管外机器人结构设计及仿真1.选题背景毋庸置疑，我国已经成为世界最大的机器人市场，在工业生产当中，大量的工业机器人被应用于各种人工难以操作的恶劣环境中，尤其是近年来发展迅猛的管道机器人。管道机器人是一种具有可靠的运动能力，负载能力及越障能力的，代替工人执行管道维修，清扫，检查等作业任务的机械设备。工业生产中，大量应用的运输管道由于处于一些比较恶劣的环境中，如高温高压，又或是自身运载具有放射性的物质且出现破裂，变形的等结构损坏，这些因为自身结构受损的部位存在严重的安全隐惠，极其容易造成泄漏，引起工作人员伤亡，火灾爆炸等事故。因此，在运输管道的维修维护工作中，对管道进行快而准的管壁损坏问题检查十分重要，因此针对该现象而进行管道攀爬机器人的研究开发工作就显得十分迫切。通过学习，了解到国内外很多的学者已经研发出各种类型的攀爬机器人，如德国MAKRO-PIUS多节类蛇形管道机器人，自身配置六个关节，采用轮式行走机构运动灵活。日本学者研制的履带磁式管道机器人，由两个独立的磁性履带装置组成，采用两自由度的转动铰链连接成整体，结构紧凑，通过性好。我国清华大学的刘师民等学者研发的微型端动管道机器人，采用螺旋推进，结构紧凑，容易控制且牵引力大。中国科学院沈阳自动化机器人学国家实验研究所研发具有自适应管径能力的管道机器人，在不增加点击数量的基础上，完善了越障能力。综合来看，管道攀爬机器人主要有以下几类结构类型：气动蠕动式，其结构简单，控制方便，但是爬升高度，速度受限，越障能力差；关节式，可以具有多种步态，越障能力强，但是结构复杂，能耗大及重量大：并联式，其结构简单，速度快，但控制复杂：轮式，其结构简单，控制方便，稳定性好，负载大。因此，通过比较轮式相比其他几类机构的优势，本次课题就把轮式攀爬机器人做作为研究方向，设计出能具有较好越障能力和负载能力，且结构简单又于控制的，可沿直径范围是150mm-250mm的中型管道周向及轴向运动的管外轮式攀爬机器人。2机器人总体方案及结构设计2.1机器人总体方案设计及选型针对上文提到的管道维修检查的问题，本课题希望能研究出一款具有良好负载能力及越障的能力的可携带检测设备的机器人，能顺利跨越T型管，U型管，法兰盘等特殊位置，对管道进行全面高效的检测工作。机器人方案设计的目标是设计出一种能沿着直径在150-250mm范围内的管道外表面，以5.0-10.0m/min的速度，进行周向或轴向爬升运动，并搭载相关的可拆卸更换的检测元器件，对管道进行检查维修的管外轮式攀爬机器人。相关技术要求及性能参数如表2-1所示
管外机器人结构设计及仿真 1.选题背景 毋庸置疑，我国已经成为世界最大的机器人市场，在工业生产当中，大量的工业机器人被应 用于各种人工难以操作的恶劣环境中，尤其是近年来发展迅猛的管道机器人。管道机器人是一种 具有可靠的运动能力，负载能力及越障能力的，代替工人执行管道维修，清扫，检查等作业任务 的机械设备。工业生产中，大量应用的运输管道由于处于一些比较恶劣的环境中，如高温高压， 又或是自身运载具有放射性的物质且出现破裂，变形的等结构损坏，这些因为自身结构受损的部 位存在严重的安全隐患，极其容易造成泄漏，引起工作人员伤亡，火灾爆炸等事故。因此，在运 输管道的维修维护工作中，对管道进行快而准的管壁损坏问题检查十分重要，因此针对该现象而 进行管道攀爬机器人的研究开发工作就显得十分迫切。 通过学习，了解到国内外很多的学者已经研发出各种类型的攀爬机器人，如德国 MAKRO-PIUS 多节类蛇形管道机器人，自身配置六个关节，采用轮式行走机构运动灵活。日本学者研制的履带 磁式管道机器人，由两个独立的磁性履带装置组成，采用两自由度的转动铰链连接成整体，结构 紧凑，通过性好。