段穎妮，韓佐軍，楊振鋼，戴君，李國柱

(1. 陜西省表面工程與再制造重點實驗室，陜西 西安 710065； 2. 西安文理學院 機械與材料工程學院，陜西 西安 710065)

0 引言

管道健康監(jiān)測的機器人技術中自適應于復雜管線的牽引機構設計一直是管道機器人研究領域中一個熱點[ 1-4 ]。目前氣液體輸送管道檢測和修復的管道機器人有靠流體壓差驅動、輪式驅動、履帶式、基于外磁場驅動方式、仿生蠕動式等牽引驅動方式[ 5-9 ]?？苛黧w壓差驅動屬于被動式驅動，牽引力不可調控，帶載能力差。輪式驅動過彎道處驅動難度大，效率低，雖然提出了多電機獨立驅動理論及由單電機輸入，同時帶動周向多個輪轉動，理論上這樣方法可以過彎道，但機構復雜，導致可靠性降低。履帶式驅動越障能力強，能輸出較大牽引力，但結構復雜，轉向性差，通過彎道困難，能耗大。針對埋地2 m左右的鋼管道，土石層削弱磁動力，外磁場驅動方式在此應用不合適。蠕動式移動機構是借用蚯蚓等環(huán)節(jié)動物運動的原理開發(fā)的，其目前有多種實現形式，如利用氣壓伸縮驅動，利用電磁吸合驅動，用形狀記憶合金伸縮驅動等[10]?？紤]探傷機器人對移動速度和移動連續(xù)光滑度無要求，結合圓形管道特征，考慮在役管道內機器人過彎通過性及系統(tǒng)中能量自供給方案，本文采用蠕動式柔性移動前行的方式。在役管道檢測機器人蠕動式柔性牽引機構是在前期授權的專利《一種蠕動式管道機器人移動牽引機構》(ZL201220229959.9)[11]基礎之上設計的，而該技術雖然具有在平直、豎直變徑管道中主動牽引大，結構簡單可靠，能耗低等優(yōu)點，但在彎道通過方面仍不太理想，主要是其中間的絲杠是剛性的。為解決現有技術的不足，設計了一種蠕動式管道柔性機器人牽引機構。將蠕動式管道機器人移動牽引機構中3個用于同軸的剛性滑桿和中間的剛性絲杠改為中間的柔性絲杠，結合準直螺母等其他部件使該牽引機構能順利過彎。

1 移動牽引機構構成

該機構由行走機構、傳動機構和驅動機構組成，其中行走機構由前行走部件和后行走部件組成。設計過程中考慮減少阻力截面，迎流面面積盡量小的需求，機構的三維示意圖如圖1所示。

圖1 機構的三維示意圖

兩組腿臂分別連接底座和滑塊，電機驅動力經傳動機構傳遞給滑塊，滑塊沿絲杠軸向運動。移動牽引機構中驅動機構關鍵部件是電機及電機軸齒輪；其中后行走部件與傳動機構通過M10螺母固定連接，前行走部件通過準直螺母與帶滑鍵槽中空柔性絲杠形成的螺旋副連接，傳動機構與驅動機構通過齒輪和電機軸齒輪嚙合連接；驅動機構通過電機支撐桿安裝于前行走部件的底座內。整個機構的二維平面圖如圖2所示。

1—管道；2—腿臂；3—底座；4—帶滑鍵槽中空柔性絲杠；5—限位開關a； 6—準直螺母； 7—軸承； 8—有周向限位滑鍵的滑塊；9—齒輪；10—滑鍵；11—電機；12—限位開關b；13—限位螺母圖2 移動機構平面圖

其中傳動機構由帶滑鍵槽中空柔性絲杠、推力球軸承、齒輪、準直螺母和限位開關a、限位螺母組成。帶滑鍵槽中空柔性絲杠和準直螺母二維圖如圖3所示。

26—萬向節(jié)；27—銷釘b；28—滑鍵槽；9—齒輪；30—輻條圖3 柔性絲杠和準直螺母二維平面圖

柔性絲杠外邊側開有滑鍵槽，準直螺母外圓周帶有齒輪和輻條。帶滑鍵槽中空柔性絲杠是在交錯接續(xù)連接的萬向節(jié)上刻螺紋形成柔性絲杠，各節(jié)之間通過銷釘b連接。準直螺母的兩端頭設計做成錐形口，和帶滑鍵槽中空柔性絲杠聯合使用，絲杠中萬向節(jié)與萬向節(jié)之間有θ角度彎曲時，進入具有導向錐的螺母時，便于帶滑鍵槽中空柔性絲杠局部準直。

