管道爬行器的研究应用与设计.doc

管道爬行器研究与设计

1 绪论
随着社会发展和人民生活水平提高，天然气管道以及各种输送管道应用越来越多。在国内及世界各个国家内，由于地形限制和土地资源有限，在地下都埋设了诸多输送管道，例如，一方面天然气管道、石油管道等，在埋有管道地面上都已经建成了诸多建筑物、公路等，给管道维修和维护导致了很大困难。当这些管道由于某些因素导致了泄露、堵塞等问题时，人们普通做法是挖开道路进行维修，有些时候如果不能精确判断泄露和堵塞详细位置时，会挥霍诸多时间和精力，同步减少了工作效率[7]。另一方面石油、天然气、化工、电力、冶金等工业管道工程大多采用焊接管路。为了保证焊接管路焊接质量和运营安全,管道工程都要对焊缝进行检测,检测焊接部位与否存在虚焊、漏焊、伤痕等焊接缺陷。惯用焊缝检测办法是采用无损检测,如超声、射线、涡流等。对于管路检测,则大多采用管道内爬行探伤检查设备(简称爬行器) 对焊缝进行射线检测。此类爬行器由于受管道尺寸限制,大多构造十分紧凑。在检测过程中,爬行器在其控制系统控制下,可持续对同一管道不同位置上焊缝质量进行检查。考虑管道焊缝检测效率,经常当管道焊接具备一定长度之后,才集中对管道进行检测。如果一次要检测管道比较长,爬行器控制系统应采用车载式布置。使用时,通过外部控制器对爬行器上控制系统发出指令,决定爬行器工作状态。
随着机电一体化技术发展，以及机器人技术发展和管道测试等技术进一步发展，互相之间渗入限度越来越深，管道爬行机器人是在狭窄空间中进行精密操作、检测或作业机器人系统。其中机器人作业环境普通是危险。火力发电厂、核电厂、化工厂、民用建筑等用到各种各小管道，其安全使用需要定期检修。但由于窄小空间限制，自动维修存在一定难度。仅以核电站为例，检查时工人劳动条件恶劣。因而管道内机器人化自动检查技术研究与应用十分必要。人们不再为了维修、维护管道时挖开道路，节约了大量人力，物力和财力。
当前管道机器人都是以履带、轮子等实当前管道中移动，其技术有着或多或少缺陷，市场尚不成熟。例如：不能适应大范畴管道内径变化，运营中姿态调节不够抱负，在十字型、丁字型等较复杂管道内径中不能较平稳通过等等；结合当前管道机器人所存在缺陷，应用机械设计、机械原理等专业知识，设计出了新型管道爬行机器人。此机器人可实现大范畴内管道内径变化，顺利通过十字型、丁字型等较复杂管道；在运营中姿态调节也得到了较好解决。

2 设计方案初步分析
2.1 无线控制与有线控制选取
2.1.1 有线控制及拖拽
该方式采用机器人尾部装夹电缆、信号线、安全绳、其她电路等等，这样会导致机器人牵引力增大，对爬行器负载力和足轮摩擦力提出了更高规定，特别是随着机器人进一步，牵引绳会成为机器人累赘和枷锁。牵引绳长短禁锢着机器人爬行深度。其优缺陷如下：
缺陷：附着力会不断增大，爬行器负载变化大，不利于长距离爬行。
长处：爬行器自身初始载重小（自身不需携带能源等），信息反馈及时清晰，利于后期观测，也利于实当前线监控。观测结束时，可人工使用安全绳退出。
2.1.2 非拖曳
该方式不需跟随电缆线，自身有拍摄存储功能，并且自身携带电源等，其优缺陷如下：
缺陷：爬行器自身载重加大，需设计爬行器退出管道方式等。
长处：爬行器载重恒定，便于爬行器爬行。其在管道内行进以便，特别在弯道时，拖曳式过大牵引力会使爬行器驱动轮打滑，不易通过。
依照规定，非拖曳虽有自己强大长处，但爬行器在管道内浮现问题而不能移动时，需要耗费很大力气将爬行器取出。
可以选取有线拖拽式。
2.2 驱动方式选取
依照设计规定现拟订2种爬行器驱动设计方案（如图1，2）：

