創(chuàng)新設(shè)計(jì)-管道履帶式機(jī)器人

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1、履帶式管道機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)專業(yè)班級：機(jī)械設(shè)計(jì)姓名：學(xué)號：25引言現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中使用著大量管道，如核電廠的蒸汽發(fā)生器傳熱管、石油、化工、制冷行業(yè)的工業(yè)管道和煤氣管道等，多數(shù)管道安裝環(huán)境人不能直接到達(dá)或不允許人直接介入，為了進(jìn)行質(zhì)量檢測和故障診斷，采用傳統(tǒng)的全面挖掘法、隨機(jī)抽樣法或SCADA系統(tǒng)法，工程量大，準(zhǔn)確率低，因此需要開發(fā)管道機(jī)器人來解決這些實(shí)際問題。管道機(jī)器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部移動(dòng)，攜帶一種或多種傳感器及操作器，在操作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)的自動(dòng)控制下，能夠進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)電儀一體化系統(tǒng)。管道機(jī)器人可完成的作業(yè)有生產(chǎn)、安裝過程中的管內(nèi)外質(zhì)量檢測；使用過程中焊縫情況

2、、表面腐蝕、裂縫破損等故障診斷；惡劣環(huán)境下管道清掃、噴涂、焊接、內(nèi)部拋光等維護(hù)；對埋地舊管道的修復(fù)；管內(nèi)外器材運(yùn)送、搶救等其他用途。251緒論管道機(jī)器人在人類社會(huì)中已經(jīng)迅速的漫延開來，這一切都應(yīng)歸公于它自身的特點(diǎn)。因此，國內(nèi)外都在不斷的開發(fā)和研制更適合管內(nèi)行走的管道機(jī)器人，并開始走向微型化、智能化，使之性能更宜人化，可控性更好，準(zhǔn)確性更高。但是管道機(jī)器人由于受到它工作環(huán)境的限制和沉重的任務(wù)負(fù)擔(dān)，致使它也不斷面臨著更多，更嚴(yán)重的困難和問題。如何解決？已經(jīng)成為現(xiàn)代人的責(zé)任和發(fā)展方向。1.1管道機(jī)器人發(fā)展概況1.1.1國外管道機(jī)器人研究進(jìn)展國外關(guān)于燃?xì)夤艿罊C(jī)器人的研究始于20世紀(jì)40年代，由于70

3、年代的微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，管道檢測機(jī)器人技術(shù)于90年代初得到了迅猛發(fā)展并接近于應(yīng)用水平。日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期，70年代的實(shí)用期，到80年代進(jìn)入普及提高期，開始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。日本管道機(jī)器人眾多，東京工業(yè)大學(xué)航空機(jī)械系ShigeoHirose和HidetakaOhno等于1993年開始研究管道機(jī)器人，先后研制成功適用于直徑50mm管道的Thes-Ⅰ、Thes-Ⅱ型管道機(jī)器人和適用于直徑150mm管道的Thes-Ⅲ型管道機(jī)器人。德國工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。德國學(xué)者BemhardKlaassen、HermannSt—r

4、eich和FrankKirchner等人在德國教育部的資助下于2000年研制成功了多關(guān)節(jié)蠕蟲式管道機(jī)器人系統(tǒng)——MAKRO。1.1.2國內(nèi)管道機(jī)器人研究進(jìn)展國內(nèi)管道機(jī)器人研究進(jìn)展國內(nèi)在管道機(jī)器人方面的研究起步較晚，而且多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室階段。哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授在國家“863”計(jì)劃課題“X”射線檢測實(shí)時(shí)成像管道機(jī)器人的研制”的支持下，開展了輪式行走方式的管道機(jī)器人研制。上海大學(xué)研制了“細(xì)小工業(yè)管道機(jī)器人移動(dòng)探測器集成系統(tǒng)”。其主要包含20mm內(nèi)徑的垂直排列工業(yè)管道中的機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制技術(shù)(包括螺旋輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)、行星輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓電片驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)等)25、機(jī)器人管內(nèi)位置檢測技術(shù)、渦流檢測和視頻

5、檢測應(yīng)用技術(shù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成管內(nèi)自動(dòng)探測機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)20mm管道內(nèi)裂紋和缺陷的移動(dòng)探測。在北京市優(yōu)秀人才項(xiàng)目的資助下，進(jìn)行了仿蝎型管道機(jī)器人的研究工作。仿蝎管道機(jī)器人可以相對較易地跨過比較大的障礙，并且機(jī)器人的足所具有的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，可以在可達(dá)到的管面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在管面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如，對凹凸不平表面的適應(yīng)能力更強(qiáng)，機(jī)構(gòu)模型如圖1-1所示。圖1-1仿蝎管道機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型1.2典型的管道機(jī)器人1）蠕動(dòng)式管道機(jī)器人1988年，Ikuta等引用蚯蚓運(yùn)動(dòng)的原理開發(fā)出了蠕動(dòng)機(jī)器人，后來隨著蠕動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，其開

6、始向大型化發(fā)展，目前已可在200～300mm的管道內(nèi)應(yīng)用。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人主要由蠕動(dòng)部分、頭部、尾部組成，如圖1-2所示，1—頭部，2—蠕動(dòng)部分，3—尾部。前部和尾部支撐分別裝有超越離合鎖死裝置，實(shí)現(xiàn)單向運(yùn)動(dòng)自鎖。中間蠕動(dòng)部分提供機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。對于蠕動(dòng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)，目前有很多實(shí)現(xiàn)形式：如上海大學(xué)利用氣壓伸縮驅(qū)動(dòng)；上海交通大學(xué)利用形狀記憶合金伸縮驅(qū)動(dòng)；昆明理工大學(xué)利用電磁吸合驅(qū)動(dòng)如圖1-3，1—25磁鐵，2—彈簧，3—線圈等。下面以電磁驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)式管道機(jī)器人為例，分析蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理如圖1-4所示，1—頭部，2—蠕動(dòng)部分，3—尾部，一個(gè)動(dòng)作循環(huán)分為3個(gè)步驟

7、：(1)當(dāng)初始狀態(tài)時(shí)，電磁鐵失電，彈簧處于自由狀態(tài)，故頭部與尾部分離；(2)當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，磁鐵與線圈吸合，安裝在頭部上的超越單向行走方式使頭部原位不動(dòng)，尾部由于電磁吸力的作用向前移動(dòng)；(3)斷開電源，電磁力作用消失，彈簧促使磁鐵與線圈分開，安裝在尾部上的超越單向行走方式使尾部原位不動(dòng)，頭部由于彈簧力的作用向前移動(dòng)。至此，機(jī)器人回到了初始狀態(tài)，機(jī)器人前進(jìn)了一步。蠕動(dòng)機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)是可在細(xì)小的微型管道中行走。但由于