管道机器人手臂机械结构设计cad【8张】＋三维图＋设计说明书＋绛重

 

 

 

摘  要
管道机器人是一种能够在管道内部执行各种任务的智能机器人，而管道机器人的机械臂对于管道机器人在管道内执行任务的灵活性、稳定性和效率至关重要。管道机器人手臂的结构设计应该考虑到管道内所需要执行的任务类型，其次是机械臂在管道内部所受到的空间限制。
本文设计的机械臂所需要执行的任务是在管道内进行探测，那么机械臂结构需要具有多自由度的特点，方便进行多角度的探测。所以本文采用六轴机械臂，六轴机械臂具有很高的自由度，适合任何角度或轨迹的工作，能够满足本文机械臂的设计要求。因为六自由度机械臂整体尺寸偏大，因此该机械臂适用比较大的管径。并且在设计过程中应该注意机械臂结构工艺的合理性，在材料选择上应该使机械臂具有高强度和轻便的特性。
本文通过查阅相关文献，主要对管道机器人的手臂机械结构进行设计，对涉及到机械臂的主要部件电机、轴、齿轮和连杆等主要部件进行强度设计和校核。在对其工作空间分析的基础上，本文根据机械臂的基本结构参数，利用solidworks软件进行了机械臂整体三维图形的绘制，并且利用cad软件绘制了装配图以及部分关键零件图。
关键词：机械臂；结构设计；传动方案设计；强度校核

目录
摘  要    1
Abstract    2
第一章 绪论    1
1.1 研究背景    1
1.2 研究意义    3
1.3 国内外研究现状    3
1.4 研究目标与内容    4
第二章 管道机器人机械臂结构设计方案    5
2.1设计方法和设计原则    5
2.2总体的设计思路    5
2.3 本文主要的设计方案    7
第三章 机器人手臂结构设计    8
3.1 传动方案的确定    8
3.2 电机的选型计算    8
3.3 大臂的结构设计    9
3.4 小臂的结构设计    10
3.5 齿轮的结构设计    12
第四章 机器人的三维建模和有限元分析    16
4.1 三维建模    16
4.2 有限元分析    17
4.2.1 材料的选择    17
4.2.2 网格的划分    18
4.2.3 施加载荷    19
4.2.4 后处理求解    20
    20
第五章 总结和展望    23
5.1 总结    23
5.2 展望    23
参考文献    25
致谢    26

第一章绪论

1.1研究背景
管道机器人是一种特殊的机器人系统，专门用于检查、维护和修复各种类型的管道，包括水管、油管、天然气管道等。随着工业化和城市化的不断发展，管道系统在现代社会中扮演着至关重要的角色，它们被广泛用于供水、供气、排水、输油输气等领域。然而，管道系统的长期使用和不断延伸，使得管道检查和维护面临着诸多挑战和困难。传统的人工检测和维护方式不仅效率低下，而且存在安全风险，因此研究和开发管道机器人成为了当今工程技术领域的一个重要课题。管道机器人研究的背景可以追溯到20世纪初，当时工业化进程迅速发展，管道系统的建设成为了各个国家的重要任务。最初阶段的管道机器人主要是简单的机械结构，用于解决管道内部的基本检测和清洁问题。随着科学技术的进步和工程领域的不断创新，管道机器人的技术水平得到了显著提升，其功能和性能也得到了极大的丰富和拓展。今天，管道机器人已经成为了一种多功能、高效率、智能化的管道服务系统，为各种管道系统的运行和维护提供了强有力的支持。
传统的人工检测和维护方式需要大量的人力和时间投入，效率低下且存在一定的安全风险。而管道机器人可以通过自主导航和智能控制技术，实现对管道系统的快速检测和精准维护，大大提高了工作效率，缩短了工作周期。管道系统通常位于地下或高空等较为危险的环境中，人员进入进行检测和维护存在一定的安全风险。而采用管道机器人进行作业可以避免人员直接接触危险环境，降低了人员伤亡和事故发生的风险，保障了工作人员的安全。管道机器人配备有各种先进的传感器和影像设备，可以实现对管道内部的高精度检测和成像，发现和诊断管道问题的准确性和可靠性更高。同时，机器人作业不受环境和疲劳等因素影响，保证了作业质量的稳定和持续性。管道机器人的投入和运行成本相对较低，一次性的投资可以实现长期的管道服务需求。与传统的人工作业相比，机器人作业不需要额外的人力资源和劳动保障，大大降低了维护成本和运营成本，节约了人力和物力资源。
管道机器人的研究和开发涉及到机械设计、控制技术、传感器技术、人工智能等多个领域的交叉与融合，推动了工程技术领域的科技创新和进步。通过不断的技术改进和创新，可以不断提升管道机器人的性能和功能，拓展其应用领域，满足不同管道系统的需求。管道机器人研究具有重要的现实意义和深远的社会影响，通过提高工作效率、降低人员风险、提升服务质量、节约成本资源和促进科技创新等方面的作用，为现代工程技术领域的发展和进步做出了积极的贡献。
经过长时间的发展现有管道机器人根据爬行器行走方式可大致分为四种：
（1）轮式管道机器人：轮式管道机器人是一种常见的管道检测和维护工具，具有多项独特特点，使其在各种管道环境中表现出色。轮式设计使得管道机器人能够在管道内部灵活移动，适应不同直径和曲率的管道。其小巧的尺寸和灵活的轮胎设计使其能够穿越复杂的管道网络，达到难以到达的位置，完成全面的检测和维护任务。轮式驱动系统能够确保管道机器人在运动过程中保持稳定和平稳。它们通常配备有智能控制系统，能够实现对速度、方向和转向的精确控制，避免了在管道内部碰撞和摇晃，保证了检测和维护作业的准确性和安全性。轮式管道机器人通常具有多功能的设计，可以配备各种传感器、摄像头、激光扫描仪等设备，实现对管道内部的全方位检测和成像。同时，其模块化的设计也使得可以根据实际需求进行功能扩展和升级，满足不同管道环境和作业需求。轮式管道机器人采用自主导航和智能控制技术，能够实现自主作业和智能化运行。它们可以根据预设的路径和任务规划进行自主导航，完成管道内部的快速检测和精准维护，提高了作业效率和工作效率。如图1-1所示
图1-1 IBAK-T66可变向爬行器
（2）履带式管道机器人：履带式管道机器人是一种高效的管道检测和维护工具，具有独特的特点。履带设计使得管道机器人在管道内部能够牢固地抓住管壁，确保稳定的运动和操作。这种抓地力的优势使得它能够在陡峭、湿滑或不规则表面的管道内部行驶，适应各种复杂环境。履带式设计能够承受较大的负载，使得管道机器人可以携带更多的设备和工具，如摄像头、传感器、工具臂等，实现多功能的管道检测和维护任务。履带式管道机器人适用于各种管道环境，包括直管道、弯曲管道、水平管道、垂直管道等，其灵活性和适应性使得它可以应对不同形状和尺寸的管道，完成全面的检测和维护工作。如图1-2所示。
图1-2 Versatrax 450履带式管道机器人
（3）蠕动式管道机器人：如图1-3所示，这是一种由民间制造的爬行式管道机器人，它通过前后两个支承部件进行径向伸缩，结构简单，能耗低，行走速度慢。其中，蛇型机器人因其高自由度而难以操纵，但其在复杂环境中的运载能力却远超其它管道型机器人。
图1-3 蠕动式管道机器人