管道清淤機器人摘要管道作為城市規(guī)劃中基礎施工的重要一環(huán)，它的工作狀況將影響一座城市的正常運轉與否。當管線發(fā)生阻塞后，一般采取人工作業(yè)的方法來清除淤積雜物。可是由于管線內(nèi)部空間狹窄、自然環(huán)境十分不良、有很多的易燃易爆氣體，也影響了人工清掃作業(yè)。人工清洗作業(yè)勞動強度大、工作效率低下、經(jīng)常清洗也不干凈。但由于現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，將自動化機器人技能應用于全行各業(yè)，所以研究設計一種進行管道清洗、疏通、檢驗的管道清淤自動化機器人，已成發(fā)展趨勢。本次課題設計的管道清淤根據(jù)自動化機器人對中國國內(nèi)的實際使用狀況，及其巨大的技術優(yōu)勢，給出了具體化的自動化機器人工程設計需求，首先完成了本演示系統(tǒng)的總體方案設計以及各模型的結構、測量，最后通過設計伸縮機構和機身設計，以及采用履帶型行走機構等創(chuàng)新的機械結構工程設計。管道系統(tǒng)就猶如城市的血管，其良好的工作狀況是保證城市順利運轉的重要條件。當管線發(fā)生阻塞時，一般采取人工作業(yè)的方法來清除淤積雜物?？墒谴蠖鄶?shù)管線內(nèi)部空間狹窄、自然環(huán)境十分惡化、有很多的易燃易爆氣體，也影響了人工清掃作業(yè)。人工清掃作業(yè)強度高、工作效率低下、清掃不干凈。隨著科技的發(fā)展，將機器人技術廣泛應用于各行各業(yè)，所以研發(fā)一種進行管道清洗、疏通、檢驗的管道清淤機器人技術已成趨勢。本課題設計目的，是設計出一種可以在管網(wǎng)內(nèi)有效的行走和清除泥沙，并且結構精巧，操作簡單，清淤效率極高的管道清淤機器人。關鍵詞：管道清淤機器人；整體結構設計；行走機構AbstractPipelineisanimportantpartofinfrastructureconstructioninurbanplanning，anditsworkingconditionwillaffectthenormaloperationofacity.Whenthepipelineisblocked，manualoperationisgenerallyusedtoremovedebris.However，duetothenarrowinternalspaceofthepipeline，thenaturalenvironmentisverybad，therearealotofflammableandexplosivegases，whichalsoaffectsthemanualcleaningoperation.Manualcleaningoperationlaborintensity，lowworkefficiency，oftencleaningisnotclean.However，duetothedevelopmentofmodernscienceandtechnology，theskillsofautomaticrobotshavebeenappliedtoallwalksoflife，sotheresearchanddesignofapipelinecleaning，dredging，pipelinesiltinginspectionautomationrobot，hasbecomeadevelopmenttrend.ThistopicaccordingtotheactualuseofChina'spipelinedredgingautomationrobot，aswellasitshugetechnicaladvantagesresearchanddesignofthespecificautomationrobotengineeringdesignrequirements，firstcompletedtheoverallprogramdesignofthedemonstrationsystemandthestructureandmeasurementofeachmodel;Finally，throughthedesignofthetelescopicmechanismandthedesignofthefuselage，aswellastheuseofcrawlerwalkingmechanismandotherinnovativemechanicalstructureengineeringdesign.Thepipingsystemislikethebloodvesselofacity，anditsgoodworkingstateisanimportantconditiontoensurethesmoothoperationofacity.Whenthepipelineisblocked，manualoperationisgenerallyusedtoremovedebris.However，mostofthepipeinternalspaceisnarrow，thenaturalenvironmentisverydeteriorated，thereisalotofflammableandexplosivegas，alsoaffectthemanualcleaningoperation.Manualcleaningoperationintensity，lowworkefficiency，cleaningisnotclean.Withthedevelopmentofscienceandtechnology，robottechnologyhasbeenwidelyusedinallwalksoflife，sothedevelopmentofpipelinecleaning，dredging，inspectionpipelinedredgingrobottechnologyhasbecomeatrend.Theresearchanddevelopmentpurposeofthisprojectistodesignadredgingrobotthatcaneffectivelywalkandremovesedimentinthepipenetwork.Therobothasadelicatestructure，simpleoperationandhighdredgingefficiency.Keywords:pipelinedredgingrobot;Structuraldesign;Walkingmechanism目錄摘要 IAbstract -第1章緒論1.1課題背景意義管道作為城市規(guī)劃中基礎施工的重要一環(huán)，它的工作狀況將影響一座城市的正常運轉與否。當管線發(fā)生阻塞后，一般采取人工作業(yè)的方法來清除淤積雜物?？墒谴蠖鄶?shù)管線內(nèi)部空間狹窄、自然環(huán)境十分不良、有很多的易燃易爆氣體，也影響了人工清掃作業(yè)。人工清洗作業(yè)強度高、工作效率低下、容易清洗不干凈[1]。但由于現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，將自動化機器人技能應用于全行各業(yè)，所以設計一種進行管道清洗、疏通、檢驗的管道清淤自動化機器人，已成發(fā)展趨勢[2]。本次課題設計的管道清淤根據(jù)自動化機器人對中國國內(nèi)的實際使用狀況，及其巨大的技術優(yōu)勢，給出了具體實際的自動化機器人工程設計需求，首先完成了本演示系統(tǒng)的總體方案設計以及各模型具體實際結構、測量；最后通過設計伸縮機構和機身設計，以及采用履帶型行走機構等創(chuàng)新的機械結構。管道系統(tǒng)就猶如城市的血管，其良好的工作狀況是保證城市順利運轉的重要條件[3-4]。在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中。水利運輸，燃氣，制冷，石油化工行業(yè)的管道運輸都離不開管道清潔。但是由于地下管網(wǎng)結構復雜一些，管道有著不為人知的地區(qū)有著重要的作用，但是有些復雜的管道內(nèi)容易積塵。這將影響整個管網(wǎng)輸送的能力，同時也為管道的維護造成了不必要的麻煩。水利水電運輸由于管道老化，水質可能攜帶泥沙同時沉積在管網(wǎng)中，導致管線突然爆裂，致使產(chǎn)生運輸事故[5]。燃氣石油輸送管道由于不經(jīng)常清潔，會導致有度重度污染，使之有路，破壞當?shù)丨h(huán)境，對環(huán)境造成一定的影響。但是由于管道錯綜復雜，人為很難清理，為此管道清淤機器人可以完成此次操作環(huán)境可以在復雜的官道中進行靈活的操作。完成檢測、維修、疏通等工作。