管道爬行器的研究與設(shè)計

百度文庫-讓每個人平等地提升自我百度文庫-讓每個人平等地提升自我PAGEPAGE43百度文庫-讓每個人平等地提升自我PAGE本科畢業(yè)論文（設(shè)計）論文題目：管道爬行器的研究與設(shè)計學(xué)生姓名：所在院系：機電學(xué)院所學(xué)專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化導(dǎo)師姓名：完成時間：摘要本課題是在對管道爬行器的結(jié)構(gòu)和運動研究分析的基礎(chǔ)上。本次設(shè)計在Solidworks的基礎(chǔ)上構(gòu)建管道爬行器的若干套三維造型，然后依據(jù)要求進行選擇。最終方案采用列車連接結(jié)構(gòu),伸縮結(jié)構(gòu)和“傘”型結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)管道內(nèi)部的彎道和大范圍內(nèi)徑轉(zhuǎn)變管道。通過電氣控制，使各電機順序動作以完成通過十字型和丁字型等較復(fù)雜的管道,通過新型吊環(huán)的調(diào)節(jié)始終維持?jǐn)z像裝置與水平面的平行。對管道爬行器的控制要求，采用常規(guī)的電氣控制分析方式設(shè)計電氣部份的控制電路，最終方案采用人工控制電機的順序動作進行管道內(nèi)的轉(zhuǎn)彎，里程計反饋信息與管道工程圖相結(jié)合的方式來進行爬行器的定位。為研究管道爬行器打下了必然的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：自適應(yīng)性，伸縮結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑轉(zhuǎn)變，新型吊環(huán)，SolidworksTheresearchanddesignofpipingcrawlrobotAbstractThequestionfordiscussionbaseon

thestructureofpipingcrawlrobotan-dthemovinginvestigation'analyze.ThisprojectbasesonSolidworkstoconcei-vesome3Dsculptof

crawlr-obot,thenbyrequestioncarrythroughchoose.Thefinalschemeadoptthestructureabouttrainandflexstructureandumbrellastructure,forthesakeofadaptingtothepipelinethatcanchangeradiusingr-eatrange.Andsucceedoverpassingcrossmodelandt-shapedmodelcomplicatedpipingbythesequentially-operationoftheelectricmotor,andalwayscankeepparallelstatebetweenvidiconsetting

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thenewfiyingringstherequestforthecontralofpipingcrawlrobot.Ad-optnomotheticapproachaboutelectricalcontrolanalysisforcontrolcircuitdes-ignofelectricfinalprojectadoptthemanualcontroltheelectr-icmot-or’ssequentially-operatingmakethemachinepassthecurvedadoptthewaywhichusemilemeterfeedbackinformationcouplewithpiping’ssched-uledrawingforpaperlaysthetheoreticfoundationforresearchpipingcrawlrobotKeywords:Fromtheadaptability,Flexiblestructure,Insidethepathvariety,Newfiyingringssystem,Solidworks目錄TOC\o"1-4"\h\z\u1緒論 12設(shè)計方案初步分析 2無線控制與有線控制的選擇 2有線控制及拖拽 2非拖曳 2驅(qū)動方式選擇 2輪式爬行 3履帶爬行 3姿態(tài)調(diào)整的選擇 3加傳感器的關(guān)節(jié)進行調(diào)整 3利用吊籃方式進行調(diào)整 4采用新式吊籃進行調(diào)整 4自適應(yīng)分析 5伸縮臂長和加彈簧方式 5伸縮臂長和“傘”型搖桿 5方案的大體肯定 63方案一的設(shè)計與分析 6機身的設(shè)計 7機腿的設(shè)計 7伸縮單元 8變長單元 9關(guān)節(jié)單元 9驅(qū)動輪的設(shè)計 9方案一的分析 104方案二的設(shè)計與分析 10機身的設(shè)計 10機身內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計 11進給螺桿與螺母的設(shè)計 11吊籃的設(shè)計 12機腿的設(shè)計 12方案二的分析 135方案三的設(shè)計與分析 13機身的設(shè)計 14機身內(nèi)部傳動機構(gòu)的設(shè)計 15進給絲杠和螺母的設(shè)計 15選擇聯(lián)軸器 19選擇鍵 20吊環(huán)的設(shè)計 20軸承的設(shè)計 21機腿的設(shè)計 21驅(qū)動輪的設(shè)計 22管道爬行的實現(xiàn) 22管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎的實現(xiàn) 23整體裝配體設(shè)計 246管道爬行機械人的功能分析 247管道爬行機械人的動作分析 258電氣控制大體元器件的選取 25電機的參數(shù)計算與選取 25驅(qū)動輪電機的參數(shù)計算 25主電機參數(shù)計算 26機械人動力源的選取 27電源的選取 28電機調(diào)速元件的選取 28串聯(lián)電阻調(diào)速方式的實現(xiàn) 28新型調(diào)節(jié)脈寬PWM型調(diào)速的實現(xiàn) 29電機調(diào)速方式的肯定及元件的肯定 309電路設(shè)計 31輪足電機動作的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的電路設(shè)計 31前后傘足的張開閉合電路設(shè)計 32電機部份總電路設(shè)計 32電機順序動作的電路設(shè)計 33人為控制 34邏輯控制 34單片機/PLC進行自動控制 34照明系統(tǒng)的電路設(shè)計 36管道內(nèi)機械人定位系統(tǒng)（PDPS）的設(shè)計 36爬行器管道內(nèi)定位方案的提出與分析 36機械人定位系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計 3810結(jié)論 4011結(jié)束語 41致謝 41參考文獻 421緒論隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，天然氣管道和各類輸送管道的應(yīng)用愈來愈多。