图1 轮式爬行 图2 履带式爬行
2.2.1 轮式爬行
设计制造简便，成本低廉。但其穿越障碍能力差，只能穿越高度不大于其自身半径障碍物。如图3。

图3 轮式爬行越障
2.2.2 履带爬行
越障碍能力高于轮式爬行，但自身设计制造较复杂，成本相应提高（一种支点至少需4轮才可以爬行）[3]。
依照设计规定本机器人是在管道内行走机器人，无需考虑台阶等障碍物问题，尽量减少成本，在不影响设计自身功能时，尽量采用制造工艺简朴，成本低设计方案。
可以采用轮式爬行。
2.3 姿态调节选取
依照规定结合可行性，可以拟定3种方案如下：
2.3.1 加传感器关节进行调节
在管道爬行时会浮现爬行器偏移本来轨道，可用倾斜传感器进行控制。现拟订采用变化轮子（履带）迈进方向一定角度来进行矫正（加关节）。
其原理为：通过电磁铁吸合，从而控制爬行器爬行轨迹。关节单元装配图如图4：

图4 关节调节
通过关节调节可实现如图5：
图5 关节调节实现
2.3.2 运用吊篮方式进行调节
在爬行器内安装吊篮（内置摄像观测装置）。当爬行器偏斜时，吊兰由于和机座为铰链连接，保存一种自由度，由于重力因素不会随着爬行器偏斜而偏斜，而是在任何时候都垂直与地面。其在爬行器内遇到倾斜时自动调节如图6。
通过吊篮式调节，摄像装置始终保持与水平面平行

图6 吊篮式实现

2.3.3 采用新式吊篮进行调节

依照吊篮原理，结合鲁班榫卯构造，可以采用2个偏心圆环相扣，进行重力自由调节，其原理如图7
如图7 小环直径为150mm，大环直径为250mm，大环与小环相切，小环转动并不能带动大环转动，并且大环会由于重力作用始终与地面保持平行。可以在大环上安装照 明器件和信号采集器件，是它们可以与地面保持平行。依照这种思路，可以3D造型，进行新式吊篮调节如图8,图9。
图7 吊环原理图
2.4 自适应分析

图8 吊篮分装图 图9 吊篮装配图

2.4.1 伸缩臂长和加弹簧方式
大范畴内径变化（400-1100）在支撑臂上添加变长杆，小范畴内在支撑臂上添加弹簧。
2.4.2 伸缩臂长和“伞”型摇杆
在400—1100大范畴内管道中爬行，可通过使支架伸缩来变化。在管道直径变化不大处爬行，十字型、丁字型等较复杂管道内径时可通过“伞”型摇杆闭合控制支撑臂移动以适应，通过“伞”型摇杆与伸缩杆结合就可以变换出诸多适应不同管道内径条件。
以上2方案各有其长处，相比较下，第2种方案更符合规定，但其需要独立驱动单元，因而制导致本远高于第1种方案。在普通状况下，第1种方案足可以适应。故再做出三维造型后进一步进行运动分析。
2.5 方案基本拟定
通过以上分析，初步拟定采用有线拖拽式，但姿态调节和自适应均存在3种不同方案可供选取，故设计3种总体方案再进一步分析。
方案一：姿态调节采用关节调节，自适应采用变长杆和弹簧。
方案二：姿态调节采用吊篮方式，自适应采用伸缩臂和“伞”型张合构造。
方案三：姿态调节采用新式榫卯吊篮方式，自适应采用伸缩臂和“伞”型合构。
3 方案一设计与分析
综合设计方案一如图9.
本方案基本有3某些构成，1机身、2机腿、3驱动轮。
图9 方案一三维效果图
3.1 机身设计

可装载各种探测设备等，如图10。

图10 机身
3.2 机腿设计
由9某些构成，其三维图与爆炸图如图11。机腿可分为3个单元：伸缩单元（1-5）、变长单元（6）、关节单元（7-10）。通过螺纹连接。其爆炸图如图11。三维转配图如图12。
图11 机腿爆炸图
3.2.1 伸缩单元
1-5某些构成伸缩单元依托弹簧弹性变形以适应小范畴内管道直径变化和越障。其三维图如图13。

图13 伸缩单元三维图

图14 变长杆
图12 机腿装配图

3.2.2 变长单元
6为变长杆，可以人为更换（增长或缩短）以适应管道直径大范畴变化。其三维图如图14。
3.2.3 关节单元
7-10某些构成关节单元，7、9上均装有电磁铁，7、8，8、9之间用螺母和绕簧固定。各部位三维图如图15。
关节单元用于爬行器姿态调节。其原理为∶通过倾斜传感器对爬行器进行监控。当爬行器偏移其原轨道，倾斜传感器发出电信号，此时7或9上电磁铁得电，吸合8，促使轮子向左或右倾斜，以校正爬行器。在爬行器被校正后，倾斜传感器发出信号，使电磁铁断电，在绕簧作用力下，使关节各部位复位。