管路機器人作為一個特殊機器人被中外研發(fā)人士競相研制發(fā)展，有著巨大的使用前景。當管道發(fā)生阻塞時，通常采取人工作業(yè)的方法來清除淤積物質[6-8]。但由于這些管道內(nèi)部空間狹窄、周圍環(huán)境非常惡劣、且有很多的易燃易爆氣體，也影響了人工開展的高空作業(yè)。人工清洗作業(yè)強度高、工作效率低下、容易清理不干凈。但由于現(xiàn)代科技的發(fā)展，將機器人技術應用于各行各業(yè)，所以研發(fā)一種從事管道清理、疏通、檢驗的管道清淤機器人技術已成發(fā)展趨勢[9]。本課題設計目的，是設計出一種可以在管道內(nèi)有效的行走和清除泥沙，并且結構精巧，操作簡單，清淤效率極高的管道內(nèi)清淤機器人。管道清淤機器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1管道清淤機器人國外發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)在國外發(fā)達國家通過近幾年的研發(fā)，管道機器人技術已到達了相當完善的水準。這些代表著當今世界上領先技術水平的各種管道自動化機器人是美國公司的ROVVER系統(tǒng)自動化機器人，和德國人的IPEK管道內(nèi)窺測試機器人。ROVVER系列自動化機器人如圖1-1顯示，為美國GE企業(yè)所研發(fā)的多功能型管道檢測爬行裝置。該型管道機器人也是輪式管道機器人，并擁有四輪和六輪二種運行方法。圖1-1ROVVER系列機器人測試管路長度尺寸區(qū)域為100mm~1500mm。構造簡單靈活、性能完善，可在潮濕、水下等條件中實現(xiàn)測試，廣泛應用于氣體導口、電子管道、蒸汽管道、小型鋼制壓力容器、氣體儲存罐等領域，IPEK管道內(nèi)窺測試智能機器人如圖1-2所顯示，同樣是輪型管道智能機器人。車體使用電鍍鋁和不銹耐酸鋼質材料制造，整體結構緊湊、剛度大、重量輕。內(nèi)置了水壓監(jiān)測，低壓報警功能，可下潛至十米左右的水深。傾角儀則可以監(jiān)測車體俯仰和側偏[10-11]。測試管道長度區(qū)域為100mm~1500mm。鏡頭都是彩色CCD，可以進行徑向二百七十度。轉動和水平，360度°轉動。使用線纜方為機器人供應電源設備，并擁有手動與電子的二個收放線模塊[12]。圖1-2管道內(nèi)窺檢測機器人日本東芝公司早期研制的管道清淤4機器人[13-15]，其上安裝有微型攝像頭，與簡單功能的機械手，不同關節(jié)之間采用膠管連接，可以從事彎管內(nèi)或變徑管道內(nèi)的勘探與輕量清潔任務;例如，日本研制的管道檢修機器人KANTARO，通過調(diào)整輪系處四個電缸的伸縮量，改變輪系的偏轉角度，以增強適徑調(diào)整的能力。該款管道機器人可以自適應管道結晶變化，通過調(diào)整其機構，對整個行進機構進行調(diào)整[16]。可以適應不同管道環(huán)境接近變化。伊朗塔比德大學研制的一種更強的，可以更加快速適應管道結晶變化的機器，該履帶式機器人的行走裝置由三個分支結構組成，三個分支結構之間呈120度均勻分布，在三個分支的協(xié)同運動下，機器人能自由的在管道內(nèi)運動，由于其行走裝置分支的結構與分布，該機器人的適徑能力也得到明顯的提高[17]。圖1-3國外研制新型管道機器人美國Jeon、WoongsunJcon他們研制的可以自適應管道變化的主動式機器人。該機器由上平臺、下平臺由十字型的四連桿支撐機構構成，機器人通過改變上下平臺四連桿的姿態(tài)滿足適徑的功能;美國密歇根大學研制出一種新型蛇形機器人，該種機器人采用多關節(jié)組成，每一關節(jié)上安裝有8條履帶，各關節(jié)之間采用氣動連接裝置連接，可以在大部分較為復雜的地形環(huán)境中，作其運動靈活、控制方便，可適徑調(diào)[18]。1.2.2管道清淤機器人國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀中國是從二十世紀七八十年代開端研究管路自動化機器人的，由于中國興起相對而言較晚，導致研究較滯后于海外的先進地區(qū)[19]。但近些年來，由于人類社會越來越關注這一領域的研究，使得中國管道自動化機器人科技也獲得了迅速進展。