在我國及世界各個國家內(nèi)，由于地形的限制和土地資源的有限，在地下都埋設(shè)了很多的輸送管道，例如，一方面天然氣管道、石油管道等，在埋有管道的地面上都已經(jīng)建成了很多的建筑物、公路等，給管道的維修和保護造成了很大的困難。當(dāng)這些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等問題時，人們普通的做法是挖開道路進行維修，有些時候若是不能準(zhǔn)確判斷泄露和堵塞的具體位置時，會浪費很多的時間和精力，同時降低了工作效率[7]。另一方面石油、天然氣、化工、電力、冶金等工業(yè)的管道工程大多采用焊接管路。為了保證焊接管路的焊接質(zhì)量和運行安全,管道工程都要對焊縫進行檢測,檢測焊接部位是不是存在虛焊、漏焊、傷痕等焊接缺點。常常利用的焊縫檢測方式是采用無損檢測,如超聲、射線、渦流等。對于管路檢測,則大多采用管道內(nèi)爬行探傷查驗設(shè)備(簡稱爬行器)對焊縫進行射線檢測。這種爬行器由于受管道尺寸的限制,大多結(jié)構(gòu)十分緊湊。在檢測進程中,爬行器在其控制系統(tǒng)的控制下,可持續(xù)對同一管道不同位置上的焊縫質(zhì)量進行查驗?？紤]管道焊縫檢測的效率,常常當(dāng)管道焊接具有必然長度以后,才集中對管道進行檢測。若是一次要檢測的管道比較長,爬行器的控制系統(tǒng)應(yīng)采用車載式布置。使歷時,通過外部的控制器對爬行器上的控制系統(tǒng)發(fā)出指令,決定爬行器的工作狀態(tài)。隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，和機械人技術(shù)的發(fā)展和管道測試等技術(shù)的進一步發(fā)展，彼此之間的滲透程度愈來愈深，管道爬行機械人是在狹小空間中進行精密操作、檢測或作業(yè)的機械人系統(tǒng)。其中機械人的作業(yè)環(huán)境一般是危險的。火力發(fā)電廠、核電廠、化工廠、民用建筑等用到各類各小管道，其安全利用需要按期檢修。但由于窄小空間的限制，自動維修存在必然難度。僅以核電站為例，檢查時工人勞動條件惡劣。因此管道內(nèi)機械人化自動檢查技術(shù)的研究與應(yīng)用十分必要。人們再也不為了維修、保護管道時挖開道路，節(jié)省了大量的人力，物力和財力。目前的管道機械人都是以履帶、輪子等實此刻管道中的移動，其技術(shù)有著或多或少的缺點，市場尚不成熟。例如：不能適應(yīng)大范圍的管道內(nèi)徑轉(zhuǎn)變，運行中姿態(tài)的調(diào)整不夠理想，在十字型、丁字型等較復(fù)雜的管道內(nèi)徑中不能較平穩(wěn)的通過等等；結(jié)合目前管道機械人所存在的缺點，應(yīng)用機械設(shè)計、機械原理等專業(yè)知識，設(shè)計出了新型管道爬行機械人。此機械人可實現(xiàn)大范圍內(nèi)的管道內(nèi)徑轉(zhuǎn)變，順利通過十字型、丁字型等較復(fù)雜管道；在運行中的姿態(tài)調(diào)整也取得了較好的解決。2設(shè)計方案初步分析無線控制與有線控制的選擇有線控制及拖拽該方式采用機械人尾部裝夾電纜、信號線、安全繩、其他電路等等，這樣會造成機械人的牽引力增大，對爬行器的負(fù)載力和足輪的摩擦力提出了更高的要求，尤其是隨著機械人的深切，牽引繩會成為機械人的累贅和桎梏。牽引繩的長短禁錮著機械人的爬行深度。其優(yōu)缺點如下：缺點：附著力會不斷增大，爬行器負(fù)載轉(zhuǎn)變大，無益于長距離爬行。長處：爬行器本身初始載重小（本身不需攜帶能源等），信息反饋及時清楚，利于后期觀察，也利于實此刻線監(jiān)控。觀察結(jié)束時，可人工利用安全繩退出。非拖曳該方式不需跟從電纜線，本身有拍攝存儲功能，而且本身攜帶電源等，其優(yōu)缺點如下：缺點：爬行器本身載重加大，需設(shè)計爬行器退出管道方式等。長處：爬行器載重恒定，便于爬行器爬行。其在管道內(nèi)行進方便，尤其在彎道時，拖曳式的過大的牽引力會使爬行器驅(qū)動輪打滑，不易通過。按照要求，非拖曳雖有自己壯大長處，但爬行器在管道內(nèi)出現(xiàn)問題而不能移動時，需要花費很大力氣將爬行器掏出。可以選擇有線拖拽式。驅(qū)動方式選擇按照設(shè)計要求現(xiàn)擬訂2種爬行器驅(qū)動設(shè)計方案（如圖1，2）：圖1輪式爬行圖2履帶式爬行輪式爬行設(shè)計制造簡便，本錢低廉。但其穿越障礙能力差，只能穿越高度小于其本身半徑的障礙物。如圖3。圖3輪式爬行越障履帶爬行越障礙能力高于輪式爬行，但本身設(shè)計制造較復(fù)雜，本錢相應(yīng)提高（一個支點最少需4輪才可以爬行）[3]。按照設(shè)計要求本機械人是在管道內(nèi)行走的機械人，無需考慮臺階等障礙物的問題，盡可能降低本錢，在不影響設(shè)計本身功能時，盡可能采用制造工藝簡單，本錢低的設(shè)計方案?？梢圆捎幂喪脚佬?。姿態(tài)調(diào)整的選擇按照要求結(jié)合可行性，可以擬定3種方案如下：加傳感器的關(guān)節(jié)進行調(diào)整在管道爬行時會出現(xiàn)爬行器偏移原來軌道，可用傾斜傳感器進行控制?，F(xiàn)擬訂采用改變輪子（履帶）前進方向必然角度來進行矯正（加關(guān)節(jié)）。其原理為：通過電磁鐵的吸合，從而控制爬行器的爬行軌跡。關(guān)節(jié)單元裝配圖如圖4：圖4關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)通過關(guān)節(jié)調(diào)整可實現(xiàn)如圖5：圖5關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)的實現(xiàn)利用吊籃方式進行調(diào)整在爬行器內(nèi)安裝吊籃（內(nèi)置攝像觀察裝置）。