周志鵬，代小林，張彬彬，姚善建，文禮強(qiáng)

(電子科技大學(xué)，四川 成都 611731)

0 引言

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，管道輸送因其便捷性、經(jīng)濟(jì)性在日常生活中占據(jù)重要地位，各種地下管道、空中管道以及建筑物內(nèi)的通風(fēng)、制冷、燃?xì)夤艿赖葢?yīng)用越來越廣泛。保障這些管道系統(tǒng)的安全性和有效性也就至關(guān)重要。但隨著使用年限的增加，管道不可避免的出現(xiàn)老化、腐蝕、裂縫，或因一些外界因素的破壞，如不及時(shí)處理會(huì)造成財(cái)產(chǎn)損失以及環(huán)境污染。因此，定期對(duì)管道進(jìn)行探查和維修是非常必要的。然而，管道所處環(huán)境往往是人力所限或人手所不及的，檢修難度大［1］，所以管道機(jī)器人便成為了一種有效的檢測工具。

國內(nèi)外均對(duì)管道機(jī)器人開展了相關(guān)研究，日本HIROSE 等［2］開發(fā)的Thes 系列輪式管道機(jī)器人，韓國CHOI等［3］研制的多關(guān)節(jié)管道機(jī)器人，國內(nèi)有哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全等［4］研制的六輪驅(qū)動(dòng)式管道機(jī)器人。

目前所研制的管道機(jī)器人按驅(qū)動(dòng)方式的不同可分為介質(zhì)壓差驅(qū)動(dòng)、輪式驅(qū)動(dòng)、爬行式驅(qū)動(dòng)、腹壁式驅(qū)動(dòng)、行走式驅(qū)動(dòng)、蠕動(dòng)式驅(qū)動(dòng)和螺旋式驅(qū)動(dòng)等7 種［5］，其中輪式管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)效率最高，攀爬能力也強(qiáng)，但其適應(yīng)的管徑范圍較小。為了在保證輪式管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)效率與穩(wěn)定性的前提下，進(jìn)一步提高機(jī)器人的管徑適應(yīng)能力，本文提出了在機(jī)器人輪腿結(jié)構(gòu)中引入一種折疊式雙平行四邊形機(jī)構(gòu)，并對(duì)其自適應(yīng)原理和相關(guān)性能參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，還對(duì)其合理性與可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 管道自適應(yīng)機(jī)器人設(shè)計(jì)

在輪式系列管道機(jī)器人中，攀爬能力較強(qiáng)的為頂壁式管道機(jī)器人，其張緊方式主要有機(jī)械自適應(yīng)性張緊和反饋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)張緊兩種。其中，機(jī)械自適應(yīng)性張緊機(jī)構(gòu)主要是依靠彈簧張力來使輪和管壁相互作用產(chǎn)生張緊力，其結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，但為了保證足夠的張緊力，其可適應(yīng)的管徑范圍有限;反饋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)張緊方式主要是依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)變徑機(jī)構(gòu)同時(shí)縮小或擴(kuò)張，并通過壓力傳感器返回的信號(hào)調(diào)整絲桿螺母的位移量，以適應(yīng)不同管徑的管道并提供一定的張緊力，這種自適應(yīng)模式穩(wěn)定性較高，但在擴(kuò)大可適應(yīng)的管徑范圍的同時(shí)，其軸向尺寸也相應(yīng)增大，增加了過彎難度，而且該種機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整體質(zhì)量大、成本也高。為使結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的機(jī)械自適應(yīng)張緊機(jī)構(gòu)能適應(yīng)較大范圍的管徑且不失穩(wěn)定性，本文提出了一種雙平行四邊形折疊機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 管徑自適應(yīng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成及工作原理

為使機(jī)械自適應(yīng)張緊機(jī)構(gòu)在保證足夠張緊力的同時(shí)又能適應(yīng)較大范圍的管徑，通過對(duì)目前國內(nèi)外的管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究分析，設(shè)計(jì)了一種折疊輪腿式管道機(jī)器人，其總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該機(jī)器人主要由驅(qū)動(dòng)單元、行走單元、控制單元和導(dǎo)向單元組成。

圖1 管道自適應(yīng)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖

行走單元即為機(jī)器人的“輪腿”，該結(jié)構(gòu)中引入雙平行四邊形機(jī)構(gòu)，增大了機(jī)器人的管徑適應(yīng)能力，同時(shí)依靠轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處扭簧的張力，使主從動(dòng)輪壓緊管壁，實(shí)現(xiàn)張緊。

控制單元接受上位機(jī)發(fā)來的指令，并根據(jù)指令產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)單元與導(dǎo)向單元執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力經(jīng)由一對(duì)錐齒輪換向后輸出，由控制單元輸出的方向信號(hào)和PWM 波控制主動(dòng)輪以相應(yīng)的速度沿管壁前進(jìn)或后退。

導(dǎo)向單元主要用于機(jī)器人通過彎管或其他復(fù)雜管道時(shí)，該單元中的機(jī)械手具有2 個(gè)自由度，可以到達(dá)直徑為250 mm 以下管道的任意位置，通過旋轉(zhuǎn)、擺臂與管壁接觸，并產(chǎn)生作用力引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)入指定方向的管道，同時(shí)該機(jī)械手還具備輔助障礙清除功能。

