常鶴軒 陳清揚

摘 要：針對現(xiàn)有的管道機器人適應管徑單一，機械結構復雜，協(xié)調控制困難，小管徑不能實現(xiàn)自適應轉向等諸多問題，為了提高管道機器人的自適應能力，本文設計了一款新型的單驅動蠕動式管道機器人，并介紹了該型機器人的基本結構和原理，完成了前后支撐結構，推進機構的基本設計，建立了絲桿推力與平行四邊形推力的關系。在Solidworks軟件中建立了三維模型，將該機器人模型導入Adams中建立動力學仿真模型，并將仿真結果與計算結果進行比照。該型機器人僅由一個電機驅動，結構簡單可靠，具有較好的管徑適應能力，可以適應100～150mm管徑，可以實現(xiàn)自適應轉向，具有一定的越障能力。其中研究結果可以為相關管道機器人的設計和實驗提供參考。

關鍵詞：單驅動；蠕動式；仿真；動力分析；管道

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0080-02

1 引言

近幾年來，隨著工業(yè)的發(fā)展以及基礎工業(yè)設施的不斷完善。石油，天然氣和其他流體管道作為一種高效的物料運輸方式而得到廣泛的應用，定期對老化的管道進行檢測和維護就顯得十分重要。尤其是2017年7月4日的吉林松原燃氣管道爆炸事故更是將人們的焦點引回到老化管道的檢測維護上，由于管道設備數(shù)量多，安裝地點的復雜，以及管道設備自身的局限，人的操作能動性大大受限，在傳統(tǒng)的人力方式下，工人很難做到高效地對管道設備進行維護與檢測。這一工程問題引起了很多國內外學者的重視，管內機器人的研究最早始于20世紀70年代法國，其中美國，日本等發(fā)達國家的管內機器人研究處于世界前列。中國在這方面起步較晚但研究成果顯著，國內的許多大學和公司相繼研發(fā)了自己的管道機器人，一些已經(jīng)進入實際應用階段。

由于管道內環(huán)境具有復雜、空間小等特點，為了使管道機器人能夠平穩(wěn)前進，其應該在一定程度上實現(xiàn)以下幾點：（1）管道機器人應具有可靠的控制系統(tǒng)，在工人的操作下或自主完成管道的檢測與維護；（2）機械結構應可靠簡單，動力系統(tǒng)和傳動機構應小型化；（3）可以根據(jù)需要調整以提供足夠功率攜帶檢測設備；（4）對管徑變化具有一定的適應性，具有一定的管徑適應性，轉向能力。

近幾年，隨著不同的工程實際需要，眾多學者研發(fā)出多種多樣驅動方式的管道機器人可供參考，最基本的有8種：管道豬、輪式、履帶式、振動式、行走式、蠕動式、螺旋式和蛇形式。振動式常用于剛性的管壁環(huán)境中；輪式常用于直管道，其具有結構簡單，高效等優(yōu)點；蠕動式因其機械結構簡單緊湊等優(yōu)點，常用于復雜多變的小口徑管道的檢測中，基于以上不同管道機器人的基本特點以及現(xiàn)有管道機器人存在的問題，本文提出了一種基于單向軸承的蠕動式單驅動管道機器人，具有良好的管徑適應能力，可以適應100～150mm管徑，結構簡單，可靠性高，具有一定的自適應轉向能力。

2 管道機器人基本工作原理及其結構介紹

圖1為所設計的管道機器人結構，該機器人可以分成三個部分：前支撐機構，后支撐機構，以及中間的插架推進機構。前支撐機構與后支撐機構類似，其采用三個伸縮足，調整絲杠，單向軸承等以實現(xiàn)其支撐、制動和調整管徑的功能。插架推進機構由電機，絲杠，滑塊，連桿機構等組成。在電機的正反轉帶動下配合前后支撐機構實現(xiàn)機器人的伸縮動作從而前進。機器人推進機構與后支撐機構之間由兩個萬向聯(lián)軸器相連，使其能夠實現(xiàn)一定程度上的自適應轉向，轉彎過后能夠在導向輪的作用下回復到原始狀態(tài)。管道機器人的一個運動周期可分為兩個狀態(tài)，首先電機正轉帶動絲杠旋轉，前支撐結構伸出，后支撐在單向軸承的作用下制動；電機反轉帶動絲杠，后支撐機構收回，前支撐機構在單向軸承的作用下制動。電機正反轉周期性交替從而實現(xiàn)機器人的蠕動式行進。

3 管道機器人的參數(shù)設計

3.1 支撐機構設計

支撐機構的設計主要以下幾方面：（1）支撐足與管道內壁之間應該有足夠摩擦力以提供向前的推力；（2）支撐足應具有單向制動能力以完成機器人的蠕動式前進；（3）應具有一定的調整能力以適應不同的管徑。根據(jù)上述要求設計了如圖2所示的支撐機構，三個伸縮桿在三向套筒中120度布置，三個伸縮桿的伸縮狀態(tài)一致，其上方通過單向軸承與支撐輪聯(lián)接，其下方通過導力桿與緊縮螺母聯(lián)接，緊鎖螺母與調整絲桿相配合，通過旋轉絲桿即可調整伸縮足的伸出程度，以適應不同管徑。如圖2，前后支撐機構中間設置有兩個萬向節(jié)聯(lián)軸器，在機器人推進過程中，遇到轉角可自適應調整角度，以實現(xiàn)機器人轉彎的功能。