國內(nèi)外開發(fā)管道機器人產(chǎn)品的單位大多集中于大專院校和高新技術企業(yè)，其中比較著名的單位有清華大學、首都交通運輸學院、中國哈爾濱產(chǎn)業(yè)學院、北京上海交通運輸學院等[20]。由清華開發(fā)的管道機器人產(chǎn)品如圖1-4所顯示，主要用來清理城市排水管道中的泥沙[21]。圖1-4管道內(nèi)窺檢測機器人這種管道機器人的驅動方式是通過三個電機為動力源切，可進行6米每分鐘的推進，當遇到沉積的淤泥或泥沙等障礙物時，可以產(chǎn)生較大的推力。這款管道機器人可以在管道直徑400毫米的管道內(nèi)進行移動，它采用了一種壓縮空氣行進的方式，這種蠕動式的機器人利用的動力的就是壓縮空氣前進后退功能，經(jīng)過管道測試可以滿足預定的功能[22-23]。上海交通大學則根據(jù)履帶式汽車的運行原理，研制了一種履帶式行走機構的排水管路檢測自動化機器人。此自動化機器人采用直流何服電器驅動器，將動能經(jīng)由齒輪減速箱和驅動器軸傳至內(nèi)部，配備的CCD圖像傳感器可對管內(nèi)狀況進行檢測，圖像感應器配合舵機調(diào)節(jié)鏡頭視角，以擴大自動化機器人在管內(nèi)檢測的范圍。該自動化機器人最高運行速率為三十m/min，特別適用于管徑超過一百二十mm的管線[24]。但綜上所述，由于中國自動化機器人技術起步較晚、總體發(fā)展緩慢，其所研發(fā)的管道自動化機器人明顯滯后于西方國家和亞太地區(qū)[25]。尤其應用于市政排水管道疏通、清游的特殊工況環(huán)境等方面的管路自動機器人大多數(shù)都只是處于試制階段，無相關產(chǎn)業(yè)的實用化和商品化。所以，對研究一款廉價、效率高、實用性較好的管道清淤機器人，有著重大的經(jīng)濟意義和廣泛的社會使用前景。主要研究內(nèi)容本次課題研究的管道清淤機器人的設計。本文主要是對管道清淤機器人的設計與試驗研究，并對其工作原理、結構特點等進行詳細的說明，對管道清淤機器人的作業(yè)機理與工作參數(shù)進行研究，并通過分析，優(yōu)化關鍵部件的最佳參數(shù)組合，主要對如下內(nèi)容進行了研究：對管道清淤機器人進行研究和設計，并對其結構特點等進行詳細的說明，對機器的原理與工作參數(shù)進行研究。研究方法在研究過程中主要采用了如下方法:(1)文獻研究法，通過市場調(diào)查、上網(wǎng)查詢及文獻檢索等多種方法，掌握國內(nèi)外關于管道清淤機器人的研究成果和發(fā)展趨勢并運用數(shù)模軟件對其進行建模分析。(2)理論研究法。對工作機理進行理論分析，通過行走機構進行分析研究。(3)數(shù)值分析法，利用仿真分析軟件對軸進行有限元分析并建立數(shù)學模型，并優(yōu)化出部件的最佳工作參數(shù)。圖1-5研究方法本章小結本章通過對國內(nèi)外管道清淤機器人調(diào)研，了解到其具體應用背景。通過對國內(nèi)外管道清淤機器人調(diào)研可以分析出其現(xiàn)有管道清淤機器人的優(yōu)缺點，并詳述了本課題研究的主要內(nèi)容、方法以及技術路線等，同時也為后續(xù)的理論研究指出了一定的方向。總結歸納出其本次課題設計依據(jù)。第2章總體方案和結構設計2.1管道機器人的分類無動力檢測清理設備早期的管道測量自動化機器人稱為"PIG"，無獨立控制驅動力量，而是利用首尾或二端流體運動的壓力差來獲取先進的動能，如圖2-1所顯示。但此類自動化機器人工作原理單一，無控制器，在極大程度上局限了自動化機器人的工作技術。它只是順著流體的流動方向前行，而沒法進行逆向運動。假如"PIG"兩端的流線缺少了壓差或是壓差特別小，則根本無法運動。原則上"PIG"并不能構成管路自動化機器人，但它給管路自動化機器人的發(fā)展提供了路子，從而莫定了研究的基礎圖2-1無動力傳感器檢測清理裝置。圖2-1無動力清理設備液壓驅動管道機器人如圖，2-2所示是日本研制的一種大口徑管道內(nèi)移動機器人，這種管道機器人通過液壓系統(tǒng)驅動。同時這一款管道機器人的容積也比較大，適用在大管路環(huán)境中進行清潔作業(yè)，由于該款機器人的操作可以實現(xiàn)自主式的移動。同時也為機器人自主運動的研究指明了方向。圖2-2大口徑管內(nèi)移動機器人3.蠕動式管道機器人蠕動型管道機器人所使用的原理是仿生學，正是人們在深受虹蚓一類動物的行走方法的影響后所得到的啟示，圖2-3是其中一個螺動型管道機器人。