移动式管外漏磁检测仪爬行装置设计改.doc

本科生毕业设计[论文]

移动式管外漏磁检测仪爬行装置设计

院 系 机械学院
专业班级 测控1202班
姓 名 彭飞
学 号 U201210913
指导教师 康宜华

2016 年 6月1日

学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名： 2016年6月1日

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作者签名： 2016 年6月1日
导师签名： 年 月 日

华中科技大学毕业设计（论文）

摘 要
管外爬行装置可以称为爬行机器人，是一种能够携带相关设备在管外移动的爬行机器人。这种爬行机器人的出现及其改进是近年来科学的不断发展及人类对生产、检测等方式的机械化、简单化的产物[1]，爬行机器人的出现减少了人类的工作量，解放了人类。如果此装置能够搭载无损检测、自动喷涂等装置，就可以实现对铁磁性材料管道的探伤或对管道的自动喷涂等功能，减少人们的工作量，有利于实现自动化测量和生产。
本论文是设计一种能够搭载传感器在管外移动的爬行装置，通过分析研究，提出了一种电驱动的管外爬行装置的结构方案。该机器人是由两个对称的结构构成，其体积小，重量轻，结构简单。本设计采用了软轴做为传动机构，软轴易于调整，相比较于硬轴，更加安全简单。
尽管本文的研究实现了目标，但是整个系统还是有大量的改进空间，比如说可以实现在弯管到等复杂管道上面的运动，这还是需要大量的工作需要做。
关键词：管外爬行机器人；软轴；电动；

Abstract
Crawl outside the tube device is a kind of can carry related equipment outside the tube mobile crawling robot.The emergence of the crawling robot and its improvement is in recent years, the continuous development of science and humanity for production, testing methods such as continuously explore and the inevitable outcome of the improvement.If this device can carry nondestructive testing, such as automatic spraying device, can be achieved for the ferromagnetic material of the pipe features detection and automatic spraying of pipeline, reduce the workload, is conducive to realize automatic measurement and production.
This thesis is to design a can carry sensors in pipe crawl outside the mobile device, through the analysis and research, put forward a kind of electric tube structure scheme of the crawling mechanism.The robot is made up of two symmetrical structure, its small size, light weight, simple structure.This design adopts flexible shaft as drive mechanism, flexible shaft is easy to adjust, compared with hard shaft, more safe and easy.
Key Words: pipe crawling robot;Soft shaft;Electric;

目 录
摘 要 II
Abstract III
1 绪论 1
1.1课题的来源、研究背景及意义 1
1.1.1课题的来源 1
1.1.2课题的研究背景及意义 1
1.2管道机器人的发展状况 2
1.2.1国外发展状况 2
1.2.2国内发展状况 2
1.3国内外几种典型的爬行机构 2
1.4管道机器人的关键技术 5
1.5课题研究的主要内容 6
1.6小结 6
2 管外爬行装置的总体设计............................................7
2.1爬行装置本体结构设计准则 7
2.1.1模块化设计基础理论 7
2.1.2爬行装置的模块化设计要求 8
2.2爬行装置系统组成 8
2.3机器人系统方案对比分析及选择 9
2.3.1机器人的行走方式 9
2.3.2传动方式的选择 9
2.3.3电力供给方式 10
2.4爬行装置移动载体结构设计 10
2.4.1爬行装置驱动方式的选择 10
2.4.2驱动轮的设计 11
2.4.3驱动机构的传动装置连接设计 11
2.4.4软轴的选用 11
2.5电机的选用 15
2.6爬行装置中的夹紧装置的选用 16
2.7轴的确定....................................................16
2.8爬行装置停车自锁功能的设想..................................17
2.9爬行装置的系统参数 16
2.10本章小结 17
3 管外爬行机器人的动力学特性.......................................18
3.1驱动电机功率的确定 18
3.2爬行装置理论爬坡能力计算....................................24
3.3爬行装置的理论牵引力的计算 24
3.4本章小结 25
4 总结和展望.......................................................26
致谢...............................................................27
参考文献...........................................................28