图15 关节单元零件图
爬行器正常迈进。7、9分别用于爬行器左、右校正。
3.3 驱动轮设计
驱动轮由5某些构成，如图16

图16 驱动轮三维图与爆炸图
(1)联接块用于与驱动轮与关节单元联接。
(2)电动机箱安装步进电动机或励磁电动机。用以驱动轮子。

3.4 方案一分析
长处：构造简朴，制导致本低廉，对管道内径变化不大和弯道较少时基本能满足设计规定。
缺陷：该爬行器在爬行器由于机身是长方体，在管道内转弯时，会浮现卡壳现象，在爬行十字型、丁字型管道内径时会出当前机腿卡在管道中，驱动轮悬空等状况；但该种状况，普通当轮子半径不不大于管道壁厚，也能顺利通过。
4 方案二设计与分析
依照方案一优缺陷进行改进，增长必要改良元素，现设计出方案二，如图17。本方案由3某些构成：1机身，2机腿，3驱动轮。
图17 方案二三维图
4.1 机身设计
机身设计成筒状机身和其她部件构成。如图18.

图18 机壁三维图
4.2 机身内部传动构造设计
机身内部重要完毕“伞”足张合传动，以及吊篮安装。如图19。
图19 机身内部三维图

4.3 进给螺杆与螺母设计
为使机腿伸缩，采用螺旋传动，该类型传动是运用螺杆（丝杠）和螺母构成螺旋副来实现传动规定。它重要用于将回转运动转变为直线运动，同步传递运动和动力。在爬行器中其工作原理为：进给螺杆在电动机驱动下，进行回转运动。从而使螺母进行水平移动。螺母用来推动机腿伸缩，使爬行器进行自适应伸缩如图20。
图20 丝杠螺母运动简图
4.4 吊篮设计
吊篮活动关节采用圆柱销，采用间隙配合，以保证吊篮左右移动。其机构图如图21，22。
其工作原理为，在重力作用下。吊篮通过活动关节始终保持与地面水平。活动关节由一活动销联结。吊篮通过螺母固定在机身上。

图21 吊篮三维图 图22吊篮示意图
4.5 机腿设计
机腿三维造型如图23
图23 机腿三维图
机腿通过关节1、2、3伸缩进行自适应调节。连接杆与推动盘连结。连接杆与关节3采用铰接。为适应管道最大内径1100mm调节，关节1尺寸为200mm，关节2尺寸为150mm，关节3尺寸为100mm。
4.6 方案二分析
长处：可以采用伸缩杆适应大范畴管道内壁直径变化，“伞”型构造可以适应管道内一定范畴转弯，牵引力大，构造紧凑，控制简朴。
缺陷：由于机身为一种圆筒（整体，过长），不能完全适应弯道转弯。吊篮安装在机身内部，安装复杂，并且吊篮在内部，不能采用摄像头观测管道内壁状况。机身制造复杂，孔系较多。
5 方案三设计与分析
依照方案一，二优缺陷，综合整顿资料，通过重复修改，提出新设计思路，先设计出方案三，如图24。本方案有3某些构成，1机身、2机腿、3驱动轮。

图24 方案三三维图
5.1 机身设计
机身重要有两某些构成，即前机身和后机身，对于管道内转弯为题，咱们可以借鉴火车节装构造，设计出有两节机身构成机车型爬行器，减小机身长度，有助于机器人顺利通过弯道，为减轻重量，机身材料选用硬铝。
5.1.1机身构成构造
爬行器爬行最小内径为450mm，爬行最大内径1100mm。设计机身内径为150mm，外径为200mm机壁厚度最小处为10mm。机壁与机腿之间只是做简朴伸缩动作，先后机身可以采用旋转铰链连接故采用GB119-83 A5X40，采用间隙配合。其先后机身三维图如图25 ，图26。