圖2-3蠕動式管道機器人蠕動式的管道機器人，它有若干個蠕動單元組成，每個單元都有三部分，包括頭身尾。為了增大該款管道機器人的尺寸，可以適當增加單元。各連接單元，采用柔性的萬向節(jié)進行連接?？梢詫崿F(xiàn)自主轉彎并適應管道轉彎環(huán)境。此類管線自動化機器人通常具備很大的越障能力，適合于管線直徑非常小的場所。但由于移動速率過遲，不宜于運行速率更快的場所，且使用面較小。輪式管道機器人輪式管道機器人主要是仿照傳統(tǒng)車輛運行方法來進行研究的。日本東芝公司于一九九七年研發(fā)了世界首臺輪式管道機器人。該輪式管道的機械人都裝有CCD攝像頭和機械手，可以對管道進行檢查維護。行走力量主要來自于車輪和管道內(nèi)部間的摩擦力，因此能夠跨越相當高的障礙和坡度。輪式行走機構的發(fā)電機采用減速機直接驅動車輪來供給動力，機械構造比較簡單，易于控制，而且使用范圍極廣，所以人們對這個機器人，研究的最多，形狀如圖2-4所顯示。圖2-4輪式管道探測機器人行走機構的設計根據(jù)文獻的分析，管道移動機器人可的移動方式可分為以下6種：活塞方式；滾輪方式；履帶方式；足腿方式；蠕動方式；螺旋方式通過選擇履帶式移動方式。我們可以分析出履帶式移動驅動的優(yōu)點。與管道內(nèi)壁接觸的面積較大。在管道內(nèi)壁行進時，牽引力較強，越障能力較強，同時對它的體積要求不大，轉彎半徑及其結構復雜的管道環(huán)境可以輕松應對。足腿移動式的主要好處是對粗糙道路適應性力量較好，同時越障力量也極強，能應對道路各種管徑的改變。缺陷是機械構造和操控較繁雜，而且行駛速度慢。按照設計參數(shù)和技術條件，所要研究的管道機器人技術一定要具備高可靠性，高效率。所以可以通過對上述運行機構的移動方法的綜合來完成運行，這樣就可以使用其綜合優(yōu)勢避免了單純移動方法的弊端。因為管路中存在各種各樣的彎管類型，這就需要機器人的步行機關需要具備相應的轉彎力量和越障力量。于是設想了一個如圖2-5、圖2-6及圖2-7所顯示的可延伸的三只履帶腳式(三只腿成120°布置)的組合式步行機關。圖2-5總體行走機構布局示意圖I圖2-6總體行走機構布局示意圖II圖2-7總體行走機構布局示意圖III管道口徑適應調(diào)節(jié)裝置設計當管道內(nèi)壁管徑變化時，機器人可通過如圖2-8的調(diào)節(jié)裝置進行調(diào)節(jié)。該機構本質為一個曲柄滑塊機構，通過絲杠的配合以及通過對支撐桿(3)相互的協(xié)調(diào)可以快速應對管道管徑變化，可調(diào)節(jié)的管道半徑范圍為700~1000mm。1-機架；2-管徑適應桿組；3-支撐桿；4-絲杠；5-絲母；6-行走總成圖2-8調(diào)節(jié)裝置示意圖2.4本章小結本章根據(jù)市面上現(xiàn)有的管道清淤機器人進行分類，并基于履帶驅動方式，設計了該機器的整體結構，并對該機器人設計了變徑機構，以滿足不同管道直徑所對應的需求。

第3章行走機構設計分析3.1管道變徑適應機構設計分析其中該部分主要包括撐開機構和放大桿組的設計如下圖，ab變徑示意圖所示，承開機構采用螺桿螺母及支撐桿組進行配合。圖3-1a、b變徑示意圖各桿件的長度：撐開桿桿長：。支撐桿長：。鉸接處的位置：在放大桿組90mm處。3.2行走總成結構設計分析①確定行走機構履帶的外形尺寸我預設的管道直徑最小是700mm。采用三組履帶進行驅動，同時其行進機構尺寸不能太大。首先，確定了履帶的長度。既然履帶的長度比較小，那它的工作所帶來的驅動力也就會減少;當其長度太大時，其引起的摩擦力也會較大。采用作圖的辦法，取履帶的寬度為150mm。由于履帶的長度會對轉彎產(chǎn)生影響，因此履帶的長度也不能太大，所以對其長度預設為580mm。因此最后我通過對履帶的調(diào)整以及桿組預設的限制，桿組可以以自適應在管道內(nèi)700mm到1000mm內(nèi)進行自動調(diào)節(jié)。同時確定了撐開桿組的設計，最終確定高度為175mm。3.3行走機構的結構設計由于設計的尺寸波動太大，所以我對其進行了電機內(nèi)部放置方案。且將驅動電機放放置在履帶內(nèi)部。采用錐齒輪進行換向，同時最后驅動履帶輪，如下圖3-2，3-3所示。