1 绪论
1.1课题的来源、研究背景及意义
1.1.1课题的来源
课题来源：本课题来源于学校命题。
1.1.2课题的研究背景及意义
机器人是一种机器，这种机器是模仿人或动物的某些结构或能力研究出来的，因此这种机器人具备人或动物相似的功能。机器人技术的发明被视为20世纪人类最为伟大的发明之一，因为机器人的发明将人类从单一、枯燥的重复的体力劳动中解放出来，也将人类从一些危险的工作环境中解救出来。自20世纪60年代工业机器人发明以来，随着科学技术的迅速发展，特别是在80年代以来，计算机的微型化的发展，传感器技术的不断进步，以及控制理论的完善及拓展，为机器人这颗种子的发芽提供了肥沃的土壤，随着人们对自己或动物的的不断研究，使得机器人的功能和种类也越来越多，性能不断完善和改进，我们可以在各种复杂的环境中使用机器人，而不仅仅只能是在特定的环境中使用。而且，现代机器人技术已近不仅仅指的是工业机器人的范畴[2]，逐步转换到其他的领域，比如说，太空探索。而作为机器人一族中的一员，管道机器人也有广阔的发展前景。
管外爬行装置是一种最简单的管道机器人，管外爬行机器人的主要作用是携带传感器、喷涂装置等，对管道进行无损检测或对管道外壁进行喷涂。
管道作为一种经济、高效且安全的流体物料输送手段，这种输送手段一直被人们所关注[3]。特别是石油、天然气、水供应等所使用的管道的长度伴随着人类社会的快速发展而高速增长，以我国为例，我国城市给水管道至1999年底已经达到238000km，平均以每年5.9%的速度增长，城市的排水管道达到134486km，平均以每年5.9%的速度增长，说到输油等的管道已经有30多万公里[4]，而随着社会的不断发展，城市化水平的提高，以及人们生活水平的提高，这种增长速度还会加快。由于管道长时间工作在腐蚀的环境中，管道极易发生损毁（损毁的原理大多数都是与传输介质构成了原电池，使某些化学反应速度加快，导致损毁速度加快），造成很大的安全隐患。
因此，管外爬行装置的设计是有必要的，它为管道的检测提供了新的技术手段，提高了准确性，提高了安全系数，降低了检测成本。具有较高的科学研究意义和显著的经济效益。
1.2管道机器人的发展状况
1.2.1国外发展状况[5]
在国外，管外机器人的研究可追溯到1970年，在那时就有专家研究出多种管外爬行装置。到20世纪80年代，人们对管外爬行机器人的研究有了重大的突破，已近不仅仅局限于在实验室中的应用，有一部分已经可以运用在实际的生活当中，西班牙学者研究的攀登机器人和美国Envision公司设计出了一系列管外爬行机构是其中比较出名的例子。西班牙学者研究的攀登机器人能够在水平面和垂直面上行走；美国Envision公司设计出的一系列管外爬行机构，是采用磁性轮行走，带动车体沿金属管道运动。在21世纪以来，日本东京大学研制出了关节式行走机器人，关节的运用标志着机器人的研究又取得了突破性的进展，这种机器人可以沿直管爬行，而且还拥有跨越障碍的能力。
1.2.2国内发展状况[5]
在国内，最具代表性的是上海交通大学研制的斜拉桥缆索涂装维护机器人，它能在任意斜度的缆索上爬行，完成缆索的检测和维护。从功能上讲，管外机器人无非包含基本的行走功能和辅助的作业功能，总结了一下国内外管外爬行机器人的工作原理和行走原理，基本如：基于自锁或静摩擦原理的气动蠕动式机构；基于移动副和转动副的关节式爬行机构；基于并联机构的并联式爬行机构；基于滚动摩擦原理的螺旋爬升机构；基于克服动摩擦直线行走的机构。
1.3国内外几种典型的爬行机构
（1）气动蠕动式爬管机械手[6-8]
基本结构：其基本结构如图1-1所示。
工作原理：该机械手运用仿生学原理，采用蠕动式工作（有没有想到毛毛虫？）。此爬行机器人的动力由气缸来提供，该机构在运动时至少有一组夹紧装置夹紧管件，防止下滑。机构向上时，下体夹紧，上体放松，然后气缸运动使上体上升，然后上体夹紧，下体松开，气缸运动使下体上升，下体夹紧。这是一组重复运动。
优缺点：结构简单，易于操作，但负载较大，且由于采用气缸系统，受到供气管道限制，而且运动时夹紧费时，所以运动速度慢。

