创新设计管道履带式机器人.docx

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1、履带式管道机器人创新设计 专业班级： 机械设计 姓名： 学号： 引言现代工农业生产与日常生活中使用着大量管道，如核电厂的蒸汽发生器传热管、石油、化工、制冷行业的工业管道和煤气管道等，多数管道安装环境人不能直接到达或不允许人直接介入，为了进行质量检测和故障诊断，采用传统的全面挖掘法、随机抽样法或SCADA 系统法，工程量大，准确率低，因此需要开发管道机器人来解决这些实际问题。管道机器人是一种可沿管道内部或外部移动，携带一种或多种传感器与操作器，在操作人员的遥控操作或计算机的自动控制下，能够进行一系列管道作业的机电仪一体化系统。管道机器人可完成的作业有生产、安装过程中的管内外质量检测；使用过程中焊

2、缝情况、表面腐蚀、裂缝破损等故障诊断；恶劣环境下管道清扫、喷涂、焊接、内部抛光等维护；对埋地旧管道的修复；管内外器材运送、抢救等其他用途。1绪论 管道机器人在人类社会中已经迅速的漫延开来，这一切都应归公于它自身的特点。因此，国内外都在不断的开发和研制更适合管内行走的管道机器人，并开始走向微型化、智能化，使之性能更宜人化，可控性更好，准确性更高。但是管道机器人由于受到它工作环境的限制和沉重的任务负担，致使它也不断面临着更多，更严重的困难和问题。如何解决？已经成为现代人的责任和发展方向。1.1管道机器人发展概况1.1.1国外管道机器人研究进展国外关于燃气管道机器人的研究始于20世纪40年代，由于7

3、0年代的微电子技术、计算机技术、自动化技术的发展，管道检测机器人技术于90年代初得到了迅猛发展并接近于应用水平。日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期，70年代的实用期，到80年代进入普与提高期，开始在各个领域内广泛推广使用机器人。日本管道机器人众多，东京工业大学航空机械系Shigeo Hirose和Hidetaka Ohno等于1993年开始研究管道机器人，先后研制成功适用于直径50mm管道的Thes-、Thes-型管道机器人和适用于直径150mm管道的Thes-型管道机器人。德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。德国学者Bemhard Klaassen、Hermann Str

4、eich和Frank Kirchner等人在德国教育部的资助下于2000年研制成功了多关节蠕虫式管道机器人系统 MAKRO。1.1.2国内管道机器人研究进展国内管道机器人研究进展国内在管道机器人方面的研究起步较晚，而且多数停留在实验室阶段。哈尔滨工业大学邓宗全教授在国家“863”计划课题“X”射线检测实时成像管道机器人的研制” 的支持下，开展了轮式行走方式的管道机器人研制。上海大学研制了“细小工业管道机器人移动探测器集成系统”。其主要包含20mm内径的垂直排列工业管道中的机器人机构和控制技术(包括螺旋轮移动机构、行星轮移动机构和压电片驱动移动机构等)、机器人管内位置检测技术、涡流检测和视频检测

5、应用技术，在此基础上构成管内自动探测机器人系统。该系统可实现20mm管道内裂纹和缺陷的移动探测。在北京市优秀人才项目的资助下，进行了仿蝎型管道机器人的研究工作。仿蝎管道机器人可以相对较易地跨过比较大的障碍，并且机器人的足所具有的自由度可以使机器人的运动更加灵活，可以在可达到的管面上选择最优支撑点，即使在管面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如，对凹凸不平表面的适应能力更强，机构模型如图1-1所示。 图1-1仿蝎管道机器人机构模型1.2典型的管道机器人1） 蠕动式管道机器人1988年，Ikuta等引用蚯蚓运动的原理开发出了蠕动机器人，后来随着蠕动机器人技术的不断完善，其开始