當(dāng)爬行器偏斜時，吊蘭因為和機座為鉸鏈連接，保留一個自由度，由于重力的原因不會隨著爬行器偏斜而偏斜，而是在任何時候都垂直與地面。其在爬行器內(nèi)碰到傾斜時的自動調(diào)節(jié)如圖6。通過吊籃式調(diào)節(jié)，攝像裝置始終維持與水平面平行圖6吊籃式的實現(xiàn)采用新式吊籃進行調(diào)整按照吊籃的原理，結(jié)合魯班的榫卯結(jié)構(gòu)，可以采用2個偏心圓環(huán)相扣，進行重力自由調(diào)節(jié)，其原理如圖7如圖7小環(huán)直徑為150mm，大環(huán)直徑為250mm，大環(huán)與小環(huán)相切，小環(huán)的轉(zhuǎn)動并非能帶動大環(huán)的轉(zhuǎn)動，而且大環(huán)會由于重力的作用始終與地面維持平行。可以在大環(huán)上安裝照明器件和信號收集器件，是它們能夠與地面維持平行。按照這種思路，可以3D造型，進行新式吊籃調(diào)節(jié)如圖8,圖9。圖7吊環(huán)原理圖自適應(yīng)分析圖7吊環(huán)原理圖圖8吊籃分裝圖圖9吊籃裝配圖圖8吊籃分裝圖圖9吊籃裝配圖伸縮臂長和加彈簧方式大范圍內(nèi)徑轉(zhuǎn)變（400-1100）在支撐臂上添加變長桿，小范圍內(nèi)在支撐臂上添加彈簧。伸縮臂長和“傘”型搖桿在400—1100大范圍內(nèi)的管道中爬行，可通過使支架伸縮來改變。在管道直徑改變不大處爬行，十字型、丁字型等較復(fù)雜管道內(nèi)徑時可通過“傘”型搖桿閉合控制支撐臂移動以適應(yīng)，通過“傘”型搖桿與伸縮桿的結(jié)合就可以夠變換出很多適應(yīng)不同管道內(nèi)徑的條件。以上2方案各有其長處，相較較下，第2種方案更符合要求，但其需要獨立的驅(qū)動單元，因此制造本錢遠(yuǎn)高于第1種方案。在普通情況下，第1種方案足可以適應(yīng)。故再做出三維造型后進一步進行運動分析。方案的大體肯定通過以上分析，初步肯定采用有線拖拽式，但姿態(tài)調(diào)整和自適應(yīng)均存在3種不同的方案可供選擇，故設(shè)計3種整體方案再進一步分析。方案一：姿態(tài)調(diào)整采用關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)，自適應(yīng)采用變長桿和彈簧。方案二：姿態(tài)調(diào)整采用吊籃方式，自適應(yīng)采用伸縮臂和“傘”型張合結(jié)構(gòu)。方案三：姿態(tài)調(diào)整采用新式榫卯吊籃方式，自適應(yīng)采用伸縮臂和“傘”型合構(gòu)。3方案一的設(shè)計與分析綜合設(shè)計方案一如圖9.本方案大體有3部份組成，1機身、2機腿、3驅(qū)動輪。圖9方案一的三維效果圖機身的設(shè)計可裝載各類探測設(shè)備等，如圖10。圖10機身機腿的設(shè)計由9部份組成，其三維圖與爆炸圖如圖11。機腿可分為3個單元：伸縮單元（1-5）、變長單元（6）、關(guān)節(jié)單元（7-10）。通過螺紋連接。其爆炸圖如圖11。三維轉(zhuǎn)配圖如圖12。圖11機腿的爆炸圖伸縮單元1-5部份組成的伸縮單元依托彈簧的彈性變形以適應(yīng)小范圍內(nèi)的管道直徑轉(zhuǎn)變和越障。其三維圖如圖13。圖13伸縮單元三維圖圖13伸縮單元三維圖圖14變長桿圖12機腿裝配圖圖14變長桿圖12機腿裝配圖變長單元6為變長桿，可以人為的改換（增加或縮短）以適應(yīng)管道直徑的大范圍轉(zhuǎn)變。其三維圖如圖14。關(guān)節(jié)單元7-10部份組成關(guān)節(jié)單元，7、9上均裝有電磁鐵，7、8，八、9之間用螺母和繞簧固定。各部位三維圖如圖15。關(guān)節(jié)單元用于爬行器的姿態(tài)調(diào)整。其原理為∶通過傾斜傳感器對爬行器進行監(jiān)控。當(dāng)爬行器偏移其原軌道，傾斜傳感器發(fā)出電信號，此時7或9上的電磁鐵得電，吸合8，促使輪子向左或右傾斜，以校正爬行器。在爬行器被校正后，傾斜傳感器發(fā)出信號，使電磁鐵斷電，在繞簧的作使勁下，使關(guān)節(jié)各部位復(fù)位。圖15關(guān)節(jié)單元零件圖爬行器正常前進。7、9別離用于爬行器的左、右校正。驅(qū)動輪的設(shè)計驅(qū)動輪由5部份組成，如圖16圖16驅(qū)動輪三維圖與爆炸圖(1)聯(lián)接塊用于與驅(qū)動輪與關(guān)節(jié)單元的聯(lián)接。(2)電動機箱安裝步進電動機或勵磁電動機。用以驅(qū)動輪子。方案一的分析長處：結(jié)構(gòu)簡單，制造本錢低廉，對管道內(nèi)徑轉(zhuǎn)變不大和彎道較少時大體能知足設(shè)計要求。缺點：該爬行器在爬行器由于機身是長方體，在管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎時，會出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象，在爬行十字型、丁字型管道內(nèi)徑時會出此刻機腿卡在管道中，驅(qū)動輪懸空等情況；但該種情況，一般當(dāng)輪子半徑大于管道壁厚，也能順利通過。4方案二的設(shè)計與分析按照方案一的優(yōu)缺點進行改良，增加必要改良元素，現(xiàn)設(shè)計出方案二，如圖17。本方案由3部份組成：1機身，2機腿，3驅(qū)動輪。圖17方案二的三維圖機身的設(shè)計機身設(shè)計成筒狀機身和其他部件組成。如圖18.圖18機壁三維圖機身內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計機身內(nèi)部主要完成“傘”足的張合傳動，和吊籃的安裝。如圖19。圖19機身內(nèi)部三維圖進給螺桿與螺母的設(shè)計為使機腿伸縮，采用螺旋傳動，該類型傳動是利用螺桿（絲杠）和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成直線運動，同時傳遞運動和動力。在爬行器中其工作原理為：進給螺桿在電動機的驅(qū)動下，進行回轉(zhuǎn)運動。從而使螺母進行水平移動。螺母用來推動機腿的伸縮，使爬行器進行自適應(yīng)伸縮如圖20。圖20絲杠螺母運動簡圖吊籃的設(shè)計吊籃的活動關(guān)節(jié)采用圓柱銷，采用間隙配合，以保證吊籃的左右移動。其機構(gòu)圖如圖21，22。其工作原理為，在重力的作用下。吊籃通度日動關(guān)節(jié)始終維持與地面的水平?；顒雨P(guān)節(jié)由一活動銷聯(lián)結(jié)。吊籃通過螺母固定在機身上。