1、移动气缸 2、导向气缸 3、下夹紧气缸 4、安装块 5、上体 6、上夹紧爪 7、移动接头 8、上夹紧气缸 9、下体 10、支撑轴 11、下夹紧爪
图1-1 气动蠕动式爬管机械手
（2）简易气动式爬管机构[9]
基本结构：采用自锁结构，基本结构见图2
工作原理：与气动爬管机械手类似
优缺点：结构简单，造价低，而且只适用于直管爬行

1、弹簧 2、斜面 3、橡胶球 4、小气缸 5、上自锁机构 6、主气缸 7、下自锁机构

图1-2 简易气动爬管机构
（3）管外自动喷涂机器人[10]
基本结构：由往复摆动喷涂机构、直线行走机构和本体机架组成。基本结构见图
工作原理：工作时，先将5调整到机器人下体位置，连同下体机一起扣放在待施工管道上，然后旋转至管道下方的坑基内，安放机器人的上体，连接快速操作手柄，完成本体机架的连接与固定。调整喷涂设备进行喷涂，达到效果后，启动直线行走机构，沿管道直线行走，配合喷枪往复摆动，实现功能。
特点：结构简单，可靠性高，作品质量易于保证，由于结构局限性，其不适合变径管道、垂直管道等。

1、管道 2、驱动电机 3、行走机构 4、快速操作手柄 5、链轮 6、周向运动系统
图1-3 管外自动喷涂机器人
（4）关节式管外行走机器人[11]
基本结构：由一系列关节组成，见图4
工作原理：与气动蠕动式爬管机械手类似
优缺点：灵活性好，可适应性强，结构复杂，造价高，应用率低，适合为管外机器人的设计提供理论模型

1、 手爪B 2、手爪A 3、腕关节A 4、手臂 5、翻转关节A 6、回转关节
7、移动关节 8、翻转关节B 9、手臂 10、腕关节B
图4 关节式管外行走机器人

1、手爪A 2、双联齿轮 3、线性驱动 4、齿条 5、手爪B
图5 手爪机构
1.4管道机器人的关键技术
（1） 能源供给问题
从驱动形式上看，主要分为自主驱动和介质压差驱动。自主驱动占绝大部分，而在自主驱动中，电机驱动占了大部分，少数的也有液压驱动和气动，对于管道机器人，最主要的能源就是电力。但是，不管管道机器人采用哪种驱动方式，它的能源供给只有有缆和无缆两种供给方式。如果采用有缆，可以提供足够的能源，可以携带足够多的设备，也方便了信息的大量传输，便于操作，但是，缆线的长度限制了机器人行走的距离，当缆线长度足够长时，电压损失就不能忽略，只能加大电压来保证机器人的正常工作，这需要采用可靠的电压远程调节技术，但是这样又增加了机器本体的重量和结构的复杂程度。如果采用无缆方式，虽然机器人能够自主工作，但其主要采用蓄电池来提供能源，考虑到蓄电池的容量一般不会太大，能够提供的电量有限，限制了电机的功率和机器人的负载能力，行走距离也不理想，影响工作效率。
（2） 定位和行走状态问题
对于工作于长距离管道的管道爬行机器人而言，实时通讯很难实现，因此，时刻对机器人进行准确定位就更加困难，但是，对于执行无损检测和探伤任务的爬行机器人来说，可以通过搭载速度传感器和信息记录系统对管道爬行机器人进行记录监视。
1.5课题研究的主要内容
爬行装置的设计是本论文的主要工作，为了使工作能够条理化、清晰化，在本论文中采用模块化的设计方法对爬行装置进行设计。一般来说，模块化设计有两种方法：一种是基于结构特征的设计方法，也就是先对装置进行结构分析，对不同的结构归属，再对同一类的结构进行设计；一种是侧重功能分解的设计方法，就是对要设计的装置先进行功能分析，再对总的功能进行拆分，看其由哪些功能构成，再对这些功能进行设计。考虑到爬行装置的结构不易解析，所以本论文将采用根据功能分解的设计方法对爬行装置进行分析和设计[12-15]。
模块化设计[12-15]是人们在对产品在设计和生产的不断发展的过程中逐渐形成的一种科学的设计方法，这种设计方法能够帮助我们设计产品时有更加清晰的思路。模块化设计中的设计思想即模块化设计思想并不是现在才提出来的，而是人们在各种生产、生活中总结出来的。模块化设计思想的基本思想是以产品的总功能（也就是要这个产品干什么）为设计对象，以对产品的功能分析为设计的基础，将整个产品分解为若干个具有某种功能的模块，然后通过对这些具有某些功能的模块进行不同的排列组合，可以得到不同的品种但具有相同功能的产品、具有不同种功能而构成的模块相同的产品，以满足市场对产品的需求[9-11]。模块化又被称为模件化，模块化有各种不同的定义，最常见的是按照其所表现的作用定义，这种定义为：由若干个具有不同用途或性能并可互换的模块，经过不同的组合，来满足不同需要的方法，这种方法被称为模块化。
由此可见模块化应该具有下面几种基本含义：
（1） 数量性:产品要由一定数量的模块构成；
（2） 多样性：运用合理的组合原理，组合出各种功能的产品，满足是场的需求；
（3） 可分性：构成产品的模块是可以拆分的。
进行模块化设计时，第一步必须要做的就是以功能为基础把产品划分为若干模块，然后以模块为基本单元进行设计。因此，模块的合理划分与否对最终产品的各个方面有着重要的影响，比如：成本，功能等。
由于本论文是采用功能划分的模块化设计方法，可以将爬行装置分为夹紧模块、传动模块、驱动模块等。模块之间除了机械与电气连接接口之外，没有其他的连接，没有任何的关系。
模块之间在模块化设计中应遵循如下基本原则：
（1） 独立性：即每个模块之间没有任何除了机械或电力连接之外的关系，一个模块的设计不会影响另一个摸块。
（2） 多样性：即通过对同几种模块的不同组合来实现不同种功能。
（3） 稳定性：即模块必须是稳定的。
（4） 经济性：要考虑到生产成本，尽可能的降低生产成本。
1.6小结
本章首先说明了课题的来源及研究内容，就国内外研究状况介绍了几种机器人，说明了目前机器人发展的主要技术问题，并再此基础上提出了本课题的研究方向和研究内容。