6、向大型化发展，目前已可在200300 mm的管道内应用。蠕动式管道机器人主要由蠕动部分、头部、尾部组成，如图1-2所示，1头部，2蠕动部分，3尾部。前部和尾部支撑分别装有超越离合锁死装置，实现单向运动自锁。中间蠕动部分提供机器人运动的动力。对于蠕动动力机构，目前有很多实现形式：如上海大学利用气压伸缩驱动；上海交通大学利用形状记忆合金伸缩驱动；昆明理工大学利用电磁吸合驱动如图1-3，1磁铁，2弹簧，3线圈等。下面以电磁驱动的蠕动式管道机器人为例，分析蠕动式管道机器人的运动机理。蠕动式管道机器人的运动原理如图1-4所示，1头部，2蠕动部分，3尾部，一个动作循环分为3个步骤：(1)当初始状态时，电磁

7、铁失电，弹簧处于自由状态，故头部与尾部分离；(2)当电磁铁通电时，磁铁与线圈吸合，安装在头部上的超越单向行走方式使头部原位不动，尾部由于电磁吸力的作用向前移动；(3)断开电源，电磁力作用消失，弹簧促使磁铁与线圈分开，安装在尾部上的超越单向行走方式使尾部原位不动，头部由于弹簧力的作用向前移动。至此，机器人回到了初始状态，机器人前进了一步。蠕动机器人优点是可在细小的微型管道中行走。但由于速度的间断性和缓慢性阻碍了它的发展。 图1-2 蠕动式机器人总体结构图图1-3 蠕动驱动电磁铁图 图1-4 蠕动机器人运动原理图2） 轮式管道机器人目前，轮式管道机器人是实际工程中应用最多的一种。轮式管内移动机器人

8、行走的基本原理是驱动轮靠弹簧力、液压、气动力，磁性力等压紧在管道内壁上以支承机器人本体并产生一定的正压力，由驱动轮与管壁之间的附着力产生机器人前后行走的驱动力，以实现机器人的移动。轮式管道机器人的行走方式有2种：直进式和螺旋运动方式。3） 无缆管道机器人20世纪50年代，由于电子技术，计算机技术等还很落后，美、德、日等国开发了无动力管内检测设备。此种设备依靠首尾两端管内流体的压力差产生驱动力，随管内流体的流动向前移动。这就是所说的无缆管道机器人。随着科学技术的进步，此类机器人也有了很大发展。1.3所需解决的关键技术问题1） 能源供给问题2） 可靠性问题3） 速度与位置识别4） 管道机器人的越障

9、能力5） 高度自治的控制系统1.4 管道X射线探伤技术最新进展在五大常规无损检测方法中，射线检测和超声检测是比较可靠和有效的管道焊缝检测方法。射线检测对管道焊缝中的气孔、夹渣、疏松等体积型缺陷的检测灵敏度较高，对平面缺陷的检测灵敏度较低，如当射线方向与平面缺陷（如裂纹）垂直时就很难检测出来，只有当裂纹与射线方向平行时才能对其进行有效的检测。对此，为了弥补X射线探伤的一些缺陷，大量的研究对其进行了分析和优化。1.4.1 X射线照相检测技术目前，工程中应用的管道对接焊缝无损检测方法都是基于X射线检测技术的，如外部透照法，采用定向X射线源从管道外侧透照，在管道另一侧的胶片上感光成像，每道环形焊缝的检

10、测需转换多次X射线源的投照角度。应用于小管径管道对焊缝的无损探伤，该方法存在双层壁投影而导致评片困难的特点。而又如内部透照法，智能移动载体携带周向X射线源进入管道，将X射线源焦点对准于管道环状焊缝处，如图1-9所示。该机器人采用CCD实现精确定位。图1-9 管道射线检测机器1.4.2 X射线实时成像检测技术X射线实时成像检测技术主要有两大类：一种是基于X射线图像增强器的实时成像技术的，另一种是X射线数字实时成像检测技术。基于X射线图像增强器的实时成像技术如图1-10所示，1X射线源，2被检测件，3图像增强器，4图像采集卡，5计算机，被检测件的X射线图像经图像增强器成像后，由图像采集系统采集并传