圖21吊籃三維圖圖22吊籃示用意機腿的設(shè)計機腿的三維造型如圖23圖23機腿三維圖機腿通過關(guān)節(jié)一、二、3的伸縮進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。連接桿與推動盤連結(jié)。連接桿與關(guān)節(jié)3采用鉸接。為適應(yīng)管道最大內(nèi)徑1100mm的調(diào)節(jié)，關(guān)節(jié)1尺寸為200mm，關(guān)節(jié)2尺寸為150mm，關(guān)節(jié)3尺寸為100mm。方案二的分析長處：能夠采用伸縮桿適應(yīng)大范圍管道內(nèi)壁直徑轉(zhuǎn)變，“傘”型結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)管道內(nèi)必然范圍的轉(zhuǎn)彎，牽引力大，結(jié)構(gòu)緊湊，控制簡單。缺點：由于機身為一個圓筒（整體，太長），不能完全適應(yīng)彎道的轉(zhuǎn)彎。吊籃安裝在機身內(nèi)部，安裝復(fù)雜，而且吊籃在內(nèi)部，不能采用攝像頭觀察管道內(nèi)壁的情況。機身的制造復(fù)雜，孔系較多。5方案三的設(shè)計與分析按照方案一，二的優(yōu)缺點，綜合整理資料，通過反復(fù)修改，提出新的設(shè)計思路，先設(shè)計出方案三，如圖24。本方案有3部份組成，1機身、2機腿、3驅(qū)動輪。圖24方案三的三維圖機身的設(shè)計機身主要有兩部份組成，即前機身和后機身，對于管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎的為題，咱們可以借鑒火車的節(jié)裝結(jié)構(gòu)，設(shè)計出有兩節(jié)機身組成的機車型爬行器，減小機身長度，有利于機械人順利通過彎道，為減輕重量，機身材料選用硬鋁。機身組成結(jié)構(gòu)爬行器爬行最小內(nèi)徑為450mm，爬行最大內(nèi)徑1100mm。設(shè)計機身內(nèi)徑為150mm，外徑為200mm機壁厚度最小處為10mm。機壁與機腿之間只是做簡單的伸縮動作，前后機身可以采用旋轉(zhuǎn)鉸鏈連接故采用GB119-83A5X40，采用間隙配合。其前后機身三維圖如圖25，圖26。圖25前主體三維圖圖26后主體三維圖機身內(nèi)部傳動機構(gòu)的設(shè)計機身內(nèi)部結(jié)構(gòu)為機腿運動的傳動機構(gòu)的設(shè)計，在這里運用絲杠和螺母結(jié)構(gòu)完成曲柄滑塊機構(gòu)的實現(xiàn)。并推動機腿的張合。其結(jié)構(gòu)示用意如圖27進給絲杠和螺母的設(shè)計為使機腿伸縮，采用螺旋傳動，該類型傳動是利用螺桿（絲杠）和螺母組成的螺旋副來實現(xiàn)傳動要求的。它主要用于將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成直線運動，同時傳遞運動和動力。圖27絲杠螺母裝配圖在爬行器中其工作原理為：進給螺圖27絲杠螺母裝配圖桿在電動機的驅(qū)動下，進行回轉(zhuǎn)運動。從而使螺母進行水平移動。螺母用來推動機腿的張合，使爬行器進行自適應(yīng)張合。A初步肯定螺桿桿軸的最小軸徑按《機械設(shè)計》式15-2初步估算絲桿軸的最小軸徑，選取材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處置。按照《機械設(shè)計》表15-3取A0=112初步設(shè)定螺桿轉(zhuǎn)速為30r/min=112=(1)式中，P可按照主體電機取P=89Wn=30r/minB求取軸向力依照自鎖條件先求出當(dāng)量摩擦角，查《機械設(shè)》表5-12知螺旋副材料中鋼對鋼的摩擦系數(shù)，取中間值，則當(dāng)量摩擦角(2)(2)則在此按最大值計算，取C耐磨性計算滑動螺旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度和潤滑狀態(tài)等因素有關(guān)。其中最主要的是螺紋工作面上的壓力，壓力越大，螺旋副間越容易形成磨損。因此，滑動螺旋的耐磨性計算，主如果限制螺紋工作面上的壓力p，使其小于材料的許用壓力。假設(shè)作用于螺桿的軸向力為F（單位為N)，螺紋的承壓面積（指螺紋工作表面投影到垂直于軸向力的平面上的面積）為A（單位為），螺紋中徑為（單位為mm），螺紋工作高度為h（單位為mm），螺紋螺距為P（單位為mm），螺母高度為H（單位為mm），螺紋工作圈數(shù)為，則螺紋工作面上的耐磨性條件為(3)(3)上式可作為校核計算用。將代入上式整理后得(4)(4)a計算螺桿中徑查《機械設(shè)計》第97頁，由于工作圈數(shù)不多，故取查《機械設(shè)計》第97頁表5-12取則因為按剪切強度計算的最小直徑為，由d2=26mm按照國家標(biāo)準(zhǔn)選取螺紋公稱直徑d=30mm，P=的螺紋。(5)b螺母高度(5)H==39mmc旋合圈數(shù)(6)(6)故旋合圈數(shù)合理d螺紋工作高度(7)e驗算工作壓強(8)(8)D驗算自鎖自鎖條件，對于單線螺紋，為當(dāng)量摩擦角等于。則：自鎖條件知足。E螺桿強度計算螺桿工作時經(jīng)受軸向壓力（或拉力）F和扭轉(zhuǎn)T的作用。螺桿危險截面上既有緊縮（或拉伸）應(yīng)力，又有切應(yīng)力。因此，校核螺桿強度時應(yīng)按照第四強度理論求出危險截面的計算應(yīng)力，其強度條件為(9)mm式中：F——螺桿所受的軸向壓力（或拉力），單位為N；——螺桿螺紋小徑，單位為mm；T——螺桿所受的扭矩；——螺桿材料的許用應(yīng)力，單位為MPa。則：螺桿材料的許用應(yīng)力查《機械設(shè)計手冊》表知=80，故螺桿強度知足。F螺紋牙強度(1)螺紋牙寬度(2)螺桿的強度校核螺紋牙多發(fā)生剪切和擠壓破壞，一般螺母的材料強度低于螺桿，故只需校核螺母螺紋牙的強度。若是將一圈螺紋沿螺母的螺紋大徑D（單位為mm）處展開，則可看做寬度為的懸臂梁。假設(shè)螺母每圈螺紋所經(jīng)受的平均壓力為，并作用在以螺紋中徑（單位為mm）為直徑的圓周上，則螺紋牙危險截面a－a的剪切強度條件為(10)(10)螺紋牙危險截面a－a的彎曲強度條件為(11)(11)式中：b——螺紋牙根部的厚度，單位為mm，對于矩形螺紋，b＝，對于梯形螺紋，b＝，P為螺紋螺距；l——彎曲力臂，單位為mm——螺母材料的許用切應(yīng)力，單位為MPa，見《機械設(shè)計》表5-13；——螺母材料的許用彎曲應(yīng)力，單位為MPa，見《機械設(shè)計》表5-13；a.抗剪強度其中查《機械設(shè)計》表5-13并計算得=48MPab.抗彎強度其中查《機械設(shè)計》表5-13經(jīng)計算知=80MPa。(3)絲母的強度校核a.