1.2 輪腿折疊與移動(dòng)過程分析

管徑自適應(yīng)機(jī)器人進(jìn)入管道后，靠自身扭簧的張力使3 個(gè)行走單元伸展與管壁接觸，通過相互擠壓產(chǎn)生張緊力。其行走單元結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 所示。

圖2 行走單元結(jié)構(gòu)簡圖

管壁對(duì)主從動(dòng)輪有作用力F，且垂直于上平行四邊形頂邊，該作用力必使上平行四邊形發(fā)生折疊，繞關(guān)節(jié)1 轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)節(jié)1 處的扭簧發(fā)生形變，對(duì)下平行四邊形產(chǎn)生作用力，由于關(guān)節(jié)2 處布置有限位齒，關(guān)節(jié)2 停在某位置不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)節(jié)1 處扭簧產(chǎn)生的反作用力使主從動(dòng)輪與管壁壓緊。其張緊力和攀爬能力的大小由扭簧的扭轉(zhuǎn)系數(shù)決定。另外，限位齒的限位位置可根據(jù)管徑大小調(diào)整，這種半控型折疊變徑的方式既擴(kuò)大了機(jī)器人適應(yīng)管徑的范圍，又保證了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

運(yùn)動(dòng)過程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪前進(jìn)，且各驅(qū)動(dòng)單元的電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)保持在一相同值附近，在通過直角彎道、“T”型管道或其他復(fù)雜管道時(shí)，首先應(yīng)通過安裝在機(jī)器人頭部的攝像機(jī)觀測選擇所需前進(jìn)方向，然后驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，與目標(biāo)方向的管道管壁接觸并產(chǎn)生作用力，使機(jī)器人偏向目標(biāo)方向，引導(dǎo)進(jìn)入目標(biāo)管道。機(jī)器人通過直角彎管道或其他角度的管道時(shí)，采用的轉(zhuǎn)彎方式為懸空動(dòng)力輪法。該方法不僅可以很好地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，而且降低了控制程序的編寫難度。另外，機(jī)器人各單元節(jié)采用柔性連接的方式，在不增大單節(jié)軸向尺寸的同時(shí)擴(kuò)展了機(jī)器人的有效搭載面積。

2 機(jī)器人相關(guān)性能參數(shù)分析與計(jì)算

2.1 機(jī)器人越障能力分析

本管道機(jī)器人的行走單元采用機(jī)械自適應(yīng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變徑，該種變徑結(jié)構(gòu)比較適用于管徑連續(xù)變化的管道，而對(duì)于突變性障礙，其越障能力有限。對(duì)于突變性障礙，機(jī)器人越障時(shí)的受力分析如圖3 所示。

圖3 越障受力分析圖

機(jī)器人前進(jìn)過程中，管壁與主從動(dòng)輪之間存在相互作用的預(yù)緊力Fn，當(dāng)越過障礙物時(shí)，機(jī)器人前輪提升脫離地面，與障礙物在K 點(diǎn)接觸，產(chǎn)生的作用力FNK通過前輪軸心，并存在切向的摩擦力Ff，驅(qū)動(dòng)輪半徑為r，機(jī)器人成功越過障礙需滿足以下平衡條件:

當(dāng)機(jī)器人翻越其最大障礙物高度時(shí)，應(yīng)有:

代入上述力平衡方程可以求得:

由于機(jī)器人每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元都含有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過以上計(jì)算可知，機(jī)器人的越障能力與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩M和驅(qū)動(dòng)輪處張緊力P 有關(guān)，若考慮實(shí)際情況，其最大越障高度應(yīng)小于上述hmax。

2.2 行走單元伸縮量分析

行走單元伸縮量的大小直接影響機(jī)器人的變徑能力，本管徑自適應(yīng)機(jī)器人要求適應(yīng)管徑范圍為150 mm～300 mm，因而要求行走單元具有相當(dāng)大的伸縮范圍且與管壁有一定的附著力。本機(jī)器人行走單元采用限位齒將變徑范圍分為三段，圖4 為行走單元的三段變徑示意圖。

圖4 三段變徑示意圖

A 段中卡銷位于限位環(huán)的第一個(gè)槽中，下平行四邊形達(dá)到最大折疊程度，此時(shí)上平行四邊形的折疊程度由關(guān)節(jié)處的扭簧控制。

行走單元中下平行四邊形側(cè)邊長為lunder，下四邊形在最大折疊程度時(shí)與底邊夾角為φ0，限位齒可轉(zhuǎn)動(dòng)角度為80°，則下平行四邊形的伸縮量變化范圍為:

上四邊形側(cè)邊長為lupper，上平行四邊形達(dá)到最大折疊程度時(shí)，側(cè)邊與水平夾角為θ0，扭簧可扭轉(zhuǎn)角度為θ，則上平行四邊形的伸縮量變化范圍為:

故機(jī)器人各行走單元最大伸縮量為:

機(jī)器人行走單元采用折疊式雙平行四邊形機(jī)構(gòu)和三段式可控變徑方式，實(shí)現(xiàn)段間離散，總體連續(xù)，既滿足了大變徑范圍的要求，又保證了與管壁預(yù)緊力的要求，還增強(qiáng)了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性。

2.3 彎管通過性分析計(jì)算

工程中常見的管道有水平管道、豎直管道、彎管、歧管等［6］。本機(jī)器人為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，假設(shè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中各單元體與管道間的位置關(guān)系為同心狀態(tài)。機(jī)器人若要順利通過彎管必須滿足彎管的幾何約束條件，彎管的主要參數(shù)有曲率半徑ρ，彎曲角度φ(通常為90°)以及管道直徑D。為避免機(jī)器人過彎時(shí)不出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象［7］，下面討論上述參數(shù)對(duì)機(jī)器人單節(jié)軸向長度l，單節(jié)最大徑向尺寸d的要求。

1)當(dāng)機(jī)器人徑向尺寸0 ＜d≤D/2 時(shí)，若機(jī)器人的兩端面在彎管與直管相切處發(fā)生“卡死”現(xiàn)象，此時(shí)單元體的徑向最大尺寸d 和軸向長度l 應(yīng)滿足:

圖5 過彎示意圖

若“卡死”現(xiàn)象出現(xiàn)在兩直管道邊且距相切點(diǎn)距離為a 處，此時(shí)軸向長度l 滿足方程:

又根據(jù)三角形相似原理存在方程:

可得:a=sin(φ/2)·［l/2－(ρ－D/2 +d)tanφ/2］

特殊的，當(dāng)d=D/2，φ=90°時(shí)，機(jī)器人單元體的軸向最大尺寸為:

2)當(dāng)機(jī)器人徑向尺寸D/2 ＜d ＜D 時(shí)，若機(jī)器人“卡死”現(xiàn)象出現(xiàn)在彎管圓弧處，此時(shí)單元節(jié)的軸向尺寸應(yīng)滿足以下方程:

經(jīng)分析，該軸向長度為在機(jī)器人徑向尺寸d∈(D/2，D)的情況下，機(jī)器人可順利通過彎管而不至于“卡死”現(xiàn)象的最大軸向尺寸。

3 仿真分析與試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可行性，首先采用了功能強(qiáng)大的三維建模軟件PRO/E 對(duì)本管道機(jī)器人進(jìn)行建模與裝配，并進(jìn)行了全局干涉檢查，在確認(rèn)模型準(zhǔn)確性后導(dǎo)入到虛擬樣機(jī)仿真軟件ADAMS 中，設(shè)定模型零件的材料屬性、各零件間的運(yùn)動(dòng)約束以及仿真環(huán)境(包括重力、摩擦力、驅(qū)動(dòng)力和與管壁間的接觸力等)，使其與實(shí)際物理樣機(jī)情況相符［8］，然后進(jìn)行該機(jī)器人的虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真分析試驗(yàn)。仿真分析試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真圖

行走的平穩(wěn)性是評(píng)價(jià)管道機(jī)器人的一個(gè)重要指標(biāo)，本仿真實(shí)驗(yàn)中主要針對(duì)管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的平穩(wěn)性作了仿真分析。圖7和圖8為在仿真環(huán)境下，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中輪腿內(nèi)扭簧的扭轉(zhuǎn)力/時(shí)間曲線和扭轉(zhuǎn)角/時(shí)間曲線關(guān)系圖。

圖7 扭轉(zhuǎn)力/時(shí)間曲線

圖8 扭轉(zhuǎn)角/時(shí)間曲線

從圖7 和圖8 中可以看出，在恒定管徑管道內(nèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，輪腿內(nèi)的扭簧扭轉(zhuǎn)力大小處于起伏波動(dòng)狀態(tài)，但基本保持不變，該現(xiàn)象可能是機(jī)器人各輪與管壁未能保持良好接觸原因造成的。而從扭轉(zhuǎn)角/時(shí)間曲線可以看出運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)器人保持著較好的平穩(wěn)性。

圖9 為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在直徑為250 mm 的管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的實(shí)物圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中各輪腿會(huì)出現(xiàn)些許伸縮變化，但整體運(yùn)行狀態(tài)良好，轉(zhuǎn)彎流暢。

圖9 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)物圖

4 結(jié)語

對(duì)現(xiàn)有的輪腿式機(jī)械自適應(yīng)型管道機(jī)器人的行走單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改善，引入了折疊式雙平行四邊形機(jī)構(gòu)，在保證穩(wěn)定性和一定張緊力的前提下，增大了管道機(jī)器人的管徑適應(yīng)范圍。而導(dǎo)向機(jī)械手的引入也較好的解決了復(fù)雜管道內(nèi)機(jī)器人的“走向”問題。

另外，對(duì)機(jī)器人的越障能力、變徑能力以及彎管內(nèi)通過性進(jìn)行了分析計(jì)算，并對(duì)建立的三維虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的合理性和可行性。按本設(shè)計(jì)制作的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中也很好的達(dá)到了預(yù)期效果。

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