2 管外爬行装置的总体设计
2.1 设计需求分析
本课题中机器人主要用于推进管道漏磁检测传感器及其附属机构，漏磁检测传感器由磁化器和霍尔原件阵列组成。检测过程中，磁化器对管道进行轴向及周向磁化，以产生空间中强度均匀的磁场。当管道中存在裂纹等缺陷时，磁场的均匀性就会就破坏，空间中将会出现较强的漏磁场。磁化器后的霍尔原件阵列就可以检测到磁场，产生霍尔电压，并传入数据处理模块，最终确定钢管是否存在缺陷及缺陷的程度。
在磁化过程中，磁化器必须能够均匀的推进，并且推进震动产生的磁场波动要远小于缺陷产生的漏磁场大小。因此设计必须保证爬行装置能够匀速行进，保证行进中心线与钢管轴线重合，且易于安装，零件互换性强。
2.2 机器人系统方案的确定
2.2.1 机器人的行走方式的确定
根据运动原理和驱动方式的差异，行走方式可以分为：轮式、履带式、抱环/夹持器+伸缩躯体、移动式机械臂等。
（1） 轮式
优点：速度高，结构简单，易于控制；缺点：一般只能沿直杆攀爬，缺少应付弯管、接头等复杂条件的能力。一般采用环抱式附着管道。
（2）履带式
一般适用于大管径上，配以电磁吸附等附着方式，具备很小的越障能力。缺点是转向困难。
（3）抱环/夹持器+伸缩躯体
优点：机构简单，易于控制；缺点同轮式。
（4）移动式机械臂
优点：越障能力强，可在管道间过度；缺点：移动速度较慢。
管道大部分都是以直管道为主，因此现阶段的主要目标是实现在直管道上面的运动检测，因此行走方式主要在轮式和抱环/夹持器+伸缩躯体这两者之间考虑。抱环/夹持器+伸缩躯体式爬行装置前进时不能保持稳定匀速，由于要周期性的加持和放松钢管，在钢管轴向也会有微小位移，这些对于稳定磁场的产生和霍尔原件阵列检测磁场都是不利的。抱环/夹持器+伸缩躯体式爬行装置。
综上，为了能够产生稳定均匀的推进速度，并且保证磁化器及霍尔原件阵列与钢管表面的距离稳定，最后决定采用轮式作为爬行装置的行进方式。
2.2.2 传动方式的确定
目前的主流的传动结构主要分为以下几种[24]：齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、带传动、链传动、轮系。
（1） 齿轮传动
优点：适用的圆周速度和功率范围广；传动比准确、稳定、效率高；工作可靠性高、寿命长，可实现任意角相交轴、任意角交错轴和平行轴之间传动。缺点：要求较高的制造和安装精度、成本较高；不适宜远距离两轴之间传动。
（2） 蜗轮蜗杆传动
优点：传动比大，结构紧凑；缺点：轴向力大、易发热、效率低，只能单向传动。
（3） 带传动
优点：适用于两轴中心距较大的传动、具有良好的挠性、可缓和冲击吸收振动；缺点：寿命短、传动效率低。
（4）链传动
优点：制造和安装精度要求较低、中心距较大时传动机构简单；缺点：传动平稳性差。
（5）轮系
优点：适用于相距较远的两轴间的传动、可做变速传动、可获得较大传动比、能实现运动的合成与分解；缺点：同齿轮传动。
（6）软轴传动
优点：连接方便；在内置时，所需空间小；动力来源广泛。缺点：传递功率不大，不能实现很高的转速。
综合分析各种方式的优缺点，考虑到所需要设计的要达到的功能所需要的条件，为了简化机构，因此选择软轴传动。
2.2.3 动力系统方式确定
动力源采用电动机。采用电机就必须对电机和电机控制器及驱动器进行配电。一般来讲有两种方式供给电力，一种是有缆，一种是无缆。有缆供电电压和功率稳定，不用考虑运行时间，推进的总重低，但是线缆本身对爬行机构限制很大，电缆过短电机运行距离有限，电缆过长又会影响爬行装置的运行。综合考虑各方面的因素，选择蓄电池供电。蓄电池可以提供稳定的直流电压，可以将蓄电池直接接到电机之上，在这中间接一个继电器，来控制电机的运动与停止。为提高电机的稳定性，降低装置的重心尤为必要，因此将蓄电池放置在爬行装置的下半部分。
2.2.4 几种轮式爬行机器人简析

