管道射线探伤机器人结构设计
2管内X射线检测机器人方案的确定
管道机器人通常是由驱动器、移动机构、转向机构和工作装置等几部分组成。其中驱动机械和移动方式有较大程度上决定了机器人的整个机械结构。管道机器人的移动方式可以分为轮式、履带式、足式、蠕动式、螺旋式和流体推动式等，各自有各自的优缺点。
2.1 管道机器人的驱动方式
2.1.1 管道机器人的驱动方式
由于管道机器人是在管道限定的环境里运行，尤其是在有弯曲的管道里运行，一方面，机器人在弯管(包括垂直管道)行走中要有足够的摩擦力来克服重力的影响，另一方面需要提供足够大的驱动力来克服各种阻力。驱动器的选择在很大程度上决定了管道机器人的体积、重量和性能指标。
现在使用的驱动方式主要有：
（1）电磁驱动。最常用的是微电机，微电机又分为有刷直流电机、无刷直流电机、步进电机和舵机等。步进电机、直流电机和无刷直流电机的主要区别在于它们的驱动方式。步进电机采用直接控制方式，它的主要命令和控制变量都是步阶位置（step position）；直流电机则是以电机电压或电流作为控制变量，以位置或速度作为命令变量，小尺寸可以产生较大的扭矩。直流电机需要反馈控制系统，它会以间接方式控制电机位置，步进电机可以产生精确控制，一般采用开环方式。无刷直流电机以电子组件和传感器取代电刷，不但延长电机寿命和减少维护成本，而且也没有电刷产生的噪音，因此无刷直流电机可以达到更高的转速。对电机的控制比较成熟，目前小型电机常采用 PWM 控制方法，控制方法比较简单，精度比较高。
（2）压电驱动。压电材料是一种受力即产生应变，在其表面出现与外力成比例电荷的材料，又称压电陶瓷。反过来，把一电场加到压电元件上，则压电元件产生应变，输出力或变位。通常压电元件的能量变换率高（约50%），驱动力大（3500N/cm2），响应速度快（几十毫秒），稳定性好，驱动精度高。故通常压电元件有两种驱动方式：一种是利用动态响应快的特点，作高频振动，把振动作为动力源；另一种是利用驱动力大、精度高的特点，驱动位移或力作为驱动源。
16
青岛科技大学本科毕业设计（论文）
（3）形状记忆合金。形状记忆合金是一种特殊的合金，其形状记忆效应产生的主要原因是相变，其相变是由可逆的热弹性马氏体的相变产生，一旦使他记忆了任意形状，当加热到某一适当的温度时，则恢复为变形前的形状。它的特点：一是变化率大，是普通金属的近十倍，达到 4mm 每100C；二是变位方向的自由度大，由两种金属片贴合而成的双金属片的变位方向只能是垂直于贴合面的方向，形状记忆合金是单一材料，没有方向的依赖性，可向任何方向变位，如做成线圈状扩大动作行程；三是在特定的温度下，变位急剧发生，并且具有温度的迟滞性，适合于开关动作。
（4）超声波驱动是利用超声波振动作为驱动力，即由振动部分和移动部分组成，靠振动部分和移动部分之间的摩擦力来驱动的一种驱动器，它具有结构简单、体积小、响应快、力矩大，不需要减速就可以低速运行，常用于照相机快门的动作等。超声波驱动由三种驱动方式：振动方向变换型、行进波型和复合振动型，这两种驱动方式一般应用在微机器人上。
（5）气动驱动。利用压缩空气驱动气动马达或气缸运动，适合潮湿恶劣的环境，不需要电源，但运动精度比较低。
