总结了本机器人所实现的功能,性能指标,提出了本设计还可以改进的地方。
通过此次对管道机器人的设计,要掌握机器人结构设计的基本方法与控制系统的搭建方法,培养综合运用所学的理论知识去解决实际问题的能力,为今后从事实际工程设计打下基础。
2 多节步进式管道机器人总体设计
2.1 多节步进式管道机器人总体方案
在设计前,认真分析轮式管道机器人、履带式管道机器人和蠕动式管道机器人的优缺点,在利用三者长处的基础上设计出本多节步进式管道机器人。结合目前对管道机器人的研究,对于本机器人有如下设计要求:
(1) 该机器人有快速运行能力,在水平管道内的速度高于6m/min。
(2)能够在竖直管道内行走,且速度不低于4m/min,而且要能在管道内任意位置暂停,在该处停留工作。
(3)有良好的承载能力,能够搭载管道内检测和清洁的工具。
(4)有较好的越障能力。
(5)较强的弯道通过性能。
(6)能够在管径为 190- 210mm之间的任意管道内工作。
(7)所设计的多节步进式管道机器人总质量不能超过4kg 。
(8)操作人员能够在操作平台控制此管道机器人。
本设计中的机器人的主要用途是作为载体,搭载检测设备在管道内运行,要求能够适应一定范围内的管径变化,能够通过弯道,能够在竖直管道内爬行和暂停工作。要实现这些功能,本文将每个功能模块化设计,用某一机构来实现其中一种功能。
传统的轮式管道机器人具有速度快的特点,但是不能在竖直管道内工作,于是可以这样考虑,在水平和小倾角管道内采用轮式驱动方式,履带式驱动方式较好解决了压力—摩擦力之间的矛盾,缺点是履带式的比较笨重,运动速度慢,在本设计中将履带换做同步带,整个装置会更小,运动速度可以提高;蠕动式管道机器人依靠机身对管壁的张紧,可以实现在竖直管道内的爬行,但是速度较慢;这样综合起来,本机器人可以采用两种驱动模式,根据工作环境是小倾角管道还是大倾角管道进行切换。
目前,管道机器人要适应不同的管径采取的方式大多是弹簧调节,即管径变化之后,压紧轮子的弹簧产生变化,使机器人的轮子始终贴紧于管壁。但是这种调径方式由于轮子始终与管壁压紧,而且压紧力随着管径还有变化,所以,机器人始终有一个额外的负载,管径大,负载小,管径小,负载更大。所以这种被动调径方式不适合运用在本设计中。对其进行改进,改为主动控制的调径机构,这样就可以人工控制机器人与管壁的张紧程度,减少机器人的能耗。所以,本机器人对管径的调节部分是一个主动控制方式的调径机构。
本机器人还要求能够通过弯道,查询相关论文后,发现机器人能否通过某一直径管道的弯道与机器人的长度有关,机器人不能细而长,所以本机器人设计成多节式,每节的最大长度需要根据计算得到。每节机身之间要做成柔性连接,可以考虑万向节连接,也可以考虑柔性材料连接。
机器人在管道内运动时,机器人中心最好保持与管道中心重合,这样机器人的运动更加可靠,为了实现中心的重合,本机器人的驱动装置设计成沿机身外圆周相隔120°均匀的三组。
另外,要求能够在管道外操作人员对机器人进行控制,这主要是对机器人电机的控制,控制相应的电机向某一方向转动一定角度,实现所需要的运动。对电机的控制需要用到单片机和单片机开发板,如果需要精确对机器人进行控制,还需要一些传感器。本机器人可以把控制平台置于管道外,通过电缆与机器人相连,所需电源置于管道外,这样减轻了机器人的重量。
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