1、 管道 2、车体 3、电池 4、电动机 5、夹紧机构 6、车轮 7、8、9带传动机构
图2-1 单侧布置轮式爬行机器人
图2-1是一种只在钢管上部布置动力机构的轮式爬行机器人，这种爬行装置是由车体、电机等零件构成的。这种机构实现能力强，设计简单，造价便宜，机器人自重小，推重比大，但是夹紧装置不易设计，若采用第一章的蠕动式所采用的夹紧方式，使得整个装置的结构复杂化，不利于减小成本及装置的维修；且在安装过程中难以保证行进中心和钢管轴线重合，安装困难，且在行进过程中轴线难以保持。
图2-2中的爬行机器人同样是单侧布置，这种机器人由夹紧装置，主体、行进装置等构成。使用时首先，夹紧装置夹紧，该夹紧装置是由螺母和螺栓来调节

1、 直管道 2、行走滚轮 3、支架 4、本体 5、夹紧螺母 6、夹紧机构
图2-1 单侧布置轮式爬行机器人
的，主要是通过对螺母的调节来使得夹紧装置夹紧管道，然后电动机工作，通过传动装置将动力传送到轮子上，使得爬行装置运动。由于有了连杆机构，安装更简便，结构简单，实行能力较强，但是夹紧装置很难将整个装置的中心和管道的中心重合，容易造成几个夹紧臂的夹紧力不同，可能造成螺栓的损坏，而且这个装置对夹紧臂的强度要求较高，如果主体负载过大，容易造成支撑臂的损坏。
2.2.5 爬行装置结构确定