3.2 行進機構設計

行進機構的結構設計如圖3所示，整個行進機構固定在前支撐機構的三向套筒支架上，其由電機，皮帶減速器，兩個對稱布置的絲杠滑臺，機械同步機構，連桿等組成。當電機轉動時，通過皮帶減速器帶絲杠旋轉，兩個對稱的絲杠滑臺機械互鎖以實現(xiàn)同步旋轉。通過絲杠的旋轉帶動滑塊上下運動，滑塊通過銷軸將運動傳到不等邊平行四邊形機構，由平行四邊形機構帶動機器人運動實現(xiàn)前后支撐機構的伸縮。其動作幅度大小，可根據(jù)需要通過滑塊機構和連桿尺寸參數(shù)的修改進行調整。

4 設計計算

4.1 運動學設計計算

機器人在一個運動周期內，滑塊沿絲杠往復運動一次，可以得到電機轉速n與機器人行進速度的v系式為，其中l(wèi)為絲杠的有效行程，ph為滾珠絲杠副的導程，i為傳動比，x為機器人一周期前進距離。

根據(jù)該模型零件的尺寸參數(shù)（其中一些結構參數(shù)以實現(xiàn)運動為主并非最優(yōu)解），可以得到推動該機器人一周期前進的距離X為30mm，滾珠絲杠導程ph為2mm，傳動比i=1：3。若該機器人運動周期為15秒，則所需電機轉速大致應為220r/min。

4.2 動力學設計計算

為了縮短機構長度和絲桿長度，設計采用了兩個對稱的如圖四所示不等邊平行四邊形機構。

如圖四所示，該設計既保證了運動放大倍率，又可以提高運動效率，并且對稱式設計增加了機構整體的穩(wěn)定性。BD桿的B端和AE桿的A端與絲杠滑臺中的滑塊連接，現(xiàn)研究絲桿對A點的推力與機構中O點對支撐部分的推力之間的關系：

（1）DO與EO為二力桿，則有N1=N2，N3=N4，N1=N3。

（2）當平行四邊形處于圖示位置時即AE桿與水平方向夾角為β時有： （1）

（3）對于AE桿根據(jù)力矩的平衡有：

（2）

（3）

將式（2）代入式（1）中得 （4）

電機功率與機構中O點對支撐部分的推力之間的關系，如圖3所示電機通過減速器，將力傳遞到齒輪上，進而帶動兩絲杠旋轉，兩絲杠之間通過機械聯(lián)鎖，絲杠帶動滑塊，是直線運動變?yōu)榛剞D運動，滑塊通過銷軸將運動傳到平行四邊形，由平行四邊形帶動機器人的前后支撐機構交替伸縮，進而完成機器人的蠕動式前進。

設電機的輸出功率為，轉速為。

（1）兩絲杠的總輸入功率為 （5）

（2）絲杠為的螺桿，牙型屬于三角形螺紋，當量摩擦系數(shù)為：

（6）

為普通三角形螺紋的牙型半角。

當量摩擦角為 （7）

（3）受到外載荷時，絲桿轉動所需的最大扭矩為：

（8）

1） 絲杠扭矩與絲桿輸入功率間的關系為：

（9）

（10）

根據(jù)式（4）—（5），（8）—（10）可得電機功率與機器人所受推力之間的關系式為 （11）

可知所選電機的輸出功率不應小于當β為最大值時計算所得功率。根據(jù)模型尺寸參數(shù)，傳動效率取0.9，絲杠中徑取5.355mm，升角取，牙型半角為；處于臨界潤滑狀態(tài)為0.1，，轉速，最大角度為60度，電機的輸出功率為3.4w，可以得到

由于機器人采用對稱不等邊四邊形機構，則機器人的推動力為44N。

4.3 基于adams的動力學仿真

在上述理論及計算參數(shù)的基礎上，將Solidworks三維模型導入Adams中，建立仿真模型。在管道內壁與彈性足之間壓力足夠即滿足制動的前提下，推動力為44N，對管道機器人運動中單個滑塊的所受力進行動力仿真，并將計算結果與仿真結果進行對照。

通過了解機器人完成一個周期的運動絲杠滑臺中單個滑塊受力變化，機器人行進一周期所需時間為15s，可以發(fā)現(xiàn)在整個運動過程中，受力最大處約為70N。由公式（8）—（10）可以得到電機的輸出功率為3.43w，得到的仿真結果與計算一致。

5 應用前景

本文針對現(xiàn)有的管道及其的存在的不足，提供了一種全新的蠕動式管道機器人設計方案，機器人僅由單個電機驅動，結構簡單可靠，成本相對較低，具有良好管徑適應能力，可以適應100～150mm管徑。同時具有一定的自適應轉向能力，理論上根據(jù)不同工況調整伸縮足的伸縮量，能夠適應豎直的管道的爬行，不需要提供額外壓力。

參考文獻

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