青岛科技大学本科毕业设计（论文）
在不平整地面环境下，运动不平稳，易倾斜；微型化比较难。
履带式机器人具有牵引力大，抓地性好，适应地面环境能力强的特点，同等条件下，可以跨越的障碍是所有驱动方式中最大的。
足式是一种模仿昆虫结构功能的移动方式，地形适应能力强，能越过较大的壕沟和台阶，其缺点是速度和效率低，转向比较困难，控制系统复杂，因为腿和地面的接触面积小而使得单位的压强太大，所以应用起来比较困难。日本用压电元件制成的足式步行机器人采用双压晶片型的压电元件，利用它的振动直接蹬着地面前进。如图2-3所示，1—三叉支架，2—三叉支架二。
螺旋式机器人是利用旋转摩擦管壁产生推力。适合在管径很小的管道中运动，缺点是效率低，推力比较小。
张紧式移动机构主要是适合在垂直管道或大坡度管道中运动，它通过可变形的机构始终张紧管壁，保持与管壁的紧配合。一般与其他移动方式（如轮式和履带式）结合使用，缺点是不能适合L型等没有圆弧过渡的弯道，适应得管道直径范围比较小。如图2-4所示，（适合直径85-105mm）。
图2-3 微型六足机器人 Fig.2-3 Hexapode micro-robot
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管道射线探伤机器人结构设计
图2-4 Sungkyunwan University 的管道机器人
Fig.2-4 Pipe robot of Sungkyunwan University
流体推动式是一种无动力或被动式的移动方式，利用管道内的流动液体的动力运动，可以在管道不停止工作的状态下进行管道的检测，一般没有缆绳，因此不受行走距离的限制，缺点是难以控制速度和方向。
蠕动式机器人是依靠柔性形体的变形产生移动，具有较大的吸引力，运用的驱动元件不同，但蠕动原理大致相同，对于不同的蠕动机理，蠕动规律及控制尚需深入研究，缺点是转向困难，速度和效率低，牵引力小。蠕动式有蛇行、仿蚯蚓等运动模型?20?26?。 2.2.2移动方式的选择
由于管道内避的情况复杂，会有许多突起的障碍，管壁的环境也可能较泥泞，行走条件苛刻，因此选择履带式为管道机器人的移动方式
本课题的履带式机器人具有以下特点：
1）履带式移动机器人支撑面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能好；越野机动性能好，爬坡，越沟等性能均优于轮式移动机器人。
2）履带式移动机器人转向半径极小，可以实现原地转向，其转向原理是靠两条履带之间的速度差即一侧履带减速或刹死而另一侧履带保持较高的速度来
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实现转向。
3）履带支撑面上有履齿，不易打滑牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。
4）履带式移动机器人具有良好的自复位和越障能力，带有履带臂的机器人可以像腿式机器人一样实现行走。
当然，履带式移动机器人也存在一些不足之处，比如在机器人转向时，为了实现转大弯，往往要采用较大的牵引力，在转弯时会产生侧滑现象，所以在转向时对地面有较大的剪切破坏作用。
2.3本课题设计的内容及注意的几个问题
本课题设计的是利用X射线来完成对于油气管道的检测，其主要方面是对于管道机器人行走机构的设计。通过查阅相关资料和自身对知识的掌握，能够研制一台具有良好的弯道通过能力、越障碍能力、视觉定位能力并能适应较长距离检测及不同管径范围内作业的实用样机。
在设计管道机器人时需要重点考虑的几个关键性问题是：
1）移动机构的设计问题。管道机器人在弯管、支岔管中的通过性问题是一个难点，又要考虑到适应不同管径的问题。寻找一种既能够提供较大牵引力，又快速灵活、可靠性高的机构是一个值得研究的问题，还要在动力系统、传动机构的小型化方面下功夫。除了在机械机构上推陈出新之外，另外还应该尽可能结合控制方案来考虑。
2）驱动方式的选择问题。对于管道机器人的驱动器，常用的是微型直流电机或步进电机，其响应快，控制比较精确可靠，产生的扭矩比较大，成本相对低。因此本方案采用了步进电机作为驱动器，可以在管道中，尤其在弯管中产生足够的驱动力来克服各种阻力。
3）信号、电力的传输和供给方式问题。在直管中，线缆可以顺利进出，但在弯管处，或多个弯道处必须考虑线缆的阻力。如果采用无线方式传递信号，由于金属管道具有一定的屏蔽作用，需要考虑发射信号的频率。常用的电源供应是高性能电池、蓄电池和管外线缆供电方式。这里考虑到需要的电量比较大和本身需要携带气管，采用了管外线缆供电方式和线缆通信方式。
4）控制系统和传感器的设置问题。管道内部的复杂环境，可能导致传感器无法正常工作，人工的介入是必要的，但又需要具有一定的智能化，因此控制
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管道射线探伤机器人结构设计
系统应该同时具有这两种功能。经过多年的实践，人们已经认识到传感器的集成，即多种传感器的综合运用是解决这个问题的有效方法。
2．4本课题设计的管道射线探伤机器人的整体结构
经过文献查阅比较，履带式行走机构优于其它机构：首先，履带与管壁之间的接触面积比较大，这样可以在之间产生较大的摩擦力，防止打滑，减小无用功，提高效率，在越障碍能力上，履带式有很大优势。机器人在行走过程中，受到行走阻力、转弯阻力、爬坡阻力以及拖线阻力的作用，另外，越障因为过程复杂，其所受阻力不易详细估计，因此驱动器必须要产生足够的扭矩，所以驱动器的选择也是至关重要的，在很大程度上决定了管道机器人的体积、重量和性能指标，本课题选择步进电机为驱动方式。为了适应不同的管径范围，本课题设计了调整机构，在机器人支架的各两边，装有螺旋丝杠结构，他们通过中间的丝杠套相连，当要求改变作业的管径范围时，可以调整丝杠套，来使机器人两端的支架呈不同的角度，使履带与管道壁间有最大的接触面积，从而适应不同的管径。机器人的驱动机构与支架之间也是可以相对转动的，通过丝杆套的调整和驱动机构同支架之间角度的调整，可以改变机器的高度，使之适应一些特殊的管道，如形状较矮的管道等。如图2-5所示，为本课题的结构原理图。
图2-5 机器人的整体结构原理图
Fig.2-5 Whole structure principle diagram of the robot
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3履带式管道机器人的机构设计
3.1管道机器人设计思想
如图3-1所示，机器人每条摆腿都通过腿部关节与机器人本体相连。通过手动调节两侧摆腿的张开角度，使管道机器人实现柔性适应不同直径圆管的功能，保证了履带足与圆管管壁充分接触，使机器人在运行中牵引力和稳定性都得以保证。机器人出现倾斜时，还能通过水平传感器的检测，机器人自动改变两侧履带速度，纠正机器人机体位置，避免机器人倾覆。
图3-1 管道机器人移动机构示意图
Fig.3-1 Schematic diagram of pipeline robot moving bodies
图3-2所示为机器人不同管径时调整摆腿角度的示意图，通过手动调节移动本体的摆腿机构，调节履带足底面与管壁接触位置，保持机器人履带在圆管中接触状态良好，使机器人足够的附着力和牵引力。由图3-1可见当管径发生变化时机器人通过改变摆腿的角度，调整到履带足平面与管壁充分接触的状态。
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