管道机器人毕业设计

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1、 设计内容 主要结论 第一章 概述 1. 1 机器人概述 机器人----这一词最早使用始于1920年至1930年期间在捷克作家凯勒尔*凯佩克（Karel capek）的名为"罗莎姆的万能机器人"的幻想剧中，一些小的人造的和拟人的傀儡绝对地服从其主人的命令。这些傀儡被称为“机器人”。该单词起源于捷克语“robota”。意思是“强制的劳动”。 机器人的组成与人类相似。举例说，人搬运某一物体的运动过程可用图（a）所示的方块图来说明。首先，人听到外部的命令或用眼睛看到外部

2、的指令，并由眼睛测量出距离。感受到这两种信息经过感觉神经送到大脑中，大脑经过分析计算，然后通过运动神经发出指令，手臂用最好的方式伸向物体，并将物体抓住，手上的感觉神经，感觉物体已经抓牢了，把信息传给大脑。大脑命令手抓起物体，同时指令脚移动到所要求到达的地点，最后放下物体。一般包括以下几个部分见图（b）： 1.控制中枢（相当于人的大脑）； 2.操作装置（相当于人的手）； 3.行走装置（相当于人的脚）； 4.有感觉的机器人还必须有感觉装置以及与外界环境联系的装置（相当于人的口、耳、眼、鼻以及皮肤上的感觉

3、神经）。 实际的机器人在不同的程度上具有两种特有的属性：对环境的通用性和自动适应性。①通用性：具有完成各种任务以及以不同的方式完成相同的结构或机械能力。这意味着机器人的机械结构具有可变的机械形状。②自动适应性： 是指一个机器人必须被设计成由其自己去完成任务，尽管难以预知，但却可以有限的知道在完成任务期间环境的变化，通过改变路径、姿态等来处理所面对的问题，最终完成任务。为了对机器人进行分类，必须能够定义和区分不同的类型，因此根据不同的定义就有不同的分类方法。现在使用的有很多种。以下介绍日本工业机器人协会（JIRA）的分类方法： 第一类：手工操作装置：一种由

4、操作人员操作的具有若干个自由度（DOF）的装置； 第二类：固定程序的机器人：依照预定的不变的方法按部就班执行任务的操作装置，对任务的执行顺序很难进行修改； 第三类：可变程序的机器人：与第二类是同一种类型的操作装置，但其执行步骤可以修改； 第四类：再现式机器人：操作人员通过手动方式引导或控制机器人完成任务，而机器人控制装置则记录其运动轨迹，需要时可以重新调出记录的轨迹信 息，机器人就能以自动的方式完成任务； 第五类：数值控制机器人：由操作人员给机器人提供运动程序，而不是用手动方式教导机器人完成指定的作业

5、任务； 第六类：智能机器人:通过对环境变化的感知，改变其运动轨迹、姿态等措施圆满的完成任务。 机器人的诞生和机器人学的建立无疑是20世纪人类科学技术的重大成就。自60年代初机器人问世以来，作为20世纪人类最伟大发明之一的机器人技术，经历了近半个世纪的发展，已取得了长足的进步。特别是到了20世纪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。除了用于工业生产中从事焊接、喷漆、搬运和装配等作业的工业机器人的水平不断提高之外，各种用于非制造业的特种、智能机器人系统也有了长足的进展。工业机器人在经历了诞生－成长－成熟期后，已成为现代先进制造业中必不可少的核心

6、装备，当今世界上约有上百万台工业机器人正与工人朋友并肩战斗在各条战线上。非制造业中的仿人性机器人、农业机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人、服务机器人等各种用途的特种机器人也正以飞快的速度向实用化迈进。 1.2 管道机器人概述 20世纪70年代以来, 石油、化工、天然气及核工业等产业迅速发展, 各种管道作为一种重要的物料输送设施, 得到了广泛应用。由于腐蚀、重压等作用, 管道不可避免地会出现漏孔、裂纹等现象。同时多数管道安装环境人们不能直接到达或不允许人们直接进入, 为进行质量检测和故障诊断, 采用传统的全面挖掘法、随机抽样法工程量大, 准确率低, 管道机器人就