11、输到计算机中。图1-10 基于图像增强器的X射线实时面像检测系统一种是X射线数字实时成像检测技术，如图1-11所示，1X射线源，2被检测件，3计算机，4CMOS数字成像板，亦称为X射线数字照相。被检测件的X射线图像经由CMOS数字成像后，直接转化为数字信号并传输到计算机中。图1-11 X射线数字照相检测系统图像增强器诞生于20世纪50年代初，经过几十年的发展，主要是改进图像增强器输入屏材料以提高亮度。现在图像增强器的亮度增益提高了10几倍，亮度增益高达10000以上，输出屏上的图像亮度可达0.3x103cd/m2。尽管如比，随着CMOS技术的不断完善，X射线数字照相是X射线实时成像检测技术最终

12、发展目标，也必将在我国得到应用。比较两种X射线实时成像检测技术，基于X射线图像增强器的实时成像技术，就目前技术水平而言，比X射线数字实时成像检测技术更具有工程意义，并且，其成像质量与胶片照相底片相当甚至更好。1.5本次设计的主要研究内容和研究意义本设计是针对中型管道安全检测探伤的实现而提出的，并结合当今机器人的发展趋势，利用现代先进科学技术，对管内X射线无损检测机器人的机械结构进行设计和优化，充分利用现代视觉传感器和人工智能方面的优势，对机器人的智能化做一些有意义的研究工作。其目的是通过对管道X射线无损检测探伤机器人设计，与相关技术的查阅和应用，能够研制一台具有良好的弯道通过能力、视觉定位能力

13、并能适应较长距离检测作业的实用样机。本论文主要设计内置动力的履带式管内X射线无损检测机器人的机械结构。其主要内容为：1)通过查阅资料，了解管内机器人常用机构和先进技术，融合自己的知识，对内置动力源的管内X射线无损检测机器人总体设计提出方案和实现办法；并阐述机器人的结构、特点、工作原理；2)通过利用最优化设计和机械手册，并结合一些相似结构，对设计的机器人的总体结构进行分析和优化，让机体内耗减到最小，包括机构之间的摩擦，自身的重量，而有效的加强履带与管壁之间的接触面积，加大摩擦力，提高本体的牵引力和推动力；3)通过利用三维软件，将管道内检测机器人各机构进行建模，同时进行各部分的装配，目地是调整各配

14、合部分、连接部分之间的配合尺寸，使各机构能够相互协调运动，使整个机体能够协调平稳的工作。其主要目标设计管内X射线无损检测机器人调整机构和驱动机构。2管内X射线检测机器人方案的确定管道机器人通常是由驱动器、移动机构、转向机构和工作装置等几部分组成。其中驱动机械和移动方式有较大程度上决定了机器人的整个机械结构。管道机器人的移动方式可以分为轮式、履带式、足式、蠕动式、螺旋式和流体推动式等，各自有各自的优缺点。2.1 管道机器人的驱动方式2.1.1 管道机器人的驱动方式由于管道机器人是在管道限定的环境里运行，尤其是在有弯曲的管道里运行，一方面，机器人在弯管(包括垂直管道)行走中要有足够的摩擦力来克服重

15、力的影响，另一方面需要提供足够大的驱动力来克服各种阻力。驱动器的选择在很大程度上决定了管道机器人的体积、重量和性能指标。现在使用的驱动方式主要有：（1）电磁驱动。最常用的是微电机，微电机又分为有刷直流电机、无刷直流电机、步进电机和舵机等。（2）压电驱动。压电材料是一种受力即产生应变，在其表面出现与外力成比例电荷的材料，又称压电陶瓷。（3）形状记忆合金。形状记忆合金是一种特殊的合金，其形状记忆效应产生的主要原因是相变，其相变是由可逆的热弹性马氏体的相变产生，一旦使他记忆了任意形状，当加热到某一适当的温度时，则恢复为变形前的形状。（4）超声波驱动是利用超声波振动作为驱动力，即由振动部分和移动部分组

