朱永梅, 孫小艷, 張 超

(江蘇科技大學 機械工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

微型管道作為一種特殊的運輸工具無論是在日常生活還是生產(chǎn)中都得到廣泛地應用,然而受管道使用可靠性以及管道壽命等因素的影響,管道事故變得越來越常見.基于此，微型管道機器人應運而生.目前,現(xiàn)有的微型管道機器人形式各式各樣,按其行走方式可以分為:輪式(包括直進輪式和螺旋輪式)、足式、履帶式、張緊式以及蠕動式[1-4]等.

國內外關于微型管道機器人都有相關研究,例如,文獻[5]根據(jù)蚯蚓生物學的運動機理研制了結構簡單的微小管道機器人,該機器人采用步進電機驅動,控制簡單;文獻[6]設計了一種無纜管道機器人,該機器人由發(fā)電部分、支撐輪組件和導向機構三大部分組成,采用高速51單片機AT89S52配合可編程器件(CPLD)EPM7128來進行控制,但此機器人僅限于進行遠距離的運行作業(yè);文獻[7]設計了蠕動式的微小管道機器人,機器人由微型的直流電動機和微型行星齒輪減速器組合驅動,總體上實現(xiàn)了微型化(φ13 mm×200 mm),但設計的支撐結構不夠靈活,控制性能較差;文獻[8-9]研制了一種仿尺蠖微小管道機器人,機器人的移動速度隨氣壓值和管道直徑的增大而增大,在直徑為16 mm的管道內通入氣體的氣壓為2.0 Pa時其速度最大可達50 mm/s.盡管國內外關于微型管道機器人都有一些研究,但是微型管道機器人的設計研究尚未走向成熟,還存在各自的缺陷,并不能適應一定范圍或類型的管道.因而,進一步對微型管道機器人進行研究開發(fā)勢在必行.文中設計了一種微型步進電機驅動的蠕動-張緊式微型管道機器人,綜合了蠕動和張緊這兩種機器人的優(yōu)良性能,能夠平穩(wěn)的運行于管徑范圍為25～40 mm的管道.

1 微型管道機器人總體方案設計

根據(jù)具體的設計參數(shù)以及實現(xiàn)機器人在復雜管道內行走等設計要求,設計的微型管道機器人主要由三部分組成:前箝位(張緊)機構、后箝位機構以及連續(xù)蠕動驅動體(圖1).

前后箝位機構為對稱機構,主要有步進電動機、絲杠螺母、3個對稱分布的張緊輪、越障彈簧以及由連桿組成的呈120o分布的支撐腿,整體呈傘狀結構.該部分能夠滿足微型管道機器人實現(xiàn)基本行走的條件,即形封閉和力封閉(輪腿實現(xiàn)了與管壁的3點支撐),同時它還能實現(xiàn)越障以及適應一定管徑變化等功能.

圖1 微型管道機器人方案Fig.1 Micro in-pipe robot sheme figure

中間部分為連續(xù)蠕動驅動體,該蠕動機構與以往的機械蠕動機構不同.以往所設計的蠕動機構一般為電機帶動絲杠螺母分步實現(xiàn)前后箝位機構的前進和后退,蠕動進度異常緩慢.該微型管道機器人的蠕動機構能夠實現(xiàn)連續(xù)驅動,提高了機器人的運行效率.十字換向節(jié)的使用保證了機器人能夠順利地通過彎道,大大提高了機器人的適應能力.

微型管道機器人的運動原理為:前后箝位機構在步進電機帶動絲杠螺母的作用下使得各自的3條支撐腿張緊,從而保證3個對稱分布的輪子與管壁有一定的附著力,待前后箝位機構張緊后(即與管壁產(chǎn)生約束作用),中間部分的蠕動驅動體開始工作，帶動機器人整體連續(xù)向前或向后行走.

2 微型管道機器人結構設計

2.1 蠕動驅動體的設計

為保證機器人有一定的牽引力和運行速度,設計了兩種蠕動移動機構.第1種機構(圖2a))為利用彈簧力作用的力鎖合凸輪結構,同時利用了平底凸輪機構受力好、潤滑好并且傳動速度大等優(yōu)點；第2種機構(圖2b)為形鎖合的簡單等寬凸輪結構,該機構貫穿了以簡單、設計方便的結構來實現(xiàn)復雜運動的總體設計思想.凸輪結構簡單、緊湊、設計方便,而且只要設計合理適當?shù)耐馆嗇喞€,便能夠獲得需要的從動件運動規(guī)律.所以以上兩種機構都能夠保證機器人實現(xiàn)一定規(guī)律的運動,并且實現(xiàn)機器人總體結構的簡單化和緊湊化.

a) 基于力鎖合凸輪的蠕動體結構

b) 基于形鎖合凸輪的蠕動體結構

2.2 力鎖合凸輪結構的設計

1)推桿運動規(guī)律的選擇

多項式函數(shù)具有連續(xù)性,且其導數(shù)仍為多項式,因而采用多項式運動規(guī)律,容易獲得高階連續(xù)性,所以從動件采用多項式運動規(guī)律來設計凸輪的結構.根據(jù)初始條件得到推桿的運動規(guī)律為:

根據(jù)上式得到推桿的運動規(guī)律曲線如圖3.

a) 無量次化運動規(guī)律曲線

b) 運動規(guī)律曲線

為清晰地分析該種運動規(guī)律的性能,繪制其SVAJ曲線(圖4).

a) 位移曲線

b) 速度曲線

c) 加速度曲線

d) 躍度曲線

2) 凸輪輪廓線的設計

凸輪輪廓線的設計采用ADAMS/VIEW提供的應用相對軌跡曲線生成實體的方法來進行.先采用30×30×3的板來代替凸輪,并在代凸輪上施加一旋轉副,在推桿上定義一滑移副.為得到凸輪輪廓曲線,分別在滑移副和旋轉副上施加如圖5所示的驅動,并定義相應的函數(shù).

在進行一次運行仿真后,通過Creat Trace Spline菜單項得到凸輪的輪廓曲線如圖5b).

以上即為力鎖合凸輪機構的設計.形鎖合凸輪機構的設計大同小異,但是形鎖合凸輪在運作過程中存在橫越?jīng)_擊現(xiàn)象,會增大振動,影響定位精度,又偏心輪在作業(yè)過程中會有很大的甩動,影響機器人的運動穩(wěn)定性,同時形鎖合顧名思義,其驅動性能會受到其幾何形狀的影響,不利于機器人的微小化,所以這里采用第1種機構也就是力鎖合機構來作為驅動.

a) 驅動函數(shù)的定義

b) 凸輪輪廓線

2.3 箝位機構的設計

箝位機構的結構原理圖如6,為使微型管道機器人實現(xiàn)在封閉狹窄空間里靈活可靠行走,該部分的設計應滿足以下設計要求:①滿足尺寸限制的要求;②靈活可靠的啟停;③能夠越過一定的障礙;④具有一定的穩(wěn)定性.

根據(jù)管徑要求為25～40 mm,來設計3條支撐輪腿的尺寸為:a=c=8 mm,b=5 mm,r=3 mm.同時為滿足尺寸限制的要求,該部分所設計的步進電機、螺母以及滑塊的尺寸也不能夠太大.

為使管道機器人穩(wěn)定行走,設計呈120°分布的3條支撐腿,即保證了微型管道機器人與管壁之間實現(xiàn)了3點支撐.由于受步進電機步距角以及細分等因素的影響,管道機器人徑向的調節(jié)精度并不是很高,如當機器人遇到小的障礙時,僅僅在絲杠螺母的調節(jié)下不能保證輪腳與管壁的有效張緊,這時設計了越障彈簧,從而實現(xiàn)微型管道機器人的有效越障和平穩(wěn)運行.

圖6 箝位機構原理Fig.6 Ground-clamp institution principle diagram

3 動力學分析及虛擬樣機仿真

3.1 動力學建模

微型管道機器人系統(tǒng)可以分為3個子系統(tǒng),下面對其主要作用的蠕動驅動子系統(tǒng)進行動力學分析,對系統(tǒng)進行構件質量集中化處理,得到動力學模型(圖7).其中:k為彈簧的剛度系數(shù),k0為凸輪與推桿的接觸剛度,k1為推桿的拉伸剛度,k2為推桿與機架的接觸剛度,m11,m12為推桿等效質量,m11+m12=m1為推桿的質量,m2為機架質量,S為凸輪對推桿產(chǎn)生的理論位移.

圖7 蠕動驅動子系統(tǒng)的動力學模型Fig.7 Peristalsis subsystem dynamic model

圖8 等效單自由度動力學模型Fig.8 Equivalent single-degree-of-fredom dynamic model

根據(jù)模型建立動力學方程

3.2 虛擬樣機仿真

3.2.1 幾何建模

在進行運動分析計算之前,首先利用UG對微型管道機器人進行三維建模以及裝配,最終得到如圖9所示的三維模型.

圖9 機器人三維模型Fig.9 Robot 3D model

將UG建立的prt文件導出為.x-t類型文件,即parasolid實體模型,然后將其導入ADAMS進行總體的運動學及動力學分析.

3.2.2 編輯構件

對于從三維軟件導入ADAMS的幾何模型,需要編輯構件的屬性和構成構件元素的屬性,如顏色、位置、名稱和材料屬性等.尤其是材料屬性,否則在計算仿真的過程就會出現(xiàn)錯誤的信息.這里定義中間架,凸輪以及推桿為耐磨質量較輕的硅鋁合金,由于其不屬于ADAMS的標準材料庫,需要自定義其彈性模量為6.89E+004、泊松比為0.33、密度為2.8E-006,同理定義6個輪子為橡膠材料(彈性模量為7.8,泊松比為0.47,密度為9.3E-007),其它的均定義為標準材料庫中的剛材料.同時修改模型的外觀以及名稱最終得到管道機器人在ADAMS環(huán)境中的姿態(tài)(圖10).