图25 前主体三维图 图26 后主体三维图
5.2 机身内部传动机构设计
机身内部构造为机腿运动传动机构设计，在这里运用丝杠和螺母构造完毕曲柄滑块机构实现。并推动机腿张合。其构造示意图如图27
5.2.1 进给丝杠和螺母设计
为使机腿伸缩，采用螺旋传动，该类型传动是运用螺杆（丝杠）和螺母构成螺旋副来实现传动规定。它重要用于将回转运动转变为直线运动，同步传递运动和动力。
图27 丝杠螺母装配图
在爬行器中其工作原理为：进给螺
杆在电动机驱动下，进行回转运动。
从而使螺母进行水平移动。螺母用来推动机腿张合，使爬行器进行自适应张合。
A初步拟定螺杆杆轴最小轴径
按《机械设计》式15-2 初步估算丝杆轴最小轴径，选用材料为45钢，调质解决。依照《机械设计》表15-3取A0=112 初步设定螺杆转速为30r/min
=112=15.28mm (1)
式中，P可依照主体电机取P=89W n=30r/min

B求取轴向力
按照自锁条件先求出当量摩擦角，查《机械设》表5-12知螺旋副材料中钢对钢摩擦系数，取中间值0.15，则当量摩擦角
(2)

则
在此按最大值计算，取
C耐磨性计算
滑动螺旋磨损与螺纹工作面上压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素关于。其中最重要是螺纹工作面上压力，压力越大，螺旋副间越容易形成磨损。因而，滑动螺旋耐磨性计算，重要是限制螺纹工作面上压力p，使其不大于材料许用压力。
假设作用于螺杆轴向力为F（单位为N)，螺纹承压面积（指螺纹工作表面投影到垂直于轴向力平面上面积）为A（单位为），螺纹中径为
（单位为mm），螺纹工作高度为h（单位为mm），螺纹螺距为P（单位为mm），螺母高度为H（单位为mm），螺纹工作圈数为，则螺纹工作面上耐磨性条件为
(3)

上式可作为校核计算用。将代入上式整顿后得

(4)

a计算螺杆中径

查《机械设计》第97页，由于工作圈数不多，故取
查《机械设计》第97页表5-12取 则

由于按剪切强度计算最小直径为15.28mm ，由d2=26mm依照国标选用螺纹公称直径d=30mm，P=3.5mm螺纹。
(5)
b螺母高度

H=1.526=39mm
c 旋合圈数
(6)

故旋合圈数合理
d螺纹工作高度
(7)

e验算工作压强
(8)

D验算自锁
自锁条件，对于单线螺纹，为当量摩擦角等于。
则：
自锁条件满足。
E螺杆强度计算
螺杆工作时承受轴向压力（或拉力）F和扭转T作用。螺杆危险截面上既有压缩（或拉伸）应力，又有切应力。因而，校核螺杆强度时应依照第四强度理论求出危险截面计算应力，其强度条件为
(9)

mm
式中：F ——螺杆所受轴向压力（或拉力），单位为N；
——螺杆螺纹小径，单位为mm；
T ——螺杆所受扭矩；
——螺杆材料许用应力，单位为MPa。
则：

螺杆材料许用应力 查《机械设计手册》表34.2-10知=80，故螺杆强度满足。
F螺纹牙强度
(1)螺纹牙宽度
(2)螺杆强度校核
螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，普通螺母材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹牙强度。
如果将一圈螺纹沿螺母螺纹大径D（单位为mm）处展开，则可看作宽度为悬臂梁。假设螺母每圈螺纹所承受平均压力为，并作用在以螺纹中径（单位为mm）为直径圆周上，则螺纹牙危险截面a－a剪切强度条件为
(10)

螺纹牙危险截面a－a弯曲强度条件为
(11)

式中：b ——螺纹牙根部厚度，单位为mm，对于矩形螺纹，b＝0.5P，对于梯形螺纹，b＝0.65P，P为螺纹螺距；
l ——弯曲力臂，单位为mm
——螺母材料许用切应力，单位为MPa，见《机械设计》表5-13；
——螺母材料许用弯曲应力，单位为MPa，见《机械设计》表5-13；
a.抗剪强度