图2-3 移动式管外漏磁检测仪爬行装置设计方案
图2-3所示的机械结构简图就是本课题最终确定的设计方案，该结构主要由主要由夹紧装置、主体、行进装置等构成。进行漏磁检测时，首先夹紧装置夹紧，该夹紧装置是由螺母和螺栓来调节的，主要是通过对螺母的调节来使得夹紧装置夹紧管道，然后电动机工作，通过传动装置将动力传送到轮子上，使得爬行装置运动。
移动式管外漏磁检测仪爬行装置主要结构如下：
①主体：搭载其他功能装置的平台；
②夹紧装置：保持车轮与管道之间紧密连接的装置；
③电机：为爬行装置提供动力；
④蓄电池：为电机提供能源；
⑤传动装置：将动力传递到车轮上的装置；
2.3 爬行装置系统组成
由设计的爬行装置设计的方案进行分析可知，爬行装置主要是以下几个方面构成：
（1） 移动载体：移动载体是指爬行装置在管道表面移动作业的部分，载体为轮式驱动方式。
（2） 动力供给系统：不考虑其他的供电需求，只考虑爬行装置的需求，选择蓄电池供电，可以保证爬行装置的正常工作。
（3） 行走和驱动结构。
各部分设计与分析将在后续章节中说明。
2.4 爬行装置的系统参数
图2-4为本文所涉计的管外爬行装置的整体结构（该装置电机、蓄电池等结构未加，材料为HT150），系统参数如下：
外形尺寸：280mm（长）×290mm（宽）×350mm（高，装配完成后）
供电方式：蓄电池供电
净重：约为18kg(包括蓄电池和电机）
行走方式：轮式行走
移动速度：0-12米每秒
适合管径：适用于管道外直径为127毫米的管道
图2-4 移动式管外漏磁检测仪爬行装置三维示意图
2.5 本章小结
本章从移动式管外漏磁检测仪爬行装置绍的用途出发，对课题进行了需求分析，在确定了需求的基础上，分别对爬行装置的行走方式，爬行方式，动力及传动方式进行了分析和选择，最终确定了设计的总体方案。

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3 管外爬行装置控制移动载体结构设计
3.1 移动载体驱动方式的选择
根据机器人移动载体驱动电机的布置方式的不同可以形成不同的驱动方式，这直接影响了机器人的行走能力。从实际结构看，驱动电机的布置可分为多种组合[16]。
首先，按照轮子对行走运动的贡献情况可分为全驱动和部分驱动这两种方式。所有的轮子都作为驱动轮，称为全驱动；反之，不是全部轮子是驱动轮的，称为部分驱动[16]。部分驱动相比较于全驱动，部分驱动具有以下优点：电机布置方便，传动机构紧凑等；但是部分驱动缺点也很明显：机器人参与驱动的轮较少，因此驱动力小，当驱动轮与管壁接触不好时，容易打滑。在管外爬行时是具有夹紧装置的，在工作前，夹紧装置是必须先工作的，而且还要求检查爬行装置的夹紧情况，因此，考虑到电机布置等方面的原因，选择部分驱动。
3.2 移动载体驱动轮的设计
本装置采用轮式的行走机构，驱动轮的设计对机器人的行走的稳定性具有很大的影响。大体结构图3-1所示。

图3-1 移动载体驱动轮
轮子这样设计可以加大轮子与管道表面的接触面积，增大摩擦力，从而获得更大的驱动力。
3.3 移动载体动力传动机构设计
3.3.1 驱动机构的传动装置连接设计
爬行装置的驱动力的来源是爬行装置上的电机，通过传动机构，将电机的动力传到机器人的驱动轮上。由于本装置选用的是软轴传动，因此要考虑到软轴与电机的连接、软轴与驱动轴的连接。一般来说，电机和驱动装置上的轴都是方形，软轴就可以根据相应的尺寸要求压制成方头，要求连接时采用过盈结构，防止在高速转动时脱落。
3.3.2 软轴的选用
软轴是一种高效地传动方式。在设计软轴的时候，需要了解传输的扭矩，最小弯曲半径，转速以及主要的旋向等参数。虽然长度对扭矩的影响不是非常关键，但也会对软轴扭转产生影响，需要予以相应考虑。
　　遗憾的是，在软轴设计中，并非所有的参数都可以完美兼容。例如，如果需要较大扭矩，弯曲半径就会相应增大，柔软度也会随之减小。如果弯曲半径很小，扭曲角度会增大，这对抗扭软轴来说可不是好事情。
　　基于这些无法忽视的问题，就产生了两种软轴设计方案。第一种是动力传输软轴，主要用于高速且持续运转的状态下单纯的传输扭矩，比如速度计和钻孔机等。第二种是机械设计应用里一些需要远程传输而且扭转角度固定的软轴，比如定位切割机器里面的滑台调整。