3-2行走結構示意圖11-軸01；2-電機；3-小錐齒輪；4-驅動帶輪；5-軸02；6-直齒輪01；7-直齒輪02；8-軸03；9-大錐齒輪；10-從動帶輪圖3-3行走結構示意圖23.4履帶輪及履帶輪分析確定同步帶的主要參數(shù)：（查機械設計手冊13-42）齒形：梯形齒距制式：模數(shù)制型號：m7節(jié)距：=21.991mm設計帶輪：（查機械設計手冊13-50）(1)初選帶輪的次數(shù)：；⑵選擇切削帶輪齒形的刀具類型—切出直線齒廓的特別刀具；⑶齒槽角：2φ=2β=40°；⑷節(jié)距:=πm=QUOTEπ×7=21.98π×7=21.98mm；⑸節(jié)圓直徑:；⑹模數(shù)：；⑺齒側間隙：；=21.991mm；；2φ=40°；；；⑻名義徑向間隙：QUOTE；⑼徑向間隙：QUOTE；⑽外圓直徑：QUOTEmm（其中δ=1.750）；⑾外圓齒距：QUOTE；⑿外圓齒槽寬：；⒀齒槽深：；⒁齒槽底寬：；⒂齒根圓角半徑：；⒃；最后確定履帶的整體結構采用同步帶來進行設計。⑴節(jié)距：=21.991；⑵齒形角：2β=40°；⑶齒根厚：σ=10.06；⑷齒高：=4.2；⑸帶高：；⑹齒頂厚：；⑺節(jié)頂距：δ=1.750；⑻帶寬：；；；=116.5mm；=21.529mm；=11.06mm；=8.036；；；；=21.991；2β=40°；σ=10.06；=4.2；；；δ=1.750；確定大小錐齒輪參數(shù)整個行走裝置里，錐齒輪的主要作用換向，傳遞動力。同時考慮到其完全在行走裝置內(nèi)部，尺寸受到限制。根據(jù)以上的因素，設計大小錐齒輪的具體參數(shù)。根據(jù)總體結構設計圖，采用軸交角。齒輪類型為：直齒錐齒輪、齒形制為GB/T12369—1990，齒形角為20°、齒頂高系數(shù)=1、頂隙系數(shù)。（查機械設計手冊14-200）大錐齒輪的次數(shù);小錐齒輪的次數(shù)。大小錐齒輪的具體參數(shù)分析如下所示大錐齒輪：⑴法向模數(shù)：；⑵齒數(shù)：；⑶法向齒形角：⑷分度圓直徑：（3-1）⑸分度圓錐角：（3-2）⑹齒頂圓直徑：（3-3）=75+2×1×2.5×=78.044mm⑺齒根圓直徑：（3-4）大錐齒輪：78.044mm71.347mm⑻錐距：（3-5）==47.253mm⑼齒頂角：=3°1′43″（3-6）⑽齒根角：=3°47′1″⑾頂圓錐角：=55°33′9″⑿根圓錐角：=48°44′25″⒀齒寬：b=25mm47.253mmb=25mm小錐齒輪：⑴法向模數(shù)：；⑵齒數(shù)：；⑶法向齒形角：⑷分度圓直徑：⑸分度圓錐角：⑹齒頂圓直徑：=61.467mm⑺齒根圓直徑：=52.54mm⑻錐距：=47.253mm⑼齒頂角：=3°1′43″圖3-4錐齒輪三維確定直齒輪的參數(shù)在找個行行進系統(tǒng)中直指紋的主要作用是用來傳動動力。同時行進機構的結構和尺寸也限制了這個減少零部件的個數(shù)，同時也會降低整體成本。所以我選用兩個相同的齒輪進行匹配。=1、頂隙系數(shù)。齒數(shù)z=40，模數(shù)。其具體參數(shù)如下：⑴分度圓直徑：⑵齒頂高：⑶齒根高：=3.125；；；b=25mm；=100mm；=2.5；=3.125全齒高：=2.5+3.125=5.625齒頂圓直徑：=105mm齒根圓直徑：=93.75mm齒厚：齒根寬：中心距：頂隙：3.5行走機構的驅動電機功率的預算預取管道清潔機器人的-預設容積為：被清物的密度為3.5g/cm3;；管道機器人在裝滿的情況下，受力圖如圖所示：其中預?。海?-7）=1470.6+400=1870.6N圖3-4行走結構受力簡圖由于履帶是三組；成120°分布；受到的是摩擦阻力;（其中μ是橡膠與鋼之間的摩擦系數(shù)）=2×0.8×1870.6+0.8×400=3312.96N取管道機器人的工作行程速度V為：V=0.5m/s（是有效功率）由于是三組履帶，所以每個履帶的驅動電機至少為：W=÷3＝1656.48÷3=552.16W選取電機的功率為800W;所以選擇伺服電機，SGMAH-08A伺服電機。3.6行走機構的運動學仿真通過圖2-8和圖3-3可知，行走裝置的運動方式為：先通過變徑機構使得3對履帶貼緊管道內(nèi)壁，之后由行走機構內(nèi)電機驅動一對錐齒輪，再通過一對直齒輪傳動，將動力傳遞到履帶上，由履帶的傳動完成機構的行走動作。本小節(jié)主要對行走機構的變徑裝置進行運動學仿真。