抗剪強度其中查《機械設(shè)計》表15-3知。b.抗彎強度其中查《機械設(shè)計》表15-3知=80MPa。故絲母強度知足。綜上計算所的螺桿工程圖如圖28。螺母工程圖如圖29。圖28螺桿工程圖圖29螺母工程圖選擇聯(lián)軸器聯(lián)軸器是機械傳動中重要的軸系部件。主要用來聯(lián)接兩軸(有時也實現(xiàn)軸與其它轉(zhuǎn)動零件的聯(lián)接)，使之一路轉(zhuǎn)動并傳遞運動和動力。兩軸用聯(lián)軸器聯(lián)接，只有停機并經(jīng)拆卸才能分離；采用聯(lián)軸器可把整機分成若干部件，便于機械的設(shè)計、制造、裝拆及運輸；聯(lián)軸器多數(shù)已標(biāo)難化、系列化，因此主要問題是如何合理選擇。因輸出輸入端均為16mm。故選擇Tl8型彈性套柱銷聯(lián)軸器。選擇鍵鍵是機械傳動部份的動力傳遞原件，在選擇時要求其符合傳遞扭矩的要求。且鍵已被國家定位標(biāo)準(zhǔn)件，在此主要進行間的選擇和校核。按照軸的直徑，由《機械設(shè)計》表6-1選擇普通平鍵的圓頭平鍵,材料選45鋼。依據(jù)鍵的校核如下：(12)式中：T——傳遞的轉(zhuǎn)矩k——k=，h為鍵的高度l——鍵的接觸長度，mmd——軸的直徑，mm可計算得：查《機械設(shè)計》表6-2靜載荷時可知所選的圓頭平鍵符合條件吊環(huán)的設(shè)計如前所訴，吊環(huán)采用榫卯結(jié)構(gòu)，吊環(huán)與環(huán)槽的表面粗糙度要求達到。其工作原理是按照吊環(huán)的自重，調(diào)節(jié)吊環(huán)始終與地面維持垂直。因其受力不大，減輕重量，故材料采用硬鋁。圖30吊環(huán)裝配圖圖31吊環(huán)爆炸圖軸承的設(shè)計用于固定螺桿。螺桿后部只是普通光軸，轉(zhuǎn)速低。故采用滑動軸承（表面粗糙度要求較高），又因軸承在主體內(nèi)的緊固要求采用自行設(shè)計的軸承。的為減輕重量材料采用硬鋁。其工程圖如圖32。圖32軸承工程圖機腿的設(shè)計其三維裝配圖，爆炸圖如圖33，34。圖33機腿裝配圖圖34機腿爆炸圖機腿通過關(guān)節(jié)一、二、3的伸縮進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。連接桿與推動盤連結(jié)。連接桿與機腿1采用鉸鏈。為適應(yīng)管道最大內(nèi)徑1100mm的調(diào)節(jié)，關(guān)節(jié)1尺寸為250mm，關(guān)節(jié)2尺寸為150mm，關(guān)節(jié)3尺寸為100mm。驅(qū)動輪的設(shè)計驅(qū)動輪的設(shè)計與方案二大至上一致（部份結(jié)構(gòu)不同），故不在贅述原理。驅(qū)動輪裝配和爆炸如圖35，圖36。原動力電動機的選擇與計算在機械人的電氣控制研究設(shè)計部份完成。圖35驅(qū)動輪裝配體圖36驅(qū)動輪爆炸視圖管道爬行的實現(xiàn)圖37管道內(nèi)爬行實現(xiàn)管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎的實現(xiàn)在十字型管道內(nèi)爬行時，會碰到驅(qū)動輪懸空，并可能被卡住的情況。此時，在通過攝像觀測裝置觀測到該種情況時，工作人員通過控制機身電機，進給螺桿開始轉(zhuǎn)動，使螺母水平移動，從而使機腿伸縮，以通過該類型管道，如圖36。其控制進程框圖如圖37。程序中控制由現(xiàn)場工作人員控制，通過對機身電機的控制，以實現(xiàn)機腿的伸縮。這里只是敘述了爬行器前半身過復(fù)雜管道的控制進程圖，再后半身過復(fù)雜管道時，大體類似，故不在贅述。圖38管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎實現(xiàn)圖38管道內(nèi)路口轉(zhuǎn)彎實現(xiàn)圖39轉(zhuǎn)彎控制電機流程圖機械人的電氣電路控制設(shè)計將在本文的第六部份進行論述。整體裝配體設(shè)計按照SolidWorks三維造型和各零件的設(shè)計，現(xiàn)設(shè)計出方案三整體裝配圖如圖40。圖40爬行器裝配體工程圖6管道爬行機械人的功能分析按照管道機械人的機械部份的設(shè)計，要求：這種傘型6足的爬行器在管道中要完成前進，后退，轉(zhuǎn)彎和前傘，后傘的張開和閉合等動作，管道機械人在工作條件下需要有較強勁的動力，較好的可控性，能夠在管道內(nèi)肯定自己的位置，來精準(zhǔn)的定位的PDPS（PipingDisrepairPositionSystem）管道破損處定位系統(tǒng)，由機械人的位置來肯定管道破損的確切位置。要求較小的體積和較簡單的電路。按照機械人的動作要求可以把管道機械人的動力源設(shè)計為：（1）由6個電機來控制機械人的爬行（前進，后退）采用的動力驅(qū)動。（2）由2個電機來控制前后傘足的張開和閉合。按照前后傘足的張開和閉合，爬行機械人的轉(zhuǎn)彎等，必需要求前后傘足的張開及閉合為獨立事件，彼此不干擾才能完成轉(zhuǎn)彎時傘足的獨立動作。7管道爬行機械人的動作分析管道爬行機械人主要完成的動作有：（1）六輪的驅(qū)動（前進，后退，調(diào)速）。（2）傘足的張開和閉合（前后相對獨立）。（3）管道中的轉(zhuǎn)彎動作順序：前傘足閉合——后傘足前進——前傘足打開——后傘足閉合——前傘足前進——后傘足打開。（4）由吊環(huán)進行機械人的姿態(tài)調(diào)整自適應(yīng)。（5）照明（管道中十分黑暗，攝像頭攝像，必需有照明設(shè)施）。8電氣控制大體元器件的選取基于以上電氣運轉(zhuǎn)控制及順序制動的問題分析，按照管道機械人的利用特點和工作條件，要求：方便，安全，靠得住，性能優(yōu)越，價廉，適用于復(fù)雜的環(huán)境條件，體積小，重量輕，可控性能好等，可對元器件進行如下選取：電機的參數(shù)計算與選取驅(qū)動輪電機的參數(shù)計算通過對機械人的三維實體建模，和材料的選取，通過已知密度進行零件分析，查閱資料綜合算的爬行器的總質(zhì)量為:M=26Kg通過查閱相關(guān)資料查得橡膠與45#（鋼）之間摩擦系數(shù)為，則取實際計算摩擦系數(shù)為：最大功率：輪子經(jīng)受的壓力為機械人的重力與機腿張開時產(chǎn)生的管壁壓力（為機械人的重力，為機腿對管壁的壓力）由于工作時，機腿張開的幅度不同，所產(chǎn)生的壓力也不同。為了安全和電機知足設(shè)計要求的目標(biāo)，機腿張開對管壁的壓力可取1倍的重力。