圖10 機器人的虛擬樣機設計Fig.10 Robot virtual prototype design

3.2.3 約束建模

為模擬系統(tǒng)的真實運動情況,根據(jù)實際情況抽象出相應的滑移副、螺旋副、旋轉副等運動副，同時為使系統(tǒng)運動起來在運動副上添加了驅動和載荷,以及在構件間施加了載荷.對微型管道機器人系統(tǒng)添加了11個滑移副,9個旋轉福,2個螺旋副;施加了3個旋轉電機驅動,4對接觸載荷以及2個彈簧來進行虛擬樣機仿真.

3.2.4 結果分析

經(jīng)過仿真分析計算,得到如圖11的結果.

圖11 運動學分析曲線Fig.11 Kinematics analysis cure

圖中曲線1代表電機轉速為1 200 r/m時微型管道機器人運動仿真結果,微型管道機器人的速度最大可以達到27.2 mm·s-1.通過仿真分析可以看出最后機器人整體的運動規(guī)律基本上接近多項式運動規(guī)律,即避免了剛性沖擊和柔性沖擊,實現(xiàn)了機器人的穩(wěn)定可靠行走.曲線2為電機轉速為900 r/m時的運動仿真結果,明顯在該驅動下其速度要小的多,整體運動性能不如在高速驅動下的好.通過在兩種初始條件下的仿真以及對最后仿真結果的分析,機器人在個別運動周期內(如曲線1的0.4～0.5 s時間周期)會出現(xiàn)微小的速度波動,這將導致運動副中動壓力的增加,降低機械的壽命、工作質量和效率.所以為提高其運動性能,有必要對其進行提高和優(yōu)化.

4 結論

通過對國內外相關文獻的研究,綜合分析現(xiàn)有微型管道機器人的研究現(xiàn)狀,文中設計了一種新型的結構簡單的蠕動-張緊式微型管道機器人.首先,確定了機器人的總體方案,主要由3個部分組成,并對其主要的結構進行了設計,尤其是起重要作用的凸輪部分的設計,為獲得良好的運動性能采用了多次多項式運動規(guī)律;最后,對機器人進行了動力學分析和虛擬樣機仿真,驗證了其運動可行性.最終設計的管道機器人能夠運行于管徑為25～40 mm,曲率半徑小于115 mm的管道內,最大速度可達到27.2 mm/s.

[1] 徐從啟,解旭輝,戴一帆,等.微小管道機器人適應不同管徑的3種調節(jié)機構的力學分析[J].機械科學與技術,2008,27(10):1145-1148.

Xu Congqi,Xie Xuhui,Dai Yifan,et al.Dynamic analysis of three regulating mechanisms for a micr in-pipe robot adaptable to different pipe diameters[J].MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceEngineering, 2008,27(10):1145-1148. (in Chinese)

[2] 官長斌,陳娟.一種新型蠕動式管道機器人結構設計[C]//第五屆全國流體傳動與控制學術會議論文集.2008,10:398-402.

[3] Zhao Yuxia,He Guangping,Gao Dewen,et al.Micro in-pipe robot mechanical structure design of shape memory alloy driving[C]//Proceedingsofthe2009IEEEIternationalConferfenceonRoboticsandBiomimetics.USA：IEEE，2009:360-365.

[4] 李偉,于連國,王妍瑋. ADAMS在虛擬樣機仿真分析中的應用[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2010,23(3):96-97.

Li Wei, Yu Lianguo,Wang Yanwei. New box-type dryer design based on ADAMS[J].Development&InnovationofMachinery&ElectricalProducts, 2010,23(3):96-97. (in Chinese)

[5] 左建勇,顏國正.用于腸道檢查的微小型蠕動機器人[J].上海交通大學學報,2004,38(8):1310-1313.

Zuo Jianyong, Yan Guozheng. A miniature creeping robot for intestinal inspection[J].JournalofShanghaiJiaotongUniversity,2004,38(8):1310-1313.(in Chinese)

[6] 黃明偉.新型無纜管道機器人的初探[D].廣東廣州：廣東工業(yè)大學,2006：12-13,23-24.

[7] 王宏剛.微小管道機器人結構設計及動力學分析[D].長沙：國防科技大學,2007：46-47.

[8] Jinwan Lim,Hyunjun Park,Sunmoo Moon,et al.Pneumatic robot based on inchworm motion for small diameter pipe inspection[C]∥Proceedingsofthe2007IEEEInternationalConferenceonRoboticsandBiominmetica.USA:IEEE,2007:330-335.

[9] Jinwan Lim,Hyunjun Park,Jaemin An,et al.One pneumatic line based inchworm-like micro robot for half-inch pipe inspection[J].Mechatronics,2008,18:315-322.

[10] Yuichi Nakazato,Yukihiro Sonobe,Shigeki Toyama,et al.Development of an in-pipe micro mobile robot using periatalsis motion[J].JournalofMechanicalScienceandTechnology,2010,24:51-54.