我国清华大学的刘帅民等学者研发的微型蠕动管道机器人，采用螺旋推进，结 构紧凑，容易控制且牵引力大。中国科学院沈阳自动化机器人学国家实验研究所研发了具有自适 应管径能力的管道机器人，在不增加点击数量的基础上，完善了越障能力。综合来看，管道攀爬 机器人主要有以下几类结构类型：气动蠕动式，其结构简单，控制方便，但是爬升高度，速度受 限，越障能力差；关节式，可以具有多种步态，越障能力强，但是结构复杂，能耗大及重量大； 并联式，其结构简单，速度快，但控制复杂；轮式，其结构简单，控制方便，稳定性好，负载大。 因此，通过比较轮式相比其他几类机构的优势，本次课题就把轮式攀爬机器人做作为研究方向， 设计出能具有较好越障能力和负载能力，且结构简单又于控制的，可沿直径范围是 150mm-250mm 的中型管道周向及轴向运动的管外轮式攀爬机器人。 2 机器人总体方案及结构设计 2.1 机器人总体方案设计及选型 针对上文提到的管道维修检查的问题，本课题希望能研究出一款具有良好负载能力及越障的 能力的可携带检测设备的机器人，能顺利跨越 T 型管，U 型管，法兰盘等特殊位置，对管道进行 全面高效的检测工作。 机器人方案设计的目标是设计出一种能沿着直径在 150-250mm 范围内的管道外表面，以 5.0-10.0 m/min 的速度，进行周向或轴向爬升运动，并搭载相关的可拆卸更换的检测元器件，对 管道进行检查维修的管外轮式攀爬机器人。相关技术要求及性能参数如表 2-1 所示
表2-1主要技术要求及性能参数技术类别设计参数攀爬速度6.0m/min作业范围直径范围150-250mm本体自重10kg温度范围5-60℃结构形式轮式攀爬结构通过相关学习，参考了各种资料文献，并结合了实际工作环境及技术要求，本论文提出了以下两种整体设计方案，如图2-1所示。在此说明，所示的两个设计方案只是管外轮式攀爬机器人的二维模型结构简图。根据实际需求，考虑相关作业环境及操作可行性，两个设计方案均采用横向左右对称的结构形式，尽可能简化模型结构，降低成本。通过方案的分析比较，选出相对优异的设计方案。1方案B方案Am-S图2-1总体设计方案1.转向电机2.减速箱3.类联轴器4.箱体①5.定向轮6.万向轮7.机架8.滑块9.弹簧10.双输出轴电机11.梅花联轴器12.箱体②13.单输出轴电机14.小齿轮15.大齿轮方案A：如图2-1所示，本结构左右对称，通过弹簧压缩，向轮子提供预紧力，使机器人能在竖直管道上不下落，于机架顶部安装一个转向电机，通过减速箱减速，并经过类联轴器驱动滑块，使定向轮获得转向能力，控制转动方向并于定向轮中间安装一个双输出轴驱动电机，通过联
表 2-1 主要技术要求及性能参数 技术类别 设计参数 攀爬速度 6.0 m/min 作业范围 直径范围 150-250mm 本体自重 10kg 温度范围 5-60℃ 结构形式 轮式攀爬结构 通过相关学习，参考了各种资料文献，并结合了实际工作环境及技术要求，本论文提出了以 下两种整体设计方案，如图 2-1 所示。在此说明，所示的两个设计方案只是管外轮式攀爬机器人 的二维模型结构简图。根据实际需求，考虑相关作业环境及操作可行性，两个设计方案均采用横 向左右对称的结构形式，尽可能简化模型结构，降低成本。通过方案的分析比较，选出相对优异 的设计方案。 图 2-1 总体设计方案 1.转向电机 2.减速箱 3.类联轴器 4.箱体① 5.定向轮 6.万向轮 7.机架 8.滑块 9.弹簧 10.双输出轴电机 11.梅花联轴器 12.箱体② 13.单输出轴电机 14.小齿轮 15.大齿轮 方案 A：如图 2-1 所示，本结构左右对称，通过弹簧压缩，向轮子提供预紧力，使机器人能 在竖直管道上不下落，于机架顶部安装一个转向电机，通过减速箱减速，并经过类联轴器驱动滑 块，使定向轮获得转向能力，控制转动方向并于定向轮中间安装一个双输出轴驱动电机，通过联 方案 A 方案 B
轴器驱动定向轮。本方案驱动部分结构简单，紧凑，但双输出轴马达成本偏高。方案B：如图2-1所示，方案B整体结构均与方案A相似，仅定向轮中间驱动部分结构设计不同。采用两个单输出轴电机，分别驱动左右两个定向轮，设计了一级齿轮减速，使其获得较大转矩，且方案成本较低，但减速齿轮外露于机器表面，后期更容易磨损破坏，造成驱动不足问题。通过对以上两周方案简单的分析与比较，本论文所研究的管外攀爬机器人决定采用方案B中的结构方案，并将对整体结构做进一步的优化改进，以保证在合理的成本范围内，设计出符合实际工作要求的管外攀爬机器人，三维模型及二维简图如图2-2所示。图2-2三维模型及二维简图机器人的总体结构主要由机架，主动行走机构，从动行走机构三大部分组成。机器人整体呈对称分布，中间两个定向轮上装有一个双输出轴驱动电机为机器人提供动力，机架顶部转向电机通过减速箱，经过类联轴器与滑块，控制主动轮方向，使机器人可以沿着管道的轴向与轴向运动这两种不同的步态。主动行走机构于从动行走机构通过滑块在箱体①内的类联轴器上的轨道内滑动，可以实现轮组沿管道径向运动。同时每个滑块的外套弹簧，一端连接车轮安装平台，另外一端连接箱体，弹簧预压紧力为车轮提供压力，压力产生的摩擦力保证机器人能够保持在竖直管道上不下落，同时与弹簧一起伸缩的车轮可以保证机器人能适应管径在一定范围内连续变化。机器人总体结构实现了驱动部分，传动部分，检测部分在机架上的整合，保证机架强度和稳定性的同时，使各部件之间尽量紧凑。机架下方的开口不仅能避开一些固定障碍，同时也方便了机器人的拆装，是机器人使用更加具有灵活性。2.2机器人结构设计机器人整体采用模块化设计，例如机身结构模块，驱动结构模块，传动结构模块及爬行结构模块等，通过将各模块进行安装整合，构成机器人整体，接下来将对各模块进行结构设计及计算分析。2.2.1机器人机身结构设计机器人机身采用正六边形对称结构，各边上均预留模块装配卡位。作为机器人的主体骨架
轴器驱动定向轮。本方案驱动部分结构简单，紧凑，但双输出轴马达成本偏高。 方案 B：如图 2-1 所示，方案 B 整体结构均与方案 A 相似，仅定向轮中间驱动部分结构设计 不同。采用两个单输出轴电机，分别驱动左右两个定向轮，设计了一级齿轮减速，使其获得较大 转矩，且方案成本较低，但减速齿轮外露于机器表面，后期更容易磨损破坏，造成驱动不足问题。 通过对以上两周方案简单的分析与比较，本论文所研究的管外攀爬机器人决定采用方案 B 中 的结构方案，并将对整体结构做进一步的优化改进，以保证在合理的成本范围内，设计出符合实 际工作要求的管外攀爬机器人，三维模型及二维简图如图 2-2 所示。 图 2-2 三维模型及二维简图 机器人的总体结构主要由机架，主动行走机构，从动行走机构三大部分组成。机器人整体呈 对称分布，中间两个定向轮上装有一个双输出轴驱动电机为机器人提供动力，机架顶部转向电机 通过减速箱，经过类联轴器与滑块，控制主动轮方向，使机器人可以沿着管道的轴向与轴向运动 这两种不同的步态。主动行走机构于从动行走机构通过滑块在箱体①内的类联轴器上的轨道内滑 动，可以实现轮组沿管道径向运动。同时每个滑块的外套弹簧，一端连接车轮安装平台，另外一 端连接箱体①，弹簧预压紧力为车轮提供压力，压力产生的摩擦力保证机器人能够保持在竖直管 道上不下落，同时与弹簧一起伸缩的车轮可以保证机器人能适应管径在一定范围内连续变化。 机器人总体结构实现了驱动部分，传动部分，检测部分在机架上的整合，保证机架强度和稳 定性的同时，使各部件之间尽量紧凑。机架下方的开口不仅能避开一些固定障碍，同时也方便了 机器人的拆装，是机器人使用更加具有灵活性。 2.2 机器人结构设计 机器人整体采用模块化设计，例如机身结构模块，驱动结构模块，传动结构模块及爬行结构 模块等，通过将各模块进行安装整合，构成机器人整体，接下来将对各模块进行结构设计及计算 分析。 2.2.1 机器人机身结构设计 机器人机身采用正六边形对称结构，各边上均预留模块装配卡位。作为机器人的主体骨架