即：按照牛頓第必然律，牛頓第二定律可算得(14)按照要求爬行器在管道內(nèi)的速度為(15)為了保證安全系數(shù)為，則實際電機計算功率為：(16)主電機參數(shù)計算主電機通過聯(lián)軸器—絲杠—螺母—滑塊—曲柄(機腿)通過對曲柄滑塊的分析如圖41圖41機腿張合機構(gòu)原理圖通過采用Solidworks實體分析，可以得出機腿的質(zhì)量及驅(qū)動輪整體的質(zhì)量，即按照圖41分析，采取安全計算方式，極限位b時,對機腿進行受力分析如圖42，滑塊的推力最大。圖42機腿機構(gòu)受力分析按照理論力學(xué)的知識，計算如下：按照平行四邊形法則，重力G可分解為,兩個分力。螺母的推力可分為，兩個分力。(17)可規(guī)定螺母速度為則依照安全計算方式，可得螺母功率為：(18)(19)從電機—聯(lián)軸器—絲杠螺母傳動進程中，查《機械傳動手冊》傳遞效率依次為：(19)，為了符合安全系數(shù)，和考慮到野外工作電源電壓受時間的轉(zhuǎn)變，電機功率的選應(yīng)以倍的計算功率選取。(20)機械人動力源的選取最終肯定驅(qū)動輪電機的功率為，主電機功率為。按照以上分析，需選用調(diào)速性能好，可控性高，體積小，容量小而且價廉的直流他勵電動機作為執(zhí)行元件。對于此種直流小功率電機可以查《電機工程手冊》，對于直徑在30毫米以下，功率在100W以下的直流電機一般都中小功率用電機的技術(shù)數(shù)據(jù)，采用鐵氧體永磁ZYT和Y15Z的圓筒式鋼板外殼電機。經(jīng)查表對于主電機可以選用額定電壓為24V的ZYT-80/08的直流電機，主要技術(shù)參數(shù)為空載時：轉(zhuǎn)速8200轉(zhuǎn)/分，內(nèi)阻歐姆，電流；負(fù)載下轉(zhuǎn)速：5000轉(zhuǎn)/分，電流，效率43%，轉(zhuǎn)矩。對于驅(qū)動輪電機的選取，按照電器元件配合的簡單，方便的原則，結(jié)合主電機的額度電壓24V，可以初步選擇小電機額定電壓為24V，查《電機工程手冊》初定為驅(qū)動輪電機選用ZYT20/10型。電源的選取機械人的工作場所一般在野外，戶外對于電源的便攜性，耐久性，靠得住性要求較高。所以選用可充電的蓄電池直流電源。它重量輕，體積小，電量大，是較為理想的恒壓源。按照機械人電機的要求和控制電路的要求，可以選擇主要技術(shù)參數(shù)為電壓24V的直流蓄電池和5V電池組作為機械人的電源。電機調(diào)速元件的選取(21)對于直流電機的調(diào)速比較簡單，由公式(21)可知調(diào)速有三種方式：（1）調(diào)壓調(diào)速U（2）骨氣隙磁通K（3）調(diào)節(jié)電樞電路串接電阻調(diào)速（4）新型調(diào)節(jié)脈寬PWM對于這種永磁式小容量直流電機磁通量K為定值，調(diào)骨氣隙磁通不現(xiàn)實。采用調(diào)壓調(diào)速對于咱們所用的24V直流蓄電池來講也不現(xiàn)實，直流變壓沒有交流變壓簡單，因為這樣設(shè)備較為復(fù)雜，本錢上升。所以咱們考慮最為簡單的調(diào)速方式和新型PWM型脈寬調(diào)速。串聯(lián)電阻調(diào)速方式的實現(xiàn)在電樞電路中串接電阻（滑動變阻器）?？梢赃M行無極調(diào)速，雖然這樣會大大減弱電機的機械特性曲線的硬度，但不失為一種快捷，簡單的變速方式。串聯(lián)電阻的計算如下：(22)對于電機的轉(zhuǎn)速可近似以為(22)(23)對于已經(jīng)出廠的電機來講是定值。(23)(24)由所選的電機參數(shù)可知，有負(fù)載時(24)(25)對于加上串聯(lián)電阻后咱們希望取得的調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速為則有，則有，，，(25)由于Ra為理論值，考慮到直流電機采用電樞串聯(lián)電阻調(diào)速會使電機的機械特性曲線大幅變軟，又要保證機械人電機在負(fù)載下能正常工作，所以就可用滑動變阻器來進行電阻補償調(diào)速。由以上計算，可選擇滑動變阻器量程為0—1000歐姆的型號。新型調(diào)節(jié)脈寬PWM型調(diào)速的實現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)是近期流行起來的對于直流電機無極調(diào)速的最優(yōu)化的調(diào)速系統(tǒng)。它相較改變電壓電壓，改變磁通參數(shù)，改變電樞電流等具有相當(dāng)大的優(yōu)越性。脈寬調(diào)制就是使功率放大器中的晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)頻率頻率維持恒定，用調(diào)整開關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時間的方式來改變其輸出，從而使電機電樞兩頭取得寬度隨時間轉(zhuǎn)變的給定頻率的電壓脈沖。其工作原理電樞兩頭電壓轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D43圖43PWM原理圖PWM主如果通過單片機和晶體管將電壓信號進行調(diào)制轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制。通過調(diào)節(jié)頻率和脈寬使直流電動機的工作時間有必然的空行程比例，咱們成為占空比，脈寬的持續(xù)轉(zhuǎn)變，使電樞電壓的平均值也持續(xù)轉(zhuǎn)變，因此使電機轉(zhuǎn)速持續(xù)調(diào)整。PWM調(diào)速的原理決定了它的電路圖要采用單片機，進行脈寬的控制，和電機的驅(qū)動。PWM的電路連接圖有很多，不同公司生產(chǎn)的PWM控制電路板不同，本文僅以SG1731電路板為例，其電路圖如圖44圖44PWM控制電路圖其中，驅(qū)動電機的功放一般選用H型橋式開關(guān)放大器，由4個晶體管組成換向，放大電路，其電路圖如圖45。這種電機驅(qū)動電路可以通過激發(fā)不同的晶體管的工作方式，進行電機正反裝控制，電機的調(diào)速。電機調(diào)速方式的肯定及元件的肯定通過以上電路的設(shè)計與分析，采用電樞串聯(lián)電阻的調(diào)速方式的特點是：（1）電路簡單（2）價錢低廉圖45H型橋式電路圖圖45H型橋式電路圖（4）電能損耗嚴(yán)重（5）不適合長時間的調(diào)速采用PWM脈寬調(diào)速方式的特點是：（1）可調(diào)節(jié)頻帶寬（2）電流脈動小（3）電源功率因數(shù)高（4）電機動態(tài)硬度好（5）電路復(fù)雜（6）本錢較高綜合機械人的野外工作環(huán)境，節(jié)約電能是十分重要的，按照機械人工作時間很長的要求，咱們選擇采用PWM脈寬調(diào)節(jié)器。