7、是为解决这一实际问 题产生的。它是由可沿管道内部或外部自动行走装置、携有一种或多种传感器及操作装置如：机械手、喷枪、焊枪、刷子。管道机器人的工作空间是复杂、封闭的各种管道, 包括水平直管、各角度弯管、斜坡管、垂直管以及变径管接口等, 所以需要在操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。管道机器人可完成的管道作业有以下几类： 1.生产、安装过程中的管内外质量检测。 2.恶劣环境下管道清扫、喷涂、焊接、内部抛光等维护。 3.使用过程中焊缝情况、表面腐蚀、裂缝破

8、损等故障诊断。 4.对埋地旧管道的修复。 5.管道内外器材运送、抢救等其它用用途。 1.3 国内外管道机器人的发展 1.3.1 国内管道机器人的发展 国内在管道机器人方面的研究起步较晚, 而且多数停留在实验室阶段。哈尔滨工业大学邓宗全教授在国家“863”计划课题“X射线检测实时成像管道机器人的研制”的支持下, 开展了轮式行走方式的管道机器人研制, 实现了管内外机构同步运动作业无缆操作技术, 并研制了链式和钢带式两种新型管外旋转机构。该系统由六大部分组成 (1)移动载体 (2)视觉定位 (3)收放线装置 (4

9、)X射线机 (5)检测控制,系统控制 (6)防护系统 1----能源 2----控制系统 3----收放线装置 4----X射线控制 5----驱动装置 6----X射线机 7----视觉定位装置 8----防护罩 9----管道壁 上海交通大学研发了小口径管道内蠕动式移动机构。它是模仿昆虫在地面上爬行时蠕动前进与后退的动作设计的。其主要机构由撑脚机构、三个气缸（前气缸、中气缸、后气缸）、软轴、弹簧片、法兰盘组成

10、。针对微小空间、微小管道实时探测的要求，研制成电磁驱动微小型管道机器人样机。微小管道机器人由四个电磁驱动单元组成。其驱动机理模拟生物体的蠕动爬行。它是通过给线圈加一系列的时序脉冲进行控制，依次使各单元动作，达到蠕动爬行的运动。 西安交通大学设计制作了蠕动式微动直线自行走机构。这种行走机构以电致伸缩微位移器做驱动器，以电磁铁机构作为可吸附于行走表面的保持器。 广州工业大学借用仿生学原理，研制成结构独特的，像蠕虫一样的微管道机器人的运动由电磁力驱动。机器人由前后两个电磁线圈和前后两个驱动器组 成。当分别

11、通电时，机器人的两个驱动器相互吸合收缩。当后电磁线圈断电时，后部突然放松，由此产生的推力将机器人前部(前驱动器)向前推进一段距离；反向运动依次类推。 1.3.2 国外管道机器人的发展 国外关于燃气管道机器人的研究始于20世纪40年代, 由于70年代的微电子技术、计算机技术、自动化技术的发展, 管道检测机器人技术于90 年代初，得到了迅猛发展并接近于应用水平。 日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期, 70年代的实用期, 到80年代进入普及提高期, 开始在各个领域内广泛推广使用机器人。日本管道机器人众多, 东京工业大学于1993年开始研究管道机器人, 并且成功研制出Thes系列的机器人，以

12、下介绍Thes2Ⅲ型管道机器人：如图（1）所示, 其采用“电机- 蜗轮蜗杆- 驱动轮”的驱动方案, 同时每个驱动轮都有一个倾斜角度测量轮, 通过测量轮探测机器人的倾斜角度, 并反馈给电机从而保证管道机器人的驱动轮以垂直的姿态运动。该管道机器人系统通过CCD摄像头实现信息的采集, 整个系统采用拖缆控制方式, 检测距离超过100m。 美国是机器人的诞生地, 早在1962 年就研制出世界上第一台工业机器人, 是世界上的机器人强国之一, 其基础雄厚, 技术先进, 并有很多管道机器人产 品。美国Inuktun公司系列

13、管道检测机器人Versatrax是国外现有的已成型管道机器人。美国纽约煤气集团公司(NYGAS) 的DaphneDpZurko 和卡内基梅隆大学机器人技术学院的HagenSchempf博士在美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的资助下于2001年开发了长距离、无缆方式的管道机器人系统———EXLORER, 专门用于检测地下煤气管道的情况, 如图2 所示。 该管道机器人系列 EXLORER就有如下特征: ( 1) 一次作业检测距离长,采用无缆方式, 自带电池并且电池可以多次反复充电, 使管道机器人具有良好的自推进能力。( 2) 可以在铸铁和钢质煤气管道中, 低压和高压条件下工作。(3) 管道机

