薛耀勇 張繼忠 王慶前 于祥 鞏健

摘要：??為了增強履帶式管道機器人自適應(yīng)機構(gòu)的傳力能力，本文優(yōu)化設(shè)計了管道機器人的自適應(yīng)機構(gòu)。通過對自適應(yīng)機構(gòu)的運動原理進行表述以及對機構(gòu)進行動力學(xué)分析，建立自適應(yīng)機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型。同時，以Adams中參數(shù)化建模與優(yōu)化設(shè)計的模塊為工具，以對優(yōu)化目標(biāo)影響較大的機構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化變量，以機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運動要求為約束條件，以自適應(yīng)機構(gòu)在適應(yīng)管徑過程中對管壁壓力最大為目標(biāo)，對管道機器自適應(yīng)機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化結(jié)果表明，優(yōu)化后自適應(yīng)機構(gòu)對管壁壓力較優(yōu)化前提高了11.3%，比較明顯的提高了自適應(yīng)機構(gòu)傳遞力的能力，增強了管道機器人爬行能力。該研究為履帶式管徑自適應(yīng)管道機器人的后續(xù)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：??管道機器人;?Adams;?自適應(yīng)機構(gòu);?優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：?TP241.3?文獻標(biāo)識碼：?A

收稿日期：?2019-03-08;?修回日期：?2019-06-22

作者簡介：??薛耀勇（1992-），男，山東東營人，碩士研究生，主要研究方向為機械設(shè)計及理論。

通信作者：??張繼忠（1964-），男，教授，主要研究方向為機械系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計。Email：?zjzqdu@163.com

管道廣泛應(yīng)用于石油和天然氣等眾多工業(yè)領(lǐng)域中，而管道機器人作為檢測、維護、清潔等管道作業(yè)的載體得到廣泛應(yīng)用[1]。履帶式機器人能很好地適應(yīng)管道的變化，具有良好的機動性能，在越障和爬行等方面具有較明顯的優(yōu)勢，成為國內(nèi)、外相關(guān)領(lǐng)域研究的重點[2-5]。目前，許多發(fā)達國家對各類管道機器人的研究處于領(lǐng)先地位。美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)與美國國家能源部聯(lián)合研制了ExplorerⅡ，它是以漏磁與視覺雙層檢測為手段、無纜線、支撐輪式的煤氣管道機器人[6];韓國成均館大學(xué)研制開發(fā)的MRINSPECT管道機器人，利用支撐機構(gòu)與雙主動萬向節(jié)使其得以在T型接頭與彎頭管道中行走[7-8]。近年來，國內(nèi)許多大學(xué)和研究所對多種管道機器人進行研究。唐德威等人[9]通過對機器人在管道內(nèi)的運動學(xué)和動力學(xué)進行分析，研發(fā)了一種具有自適應(yīng)功能的管道機器人，在彎管處各行走輪具有良好的功率分配與速度協(xié)調(diào)能力;施邵寧等人[10]以三軸差速理論為基礎(chǔ)，開發(fā)設(shè)計了一款新型除銹管道機器人;張云偉等人[11]研發(fā)了一種利用絲杠螺母進行傳動、平行四邊形桿系支撐行走輪進行漏磁檢測的管道機器人;李鵬等人[12]設(shè)計研究了一種螺旋驅(qū)動自適應(yīng)機器人，有效地解決了機器人在越障方面的問題;費振佳等人[13]研制開發(fā)了一種履帶式管道機器人，并對其進行了動力學(xué)仿真分析;王琪等人[14]采用Adams軟件中的參數(shù)化建模和分析功能，對碼垛機器人機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，提高了機構(gòu)設(shè)計效率，縮短了設(shè)計周期;焦方坤等人[15]優(yōu)化設(shè)計了一種相貫線埋弧焊接機器人，通過Adams軟件進行仿真分析，提高了系統(tǒng)的整體性能;朱華炳等人[16]采用多體動力學(xué)分析軟件Adams，建立一種工業(yè)機器人虛擬樣機模型，并進行運動仿真分析，獲得機器人末端點運動的位移和速度曲線，為機器人的設(shè)計和研究提供了重要依據(jù)。機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計能夠增強整機性能，提高機構(gòu)動力傳遞效率[17-20]。基于此，本文給出了管道機器人自適應(yīng)機構(gòu)工作原理，并對機構(gòu)進行動力學(xué)分析，建立自適應(yīng)機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，同時利用Adams對其進行結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。該研究為履帶式管徑自適應(yīng)管道機器人的后續(xù)開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