（注：在此咱們已經(jīng)表述出直流電機PWM調(diào)速電路圖，在總設(shè)計電路圖中咱們將以方框代表調(diào)速電路）9電路設(shè)計輪足電機動作的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的電路設(shè)計對輪足電機進行編號，前足3個電機別離是M1、M2、M3，后足3個電機別離是M4，M5，M6。對于直流電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，主要采用的方式是電樞接線的正接與反接，所以可以借鑒機床電機的正反轉(zhuǎn)接線圖來設(shè)計6個驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)。由于電機容量小，可以直接啟動，所以可以直接用開關(guān)直接控制接線方式。機械人的傘足的設(shè)計，在考慮電機轉(zhuǎn)動方向的同時，因為前后傘足均有一個足要接觸管道的上表面運動，所以要與接觸下表面的兩個輪足的旋向相反才能使三個足同時拉動機械人前進。即有M3與M一、M2旋向相反，M6與M4、M5的旋向相反。如圖46所示的控制電路，為完成驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)動作的電路。（注：電路中，調(diào)速PWM控制省略不畫，在以后的總電路圖中調(diào)速電路畫出）電路中，用三位開關(guān)，左接通為正傳，右接通為反轉(zhuǎn)，中位為停止。這種電路方便，簡單，較易控制。適合這種低壓電氣控制電路，而且廉價。前后傘足的張開閉合電路設(shè)計圖46驅(qū)動輪電機控制接線圖對于前后傘足要求能張開和閉合。為此，圖46驅(qū)動輪電機控制接線圖要求電性能帶動螺旋絲杠進行正、反轉(zhuǎn)?？梢匝赜抿?qū)動電機的接線思路，借鑒機床電氣控制的接線方式，采用反接的方式進行正反轉(zhuǎn)控制。如圖47所示。這種電路簡單易接，沒有延遲現(xiàn)象，可以知足較快和較慢的調(diào)速需求，較為理想。圖47前后傘足的張開閉合控制電路圖47圖47前后傘足的張開閉合控制電路電機部份總電路設(shè)計綜合圖4六、圖47的電路設(shè)計可得電機部份總電路圖如圖48所示。圖48各電機控制總電路機械人中電機由8個，電機較多，采用一個電源顯然不能知足電機的能量消耗，所以采用2個電源同時供電能知足電機的長時間工作的要求。Q一、Q2、Q3、Q4、Q五、Q6均為3位開關(guān)，對于開關(guān)左位接通為反轉(zhuǎn)，右位接通為正轉(zhuǎn)。中位為斷路。電機順序動作的電路設(shè)計由轉(zhuǎn)彎的方式可以分離出電機的順序動作有：電機M7反轉(zhuǎn)電機M4、M五、M6前進電機M7正轉(zhuǎn)電機M8反轉(zhuǎn)電機M一、M二、M3正轉(zhuǎn)電機M8正轉(zhuǎn)。對于電機的順序動作由現(xiàn)代控制理論咱們可以由以下幾種選擇：圖49邏輯控制一(1)采用手動開關(guān)通過攝像頭觀察，人為進行控制。圖49邏輯控制一(2)采用傳統(tǒng)的電磁電氣控制電路進行邏輯控制。(3)采用單片機/PLC進行自動控制。人為控制若采用第一種方式控制，如圖48所示，這種電路可以進行人為的進行電機的順序動作控制，先閉合開關(guān)Q1的左側(cè)再斷開--閉合Q2的右邊再斷開--閉合Q1的右邊再斷開--閉合Q3的左側(cè)再斷開--閉合Q4的右邊再斷開--閉合Q3的右邊再斷開。邏輯控制若采用第二種控制方式，可以參考機床電氣控制的經(jīng)典電路作出如圖49，圖50圖50邏輯控制二組成的由電磁鐵，繼電器組成的電磁控制電路，圖50邏輯控制二采歷時間繼電器來控制元件的順序動作（6個KT）通過不同的KT得電實現(xiàn)6個順序動作，時間繼電器KT的延時為5秒，也可以按照不同的伸縮要求設(shè)定動作時間。KM1控制步驟1，KM2控制步驟2，KM3控制步驟3，KM4控制步驟4，KM5控制步驟5，KM6控制步驟6。單片機/PLC進行自動控制考慮采用單片機/PLC自動控制電路，可以把順序動作分解為由不同的使能端輸出，由一個初始激發(fā)信號，來使PLC上電，同時執(zhí)行程序從而輸出各個電信號，各個電信號來驅(qū)動各執(zhí)行原件控制電機的動作，如圖51所示為由I/O端口分派接線圖，PLC端口分派表1如下：表1I/O口分派表輸入輸出轉(zhuǎn)彎啟動X0前傘閉合Y1后傘足前進Y2前傘打開Y3后傘閉合Y4前傘足前進Y5后傘足打開Y6如圖52為電機主回路接線圖，如圖53為PLC程序梯形圖組成的PLC組合控制電路。圖51I/O端口分派接線圖圖52電機主回路接線圖圖53PLC程序梯形圖組成的PLC組合控制電路（1）電路分析：對于圖51所示I/O接線圖由SB1閉合、PLC上電發(fā)出啟動程序指令，由X0端口接收。由圖所示程序梯形圖的執(zhí)行程序可以進行順序的動作執(zhí)行，通過按時器來設(shè)定元件的接電時序來輸出電信號。使Y一、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6按順序得電（共6步），其中Y一、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6依次控制轉(zhuǎn)彎時各電機的順序動作，并由KM一、KM2、KM3、KM4、KM五、KM6依次執(zhí)行元件執(zhí)行動作。由圖52所示電機主回路接線圖可以進行執(zhí)行元件的直接執(zhí)行動作，由KM一、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6觸點的接通和斷開來直接驅(qū)動電機的順序動作。電路的比較與選擇如下：①對于如圖48所示電路，它的長處是方便，簡單，結(jié)構(gòu)精煉。但要人為的控制，而且步驟復(fù)雜，開關(guān)較多，操作麻煩。②對于如圖49，50所示電路圖，它的長處是能夠由一個鼓勵信號完成所有的順序動作，操作簡單，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且繼電器電路一般需要24V以上的電源配合，還要連接各個觸點，對于管道機械人的電路系統(tǒng)要求不符合，還要從頭配置電氣系統(tǒng)，配置控制箱，系統(tǒng)龐大，不太符合野外工作要求。③對于如圖51，52，53所示電路圖，可以用PLC進行自動化控制，一般PLC也需要24V的電源配合，而且價錢較高，而且需要KM接觸器來進行控制執(zhí)行，而且各類管道的小徑不同，不能通過簡單的設(shè)定延時來控制傘足的張開和閉合。用在這種機械人身上顯然牛鼎烹雞了。