16、成，靠振动部分和移动部分之间的摩擦力来驱动的一种驱动器，它具有结构简单、体积小、响应快、力矩大，不需要减速就可以低速运行，常用于照相机快门的动作等。超声波驱动由三种驱动方式：振动方向变换型、行进波型和复合振动型，这两种驱动方式一般应用在微机器人上。（5）气动驱动。利用压缩空气驱动气动马达或气缸运动，适合潮湿恶劣的环境，不需要电源，但运动精度比较低。（6）人工肌肉是一种新型的气动橡胶驱动器（仿生物肌肉驱动），结构是由内部橡胶筒套与外部纤维编织网构成，当对橡胶筒套充气时，橡胶筒套因弹性变形压迫外部编织网，由于编织网刚度很大，限制其只能径向变形，直径变大，长度缩短。如图2-1所示，1橡胶筒套，2纤维

17、层，3螺丝口部，其缺点是：（1）气动人工肌肉与传统气动执行元件相比行程小；（2）气动人工肌肉的变形为非线性环节，具有时变性，使准确控制其位移十分困难；（3）在工作过程中，气动人工肌肉自身温度会发生变化，随着温度的变化，其性能也会改变，这给高精度控制带来困难。图2-1 人工肌肉结构简图2.1.2驱动方式的选择本设计的管道机器人选用电磁驱动的驱动方式，采用微型直流电动机进行驱动，选用充电电池作为电源，即可避免机器人拖缆线，减轻机器人的重量，减轻机器人在管道内部运动的阻力。2.1.3 驱动电机的选择步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取

18、决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。本机构两个履带足由独立的步进电机驱动，目的是为了简化传动机构，使机构更加紧凑。设机器人直线行走阻力、爬坡阻力和拖线阻力分别为F1、F2、F3。本设计研究的管道机器人主要应用于硬质管道环境，直线行走时的地面变形阻力和外部行驶阻力可以忽略不计，故直线行走阻力只考虑履带装置运行内阻力。履带机构驱动力主要表现为履带与地面之间的摩擦力，即附着力。履带装置运行内阻力是由同步带和带轮，传动齿轮之间的摩擦阻力形成，一般可用以下经验公式计算：F1=kGg (2-1

19、)式中： k内阻力系数； G机器人重； g重力加速度；内阻力系数可取0.03-0.07，考虑到本机构的实际情况，取0.06。设机器人机重G=15kg，则直线行走阻力：F1=9N。 其爬坡阻力为： （2-2）式中：G机器人重机器人爬坡坡度 则 F=73.5N设爬坡坡度为30，线缆重8kg，线长25m，与地面问摩擦系数0.4，则拖动一整根电缆所需要的拖线力F为31.4N。则机器人的总阻力为： =F+F+F （2-3）式中： F行走阻力 F爬坡阻力 F拖线所需的力则 F0=113.9N每只履带上的阻力F为：F=57N。 （2-4）履带足电机输出功率：P= （2-5）式中：T每支履带所受阻力钜n电机输

20、出转速设带轮节径d=40mm，则每只履带所受阻力矩T为1.14Nm。假设机器人行进速度为6m/min，则电机输出转速n=48rpm。则 P=5.8（KW）=5.8（W）考虑到管内可能碰到比较恶劣的情况，而且为越障预留一些功率，以使其在拖线30m的情况下仍然可以比较轻松的攀爬障碍，取足够的安全系数，确定步进电机的步距角，静力矩和电流，并考虑电机的性价比和安装尺寸，选取适当的步进电机。2.2管道机器人的移动方式2.2.1机器人移动方式管道机器人的移动方式可以分为轮式、履带式、足式、蠕动式和螺旋式等（如图2-2）。A为轮式 ，B为履带式 ，C为足式， D为螺旋式，E为张紧式， F为流体推动式 ，G为