其中查 《机械设计》表5-13 并计算得=48MPa
b.抗弯强度

其中查《机械设计》表5-13经计算知=80MPa。
(3)丝母强度校核
a.抗剪强度

其中查《机械设计》表15-3知。
b.抗弯强度

其中查《机械设计》表15-3知=80MPa。故丝母强度满足。
综上计算所螺杆工程图如图28。螺母工程图如图29。

图28 螺杆工程图 图29 螺母工程图
5.2.2 选取联轴器
联轴器是机械传动中重要轴系部件。重要用来联接两轴(有时也实现轴与其他转动零件联接)，使之一起转动并传递运动和动力。两轴用联轴器联接， 只有停机并经拆卸才干分离；采用联轴器可把整机提成若干部件，便于机器 设计、制造、装拆及运送；联轴器大都已标难化、系列化，因而重要问题是如何合理选取。因输出输入端均为16mm。故选取Tl8型弹性套柱销联轴器。
5.2.3 选取键
键是机械传动某些动力传递原件，在选取时规定其符合传递扭矩规定。且键已被国家定位原则件，在此重要进行间选取和校核。
依照轴直径，由《机械设计》表6-1 选取普通平键圆头平键,材料选45钢。
根据键校核如下：
(12)
式中： T——传递转矩
k——k=0.5h ，h为键高度
l——键接触长度，mm
d——轴直径，mm
可计算得：

查《机械设计》表6-2 静载荷时
可知所选圆头平键符合条件
5.3 吊环设计
如前所诉，吊环采用榫卯构造，吊环与环槽表面粗糙度规定达到Ra1.6。其工作原理是依照吊环自重，调节吊环始终与地面保持垂直。因其受力不大，减轻重量，故材料采用硬铝。

图30 吊环装配图 图31 吊环爆炸图
5.4 轴承设计
用于固定螺杆。螺杆后部只是普通光轴，转速低。故采用滑动轴承（表面粗糙度规定较高），又因轴承在主体内紧固规定采用自行设计轴承。为减轻重量材料采用硬铝。其工程图如图32。

图32 轴承工程图

5.5 机腿设计
其三维装配图，爆炸图如图33，34。

图33 机腿装配图

图34 机腿爆炸图
机腿通过关节1、2、3伸缩进行自适应调节。连接杆与推动盘连结。连接杆与机腿1采用铰链。为适应管道最大内径1100mm调节，关节1尺寸为250mm，关节2尺寸为150mm，关节3尺寸为100mm。
5.6 驱动轮设计
驱动轮设计与方案二大至上一致（某些构造不同），故不在赘述原理。驱动轮装配和爆炸如图35，图36。原动力电动机选取与计算在机器人电气控制研究设计某些完毕。

图35 驱动轮装配体 图36 驱动轮爆炸视图
5.7 管道爬行实现

图37 管道内爬行实现

5.8 管道内路口转弯实现
在十字型管道内爬行时，会遇到驱动轮悬空，并也许被卡住状况。此时，在通过摄像观测装置观测到该种状况时，工作人员通过控制机身电机，进给螺杆开始转动，使螺母水平移动，从而使机腿伸缩，以通过该类型管道，如图36。
其控制过程框图如图37。程序中控制由现场工作人员控制，通过对机身电机控制，以实现机腿伸缩。这里只是论述了爬行器前半身过复杂管道控制过程图，再后半身过复杂管道时，基本类似，故不在赘述。
图38 管道内路口转弯实现

图39 转弯控制电机流程图

机器人电气电路控制设计将在本文第六某些进行阐述。
5.9 总体装配体设计
依照SolidWorks三维造型和各零件设计，现设计出方案三总体装配图如图40。

图40 爬行器装配体工程图
6 管道爬行机器人功能分析
依照管道机器人机械某些设计，规定：这种伞型6足爬行器在管道中要完毕迈进，后退，转弯以及前伞，后伞张开和闭合等动作，管道机器人在工作条件下需要有较强劲动力，较好可控性，可以在管道内拟定自己位置，来精准定位PDPS（Piping Disrepair Position System）
管道破损处定位系统，由机器人位置来拟定管道破损确切位置。规定较小体积以及较简朴电路。
依照机器人动作规定可以把管道机器人动力源设计为：
（1）由6个电机来控制机器人爬行（迈进，后退）采用动力驱动。
（2）由2个电机来控制先后伞足张开和闭合。依照先后伞足张开和闭合，爬行机器人转弯等，必要规定先后伞足张开及闭合为独立事件，互相不干扰才干完毕转弯时伞足独立动作。

7 管道爬行机器人动作分析
管道爬行机器人重要完毕动作有：
（1）六轮驱动（迈进，后退，调速）。
（2）伞足张开和闭合（先后相对独立）。
（3）管道中转弯动作顺序：前伞足闭合——后伞足迈进——前伞足打开——后伞足闭合——前伞足迈进——后伞足打开。
（4）由吊环进行机器人姿态调节自适应。
（5）照明（管道中十分黑暗，摄像头摄像，必要有照明设施）。
8 电气控制基本元器件选用
基于以上电气运转控制及顺序制动问题分析，依照管道机器人使用特点和工作条件，规定：以便，安全，可靠，性能优越，价廉，合用于复杂环境条件，体积小，重量轻，可控性能好等，可对元器件进行如下选用：