14、器人的彩色摄像头采用嵌入式“鱼眼”镜头, 结构非常紧凑。(4) 可以顺利通过90的弯管接头和垂直管道。( 5) 与外部操作人员采用无线通讯方式。( 6)该管道机器人可以探测煤气管道内部是否水渗透、碎片堆积; 可以确定管道内部缺陷的确切位置并且定位相应的作业装置; 采用视频图像的形式准确地反映管道内部的状况条件。 德国工业机器人的总数占世界第三位, 仅次于日本和美国。德国学者 Bernhard Klaassen、Hermann St2reich和Frank Kirchner等人在德国教育部的资助下于2000年

15、研制成功了多关节蠕虫式管道机器人系统———MAKRO。该机器人由六节单元组成, 其头部和尾部两个单元体完全相同, 每个单元之间的节点 由3个电动机驱动, 使得MAKRO可以抬起或者弯曲机器人个体, 从而可以轻松 越过障碍物或实现拐弯运动,该管道机器人系统MAKRO具有21 个自由度, 长度为2m, 质量为50kg, 采用无缆控制方式, MAKRO系统使用于直径为<300～<600mm的管道。加拿大INUKTUN公司的双履带式管内机器人行走机构, 履带采用刚性支承结构, 两履带的夹角可以调节, 以适应不同的作业管径。两履带调节到平行位置时, 可以在平地或矩形管道内行走。但这种刚性支承的双履带

16、式管内机器人行走机构的两履带夹角在行走过程中是无法改变的, 因此不适应管径变化的作业场合。Kawaguch等研制的管道检测机器人系统只适用于200mm的管道, 而且一次作业的检测距离不大于500m; Kuntze等采用四轮独立伺服驱动方案研制成管道检测机器人系统KARO, 该机器人系统只能实现对200mm管径的地下输水管道的检测, 一次检测距离为400m, 系统采用拖缆控制方式。 1.4 机器人的发展前景 展望21世纪机器人技术的发展趋势，明显地向着智能化（intellectualization）方向发展，包括机器人本身向智能机器人进化和实现机器人化（robotization）生产系统。具

17、体地说，传感型智能机器人发展较快，新型智能技术（如临场感、 虚拟现实、记忆材料、多智能体系统以及人工神经网络和专家系统等）在机器人上得到开发与应用，采用模块化设计技术，进一步推动机器人工程，注意开 发微型和小新机器人，重视研制行走机器人，研制应用于非结构环境下工作地非制造业机器人和服务机器人，开发敏捷制造系统，军用机器人将用于装配部队等。总的说来，虽然存在不少难关，甚至出现某些阴影，但新世纪机器人学 的发展前景是十分光明和充满希望。

18、 第二章 总体方案的制定及比较 2.1 管道机器人设计参数和技术指标 （1）管道机器人的工作环境 a．管道为金属冶炼厂烟气输送管道，管道为圆管，管道直径为φ700mm--φ1000mm，管道底部每周可形成厚约100mm的烟灰堆积层； b．烟灰密度3.5g/cm3 ； c．管道中有水平、小于30。倾斜，3倍管道直径弯曲三种形式； d．管道底部每隔50m有一可自动打开的清洁，供机器人倾倒垃圾； （2）管道机器人的技术要求 a. 机器人必须小巧、灵

19、活、拆卸方便； b．生产能力高，每小时清洁能力应在40m左右； c．机器人在工作过程中，其结构可适应应不同管径的变化情况； d．机器人自动化程度高，控制方便灵活； 2.2 总体结构的设计和比较 （1）行走机构的设计 根据国内外的管道机器人的移动方式大致可分为六种： ㈠活塞移动方式 ㈡滚轮移动方式 ㈢履带移动方式 ㈣足腿移动方式 ㈤蠕动移动方式 ㈥螺旋移动方式 其各有优缺点。以下分别介绍。 ㈠活塞移动式依靠其首尾两端管内流体形成的压差为驱动力，随着管内流 体的