必须具备坚固，耐用，绝缘，高强度，高韧性等特性，并尽可能做到轻量化。因此，在最初的选材方面，分别考虑了镁合金，铝合金，碳纤维，材料参考参数如表2-2所示。表2-2材料参考数据技术类别镁合金6061铝合金碳纤维Thornel MatVMA弹性模量45GPa68.9GPa230-340GPa泊松比0.350.330.31抗剪模量17GPa26Gpa100GPa密度1700kg/m32700 kg/m32000kg/m3抗拉强度290MPa260MPa3500MPa热膨胀系数26*10-6/K24.2*10-6/K-0.5*10-6/K热导率160W/(mK)170W/(m·K)20W/(mK)比热1000 J/(kg·K)1300 J/(kg :K)7.12 J/(kg · K)通过各材料的特性分析比较，铝合金密度低，质量轻，强度比较高，接近或超过优质钢，塑性良好，具有很好的加工性，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗腐蚀性，且其价格成本比镁合金和碳纤维都要低，经济实用。所以最终选用铝合金作为机架主体，可达到轻巧便携，坚固且高性能的目的。机器人机架三维模型及二维简图如图所示2-3所示。图2-3机架三维模型及二维简图2.2.2机器人驱动方案分析与设计机器人驱动方式依据驱动源类型通常分为气动驱动，液压传动，以及电机驱动三种类型。这三种基本类型各有其特点，通过学习及查阅相关文献，整理出管道机器人驱动方式的对比与分析如表2-3所示。表2-3管道机器人驱动方式的对比与分析气动式液压式电动式通常由气缸、气动通常由液压缸、伺由电动机，驱动组成结构阀、气动马达等元件组服阀、液压马达、液压器，以及机械传动装
必须具备坚固，耐用，绝缘，高强度，高韧性等特性，并尽可能做到轻量化。因此，在最初的选 材方面，分别考虑了镁合金，铝合金，碳纤维，材料参考参数如表 2-2 所示。 表 2-2 材料参考数据 技术类别 镁合金 6061 铝合金 碳纤维 Thornel Mat VMA 弹性模量 45GPa 68.9GPa 230-340GPa 泊松比 0.35 0.33 0.31 抗剪模量 17GPa 26Gpa 100GPa 密度 1700 kg/m3 2700 kg/m3 2000 kg/m3 抗拉强度 290MPa 260MPa 3500MPa 热膨胀系数 26*10-6/K 24.2*10-6/K -0.5*10-6/K 热导率 160 W/(m·K) 170 W/(m·K) 20 W/(m·K) 比热 1000 J/(kg·K) 1300 J/(kg·K) 7.12 J/(kg·K) 通过各材料的特性分析比较，铝合金密度低，质量轻，强度比较高，接近或超过优质钢，塑 性良好，具有很好的加工性，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗腐蚀性，且其 价格成本比镁合金和碳纤维都要低，经济实用。所以最终选用铝合金作为机架主体，可达到轻巧 便携，坚固且高性能的目的。 机器人机架三维模型及二维简图如图所示 2-3 所示。 图 2-3 机架三维模型及二维简图 2.2.2 机器人驱动方案分析与设计 机器人驱动方式依据驱动源类型通常分为气动驱动，液压传动，以及电机驱动三种类型。这 三种基本类型各有其特点，通过学习及查阅相关文献，整理出管道机器人驱动方式的对比与分析 如表 2-3 所示。 表 2-3 管道机器人驱动方式的对比与分析 气动式 液压式 电动式 组成结构 通常由气缸、气动 阀、气动马达等元件组 通常由液压缸、伺 服阀、液压马达、液压 由电动机，驱动 器，以及机械传动装