在運動學仿真分析中，重力加速度取9.8m/s2。初始狀態(tài)下，行走裝置位于設計所在的最小管徑(700mm)處。行走裝置仿真模型如圖3-5所示。此時連桿與水平軸線夾角為隨后，逐步撐開邊境機構，使得履帶與管道貼合，當機構撐開至最大時，行走裝置所接觸的管徑為1052.38mm，此時連桿與水平軸線的夾角為52.49°該狀態(tài)模型仿真如圖3-6所示。圖3-5調(diào)節(jié)裝置最小管徑圖3-6調(diào)節(jié)裝置最大管徑3.7本章小結本章主要針對管道清淤機器人的行走機構，分別對履帶輪驅動結構和變徑裝置實現(xiàn)了具體設計，并通過相關理論計算，選用了合適的驅動電機。最后，將模型使用UGNX10.0進行運動仿真，設計的管道機器人可變徑機構滿足具體的適用范圍。第4章關鍵部件設計校核4.1大小錐齒輪的設計和校核⑴選擇齒輪的類型，精度等級，材料和齒數(shù)選擇直齒圓錐齒輪8級精度齒輪，軟齒面小齒輪的材料為40Cr，調(diào)制處理，硬度為280HBS；大齒輪的材料為45鋼，調(diào)制處理HBS。初選小齒輪的齒數(shù)；大齒輪的齒數(shù)為。按齒面接觸疲勞強度設計計算（4-1）根據(jù)軸承布置方式和載荷的沖擊情況，取K=1.8。查附錄2（機械設計、機械設計基礎課程設計）得小齒輪的接觸疲勞極限為：大齒輪的接觸疲勞極限為：計算接觸疲勞許用應力：；計算小齒輪的分度圓直徑=53.856mm其中=36.1N.m（4-2）按齒根彎曲疲勞強度設計計算（4-3）計算當量齒數(shù)并查取齒形系數(shù)，兩齒輪的分度圓錐角分別為：當量齒數(shù)為：小齒輪的彎曲疲勞極限為：大齒輪的彎曲疲勞極限為：53.856mm；；=36.1N.m；=；；；；；；計算彎曲疲勞許用應力：大齒輪數(shù)值大，代入計算計算：==2.1635取m=2.5則：取，??；錐距為：=47.253mm（4-4）分度圓直徑為：分度圓錐角為：，2.1635齒寬：b=25mm4.2軸Ⅰ的設計和校核1.按扭轉強度條件，初步估計軸徑：（4-5）其中=110，查機械設計（P362）表15-3可得。代入上面得值，計算可得：由于軸上有一鍵槽，所以：，取軸的最小直徑為：d=20mm。2.軸的結構簡圖如圖4-1所示，軸的三維建模圖如4-2所示：圖4-1軸的設計簡圖圖4-2軸的三維建模圖3.按彎扭合成強度進行強度校核①做出軸的計算簡圖根據(jù)結構尺寸做出其受力簡圖，如圖4-3所示。b=25mmd=20mm。圖4-3軸的受力簡圖②校核所需要的基本參數(shù)計算齒輪的嚙合力：A:直齒輪的齒輪嚙合力1.齒輪圓周力：=685.9N直齒輪：685.9N2.齒輪徑向力：B:錐齒輪的齒輪嚙合力齒輪圓周力：=914.533N齒輪徑向力：=202.634N齒輪軸向力：=264.078N求水平面的支反力圖如圖4-4:圖4-4水平面支反力圖計算得結果如下：錐齒輪：=914.533N=202.634N=264.078N對A點求矩：則有：=372.848N對B點求矩：則有：=-144.216N求垂直面內(nèi)的支反力，并作出彎矩圖受力分析如圖4-5所示：圖4-5垂直面支反力圖對A點求矩：則有：（其中）=-8.590N對D點求矩：則有：=-8.590N=-38.423N將上述圖4-4和圖4-5中確定的各值作為該軸的初始條件，施加在軸上，利用ANSYSWorkbench軟件的StaticStructure模塊進行有限元計算，得到的結果如圖4-6和圖4-7所示。圖4-6軸的應力云圖圖4-7軸的變形云圖根據(jù)上述計算結果，軸上最大應力集中在兩鍵的內(nèi)側，最大應力24.87MPa，主要變形方式為軸的扭轉變形，最大變形量約為0.003mm。由于軸的材料為45鋼調(diào)制，屈服極限，該結構滿足設計要求。4.3鍵的校核在整個設計流程中，因為平鍵的制造過程簡單，而且經(jīng)濟性也很高，所以所有設備在使用平鍵的情形下，均使用了平鍵。而平鍵的最重要破壞表現(xiàn)形式，是作業(yè)面被壓潰;在重大過載時，還可以出現(xiàn)鍵被的剪切應力。但是，在通常情形下只按工作表面上的擠壓應力大小采用強度校核運算。因為在軸一上的鍵其結構尺度很小，受力也很大。所以在這里就僅校驗了該鍵，其他的可以不予與校驗。普通平鍵的強度條件：（4-6）其中 T傳遞扭矩：；鍵與輪轂鍵槽的接觸高度：鍵的工作長度，圓頭平鍵為：軸的直徑=42.47由于鍵的材料為45，同時其載荷性質為輕微沖擊，查機械設計（P-106）表6-2可得：所以，鍵滿足要求。