本文选用的是动力传输软轴，在挑选软轴时必须了解应用时的技术要求，尤其需要计算出需要传输的最大扭矩，需要传输的功率以及在正常工作时的转数。
考虑到软轴在长度过长时的运动会发生抖动现象，软轴需要在合适的地方增加固定装置，也就是导程。考虑到实际的装置，可以在装置的主体上增加。
3.4 爬行装置中的夹紧装置的选用
根据爬行机器人的运动特点，夹紧机构是关键，夹紧机构所产生的夹紧力是保证机器人能够与管道表面紧密接触，使得车轮能够得到足够的摩擦力，避免车轮在管道表面打滑，进而影响到爬行装置的运动。综合考虑各种因素，选用的夹紧装置为机械式夹紧装置。这种夹紧方式具有结构简单、噪音小、费用低等优点。
图3-2 移动载体加紧机构
而且选用夹紧机构的要求是:能够产生足够大的夹紧力、放松和夹紧收放自如等。机械式夹紧装置完全可以满足这些要求。
3.5 轴的确定
根据装置运动参数确定轴需要传递的扭矩，再考虑到材料的力学性能和装置中轴的位置，现将轴的参数及形状确定如下（轴的形状如图2-7-1、2-7-2所示）：
L1=44.5mm,此段是由底面直径为32mm的圆构成的圆柱
L2=12.5mm，此段是由底面直径为17mm的圆构成的圆柱
L3=16mm，此段是由底面为12×12的正方形构成的长方体
L4=27mm，此段是由底面直径为12mm的圆构成的圆柱

图3-3 轴的侧视图

图3-4 轴的主视图
由公式和公式等对其进行强度校核，进行计算发现，轴的设计合理。

（a）主动轴 （b）从动轴
图3-5 轴的三维示意图
3.5 爬行装置停车自锁功能设计
我们在骑自行车的时候会发现自行车不能倒着骑，这是因为自行车有一种自锁结构，如图3-6所示，要停车自锁可以参考这种结构。因为本文只要其自锁功能，所以可以将驱动棘爪去除，只保留其余的部分。

1、摇杆 2、驱动棘爪 3、棘轮 4、制动棘爪 5、弹簧
图3-6 棘轮结构原理图
3.7 本章小结
本章介绍了移动装置的结构设计，包括移动方式、驱动机构、传动机构，夹紧装置的设计，电机的选择，夹紧装置的选择等。并给出了爬行装置的系统参数。

4 管外爬行机器人动力系统设计
4.1驱动电机功率的确定
爬行装置的所有驱动力都由爬行装置上的驱动电机来提供，驱动电机的选择的好坏会直接影响爬行装置的移动性能，因此需要根据爬行装置的工作环境的不同来选择驱动电机的功率[1]。由分析可知，影响爬行装置的驱动功率的主要参数有装置的整体质量m、装置的运动速度v、驱动轮半径r等。假设：
爬行装置在倾斜角度为的直管道上匀速行驶行驶，不考虑除摩擦力以外的阻力。设爬行装置的行驶速度为v，则加速时的加速度为，主动轮的角加速度为（i=1-2），则有
（4-1）
（4-2）
式中:
V-机器人运动的速度；
-第i个车轮的角速度；
-第i个车轮的半径。

