动轮始终以稳定的正压力紧贴在管道内壁，使机器人具有充裕并且稳定的牵引力．对各个零件都做了详细的分析设计。

使该机器人机构紧凑，工作可靠，适用于管径为 400～600 mm 的管道。

使管道机器人的牵引力达到1470N。

移动速度达到83.33m/min。

满足了管道机器人的牵引力及速度的要求。

关键词：石油管道；行走设计；适应管径；驱动原理AbstractExisting in the pipeline oil pipeline of possible girth weld can't handle, and this seriously influences the pipe life single quarter pipe directly affected the whole pipeline Transportation, therefore, the transportation in pipe welds processing pipeline robot has a good prospect.This paper introduces the design of a carry pipe welds processing device for oil pipeline adapt to the diameter of in-pipe robot400~600mm walk to a new design of the device the diameter of screw nut pair way to make adjustment to the pipeline robot to 1470N traction movement speed 83.33 m/min satisfy the pipe robots traction and speed requirements.This paper introduces the oil pipeline robot structure and working principle. Puts forward new screw nut pair diameter of institutions, to use is to screw rotation nut mobile way. Design the abrasion resistance calculation, screw strength calculation and screw stability calculation. And designed a gear parts design related. Analyses the stress of the stem. Designed with gear drive way directly, first according to gear surface contact fatigue strength design and calculation, and then checked for fatigue broken teeth tooth root bending fatigue strength. In this process also involves gear axle design and axle, gears connect the design of the key and motor choice.KeyWords：Oil pipeline; Walk design; Adapt diameter; Driving principle目录摘要 ............................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... II 1 绪论 (1)1.1管道机器人概述 (1)1.2 管道机器人的发展现状 (1)1.2.1管道机器人的国外发展现状 (1)1.2.2管道机器人的国内发展现状 (2)1.3研究的主要内容 (2)1.4设计要达到的要求 (2)2 现有工作装置的行走原理 (3)2.1 实现管内行走的基本条件 (3)2.2不同移动方案的分析与比较 (3)2.2.1履带驱动 (3)2.2.2直进轮式微型管道机器人的移动机构 (4)2.2.3蠕动驱动管道机器人 (5)2.2.4螺旋推进管道机器人 (6)2.2.5足式管道机器人 (6)2.3移动方案的确定 (7)3 管道机器人适应管径的原理 (8)3.1适应管径变化的三种调节机构 (8)3.1.1蜗轮蜗杆调节方式 (8)3.1.2升降机调节方式 (9)3.1.3滚珠丝杠螺母副调节方式 (9)3.2新型的丝杠螺母调节机构 (10)4 丝杠螺母调节机构的总体设计 (12)4.1丝杠上螺母与驱动轮压力的关系 (12)4.2 BK杆上的力的计算 (13)4.3机器人弯道通过性分析 (14)4.4机器人调节机构的杆长分析 (15)4.5调节机构的杆长及参数的计算 (16)4.6正压力N的计算 (18)4.6.1机器人重量 (18)4.6.2机器人速度与加速度 (18)4.6.3机器人的驱动轮与管道内壁正压力的计算 (18)4.7计算丝杠上的力 (18)5 丝杠设计 (19)5.1 螺旋传动 (19)5.2螺旋传动的特点 (19)5.3螺杆的设计 (19)5.3.1 螺距p的确定 (20)5.3.2 螺杆公称直径d的确定 (20)5.3.3 螺杆长度的确定 (20)5.3.4螺杆的传动效率的确定 (20)5.4 螺杆的各项参数的确定 (20)5.4.1 耐磨性计算 (20)5.4.2螺纹的强度校核 (22)5.4.3螺杆的强度校核 (23)5.4.4螺杆稳定性的校核 (23)5.5丝杠上扭矩的确定 (24)6 螺旋传动的电机的选择 (25)6.1步进电机的特点 (25)6.2步进电机规格的选择 (25)6.3选择具体使用的电机 (26)7弹簧的设计 (27)7.1弹簧的设计 (27)7.1.1选择弹簧材料 (27)7.1.2计算曲度系数K (27)7.1.3计算弹簧中径D (27)27.1.4求所需弹簧的圈数n (27)7.2验算稳定性 (28)7.2.1取弹簧节距t (28)7.2.2计算弹簧的自由高度H (28)7.2.3判断弹簧稳定性 (28)7.3计算单根丝杠的长度 (28)8 驱动的原理 (29)8.1驱动电机的选择 (29)8.2移动载体方式有 (29)8.2.1单驱动管内移动载体 (29)8.2.2双驱动管内移动载体 (30)8.2.3三驱动管内移动载体 (30)8.3传动比的确定 (31)8.4小齿轮的设计及校核 (31)8.4.1选择齿轮材料及其热处理并确定初步参数 (31)8.4.2按齿面接触疲劳强度设计齿轮的主要参数 (32)8.4.3校核齿根弯曲疲劳强度 (33)9具体驱动电机的选择 (35)10 其他零件的选择 (36)10.1电机与齿轮之间的键的设计 (36)10.2电池的选择 (36)10.3丝杠与步进电机连接的联轴器的选择 (36)10.4驱动轮的选择 (37)10.5丝杠上轴承设计 (37)10.6 支撑滑动杆的导轨设计 (38)总结 (40)参考文献 (41)致谢 (43)附录A装配图 (44)1 绪论1.1管道机器人概述管道机器人是一种可沿管道内部或外部移动，携带一种或多种传感器及操作器（如CCD摄像机、位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道裂纹及管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、简单的操作机械手等），在操作人员的遥控操作或计算机的自动控制下，能够进行一系列管道作业的机电一体化系统。

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。