該牽引機構的移動機理：當帶滑鍵槽中空柔性絲杠連接的底座和有周向限位滑鍵的滑塊間距離減小時，底座相對管道靜止，有周向限位滑鍵的滑塊相對管道前向移動。當帶滑鍵槽中空柔性絲杠連接的底座和有周向限位滑鍵的滑塊間距離增大時，有周向限位滑鍵的滑塊相對管道靜止，底座相對管道前向移動，即形成行走機構的前行走部件和后行走部件交替向前運動的形式，使整個牽引機構形成蠕動式前行的效果。

2 移動牽引機構設計中關鍵問題分析

2.1 持續(xù)增大的牽引力自主鎖止

牽引力是管道機器人的一個重要指標。牽引力的大小直接影響到機器人的帶載荷能力并關系到檢測任務的成敗，也影響機器人的運行速度，有必要對牽引力進行分析。

圖4 水平直管道內機器人受力分析簡圖

結合圖2和圖4進行分析，滑塊位于前端，即機器人前進的方向(自左向右)，底座位于后端。當底座靜止滑塊前行時,底座周向三腿臂與管道壁的正壓力N1，靜摩擦力f1隨著滑塊沿絲杠滑行至前到限位螺母位置的過程中，正壓力N1持續(xù)增強，靜摩擦力f1=μN1隨之增強，持續(xù)增強的靜摩擦力使移動機構自主鎖止管道。當滑塊沿絲杠滑行至觸動限位開關b，電機停轉，滑塊周向三腿臂支撐管壁與管道相對靜止，接著電機反轉驅動絲杠帶動底座沿軸向前行。以絲杠為參照系，相當于滑塊周向三腿臂向后運動(自右向左端)，滑塊周向三腿臂與管道壁的正壓力持續(xù)增強形成正反饋效果，則滑塊周向三腿臂與管道壁的靜摩擦力持續(xù)增強，移動機構自主鎖止管道，因此該機構拖曳牽引力大。當滑塊觸動限位開關a時，電機停轉，底座周向三腿臂支撐管壁相對與管道靜止，接著電機反轉驅動和絲杠螺旋副連接的準直螺母帶動滑塊沿軸向自左向右運動，形成周而復始的間歇蠕動前行。蠕動前行過程中兩組腿交替與管道壁的摩擦力持續(xù)增強形成正反饋效果，實現了機器人與管壁間的自主鎖止，使該機構拖曳牽引力大，該機構拖曳牽引力大的特點是其在豎直管道中帶動負載能順暢爬行。

2.2 機構行進中前后行走部件同軸性問題

文獻[11]中的3個用于同軸的剛性滑桿和中間的剛性絲杠替換為柔性絲杠、推力球軸承、齒輪、準直螺母的組合，如何保證牽引機構前后行走部件同軸性呢？如圖3所示，機構中柔性絲杠外邊側開有滑鍵槽，滑塊通過其內置的滑鍵和帶滑鍵槽中空柔性絲杠連接?；I在柔性絲杠的外圓周軸向的滑鍵槽內滑動，確保前行走部件不能周向旋轉，有周向限位滑鍵的滑塊通過軸承滾動摩擦(推力球軸承)和準直螺母連接。這樣前行走部件只能和準直螺母一起沿柔性絲杠軸向滑動，解決了同軸性問題。

靠推力球軸承連接的準直螺母和滑塊間摩擦力記作f2,f2是滾動摩擦，前行走部件中3個腿臂與管壁之間的摩擦力記作f3，f3是滑動摩擦，設計時考慮準直螺母、滑塊、移動機構的質量，移動機構前行過程中易于滿足f2

2.3 機構過彎性分析

1) 基本約束條件

管道機器人牽引機構單元體能通過彎道，則其最大單體模塊幾何尺寸與彎道幾何尺寸必須滿足一定的約束關系。本設計中最大單體模塊是滑塊和底座?；瑝K或底座與管道壁間極限尺寸如圖5所示。設其最大體積Vmax(大的空間能放置多的載荷)，底面圓周直徑d,長度l，管道直徑是D,彎道曲率半徑R，彎道彎曲角度γ=90°，l和d分別滿足條件分析如下：

圖5 單元體與彎道的幾何關系

(1)

d

(2)