20、流动向前运动，其原理类似于活塞在汽缸内的运动，即把管道看作汽缸， 把具有一定弹性和硬度的PIG看作活塞。其缺点是：越障能力和拐弯能力差。 ㈡滚轮移动式优点是移动速度快，转弯容易，结构简单，易小型化，采用多轮方式时牵引力随轮数增加而增加。缺点是着地面积小，维持一定的附着力较困难，这使得结构复杂，越障能力有限。 ㈢履带移动式的优点是着地面积大，易产生较大的附着力，对路面的适应性强，牵引性能好，越障能力强。缺点是体积大不易小型化，拐弯半径大，结构复杂，还要保持履带的张紧。 ㈣足腿移动式的优点是对粗糙路面适应性能较好，越障能力极强，可适应不同管径的变化。缺点是结构和控制复杂，行走速度慢。

21、 ㈤蠕动移动式的优点是适应微小管径，越障能力强。缺点是移动速度慢， 控制复杂。 ㈥螺旋移动式的优点是有一定的越障能力，可适应不同管径的变化，可在垂直管道中行进。缺点是结构复杂，移动速度慢，驱动力要求高。 根据设计参数和技术要求，所要研制的管道机器人必须要有高可靠性，高效率。所以采用上述行走机构的移动方式的组合来实现行走，这样可利用其综合优点避免单一移动方式的缺点。由于管道存在不同的弯管，这就要求机器人的行走机构有一定的拐弯能力和越障能力。所以，设计了一种如下页图所示的可伸缩的三只履带腿式（三只腿成120分布）组合行走机构。 其特点是：移动速度快、转弯比较容易、有较大牵引力、对粗糙路面

22、适应 性好、越障能力强；同时，可伸缩性使得机器人对变径管道有较好的自适应性。 （2）操作机构的设计 根据管道机器人的操作对象是一些堆积的灰尘，并且灰尘在管道底部堆积，同时成疏松状，所以操作机构有以下两种方案： ① 借鉴挖掘机的工作原理。利用铲斗铲起灰尘，然后行走到管道底部的垃圾开口，倾倒灰尘。这种方案简单，可靠；但是由于管道直径的限制，其铲斗的容积比较小，同时垃圾开口每隔50m才有一个开口，其大部分时间都在行走上，所以机器人的工作效率很低。

23、 ② 借鉴吸尘器的工作原理。利用带有操作臂的吸尘器的吸头，灰尘通过 吸尘管道到主体内部，设计箱体的容积比较大，最后，移动到垃圾开口处倾倒垃圾，从而减少在往返的次数来提高工作效率。 所以才用具有两个自由度的机械臂，臂末端附上吸尘器头，臂上附上塑料软管，软管最终以主体的垃圾箱密封连接。 （3）撑开机构的设计 由于管径的变化，需要撑开机构来适应管径的变化。在本机器人设计中，采用滚珠丝杠螺母副来和放大杆组来实现。其机构简图如下图所示： 1—基 座 2—放大杆组 3—撑开杆 4—丝 杠 5—丝杠螺

24、母 6—行走机构 1—基座 2—放大杆组 3—撑开杆 4—丝 杠 5—丝杠螺母 6—行走机构 当丝杠4旋转时，丝杠螺母5在丝杠上左右移动，从而拉动撑开杆3，撑开杆3铰接在放大杆组2上，从而改变其倾角来适应管径的变化。 （4）最终方案的确定 根据以上的分析和比较，最后得出最终方案。 设计的管道清洁机器人包括以下五部分： ㈠行走装置 （为整个行走提供动力）； ㈡撑开杆组 （适应管径的变化）； ㈢操作臂装置（操作臂包括吸尘器的操作部分和倾倒垃圾部

25、分）； ㈣信号采集装置（为控制提供信号和图像）； ㈤控制装置（控制管道清洁机器人行走和动作）。 ㈠行走装置 ㈡撑开杆组 ㈢操作臂装置 ㈣信号采集装置 ㈤控制装置 第三章 部件的设计和计算 3.1 管道机器人工作量计算 由于管道直径是变化的，变化范围为（700mm—1000mm），通过计算当管道直径为1000mm时，且堆积相对底部为100mm,如图下图所示；每50m最大的工作量Gmax： 其中 h=100mm，d=1000mm；

26、R=d/2=1000/2=500mm； a=R-h=500-100=400mm； mm 由于每隔50m才有一开口，所以总的工作量：4.079 又因为烟灰的密度为3.5g/cm3， h=100mm d=1000mm R=500mm 3.2 行走机构的设计和计算 （1）行走机构的驱动电机功率的预算 预取管道清洁机器人的容积为： ; ； 管道机器人在装满的情况下，受力图如左图所示：其中预取： =1470.6+400

