具有機器視覺、嗅覺功能的管道探測機械人理論設計方案
一、背景
隨著微機械的發展和生產的實際需要, 小口徑管道機械人的研製和開發越來越受到人們的關注。在核動力工廠、石油化工廠、熱力交換站等處存在著大量直徑約在20～ 30 mm 的管道, 這些管道長期使用後可能存在腐蝕或機械損傷，會引起裂縫, 釀成嚴重的事故。因此這些管道的探傷、維護和維修十分需要細小口徑管道機械人。
目前, 在大管道內行走的機械人在國內外均有開發, 有的已進入了實用化階段, 但對於微小管道機械人的開發和研究則剛剛起步。國外在微小管道機械人的研究的方面雖有進展,但在許多方面還存在不同程度的侷限，且資金投入較大。就國內而言，還有待於微製造技術的發展, 使微小零件產品化, 市場化; 同時在現有傳統加工的基礎上, 盡可能的簡化傳動機構, 縮小結構尺寸。
二、原理方案的構思和擬定
基於上述現實情況，結合現有技術、時間、和費用的考慮，我們採用了一種新穎的微小管道探測機械人的設計方案——基於螺旋輪驅動移動機構的具有機器視覺和嗅覺功能的管道探測機械人。
按照我們的理解，機械人設計、製作的難點在於管內移動機構，只有先解決這一問題，才能在此基礎上實現各種仿生或實際應用上的功能。我們分析認為：管內移動機構要有（1）較大的承載能力（對於直立管道內的移動機構尤為如此）；(2)較高和均勻的移動速度；(3)適應一定曲率的彎曲管道；(4)適應由於管道彎曲或管內障礙物而引起的管徑變化。
由於空間窄小，傳統的機械人移動技術（車輪、履帶、步行機構）很難直接應用到微細管道內，因此需要研究新的機構形式。
我們在制定初步方案的討論過程中曾提出如圖（1）所示的電磁鐵與彈簧搭配的驅動機構，它雖然在保證磁路設計原則下,能夠做到體積小巧, 重量輕,在管內運動靈活等, 但移動速度與承載能力很有限，在進行水平方向的後退移動和豎直方向移動時，可能會有困難。
圖（1類似的，我們也曾考慮過多單元蠕動式的移動機構，雖然轉彎能力很強，但進行豎直方向移動難度太大，且驅動能力受接觸介面的摩擦力、粘附力大小及分布影響很大。最後，我們採用螺旋輪驅動移動機構，它能夠較好的滿足機械人在水平、豎直、彎曲管道移動時的驅動要求。
三、機械部分原理方案說明
（一）、機械設計方案說明
螺旋輪移動機構的主要部分為：驅動機構、萬向節、減速電機和保持機構。如圖（2）所示
驅動機構萬向節保持機構
直流減速電機
圖（2）
1、 驅動機構：
如圖（3）給出了驅動機構的示意圖，其中陰影部分為內部結構剖示圖。具體結構見附錄零件結構圖。驅動輪均勻分布於輪架上，輪桿以螺紋旋入輪架中，並且輪桿距邊緣1mm處開一腰槽，輪軸置於此槽中，輪軸兩端各連線乙個輪子，輪桿內攻螺紋至腰槽邊緣，彈簧置於其中，並以禁錮螺釘禁錮，這樣可以使驅動輪沿輪架徑向有一定的伸縮量，以保證驅動輪跨越管壁上的障礙物，以及在轉彎時平衡三驅動輪的不均等受力，同時驅動輪與管壁呈一定的傾斜角θ。
當電機通電時，電機軸帶動輪架轉動，使驅動輪沿管壁作螺旋運動。因此，隨著電機的轉動，驅動機構作螺旋運動，保持機構沿管道中心軸線移動。改變施加於電機的電流極性，可改變機械人的移動方向，從而使機械人在管內進退自如。
圖（3）
2、 萬向節：
如圖（4）所示為萬向節的原理示意圖，具體結構見附錄原器件結構圖。我們選用十字萬向節，十字軸式萬向節為汽車上廣泛使用的不等速萬向節，允許相鄰兩軸的最大交角為15゜～20゜。該萬向節具有結構簡單，傳動效率高的優點，但在兩軸夾角α不為零的情況下，不能傳遞等角速轉動。
我們分別在驅動機構與減速電機之間，以及減速電機與支援機構之間用十字萬向節連線，輔助機械人在彎管內移動
圖（4）
3、 減速電機：