④通過以上電路的比較和管道爬行機械人的工作要求及條件，咱們選用人為手動開關(guān)控制轉(zhuǎn)彎動作，而且可以隨時調(diào)整，采用這種控制方式可以省略很多元器件，節(jié)約線材，簡單快捷，價錢低廉，適合低壓控制電路，而且可以隨意的人為執(zhí)行動作，適合不同的工作環(huán)境下的動作執(zhí)行，接線簡單，采用手柄式控制盒布線體積較小，重量輕，適合任何電源，具有必然的通用性。照明系統(tǒng)的電路設(shè)計照明電路選用2個24v的熒光燈并聯(lián)在電源上即可。如圖54所示。圖54照明電路管道內(nèi)機械人定位系統(tǒng)（PDPS）的設(shè)計在機械人工作時，通過人眼觀察攝像頭傳輸?shù)男畔砜隙ü艿朗遣皇瞧茡p，需要對機械人進行管道中的定位來肯定管道破損處的定位。爬行器管道內(nèi)定位方案的提出與分析按照所學(xué)的電路及信號方面的知識。大致列出機械人管道中定位方案如下：方案一：可按照工業(yè)進程控制中，常常利用的小車模型中的肯定小車位置的行程開關(guān)或感光元件（光敏管、發(fā)光二極管、感光二極管）進行編號，對機械人通過時進行信號的傳輸，來肯定機械人在管道中的位置。方案二：可以借鑒通信運營商的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，自行設(shè)計無線傳輸通信系統(tǒng)，對機械人進行安裝信號源，通過外部的全局的信號接受，來肯定機械人的確切的位置。（即小型的管道用GPS）。方案三：對于管道機械人的特殊性，可以變相的以為管道機械人就是一列小型的有軌火車，則可以仿照火車調(diào)度室的火車運行定位方案進行管道機械人定位的設(shè)計。方案四：由于管道是封鎖的，有固定路徑的，可以仿出租車的里程計算系統(tǒng)來直接計算出機械人的行程長度，通過計算里程和比對管道線路工程圖來間接的肯定機械人的準(zhǔn)確位置。對于方案一那就必需把管道內(nèi)部依照必然的步距安裝必然密度的敏光管或感光二極管等感應(yīng)器，信號反饋線路（有線或無線），外接串口或并口。對感應(yīng)器進行編號，由個編號的感應(yīng)器發(fā)出的信號來肯定機械人所在的大致位置。按照機械人的大致位置，和攝像頭所發(fā)出的視頻信號人為的判斷管道是不是破損，對破土進行管道維修提供破損定位。對于方案二可以在管道機械人上安裝衛(wèi)星定位器，借助通信運營商進行衛(wèi)星結(jié)合管道的布局圖進行定位（類似于車載衛(wèi)星定位GPS，可以把道路看做管道線路，把車看成管道爬行機械人）。其衛(wèi)星定位原理如圖55，運用到機械人上形成的上位機展示圖如圖56。圖55衛(wèi)星定位原理圖56上位機仿真圖像圖57列車運行圖對于方案三基于有軌列車的軌道行進進程中?？梢越M建列車線路網(wǎng)，基于列車線路網(wǎng)這個平臺進行列車行駛位置的監(jiān)控。如圖57。對于火車的調(diào)度及運行定位可以查到，系統(tǒng)采用以GPS定位為主，以相關(guān)信息為輔的定位方式，通過車載計算機實時對系統(tǒng)各功能模塊信息的交互，完成對機車運行全進程的信息收集，進而實現(xiàn)對機車運況的監(jiān)測。同時應(yīng)用無線通信手腕與地面設(shè)備相結(jié)合，由此實現(xiàn)地面各單位對線路上機車運況全進程的跟蹤、監(jiān)測。并據(jù)此可以為成立各類信息平臺提供詳實、靠得住的信息資源。圖57列車運行圖由此啟發(fā)，可以火車線路網(wǎng)換成管道線路網(wǎng)，把火車換成管道爬行機械人。運用無線反饋設(shè)備，對機械人進行實時監(jiān)控。對于方案四咱們已知管道線路，已知管道各段的長度，和管道的路徑。就可以夠按照機械人運行的參考量來判定機械人在管道中的具體位置?？隙C械人位置的參考量有很多，比如路程，位移，時間，管道內(nèi)部標(biāo)志等等，通過對參考量的分析，顯然用位移，時間，管道內(nèi)部標(biāo)志來肯定機械人的位置比較粗略，精度相當(dāng)不高。用路程來衡量機械人在管道中的位置比較適合，精度適中。那就必需在機械人上安裝里程計（由于管道的長度不像城市的道路那么長，所以里程計的精度必需要達到），通過測量運行的距離，反映到譯碼管上，讀出機械人運動的距離，通過機械人移動的距離可以與通過管道線路的對比就可標(biāo)出出機械人的確切位置。機械人管道內(nèi)模擬圖如圖58圖58機械人管道內(nèi)定位模擬圖機械人定位系統(tǒng)部件的選擇與設(shè)計通過以上的分析，咱們按照機械人的工作條件，和野外工作狀況，和本錢低廉，制作簡單，方便攜帶的原則，可以選擇采用里程式機械人管道內(nèi)定位系統(tǒng)。圖59里程計原理圖里程式系統(tǒng)的原理是采用肯定機械人的移動距離來反饋機械人在管道內(nèi)的位置。測量機械人的移動距離是關(guān)鍵，咱們采用普遍的計數(shù)器，編碼盤，感光二極管，發(fā)光源等組成一個輪輻運動圈數(shù)的反饋電路，為了編程方便，可設(shè)計編碼盤的直徑為D=，那么編碼盤圖59里程計原理圖轉(zhuǎn)動一圈行走的距離為，其原理圖如圖59。編碼盤分的越細(xì)，里程計顯示的越精準(zhǔn),在本次設(shè)計中，里程計的電路原理是通過編碼盤旋轉(zhuǎn)，光源發(fā)光，感光二極管的感光次數(shù)通過計數(shù)器（89C51單片機）計數(shù)，來肯定驅(qū)動輪所走的圈數(shù)，驅(qū)動輪的周長已知，進行乘法運算就可取得機械人行走的距離，再進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過74LS47譯碼器譯碼，輸出LED（數(shù)碼管）。里程計電路圖如圖60圖60里程計內(nèi)部接線圖圖60里程計內(nèi)部接線圖由于電路中采用單片機進行數(shù)據(jù)運算和信號輸出，所以必需要有單片機的運行程序來控制單片機的動作，單片機中有2個計數(shù)器，為了高效的利用單片機，咱們采用計數(shù)器C1，C2同時利用，產(chǎn)生3位數(shù)據(jù)輸出。其低級設(shè)定程序如圖61圖61里程計初級程序圖（注：這本章中，已經(jīng)完整的表述了里程計及其顯示電路的原理，接線圖和程序，在總電路圖的設(shè)計中，為了簡化電路，咱們以方框代內(nèi)外程計系統(tǒng)。）圖61里程計初級程序圖10結(jié)論通過以上的電路分析和比較，咱們可以選用采用手動開關(guān)的電路進行整合，和電源負(fù)載平均分派，可得如下圖62電路圖。圖62電氣部分總電路圖圖62電氣部分總電路圖其中：Q1為驅(qū)動電路總開關(guān)，Q2為調(diào)整電路總開關(guān)，Q3為前輪正反轉(zhuǎn)控制開關(guān)，Q4為后輪正反轉(zhuǎn)控制開