8.1 电机参数计算与选用
8.1.2 驱动轮电机参数计算
通过对机器人三维实体建模，以及材料选用，通过已知密度进行零件分析，查阅资料综合算爬行器总质量为:
M=26Kg
通过查阅有关资料查得橡胶与45#（钢）之间摩擦系数为0.15，则取实际计算摩擦系数为：

最大功率：

轮子承受压力为机器人重力与机腿张开时产生管壁压力
（为机器人重力 ，为机腿对管壁压力）

由于工作时，机腿张开幅度不同，所产生压力也不同。为了安全和电机满足设计规定目的，机腿张开对管壁压力可取1倍重力。即：

依照牛顿第一定律，牛顿第二定律可算得
(14)
依照规定爬行器在管道内速度为
(15)
为了保证安全系数为1.5，则实际电机计算功率为：
(16)
8.1.3 主电机参数计算
主电机通过联轴器—丝杠—螺母—滑块—曲柄(机腿)
通过对曲柄滑块分析如图41

图41 机腿张合机构原理图
通过采用Solidworks实体分析，可以得出机腿质量及驱动轮整体质量，即

依照图41分析，采用安全计算办法，极限位b时,对机腿进行受力分析如图42，滑块推力最大。

图42 机腿机构受力分析
依照理论力学知识，计算如下：
依照平行四边形法则，重力G可分解为,两个分力。螺母推力可分
为，两个分力。
(17)

可规定螺母速度为则按照安全计算办法，可得螺母功率为：
(18)
(19)
从电机—联轴器—丝杠螺母传动过程中，查《机械传动手册》传递效率依次为：
，
为了符合安全系数，和考虑到野外工作电源电压受时间变化，电机功率选应以1.2倍计算功率选用。
(20)
8.1.4 机器人动力源选用
最后拟定驱动轮电机功率为，主电机功率为。
依照以上分析，需选用调速性能好，可控性高，体积小，容量小并且价廉直流她励电动机作为执行元件。对于此种直流小功率电机可以查《电机工程手册》，对于直径在30毫米如下，功率在100W如下直流电机普通都中小功率用电机技术数据，采用铁氧体永磁ZYT以及Y15Z圆筒式钢板外壳电机。
经查表对于主电机可以选用额定电压为24VZYT-80/08直流电机，重要技术参数为空载时：转速8200转/分，内阻1.0欧姆，电流6.32A；负载下转速：5000转/分，电流0.68A ，效率43%，转矩。
对于驱动轮电机选用，依照电器元件配合简朴，以便原则，结合主电机额度电压24V，可以初步选取小电机额定电压为24V，查《电机工程手册》初定为驱动轮电机选用ZYT20/10型。
8.2 电源选用
机器人工作场合普通在野外，户外对于电源便携性，耐久性，可靠性规定较高。因此选用可充电蓄电池直流电源。它重量轻，体积小，电量大，是较为抱负恒压源。依照机器人电机规定和控制电路规定，可以选取重要技术参数为电压24V直流蓄电池和5V电池组作为机器人电源。
8.3 电机调速元件选用
(21)
对于直流电机调速比较简朴，由公式
可知调速有三种办法：
（1）调压调速U
（2）节气隙磁通K
（3）调节电枢电路串接电阻调速
（4）新型调节脉宽PWM
对于这种永磁式小容量直流电机磁通量K为定值，调节气隙磁通不现实。采用调压调速对于咱们所用24V直流蓄电池来讲也不现实，直流变压没有交流变压简朴，由于这样设备较为复杂，成本上升。因此咱们考虑最为简朴调速办法和新型PWM型脉宽调速。
8.3.1 串联电阻调速办法实现
在电枢电路中串接电阻（滑动变阻器）。可以进行无极调速，虽然这样会大大削弱电机机械特性曲线硬度，但不失为一种快捷，简朴变速办法。
串联电阻计算如下：
(22)
对于电机转速可近似以为
(23)
对于已经出厂电机来讲是定值。
(24)
由所选电机参数可知，有负载时
(25)
对于加上串联电阻后 咱们但愿得到调速电机转速为 则有，则有，，0.A，
由于Ra为理论值，考虑到直流电机采用电枢串联电阻调速会使电机机械特性曲线大幅变软，又要保证机器人电机在负载下能正常工作，因此就可用滑动变阻器来进行电阻补偿调速。由以上计算，可选取滑动变阻器量程为0—1000欧姆型号。
8.3.2 新型调节脉宽PWM型调速实现
PWM脉宽调制调速系统是近期流行起来对于直流电机无极调速最优化调速系统。它相比变化电压电压，变化磁通参数，变化电枢电流等具备相称大优越性。脉宽调制就是使功率放大器中晶体管工作在开关状态下，开关频率频率保持恒定，用调节开关周期内晶体管导通时间办法来变化其输出，从而使电机电枢两端获得宽度随时间变化给定频率电压脉冲。
其工作原理电枢两端电压变化如图43