27、 =1870.6N 由于履带是三组；成120分布；受到的是摩擦阻力; （其中μ是橡胶与钢之间的摩擦系数） =20.81870.6+0.8400 =3312.96N 取管道机器人的工作行程速度V为：V=0.5m/s （是有效功率） 由于是三组履带，所以每个履带的驱动电机至少为： W=3＝1656.483=552.16W 所以，选取电机的功率为800W;同时电机要能变速，才能在管道内转弯；所以 选择伺服电机，最终选择SGMAH-08A伺服电机（安川公司）。

28、 =1870.6N 3312.96N V=0.5m/s =1656.48W W=552.16W （2）行走机构结构设计 ①确定行走机构----履带的外形尺寸 由于管道直径最小时，D=700mm；同时总体方案中已经确定采用3组履带，相对来说比较狭小；所以行走机构尺寸不能太大。 首先，确定履带的宽度。由于履带的宽度较小，那么它的工作所提供的驱动力就会减小；而其宽度太大时，所受到的阻力就会很大。通过作图的方法，取履带的宽度为：=150mm。 其次，确定履带的长度。履带的长度

29、越长其转弯的灵活性就会受到影响。所以，履带的长度不能太长。所以其长度L为：L=580mm。 最后，确定履带的高度。履带的高度受到管道直径的限制，同时还受到撑开杆组的影响；由于撑开杆组要能在φ=700mm—1000mm范围内变化，所以杆长要达到给定的范围。通过对撑开杆组的设计，后最终确定高度H=175mm。 ②确定行走机构的结构 由于外形尺寸的限制，电机内置在履带组中，同时采用锥齿轮来换向，最后驱动履带轮。其结构图如下图所示： =150mm L=580mm H=175mm 结构总图 1—轴01

30、2—电机 3—小锥齿轮 4—驱动带轮 5—轴02 6—直齿轮01 7—直齿轮02 8—轴03 9—大锥齿轮 10—从动带轮 ③确定行走机构中的履带轮和履带轮 采用同步带的结构来设计履带。以下是同步带传动的优点： 1. 适用于两轴中心距较大传动，承载能力较大。 2. 带具有良好的弹性，可以缓冲、吸振，传动平稳，噪声小。 3. 结构简单，制造和维护较为方便，价格低廉。 首先，确定同步带的主要参数：（查机械设计手册13-42） 齿 形：梯 形 齿距制式：模数制 型 号：m7 节 距：=21.9

31、91mm 其次，设计带轮：（查机械设计手册13-50） (1)初选带轮的次数：； ⑵选择切削带轮齿形的刀具类型—切出直线齿廓的特别刀具； ⑶齿槽角：2φ=2β=40； ⑷节 距: =πm=mm； ⑸节圆直径:； ⑹模 数：； ⑺齿侧间隙：； =21.991mm 2φ=40 ⑻名义径向间隙：； ⑼径向间隙：； ⑽外圆直径：mm（其中δ=1.750）； ⑾外圆齿距：； ⑿外圆齿槽宽：； ⒀齿槽深：； ⒁

32、齿槽底宽：； ⒂齿根圆角半径： ； ⒃ ； 最后，设计履带：（查机械设计手册13-43） 由于采用同步带的结构来设计履带，同时履带用于特殊的工作环境，所以不能完全采用同步带的参数，根据具体的结构尺寸设计履带。 ⑴节 距：=21.991； ⑵齿形角：2β=40； ⑶齿根厚：σ=10.06 ； ⑷齿 高：=4.2 ； ⑸带 高： ； ⑹齿顶厚： ； ⑺节顶距：δ=1.750 ； ⑻带 宽： ； =116.5mm =21.529mm =11.06mm =8.036 =21.991 2β=40 σ=10.06