我們選用微型直流減速電機，若以直徑為50mm的微管為例，其中直流電機的外形尺寸見附錄原器件結構圖，尤其注意電機和減速器的總長不宜太長，不然機械人的彎管能力將大大降低。我們根據試驗的具體情況，兼顧電機的結構與效能，選購了一款合適的微型直流減速電機。
我們選定的微型直流電機的型號為cf1s-2075。
其技術引數如下表：
4、 保持機構
結構上與驅動機構相似，但其運動方向是沿管道中心軸線移動的。如圖（5）所示。
圖（5）
總體看來，整個機械人被兩個十字萬向節分成為了三個部分，即，電機轉子與驅動輪部分，減速電機部分，電機定子與保持輪部分。三部分設計較之兩部分設計更有利於機械人在彎管處順利通過。為了保證機械人的動力以及儘量減少機械人的體積，我們決定採用有線方式對機械人供電及對機械裝置的運動過程進行操作控制。
（二）、關鍵技術的分析與設計計算
1、 驅動力矩和承載能力
假設機械人在垂直管道內移動，則其驅動部分的受力狀況如圖（6）所示。
圖（6）
圖中：f——為輪子沿管壁螺旋方向的摩擦力；
w——為移動機械人的總重；
fa——為由於w引起機構沿管子軸向滑動趨勢的摩擦力，在最大承載能力時，famax= μn，其中μ為輪子與管壁的滑動摩擦係數；n為管壁對輪子的支援力；
mf——為車輪滾動摩擦阻力矩；
mm——為電機輸出力矩；
θ——為輪子的傾斜角；
ωm——為電機的角速度；
ω——為輪子的角速度。
在移動機構的三個輪子的受力狀況一致時
wmax =3fa max-3fsinθ
3μ.n-3fsin1）
考慮到輪軸與輪子之間存在著摩擦，因此取其中乙個輪子為例，其受力狀況如圖（7）所示。其中fx、fy、fz為來自輪軸的支反力，md是來自輪軸的摩擦力矩。
圖（7）
由靜力平衡方程σmz=0,σy=0,可以解得:
2式中，μ1——車輪與管壁的滾動摩擦係數；
μ2——車輪與輪軸的滑動摩擦係數；
d2——輪軸直徑；
d——輪子直徑。
把(2)代入(1)得移動機構的最大載荷為:
3） 同理4）
2、移動速度
理想情況下，機械人在管內的運動可看成是乙個理想的螺旋運動，在管徑d一定的情況下，其移動速度取決於電機的轉速n、驅動輪的直徑d和驅動輪的螺旋角θ，即：
v=ωr tgθ
此時2πn；
r=(d-d)/2
所以得到v=πn(d-d)tg5）
3、理論估算
假設：d=50mm, d2=2mm, n=10r/min,θ=8°, μ1=2, μ2=0.2, μ=0.5,d=8mm, n=4n
帶入計算得：
=5.93n, =0.139nm,v=185mm/min
可見，若能合理的調整各引數的數值範圍，機械人的動力效能是可以得到很好保證的。
四、電控部分設計說明
由於微細管道內空間狹小，並考慮機械人自身不宜過重，不適宜將電源如電池等內建，況且實際管道內情況複雜，如用無線紅外界面對機械人進行遙控，很有可能遇到訊號接受不到，控制失靈的情況。因此，我們採用通過兩個常開觸點開關來控制電機的正、反轉和停機，其控制形式如圖（8）所示。
圖（8）
其中常開觸點1正接電源後與直流電機連線，常開觸點2反接電源後與直流電機連線，其工作狀態為：
（1）、兩常開觸點保持初始狀態，則電機處於停機狀態；
（2）、長按常開觸點開關1，且常開觸點開關2處於初始狀態，則電機處於正轉狀態，機械人前進；
（3）、長按常開觸點開關2，且常開觸點開關1處於初始狀態，則電機處於反轉狀態，機械人後退；
通過以上方法達到了對機械人前進、後退和停止的控制，這種方法簡單、易行、可靠。
五、機構執行流程
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