21、蠕动式。图2-2 管道机器人的移动方式轮式机器人以其运动的连续性、平稳性和车辆技术的成熟性而广为应用。然而对于轮式也还有限制：轮式越障碍能力比较差，牵引力相对履带式要小；在不平整地面环境下，运动不平稳，易倾斜；微型化比较难。履带式机器人具有牵引力大，抓地性好，适应地面环境能力强的特点，同等条件下，可以跨越的障碍是所有驱动方式中最大的。足式是一种模仿昆虫结构功能的移动方式，地形适应能力强，能越过较大的壕沟和台阶，其缺点是速度和效率低，转向比较困难，控制系统复杂。如图2-3所示，1三叉支架，2三叉支架二。螺旋式机器人是利用旋转摩擦管壁产生推力。适合在管径很小的管道中运动，缺点是效率低，推力比较小。

22、张紧式移动机构主要是适合在垂直管道或大坡度管道中运动，它通过可变形的机构始终张紧管壁，保持与管壁的紧配合。一般与其他移动方式（如轮式和履带式）结合使用，缺点是不能适合L型等没有圆弧过渡的弯道，适应得管道直径范围比较小。如图2-4所示，（适合直径85-105mm）。 图2-3 微型六足机器人 图2-4 Sungkyunwan University 的管道机器人 蠕动式机器人是依靠柔性形体的变形产生移动，具有较大的吸引力，运用的驱动元件不同，但蠕动原理大致相同，对于不同的蠕动机理，蠕动规律与控制尚需深入研究，缺点是转向困难，速度和效率低，牵引力小。2.2.2移动方式的选择由于管道内避的情况复杂，会

23、有许多突起的障碍，管壁的环境也可能较泥泞，行走条件苛刻，因此选择履带式为管道机器人的移动方式。本设计的履带式机器人具有以下特点：1）履带式移动机器人支撑面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能好；越野机动性能好，爬坡，越沟等性能均优于轮式移动机器人。2）履带式移动机器人转向半径极小，可以实现原地转向，其转向原理是靠两条履带之间的速度差即一侧履带减速或刹死而另一侧履带保持较高的速度来实现转向。3）履带支撑面上有履齿，不易打滑牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。4）履带式移动机器人具有良好的自复位和越障能力，带有履带臂的机器人可以像腿式机器人一样实现行走。2

24、.3本设计的内容与注意的几个问题本设计是利用X射线来完成对于油气管道的检测，其主要方面是对于管道机器人行走机构的设计。通过查阅相关资料和自身对知识的掌握，能够研制一台具有良好的弯道通过能力、越障碍能力、视觉定位能力并能适应较长距离检测与不同管径范围内作业的实用样机。 在设计管道机器人时需要重点考虑的几个关键性问题是：1）移动机构的设计问题。2）驱动方式的选择问题。3）信号、电力的传输和供给方式问题。4）控制系统和传感器的设置问题。24本设计的管道射线探伤机器人的整体结构经过文献查阅比较，履带式行走机构优于其它机构：首先，履带与管壁之间的接触面积比较大，这样可以在之间产生较大的摩擦力，防止打滑，

25、减小无用功，提高效率，在越障碍能力上，履带式有很大优势。机器人在行走过程中，受到行走阻力、转弯阻力、爬坡阻力以与拖线阻力的作用，另外，越障因为过程复杂，其所受阻力不易详细估计，因此驱动器必须要产生足够的扭矩，所以驱动器的选择也是至关重要的，在很大程度上决定了管道机器人的体积、重量和性能指标，本设计选择步进电机为驱动方式。机器人的驱动机构与支架之间也是可以相对转动的，通过丝杆套的调整和驱动机构同支架之间角度的调整，可以改变机器的高度，使之适应一些特殊的管道，如形状较矮的管道等。如图2-5所示，为本课题的结构原理图。图2-5 机器人的整体结构原理图3履带式管道机器人的机构设计3.1管道机器人设计思