33、 =4.2 δ=1.750 ④确定大小锥齿轮参数（详细的设计过程见第五章） 整个行走装置里，锥齿轮的主要作用----换向，传递动力。同时考虑到其完全在行走装置内部，尺寸受到限制。根据以上的因素，设计大小锥齿轮的具体参数。 根据总体结构设计图，采用轴交角。齿轮类型为：直齿锥齿轮、齿形制为GB/T 12369—1990,齿形角为20、齿顶高系数=1、顶隙系数。（查机械设计手册14-200） 大锥齿轮的次数;小锥齿轮的次数。大小锥齿轮的具体参数分别如下：（查机械设计手册14-201） 大锥齿轮： ⑴法向模数： ； ⑵齿 数： ； ⑶法向齿形角： ⑷分度

34、圆直径： ⑸分度圆锥角： ⑹齿顶圆直径： =75+212.5 =78.044mm ⑺齿根圆直径： 大锥齿轮： 78.044mm 71.347mm =75-2（1+0.2）2.5 =71.347mm ⑻锥

35、 距： = =47.253mm ⑼齿顶角： = =31′43″ ⑽齿根角： = =347′1″ ⑾顶圆锥角： =+31′43″ =5533′9″ ⑿根圆锥角： =-347′1″ =4844′25″ ⒀齿 宽 ： b=25mm 47.253mm b=25mm 小锥齿轮： ⑴法向模数：； ⑵齿 数：； ⑶法向齿形角

36、： ⑷分度圆直径： ⑸分度圆锥角： ⑹齿顶圆直径： =57.5+212.5 =61.467mm ⑺齿根圆直径： =57.5-2（1+0.2）2.5 =52.54mm ⑻锥 距： = =47.253mm

37、⑼齿顶角： = =31′43″ 小锥齿轮： 57.5mm =61.467mm =52.54mm 47.253mm ⑽齿根角： = =347′1″ ⑾顶圆锥角： =+31′43″ = ⑿根圆锥角： =-347′1″ = ⒀齿 宽 ： b=25mm ⑤确定直齿轮的参数（详细的设计过程见第五章） 在整个行走装置中，直齿轮的作用，主要是传递动力。根据行走机构的结构和尺寸限制，同时为了减少零件的个数和降低成本，才用两个完全相同的直齿轮，齿

38、顶高系数=1、顶隙系数。齿数z=40，模数。其具体参数如下： ⑴分度圆直径： ⑵齿 顶 高： ⑶齿 根 高： =3.125 b=25mm =100mm =2.5 =3.125 ⑷全 齿 高：=2.5+3.125=5.625 ⑸齿顶圆直径： =100+22.5 =105mm ⑹齿根圆直径： =100-23.125 =93.75mm ⑺齿 厚： ⑻齿 根 宽： ⑼中 心 距： ⑽顶 隙： 3.3 撑开机构和放大杆组的设计

39、 撑开机构采用丝杠螺母和放大杆组的结合，来适应管径的变化。通过作图法来模拟最小（图a）、最大管径（图b）时的情况（在CAD中，按比例1：1）如下图所示： （图a） 5.625 105mm 图（b） 最后量出各杆件的长度： 撑开杆杆长：。 放大杆杆长：（由于在其之上安装了压力弹簧，其实际杆长为330—380mm）。 铰接处的位置：在放大杆

40、组90mm处。 3.4 操作臂的设计 操作臂包括吸尘器的操作臂和拉开卸料门的杆件机构。 ⑴吸尘器操作臂的设计 由于管道的管径是变化的，同时灰尘主要分布在管道底部，所以要求操作臂要能够适应管径的变化，不仅要在最小管径是能工作，也要在管径最大是也能正常的工作。根据这些要求，设计了具有两个平面自由度的杆件机构来实现。其结构如下页图（c）所示： 图（c） 其各个杆件的参数见零件图。其驱动电机采用Maxon的直流伺服电机。功 率为120W。

41、 ⑵卸料门的拉开杆件的设计 当垃圾箱装满时，重量能达到1470.6N，同时电机的驱动功率120W，驱动力较小；所以，在设计时采用“死点”的结构来实现卸料门的开合。 工作原理：当卸料门闭合式，连杆处于死点位置即位置1，这是无论在卸料门上施加多大的力，卸料门也不会打开；当灰尘装满时，驱动电机通电，让连杆转动，从而破坏死点的状态，在灰尘的重力和连杆的拉力下，卸料门打开即位置2。当灰尘倾倒完后，连杆逆向转动，推动连杆向上移动从而使卸料门闭合，从而回到位置1。 其结构简图见图（d）所示：