图43 PWM原理图
PWM重要是通过单片机和晶体管将电压信号进行调制转换为脉冲宽度调制。通过调节频率和脉宽使直流电动机工作时间有一定空行程比例，咱们成为占空比，脉宽持续变化，使电枢电压平均值也持续变化，因而使电机转速持续调节。
PWM调速原理决定了它电路图要采用单片机，进行脉宽控制，和电机驱动。
PWM电路连接图有诸多，不同公司生产PWM控制电路板不同，本文仅以SG1731电路板为例，其电路图如图44

图44 PWM控制电路图
其中，驱动电机功放普通选用H型桥式开关放大器，由4个晶体管构成换向，放大电路，其电路图如图45。
这种电机驱动电路可以通过激发不同晶体管工作方式，进行电机正反装控制，电机调速。
8.3.3电机调速办法拟定及元件拟定
通过以上电路设计与分析，采用电枢串联电阻调速办法特点是：
（1）电路简朴
（2）价格低廉
图45 H型桥式电路图
（3）控制以便，没有延迟现象
（4）电能损耗严重
（5）不适合长时间调速
采用PWM脉宽调速办法特点是：

（1）可调节频带宽
（2）电流脉动小
（3）电源功率因数高
（4）电机动态硬度好
（5）电路复杂
（6）成本较高
综合机器人野外工作环境，节约电能是十分重要，依照机器人工作时间很长规定，咱们选取采用PWM脉宽调节器。
（注：在此咱们已经表述出直流电机PWM调速电路图，在总设计电路图中咱们将以方框代表调速电路）
9 电路设计
9.1 轮足电机动作正转与反转电路设计
对轮足电机进行编号，前足3个电机分别是M1 、M2 、M3，后足3个电机分别是M4， M5， M6。
对于直流电机正转与反转，重要采用办法是电枢接线正接与反接，因此可以借鉴机床电机正反转接线图来设计6个驱动电机正反转。由于电机容量小，可以直接启动，因此可以直接用开关直接控制接线办法。机器人伞足设计，在考虑电机转动方向同步，由于先后伞足均有一种足要接触管道上表面运动，因此要与接触下表面两个轮足旋向相反才干使三个足同步拉动机器人迈进。即有M3与M1、M2旋向相反，M6与M4、M5旋向相反。如图46所示控制电路，为完毕驱动电机正转与反转动作电路。
（注：电路中，调速PWM控制省略不画，在后来总电路图中调速电路画出）
电路中，用三位开关，左接通为正传，右接通为反转，中位为停止。这种电路以便，简朴，较易控制。适合这种低压电气控制电路，并且便宜。
9.2 先后伞足张开闭合电路设计
图46 驱动轮电机控制接线图
对于先后伞足规定能张开和闭合。为此，
规定电机能带动螺旋丝杠进行正、反转。可以沿用驱动电机接线思路，借鉴机床电气控制接线办法，采用反接办法进行正反转控制。如图47所示。
这种电路简朴易接，没有延迟现象，可以满足较快和较慢调速需求，较为抱负。

图47 先后伞足张开闭合控制电路
图47

9.3 电机某些总电路设计
综合图46、图47 电路设计可得电机某些总电路图如图48所示。

图48 各电机控制总电路
机器人中电机由8个，电机较多，采用一种电源显然不能满足电机能量消耗，因此采用2个电源同步供电能满足电机长时间工作规定。Q1、Q2 、Q3 、Q4、Q5、Q6均为3位开关，对于开关左位接通为反转，右位接通为正转。中位为断路。