26、想如图3-1所示，机器人每条摆腿都通过腿部关节与机器人本体相连。通过手动调节两侧摆腿的张开角度，使管道机器人实现柔性适应不同直径圆管的功能，保证了履带足与圆管管壁充分接触，使机器人在运行中牵引力和稳定性都得以保证。图3-1 管道机器人移动机构示意图图3-2所示为机器人不同管径时调整摆腿角度的示意图，通过手动调节移动本体的摆腿机构，调节履带足底面与管壁接触位置，保持机器人履带在圆管中接触状态良好，使机器人足够的附着力和牵引力。由图3-1可见当管径发生变化时机器人通过改变摆腿的角度，调整到履带足平面与管壁充分接触的状态。图3-2 管道机器人适应管径示意图其次，机器人履带足部关节可以调节，使机器人整

27、体高度降低，从而可以进入更矮小的管道，完成相应的作业，增强了机器人的适应性。机器人调整高度过程如图3-3所示。图3-3 管道机器人高度调整示意图3.2适应管径功能对于圆形管径变化的情况，一般同一输油管道中，管道的尺寸较统一，突然变径的情况较少见，同时考虑到研发的成本和管道实际情况， 本设计提出的管道机器人移动机构具有可调整适应管径功能，以解决不同管径环境下，履带与管壁接触不良的难题，如图3-4所示，其基本原理是，事先根据管道的实际情况，调节长螺栓使得机器人的两个摆腿作横向摆动而张开，再调节履带足和摆腿的连接关节，确保履带足的履带面与管壁保持充分接触，以提供履带机器人行走时必要的摩擦力。图3-4

28、 管道机器人管径调整示意图如图3-4所示，设机器人机体宽度b，腿长a，履带足关节距履带底面x，履带足关节距履带足中心线p，两侧摆腿角度均为0。一般来说履带宽度远小于管道半径，所以可以近似的认为圆心O到履带足中心线底部O1的连线为管道半径。履带足装置置于摆腿之外时，可视为一个宽度为B，摆腿长度为A的等效机构，如图3-5所示。可以根据几何关系算得：B=b+ （3-1） A=a+x-ptan （3-2）则相应的管径为： R=+a+x-ptan （3-3）该式可以在做结构设计时选用尺寸参数，也可用于确定机器人的适用管道范围。图3-5 管道机器人简化机构图图3-6 管道机器人受力分析图如图3-6所示为管

29、道机器人在圆形管道内的受力分析，图中G为机器人机重，N为管壁对机器人履带的支撑反力。根据力平衡关系易得管道壁面对履带的正压力N与摆腿摆角的关系为：N= （3-4）随着摆角的增大，管道壁面对履带的正压力N也随之增大，当摆角为90时，N将为无穷大。因此机构设计时限定摆角不超过60，并由此确定机器人能进入的最小管道直径。3.3高度调整功能将机器人两腿向两侧对称摆开，再调整机器人履带足的相对位置，即可降低机器人的整体高度，如图3-7所示。图3-7 管道机器人高度调整示意图设机器人机体宽为b，腿长为a，机器人摆腿角度为，履带足部关节到地面距离为x，尺寸如图3-8所示。图3-8 管道机器人高度调整尺寸示意

30、图设机器人原始高度为H，调整后高度为h，则 H=a+x （3-5） h=acos+x （3-6）高度差h为： h=H-h=a（1-cos） （3-7）此时机器人两侧履带宽度变为b+2asin，因此当机器人高度降低后，弯管的通过性会发生变化，对于进入扁平管道的机器人要注意管道宽度是否满足要求。3.4车载传感器红外摄像机：日/夜两用,在正常光线下和普通摄像机一样工作;在无光线情况下红外灯自动打开,摄像机进入夜色视状态。气体传感器：一氧化碳、二氧化碳、氮气、甲烷等四种传感器，需要时可增加气体传感器种类。测距传感器：测距传感器采用红外测距传感器，分别安装在机器人的两侧和最前端，分别测出机器人到两侧管道