图4-1轮子受的支撑力及其分解
由受力分析可知，几个轮子受到的FT会相互抵消，现只考虑的作用；

图4-2驱动轮运动时的受力图
图为爬行装置单个驱动轮在加速过程中的受力图，其中：
-软轴递给轮轴的驱动力矩；
-机器人机体对第i个驱动轮的支撑反力，4×=mg；
-第i个驱动轮的重力；
-管道对第i个驱动轮的支撑力垂直于轴的分力，=；
-管道外壁对第i个驱动轮的摩擦阻力；
-管道外壁对第i个驱动轮的摩擦阻力转矩；
-驱动轴对第i个驱动轮的作用力；
由平衡条件可得：
（4-3）
（4-4）
其中为轮子绕驱动轮的转动惯量。
将式（3-4）除以，并将式（4-2）、（4-3）整理可得：
（4-5）
式（4-5）中，为驱动轮的实际驱动力，为地面对驱动轮的滚动摩擦阻力，为驱动轮自身重力形成的爬坡阻力。
有分析可知，实际驱动力主要要克服：驱动轮本身的滚动摩擦力、由驱动轴传来的阻力、驱动轮本身的加速阻力和驱动轮本身的重力所形成的爬坡阻力这四部分阻力。
对整体受力分析可知：
，
根据牛顿定律有：
（4-6）
式中，为爬行装置本体质量。
将（3-5）带入(3-6)并整理可得
（4-7）
（4-8）
式中，m为总质量，。
爬行装置在行进的过程中，会受到各种因素的影响，所以在选取电机功率是要充分考虑到电机效率、传动效率等的选取。
若以爬行装置在坡度=10°的直管道内，以速度为10米每分钟的速度匀速前行，机器人驱动轮半径为26mm，当量摩擦系数为0.4，取0.8，则
=0.4×10×18+18×10×sin10°=103.3N
=77W
在爬行装置的正常的工作过程中，会携带传感器等设备，增加了爬行装置的重量。因此，为了保证爬行装置能够正常的工作，综合考虑各方面的原因，可以选用的直流伺服电机为maxon RE 40，下图是电机外形及相应的技术参数：
标准功率：150w
额定电压：48V
空载转速：3330 rpm
空载电流：21.9mA
额定转速：2710 rpm
最大可传递扭矩：189mNm
最大传递效率：89%
最大连续工作电流：（2710 rpm）1.4A
最大连续工作扭矩：（2710 rpm）1020mNm

图4-3 电机结构图
4.2 电机的选用
（1） 伺服电机和步进电机的比较[1]
表4-1 伺服电机和步进电机差异

伺服电机
步进电机
控制方式不同
闭环，性能更可靠
开环，不稳定
控制精度不同
由编码器决定，优于步进电机
由相数和控制方式决定
低频特性不同
低速运行平稳
易出现低频振荡
矩频特性不同
一般可恒力矩输出
随转速升高而降低
过载能力不同
具有较强的过载能力
一般不具有过载能力
速度响应性能不同
加速性能好
差于伺服电机
考虑到爬行装置的工作条件，选用伺服电机做为爬行装置的动力来源。
（2） 直流伺服电机和交流伺服电机的比较如下表所示[1]
表4-2 直流伺服电机和交流伺服电机差异

直流伺服电机
交流伺服电机
机械特性和调节特性
硬特性,均为线性关系
软特性，均为非线性关系
体积、重量和效率
同输出功率要优于交流伺服电机
体积大，重量重，效率低
动态响应
转动惯量大，快速性差
优于直流伺服电机
“自转”现象
无“自转”现象
参数选择不当会有
电刷和换向器
有，结构复杂，维护不便
无
放大器装置
精度稳定性差，体积大
优于直流伺服电机
考虑到本文爬行装置所选的能源供给为蓄电池供电，再对直流伺服电机和交流伺服电机的各种特性进行比较，选择直流伺服电机。
4.3 电机驱动器的选用
必须采用电机驱动器来驱动电机电机。驱动器采用RoboModule 直流伺服电机驱动器，驱动器的电器参数如表4-3所示。
4.2爬行装置的理论爬坡能力计算
现在对爬行装置能够爬多大的坡度进行计算，由上面可知电机的额定功率为P=150w,爬行装置的驱动轮的半径为26mm,为0.8，查阅相关资料可知轮子与管道外壁的动摩擦系数约为0.3，认为速度低于0.1米每分钟时达到爬坡极限，则由公式和公式3-8计算可得，=54.3°，此为不携带传感器可爬的最大坡度，若携带重为2kg的传感器，重复上述计算过程可得=48.6°。由此可见本文设计的爬行装置具备一定的爬坡能力。
4.3爬行装置的理论牵引力的计算
爬行装置设计的最终目的是搭载传感器对管道进行无损检测，就是对管道进行探伤。本论文搭载的传感器不是直接安装在爬行装置上的，而是通过软绳的牵引来拖动传感器的运动，从而达到检测的目的。
由受力分析可知，是爬行装置的驱动轮与管道外壁的正压力的作业下产生的摩擦力为爬行装置的前进提供的动力。由公式及公式可以