42、 图（d） 各个杆件的长度，根据具体的结构尺寸，采用作图法计算出杆件的长度。其尺寸参数如下： 连杆：=70mm 连杆：=150mm 连杆：=120mm =70mm =150mm =120mm 第四章 控制原理的设计 4.1 控制原理的分析和设计 我们拟将两对光电传感器（记为Ga组和Gb组）分别置于本管道清洁机器人前后两侧从而在前进或后退时都可以检测行进前方有无障碍物从而实现转弯。见下面示意图： 将

43、一对超声波测距传感器(记为Ca和Cb)分别置于本管道清洁机器人车体前后适当位置，用来检测其前进或后退时管径的变化情况，以使CPU驱动相关电机做出相应的动作。 另外，将一个光电传感器(记为Gc)置于吸尘装置下方适当位置，用来检测下方管壁上的灰尘是否已清洁干净；又将一个压力传感器（记为YL）置于垃圾箱底板适当位置，用来检测垃圾箱是否已经装满，从而使本管道情节机器人停止继续清灰尘转而倒垃圾。另外一个超声波传感器(记为Cc)置于装灰尘的垃圾箱下方适当位置，在垃圾箱装满后通过检测前方一定距离范围内有没有障碍物来判断清洁口是否已经打开，从而使CPU驱动相关电动机作出倾倒灰尘的

44、 动作；再将一个霍尔转数检测传感器（记为HE）置于履带轮轴附近适当位置， 用来检测置于率带轮轴上的磁极的旋转信号，从而测出率带轮转动圈数，进而通过CPU计算出本管道清洁机器人前进的距离。 于是，控制过程实现过程如下： ① 吸尘器工作开始清洁灰尘，光电传感器Ga组、Gc、超声波传感器Ca以及压力传感器YL和霍尔转数检测传感器HE工作实时检测收集各信息； ② 一旦光电传感器Gc检测到吸尘装置下方的灰尘清理干净，则CPU发送指令驱动主运动电机组（记为ZDJ）工作，即机器人前进。又当Gc检测到吸尘装置下方又有灰尘则CPU再次发送指令使主

45、电机组停止工作重新开始过程①； ③ ①、②步骤重复运行一段时间后，机器人的垃圾箱装满了灰尘，这时候置于垃圾箱底部的压力传感器就把检测到的信号传递给CPU，则CPU发送指令令吸尘器和运动电机停止前进，同时停止接收霍尔转数检测传感器HE的数据，并开始判断本管道清洁机器人所走过的路程是否小于25米，若是则运行步骤④，若否则运行步骤⑤； ④ CPU发送指令使主运动电机反转即令机器人后退，并且开始接收超声波传感器Cc的信号，以判断是否已到请接口上方（超声波传感器Cc位置一定要放恰当，以使垃圾能完全从请接口倒出），若否则继续本步骤，若是则运行步骤⑥； ⑤ CPU发送指令使主运动电机正传即令机器人前进

46、，并且开始接收超声波传感器Cc的信号，以判断是否已到请接口上方，若否则继续运行奔步骤， 若是则运行步骤⑥； ⑥ CPU再发送指令停止主运动电机，即使机器人停下，然后驱动垃圾箱开关电动机打开垃圾箱来倾倒灰尘。期间，一旦压力传感器检测到灰尘已经倒完，则再驱动垃圾箱开关电动机关闭垃圾箱。然后CPU发送指令使机器人反向运动并且停止接收超声波传感器Cc的信号而开始接收光电传感器Gc的信号以判断是否已回到上次清洁干净的位置。若是，则重新开始运行步骤①，若否则继续移动、检测。 ⑦ 当本管道清洁机器人前进过程中CPU要

47、接收光电传感器组Ga的实时信号，一旦检测倒前方有弯道则命令两主运动电动机产生速度差从而转过弯道；而当后退过程中则要接收光电传感器组Gb的实时信号，以使本管道清洁机器人能在后退时也顺利转过弯道。同样的，在前进过程中还要检测管径的变化，通过超声波传感器Ca收集的距离信息来使本管道清洁机器人自动适应管径的变化；后退时则是通过超声波传感器Cb来检测信号从而使本管道清洁机器人在后退时也能自动适应管径的变化。从而使其顺利地完成工作。 4.2 主要控制流程图 主要的控制流程图，见下页图（一）：