9.4 电机顺序动作电路设计
由转弯办法可以分离出电机顺序动作有：
电机M7反转---电机M4、M5、M6 迈进---电机M7正转---电机M8反转---电机M1、M2、M3 正转---电机M8 正转。
对于电机顺序动作由当代控制 理论咱们可以由如下几种选取：
图49 逻辑控制一

(1)采用手动开关通过摄像头观测，人为进行控制。
(2)采用老式电磁电气控制电路进行逻辑控制。
(3)采用单片机/PLC进行自动控制。
9.4.1 人为控制
若采用第一种办法控制， 如图48所示，这种电路可以进行人为进行电机顺序动作控制，先闭合开关Q1左边再断开--闭合Q2右边再断开--闭合Q1右边再断开--闭合Q3左边再断开--闭合Q4右边再断开--闭合Q3右边再断开。
9.4.2 逻辑控制
若采用第二种控制办法，可以参照机床电气控制典型电路作出如图49 ，图50
图50逻辑控制二

构成由电磁铁，继电器构成电磁控制电路，
采用时间继电器来控制元件顺序动作
（6个KT）通过不同KT得电实现6个顺序动作，时间继电器KT延时为5秒，也可以依照不同伸缩规定设定动作时间。KM1控制环节1，KM2控制环节2，KM3控制环节3，KM4控制环节4，KM5控制环节5，KM6控制环节6。

9.4.3 单片机/PLC进行自动控制
考虑采用单片机/PLC自动控制电路，可以把顺序动作分解为由不同使能端输出，由一种初始激发信号，来使PLC上电，同步执行程序从而输出各个电信号，各个电信号来驱动各执行原件控制电机动作，如图51所示为由I/O端口分派接线图，PLC端口分派表1如下：

表1 I/O口分派表
输入
输出
转弯启动X0
前伞闭合Y1

后伞足迈进Y2

前伞打开Y3

后伞闭合Y4

前伞足迈进Y5

后伞足打开Y6
如图52为电机主回路接线图，如图53为PLC程序梯形图构成PLC组合控制电路。

图51 I/O端口分派接线图 图52 电机主回路接线图

图53 PLC程序梯形图构成PLC组合控制电路
（1）电路分析：对于图51所示I/O接线图由SB1闭合、PLC上电发出启动程序指令，由X0端口接受。由图所示程序梯形图执行程序可以进行顺序动作执行，通过定期器来设定元件接电时序来输出电信号。使Y1、Y2 、Y3 、Y4 、Y5 、Y6按顺序得电（共6步），其中Y1、Y2 、Y3 、Y4 、Y5 、Y6依次控制转弯时各电机顺序动作，并由KM1、KM2 、KM3 、KM4、KM5、KM6依次执行元件执行动作。由图52所示电机主回路接线图可以进行执行元件直接执行动作，由KM1、KM2 、KM3 、KM4 、KM5 、KM6触点接通和断开来直接驱动电机顺序动作。
电路比较与选取如下：
①对于如图48所示电路，它长处是以便，简朴，构造精炼。但要人为控制，并且环节复杂，开关较多，操作麻烦。
②对于如图49，50所示电路图，它长处是可以由一种勉励信号完毕所有顺序动作，操作简朴，但构造复杂，并且继电器电路普通需要24V以上电源配合，还要连接各个触点，对于管道机器人电路系统规定不符合，还要重新配备电气系统，配备控制箱，系统庞大，不太符合野外工作规定。
③对于如图51，52，53所示电路图，可以用PLC进行自动化控制，普通PLC也需要24V电源配合，并且价格较高，并且需要KM接触器来进行控制执行，并且各种管道小径不同，不能通过简朴设定延时来控制伞足张开和闭合。用在这种机器人身上显然大材小用了。
④通过以上电路比较以及管道爬行机器人工作规定及条件，咱们选用人为手动开关控制转弯动作，并且可以随时调节，采用这种控制办法可以省略诸多元器件，节约线材，简朴快捷，价格低廉，适合低压控制电路，并且可以随意人为执行动作，适合不同工作环境下动作执行，接线简朴，采用手柄式控制盒布线体积较小，重量轻，适合任何电源，具备一定通用性。
9.5 照明系统电路设计
照明电路选用2个24v荧光灯并联在电源上即可。如图54所示。

图54 照明电路
9.6 管道内机器人定位系统（PDPS）设计
在机器人工作时，通过人眼观测摄像头传播信息来拟定管道与否破损，需要对机器人进行管