在管道約束條件下，l和d分別滿足式(1)和式(2)。

2) 形成“力”的封閉，產生足夠的驅動力

管道對機器人施加了一個封閉的形狀約束，管道機器人在直管中行走時，各腿臂彈性變形是一致的。前后兩組支撐輪和管壁接觸，形成“力“和“形”的封閉，不會引起牽引力的波動，即驅動電機負載的波動。但在彎道處，由于機器人受到幾何約束、運動約束和彎道曲率的影響，機器人各腿臂的空間位置相對于管道軸線已不對稱，與管壁間的接觸狀態(tài)也各不相同，接觸點處局部位置坐標變化分析如下：如圖6所示，設xfi、xri表示前后兩組支撐腿臂與管壁可能接觸點的軌跡，x、y、z是橫截面Ⅰ和Ⅱ過機器人本體中心指向腿臂的向量與管壁交點的坐標，前后兩組腿臂在與管道垂直的橫截面中產生的變形量分別是：

Δlf和Δlr大小表示機器人彈性腿臂在橫截面Ⅰ和Ⅱ內產生的變形量，當過彎道時，只有Δlf=Δlr，才能保證機器人過彎道時各腿臂與彎道曲面緊密接觸，從而形成“力”的封閉，產生足夠的驅動力。本設計中由于腿臂內采用彈簧，具有較大的可伸縮變徑范圍，使得支撐腿臂與管道接觸處正壓力可自動調節(jié)，滿足Δlf=Δlr的約束條件，從而依然形成“形”的封閉。

圖6 彎道通過性位置圖

腿前端可伸縮變徑，自適應管道曲面，各腿臂與管道面接觸點的運動軌跡滿足管道幾何約束條件、運動約束。有效解決了剛性支撐問題和彎道通過性問題。

3) 彎道處準直螺母準直柔性絲杠

柔性絲杠是在交錯接續(xù)連接的多節(jié)萬向節(jié)外圓周上刻螺紋形成，準直螺母的兩端頭設計做成外錐形口，錐表面射線與軸向平行線間夾角Δθ，即錐形口半頂角。柔性絲杠與準直螺母形成螺旋副連接，當絲杠中萬向節(jié)與萬向節(jié)之間有Δθ角度彎曲時，進入具有硬導向的錐型口螺母時，兩者結合點處絲杠局部準直。

圖7 彎道通過性

取(R-D/2)∶D=5∶3,D=180 ，γ=90°，d，lmax的值根據本節(jié)1)的約束條件確定。

準直螺母：長度L=L0+2b,L0越大，承受力越大，越可靠安全，壽命長,錐形口半頂角θ。

柔性絲杠：萬向節(jié)單節(jié)長度L’,b

柔性絲杠長度：C=R×π/2=(r+D/2)×π/2

柔性絲杠萬向節(jié)節(jié)數：N=C/L’

腿前端可伸縮變徑，自適應管道曲面，各腿臂與管道面接觸點的運動軌跡滿足管道幾何約束條件,柔性絲杠和準直螺母配合，合理的尺寸設計滿足了在彎道處的運動約束。有效解決了剛性支撐問題和彎道通過性問題。

3 模擬實驗環(huán)境

設計D=180mm，管壁厚t=5mm，長度為10m，帶有水平直管、垂直直管、90°L型彎管、T型三通的有機透明玻璃管道。該管道內壁可以緊貼鋼鐵條，管道中為常溫流動的水，要求水流速度和壓力與石油管道基本相當。通過高功率水泵外加大容量水箱來實現模擬試驗管道中水流速度為2m/s。根據以上要求選用水泵體積流量為60m3。如果要模擬天然氣管道只需將水泵換為氣泵，并保證空氣流速與壓力和天然氣管道相當即可。模擬實驗環(huán)境如圖8所示。

圖8 模擬實驗環(huán)境

該管道僅模擬實際環(huán)境情況，用于考察機器人移動機構、內外通信和能量供給分系統(tǒng)的設計情況。探傷部分采用通過對無流體鋼管來驗證，鋼管外徑219mm，管壁厚t=7mm。

4 結語

設計了一種適合圓形管道壁探傷蠕動式間歇前行柔性移動牽引機構。該機構中傳動機構采用柔性絲桿和準直螺母配合提高過彎能力，絲杠由多節(jié)萬向節(jié)串聯而成，外側刻有螺紋，該絲杠剛性較柔性彈簧軸好，能傳遞大的轉矩。文中分析了該機構中行走部件行進中的拖曳牽引力，前后行走部件同軸性，機構過彎時通過性這些關鍵問題，分析和實驗表明該移動牽引機構具有大的牽引力，在豎直管道中運行良好，具有良好的過彎性能、自主鎖止在管道內不耗能的特點。該機器人牽引機構間歇前行過程中自主鎖止在管道壁方便采用高效發(fā)電裝置將流體動能轉化為電能供給機器人動力，使得機器人能量自供給。在此機構研究的基礎上，今后可嘗試機器人前端增加采用傳感檢測及反饋的導向頭機構，滿足順暢通過三通及T型管道的需求。