1?自適應(yīng)機構(gòu)工作原理及動力學(xué)分析

1.1?自適應(yīng)機構(gòu)工作原理

為保證機器人能夠正常豎直向上爬行，在履帶式管道機器人自適應(yīng)機構(gòu)適應(yīng)管道直徑變化過程中，需要

管道機器人的履帶輪與管道之間具有足夠的附著力，履帶輪與管道之間的附著力由履帶輪與管道內(nèi)壁之間的正向壓力間接決定。本文所述自適應(yīng)機構(gòu)，由3組平行四邊形支撐桿系，沿管道機器人的中心軸間隔120°均勻分布所組成，而且需要滿足Ф210～220?mm管徑變化范圍及所設(shè)計彈簧的要求，自適應(yīng)機構(gòu)工作原理如圖1所示。

自適應(yīng)機構(gòu)主要由以下幾部分組成：圓柱螺旋彈簧、同步盤、平行四邊形支撐桿系、軸向移動滑塊、彈簧預(yù)緊套筒等。彈簧預(yù)緊套筒與后支撐板固連，同步盤與軸向移動滑塊固連。圓柱螺旋彈簧提供的彈簧力，推動軸向移動滑塊移動，保證軸向移動滑塊及其固連的同步盤沿著機器人的中心軸前、后移動。連接在同步盤上的3個連桿，跟隨同步盤移動而推動3組平行四邊形支撐桿系運動，使平行四邊形支撐桿系能外撐或收縮，并達到適應(yīng)管徑變化的目的。

1.2?動力學(xué)分析

為便于研究，本文將自適應(yīng)機構(gòu)的3組平行四邊形支撐桿系中的其中一組當(dāng)作研究對象，自適應(yīng)機構(gòu)單組支撐桿系受力簡圖如圖2所示。

圖2中，支撐桿鉸點B和C之間距離為R1，支撐桿鉸點A和C之間距離為R2，連桿長度為R3，移動滑塊初始水平位移為R4，支撐角α以及連桿的傳動角β。連桿受移動滑塊水平推力為F，單個履帶輪所受牽引力為FZT，法向壓力為FN，單個履帶輪受管道切向附著力為Ff。其中