31、或障碍的距离和到正前方管道或障碍的距离。机器人倾斜传感器：当机器人在XOY、YOZ平面倾斜时，机器人倾斜传感器就可以检测出两个方面的倾斜角，分别是管道轴线的水平面和管道轴线垂直面，机器人倾斜传感器采用数字式倾斜计，安装在机器人的中央主箱体内，用于测量机器人管道截面上与垂直线的夹角。电机编码器：测量电机转动角度值。3.5摆腿设计图3-9 管道机器人摆腿设计示意图在机器人移动机构中，摆腿的作用是不容忽视的。摆腿有两个关节，一个是与机体连接处，一个是与履带足连接处，分别实现适应管径和调整高度的作用。如图3-9所示，由于自适应管径是自主适应，而进入扁平管道是需要手工调节的，故关节l，关节2为手动调节。

32、关节1的设计应该遵循机械传动的基本规则和原理，关节2在设计时应考虑到手工操作的方便性以与调整以后结构的自锁性。3.6履带的越障碍分析履带行走装置的越野通过性是指在不用任何辅助装置而能克服各种天然和人工障碍的能力，履带的通过性主要取决于履带本身的性能参数和几何参数。履带通过性的评价性能主要由跨越壕沟和克服垂直壁。对于不同结构形式的履带行走装置，它们的越障碍性能也不同。一般来说双节式要比单节式具有更好的越障碍性能，针对本课题的管道机器人，对单节式的进行分析。3.6.1跨越壕沟能力1）跨越水平壕沟履带通过壕沟的宽度与履带的接地长度，重心位置有关。克服壕沟可以用静力法（即履带缓慢行驶）和动力法（履带高

33、速行驶或利用动能来克服）。壕沟的静力克服受履带稳定性丧失的限制。稳定性的丧失是在履带的重力作用线超出负重面的界限的情况下发生。如果重力作用线是在车首和对面壕壁之前超出负重面的，那么履带行走装置的前部就落入壕沟中。如果重力作用线还未到达对面的壕壁，而履带行走装置的尾部已经和第一壁脱离，那么履带行走装置的尾部就落入壕内。所以用静力法克服壕沟的可能性决定于履带行走装置两端支撑点和履带重心在行驶平面上的投影间的距离。3-11履带行走装置以静力法通过壕沟如图3-11所示，如果要克服宽为B=b。且ab的壕沟时，当履带行走装置尾部已失去壕沟后缘的支撑时，履带行走装置中心尚未靠近壕沟之前缘，于是履带行走装置尾

34、端就落入壕沟中。为了能克服较宽的壕沟，在设计履带行走装置时应尽量使其中心布置在履带接地段中心处。用动力法克服壕沟就是以较高的速度驶过壕沟，这样可以增加越壕的宽度。在履带高速通过壕沟时，当第一负重轮脱离支撑面后，车体便开始向沟底下倾。显然，如果履带的行驶速度越高，在同一距离内，履带车体前部向沟底下落的程度便越小。应用动力法克服壕沟两边缘的相互位置和形状有很大的关系，如果壕沟的前边缘比后边缘高则难以克服，反之则较容易克服。如果后边缘成下坡的斜面，则不易通过。如果上坡状斜面，则较易克服。3-12壕沟边缘呈坡状时越壕2）跨越坡度壕沟现在只研究静力克服法。上坡克服壕沟的第一阶段（即履带前端跨过壕沟时）与克服水平地面上的壕沟比起来，车辆中心是不容易超过后边缘的。因此就第一阶段来说，履带能够克服的壕宽为A=a+htg （3-8）式中 上坡坡度角；h履带行走装置重心高度；可是在第二阶段，履带行走装置尾端跨过壕沟时，履带行走装置可以克服的壕宽将减少为：A=a-htg （3-9）所以，履带在上坡时克服壕宽较在水平地面上要小。反之，履带在下坡时第一阶段能克服的壕宽较平地时要减小。图3-13跨越有坡度的壕沟