成泵等组成置（如减速器）等组成结构简单、动作迅结构紧凑、运动平响应快、驱动力速、维修方便、价格较稳、耐振动、耐冲击、较大、控制灵活、噪低：气体的可压缩性造防爆性能好、输出力较声低、清洁高效、但性能特点成控制精度较低，运动大；但是液压元器件对是不适应远距离驱稳定性较差密封性要求较高、否则动容易造成污染大多适合用于中一般用于输出力主要用于近距适用场合低负荷场合中（或力矩）较大的工程离驱动的机器人领域机械领域综合分析以上三种基本驱动方式的特点，选用电机驱动作为机器人的驱动系统是比较合理的。本论文的管外攀爬轮式机器人将采用一个单输出轴减速电机作为转向电机，采用一个双输出轴电机作为定向轮的驱动电机。2.2.3机器人传动结构设计传动机构是把动力从机器的一部分传递到另一部分，是机器或机器部件运动或运转的构件。本论文设计的机器人传动结构部位主要有两部分，第一部分定向轮转向传动结构设计，第二部分是定向轮驱动传动结构。两部分传动结构的三维模型如图2-4所示。图2-4传动结构三维模型在第一部分的定向轮转向传动结构设计中，个人构想是设计一个类似于联轴器的核心零件，该零件上有四条设定路径的轨导，目的是希望通过类联轴器带动滑块转向的同时，让滑块可以在设定的轨道上进行运动，为机器人提供跨越不同管径能力的基本条件。在第二部分的定向轮驱动传动结构设计中，为简化传动结构，减少传动零件，因此直接采用一个双输出轴的驱动电机，通过两个MH-D20L30铝合金梅花联轴器，直接带动定向轮运动，为轴向及周向爬行运动提供动力条件。转向器和滑块的二维简图如图2-5所示，梅花联轴器二维简图如图2-6所示
成 泵等组成 置（如减速器）等组 成 性能特点 结构简单、动作迅 速、维修方便、价格较 低：气体的可压缩性造 成控制精度较低，运动 稳定性较差 结构紧凑、运动平 稳、耐振动、耐冲击、 防爆性能好、输出力较 大；但是液压元器件对 密封性要求较高、否则 容易造成污染 响应快、驱动力 较大、控制灵活、噪 声低、清洁高效、但 是不适应远距离驱 动 适用场合 大多适合用于中 低负荷场合中 一般用于输出力 （或力矩）较大的工程 机械领域 主要用于近距 离驱动的机器人领 域 综合分析以上三种基本驱动方式的特点，选用电机驱动作为机器人的驱动系统是比较合理的。 本论文的管外攀爬轮式机器人将采用一个单输出轴减速电机作为转向电机，采用一个双输出轴电 机作为定向轮的驱动电机。 2.2.3 机器人传动结构设计 传动机构是把动力从机器的一部分传递到另一部分，是机器或机器部件运动或运转的构件。 本论文设计的机器人传动结构部位主要有两部分，第一部分定向轮转向传动结构设计，第二部分 是定向轮驱动传动结构。两部分传动结构的三维模型如图 2-4 所示。 图 2-4 传动结构三维模型 在第一部分的定向轮转向传动结构设计中，个人构想是设计一个类似于联轴器的核心零件， 该零件上有四条设定路径的轨导，目的是希望通过类联轴器带动滑块转向的同时，让滑块可以在 设定的轨道上进行运动，为机器人提供跨越不同管径能力的基本条件。 在第二部分的定向轮驱动传动结构设计中，为简化传动结构，减少传动零件，因此直接采用 一个双输出轴的驱动电机，通过两个 MH-D20L30 铝合金梅花联轴器，直接带动定向轮运动，为轴 向及周向爬行运动提供动力条件。转向器和滑块的二维简图如图 2-5 所示，梅花联轴器二维简图 如图 2-6 所示