48、 主程序流程图 第五章 其它 5.1 大小锥齿轮的设计和校核 ⑴选择齿轮的类型,精度等级,材料和齿数 ① 选择直齿圆锥齿轮 ② 8级精度齿轮,软齿面 ③ 小齿轮的材料为40Cr，调制处理，硬度为280HBS；大齿轮的材料为45钢，调制处理HBS。 ④ 初选小齿轮的齿数；大齿轮的齿数为。 ⑵按齿面接触疲劳强度设计计算 ① 根据轴承布置方式和载荷的冲击情况，取K=1.8。 ② 查附录2（机械设计、机械设计基础课程设计）得小齿轮的接触疲劳极限为： 大齿轮的接触

49、疲劳极限为： 计算接触疲劳许用应力： ③计算小齿轮的分度圆直径 =195.153.856mm 其中 =36.1 N.m ⑶按齿根弯曲疲劳强度设计计算 ① 计算当量齿数并查取齿形系数，两齿轮的分度圆锥角分别为： 当量齿数为：

50、 查附录2得： ② 由附录2得，小齿轮的弯曲疲劳极限为： 大齿轮的弯曲疲劳极限为： 53.856mm =36.1 N.m = ③ 计算弯曲疲劳许用应力： 大齿轮数值大，代入计算 ④ 计算： = =2.1635 取m=2.5则： 取 ，取； ⑤ 锥距为：

51、 =47.253mm ⑥ 分度圆直径为： ⑦ 分度圆锥角为： ， 2.1635 ⑧ 齿 宽 ： b=25mm 5.2 轴Ⅰ的设计和校核 1. 按扭转强度条件，初步估计轴径： 其中=110，查机械设计（P362）表15-3可得。 代入上面得值，计算可得： 由于轴上有一键槽，所以：，取轴的最小直径为：d=20mm。 2. 轴的结构简图如下： 3. 按弯扭合成强度进行强度校核 ①

52、做出轴的计算简图 轴所受的载荷是从轴上零件传来的。根据结构尺寸，做出其受力简图如下图所示： b=25mm d=20mm。 ② 校核所需要的基本参数 ③ 计算齿轮的啮合力： A: 直齿轮的齿轮啮合力 1. 齿轮圆周力： =685.9 N 直齿轮： 685.9 N 2.齿轮径向力： B: 锥齿轮的齿

53、轮啮合力 1. 齿轮圆周力： =914.533 N 2. 齿轮径向力： =202.634 N 3. 齿轮轴向力： = =264.078 N ④ 求水平面的支反力和做出弯矩图: 1. 其受力分析图如下图所示: 锥齿轮： =914.533N =202.634 N =264.078 N

54、 2. 对A点求矩： 则有： =372.848 N 3. 对B点求矩： 则有： = = -144.216 N 4. 根据上面的计算结果，画出弯矩图。 =372.848 N

55、 ⑤ 求垂直面内的支反力，并作出弯矩图 1. 受力分析如图所示： 2. 对A点求矩： 则有：（其中） = -8.590 N 2. 对D点求矩： 则有： = -8.590 N

56、 = -38.423 N 3. 做出对应弯矩图 ⑥ 求支反力 =149.246 N =312.965 N ⑦ 合成弯矩图 =2889.432 N

57、 =25774.198 N =23238.956 N ⑧ 根据已知条件，做出扭矩 ⑨ 校核危险截面 综上所知，C面为危险截面： (其中，由于扭转切应力为脉动循环变应力，所以取，T=36100) =31767.982 (其中

58、 =1251.74) C截面图 = ，轴满足要求。 (其中=55查机械设计基础教程P261-表11-13得) 下页附：弯矩图 1251.74 5.3 键的校核 在整个设计过程中，由于平键的制作方便，同时经济性比较好，所以能采用平键的情况下，都采用平键。平键的主要失效形式为工作面被压溃；严重过载时，可能出现键被剪断。所以，

59、通常情况下只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。 由于在轴01上的键 825 其结构尺寸最小，受力较大。在这里就只校核该键，其余可以不予与校核。 普通平键的强度条件： 其中 T ---传递扭矩： ； ---键与轮毂键槽的接触高度： ---键的工作长度，圆头平键为： ---轴的直径 =42.47 由于键的材料为45，同时其载荷性质为轻微冲击，查机械设计（P-106）表6-2可得： 所以 ，键满足要求。 =42.47 满足要求 51