（6）人工肌肉是一种新型的气动橡胶驱动器（仿生物肌肉驱动），结构是由内部橡胶筒套及外部纤维编织网构成，当对橡胶筒套充气时，橡胶筒套因弹性变形压迫外部编织网，由于编织网刚度很大，限制其只能径向变形，直径变大，长度缩短。此时，如果将气动人工肌肉与负载相联，就会产生收缩力；反之，当放气时气动人工肌肉弹性回缩，直径变细，长度增加，收缩力减小，因此气动人工肌肉具有重量轻、输出力大、柔顺性好等特点。如图2-1所示，1—橡胶筒套，2—纤维层，3—螺丝口部，其缺点是：（1）气动人工肌肉与传统气动执行元件相比行程小（气动人工肌肉空载时可达20%，有载时只可达到10%，而有的传统气缸可达到40%）；（2）气动人工肌肉的变形为非线性环节，具有时变性，使准确控制其位移十分困难；（3）在工作过程中，气动人工肌肉自身温度会发生变化，随着温度的变化，其性能也会改变，这给高精度控制带来困难?18?。
17
管道射线探伤机器人结构设计
图2-1 人工肌肉结构简图
Fig.2-1 structure diagram of man-made muscle
2.1.2驱动方式的选择
本课题的管道机器人选用电磁驱动的驱动方式，采用微型直流电动机进行驱动，选用充电电池作为电源，即可避免机器人拖缆线，减轻机器人的重量，减轻机器人在管道内部运动的阻力。 2.1.3 驱动电机的选择
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
本机构两个履带足由独立的步进电机驱动，目的是为了简化传动机构，使机构更加紧凑。设机器人直线行走阻力、爬坡阻力和拖线阻力分别为F1、F2、F3。
本课题研究的管道机器入主要应用于硬质管道环境，直线行走时的地面变形阻力和外部行驶阻力可以忽略不计，故直线行走阻力只考虑履带装置运行内阻力。履带机构驱动力主要表现为履带与地面之间的摩擦力，即附着力。履带装置运行内阻力是由同步带和带轮，传动齿轮之间的摩擦阻力形成，一般可用以下经验公式计算?19?：
F1=kGg (2-1)
式中：
18
青岛科技大学本科毕业设计（论文）
k—内阻力系数； G—机器人重； g—重力加速度；
内阻力系数可取0.03-0.07，考虑到本机构的实际情况，取0.06。设机器人机重G=15kg，则直线行走阻力：
F1=9N。
其爬坡阻力为：
F2?Gsin? （2-2）
式中：
G—机器人重
?—机器人爬坡坡度
则 F2=73.5N
设爬坡坡度为30，线缆重8kg，线长25m，与地面问摩擦系数0.4，则拖动一整根电缆所需要的拖线力F3为31.4N。
则机器人的总阻力F0为：
F0=F1+F2+F3 （2-3） 式中：
F1—行走阻力
F2—爬坡阻力 F3—拖线所需的力
?则 F0=113.9N 每只履带上的阻力F为：
F=
履带足电机输出功率：
F0=57N。 （2-4） 219
管道射线探伤机器人结构设计
P=
式中：
Tn （2-5） 9550T—每支履带所受阻力钜 n—电机输出转速
设带轮节径d=40mm，则每只履带所受阻力矩T为1.14Nm。假设机器人行进速度为6m/min，则电机输出转速n=48rpm。
则 P=5.8?10（KW）=5.8（W）
考虑到管内可能碰到比较恶劣的情况，而且为越障预留一些功率，以使其在拖线30m的情况下仍然可以比较轻松的攀爬障碍，取足够的安全系数，确定步进电机的步距角，静力矩和电流，并考虑电机的性价比和安装尺寸，选取适当的步进电机。
?32.2管道机器人的移动方式
2.2.1机器人移动方式
管道机器人的移动方式可以分为轮式、履带式、足式、蠕动式、螺旋式和流体推动式等（如图2-2）。A为轮式 ，B为履带式 ，C为足式， D为螺旋式，E为张紧式， F为流体推动式 ，G为蠕动式。
图2-2 管道机器人的移动方式 Fig.2-2 Locomotion mode of pipe robot
轮式机器人以其运动的连续性、平稳性和车辆技术的成熟性而广为应用。然而对于轮式也还有限制：轮式越障碍能力比较差，牵引力相对履带式要小；
20