4.4本章小結本章主要對行走機構履帶輪內(nèi)受力情況相對最危險的軸和鍵進行了力學分析，并使用有限元軟件校核軸的強度，最終確認所設計的機械結構滿足管道清淤機器人結構的設計要求。結論在本次設計中，我主要對管道清淤機器人的整體結構進行了進行了計算選擇。在各零部件的設計和強度校核過程中，對個別零部件在原有結構的基礎上進行了改進和優(yōu)化。熟練掌握繪圖軟件AutoCAD及三維數(shù)模軟件的應用，并能夠利用該軟件進行簡單的輔助分析。通過這次畢業(yè)設計，提高了我在大學所學專業(yè)知識的廣泛結合和應用，提高了我運用所學知識的能力，培養(yǎng)了我嚴謹?shù)脑O計和細心的態(tài)度。本次畢業(yè)設計是我們在校學習最后一項內(nèi)容，也是我走向工作崗位前的歷練，對于我以后的工作和學習，都將具有深遠的影響意義。通過了解傳統(tǒng)管道清淤機器人設計流程，調(diào)研國內(nèi)外管道機器人的現(xiàn)狀，分析現(xiàn)有管道清游機器人特點，明確以提高管道清游機器人行走能力與工作能力為主要研究方向。本文采用模塊化思想設計一種新型的管道清游機器人，其行走運動模塊主要實現(xiàn)管道清游機器人的越障能力與適徑調(diào)整能力。通過這學期近幾個月對管道清淤機器人的設計研究，我充分的了解了管道清淤機器人的發(fā)展背景，對管道清淤機器人的未來發(fā)展趨勢由了清晰的認識。結合大學期間所學知識，在老師的細心指導下，順利完成了該管道清淤機器人的設計工作。在設計過程中，同時也鍛煉自己理論與實踐相結合設計的經(jīng)驗，為后續(xù)工作提供了較有力的支撐，同時也鞏固了自身計算機繪圖分析的能力。致謝能順利完成本次對管道清淤機器人設計，本次設計我首先要感謝我的導師以及的同學的幫助，感謝導師的知識，嚴謹?shù)膶W習態(tài)度對我在本次設計以及以往的學習過程中的幫助。讓我充分的了解知識的機器人以及對相關領域的應用。這使我受益匪淺，在今后的學習生活中，我都會感謝老師對于我的細心幫助和同學們之間的相互互助。本次設計的相關領域。本次設計深受老師的教導，并此向以此向老師表示衷心的感謝。時光荏苒，大學畢業(yè)季即將到來，我們即將踏入社會進行各個行業(yè)領域。我將步入不忘使命，不忘初心，為本行業(yè)貢獻自己的力量，也為老師爭取更多的榮耀。感謝同學對我的關心以及幫助。通過本次畢業(yè)設計，我充分的了解了行業(yè)中的應用以及應用場景，為此我感受到了濃厚的興趣。在老師的引導及教誨下，我充分的感受到了行業(yè)中的應用魅力以及對未來科研的展望。感謝指導老師在整個畢業(yè)設計的過程中，對我的幫助，一些在以往的學習過程中對于我的幫助。以及同學們對于我的幫助，感謝大家。我也將不忘母校的教誨，在整個生以后的學習生活工作中充分的展現(xiàn)母校的風光光彩，為母校爭取更多的榮耀，也同時也為我們的行業(yè)貢獻一份自己的力量。參考文獻[1]陳利健.一種管道清淤機器人[J].機械設計，2020(S02):1.[2]沈飛，鄭騰飛，薛黎艷，等.一種電力管道清淤機器人:，CN112718724A[P].2021.[3]李愛民，于滸，李云鵬，等.管道清淤機器人的設計[J].輕工科技，2019(3):2.[4]韓夢澤，郭京波，張潮.管道清淤機器人懸架機構越障性能優(yōu)化與仿真[J].機械工程與自動化，2020(4):3.[5]都闖.管道清淤機器人行走裝置結構與工作性能研究[D].沈陽建筑大學，2019.[6]左強，連加俤，王鵬飛，等.一種深管推進高通量城市管道清淤機器人:，CN112609811A[P].2021.[7]LuoaJ,DaibL.TheResearchonControlSystemofPipelineDredgingRobotbasedonSimulink[J].2020.[8]牛芃涵，索雪松，王崇宇.一種混合輪式自適應管道清淤機器人:，CN212801918U[P].2021.[9]周明連，代天賜，左福浩，等.基于曲柄多連桿折疊撐壁機構的全氣動管道清淤機器人:2020.[10]WuP,LiuMJ,GongA,etal.FiniteElementAnalysisofMunicipalDrainagesDredgingRobot[C]20186thInternat