Ff=μFN，?Ff≥FZT（1）

式中，μ為管道同履帶輪間附著系數(shù)。在如圖2所示的直角坐標(biāo)系下，自適應(yīng)機構(gòu)閉環(huán)矢量方程為

R2+R3+R4=h（2）

把以上矢量方程按直角坐標(biāo)系的x和y坐標(biāo)軸進行分解，得

R2cos?α+R3cos?β=R4R2sin?α+h=R3sin?βα=α0+Δα（3）

式中，α0為支撐桿的起始角度;Δα為自適應(yīng)機構(gòu)適應(yīng)管徑變化過程中支撐角的變化量。

適應(yīng)管徑變化是一個非常緩慢的運動過程，自適應(yīng)機構(gòu)的力平衡方程為

FAX-F=FZTFAY+Ftan?β=FN/2FR2sin（α+β）/cos?β+FZTsin?α（R1+R2）=FNcos?α（R1+R2）/2（4）

綜合式（1）～式（4），可以得到自適應(yīng)機構(gòu)在正常工作時，每組平行四邊形支撐桿系外撐時，對管壁的正壓力為

FN=2FR2sin（α+β）cos?αcos?β（R1+R2）+2FZTtan?α（5）

2?建立優(yōu)化模型

2.1?優(yōu)化設(shè)計變量

分析式（1）～式（5）可知，在自適應(yīng)管徑變化過程中，影響平行四邊形支撐桿系外撐力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為：支撐桿鉸點B和C之間距離R1，支撐桿鉸點A和B之間距離R2，連桿長度R3，初始支撐角α0及初始連桿傳動角β0。為減少優(yōu)化設(shè)計過程中設(shè)計變量的復(fù)雜程度，以鉸點A、B、C、D、E、F的坐標(biāo)為機構(gòu)設(shè)計參數(shù)，以鉸點B橫坐標(biāo)x1與鉸點C橫坐標(biāo)x2為設(shè)計變量，即

X=（x1，x2）T（6）

2.2?目標(biāo)函數(shù)

自適應(yīng)機構(gòu)在適應(yīng)管徑變化過程中需要保證對管壁壓力最大。因此，確定目標(biāo)函數(shù)為

f（X）=max（FN）（7）

2.3?約束條件

自適應(yīng)機構(gòu)每組平行四邊形支撐桿系可以看作是一個曲柄滑塊機構(gòu)。從已設(shè)計的彈簧要求出發(fā)，對滑塊的移動量ΔR4添加以下約束條件

5.10≤ΔR4≤6.24（8）

從自適應(yīng)機構(gòu)的構(gòu)成條件出發(fā)，對鉸點B、C的橫坐標(biāo)添加以下約束條件

x2≤x1（9）

從支撐桿剛度出發(fā)，自適應(yīng)機構(gòu)適應(yīng)管徑變化過程中支撐角α越大越好，但是隨著支撐角α的增大，整個管道機器人的徑向尺寸就會隨之增大，綜合考慮對支撐角α和鉸點B橫坐標(biāo)添加以下約束

30°≤α≤60°，?17.03≤x1≤51.10（10）

3?Adams優(yōu)化設(shè)計

采用Adams中參數(shù)化建模與優(yōu)化設(shè)計模塊，對自適應(yīng)機構(gòu)重要的結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)進行靈敏度的相關(guān)分析。在初選的優(yōu)化設(shè)計變量中，確定對優(yōu)化目標(biāo)影響效果相對較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計變量，從而優(yōu)化自適應(yīng)機構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計流程圖如圖3所示。

3.1?參數(shù)化建模

首先建立模型關(guān)鍵點并對其進行參數(shù)化，然后根據(jù)參數(shù)化關(guān)鍵點建立各零部件，間接實現(xiàn)自適應(yīng)機構(gòu)整體參數(shù)化。利用ADAMS/View/Design?Variable創(chuàng)建需要的設(shè)計變量或常量，設(shè)計變量如表1所示，并創(chuàng)建6個機構(gòu)關(guān)鍵點，參數(shù)化關(guān)鍵點坐標(biāo)如表2所示。同時，根據(jù)創(chuàng)建的參數(shù)化關(guān)鍵點，連接A和B兩點，建立支撐桿;連接C和D兩點，建立連桿;連接B和E兩點，建立基板;連接E和F兩點，建立輔助桿;于D點建立滑塊。

一個完整機構(gòu)不僅包括組成系統(tǒng)的各個構(gòu)件，還包括各個構(gòu)件之間所存在的相對運動約束。管道機器人自適應(yīng)機構(gòu)模型包括支撐桿、連桿、基板、輔助桿、移動滑塊、中心軸等部件，將機架視為地面，通過添加運動副，保證各零部件之間的約束關(guān)系。運動副和約束對象如表3所示。

在基板中心施加一個向下速度為10?mm/s的驅(qū)動力，模擬自適應(yīng)機構(gòu)在適應(yīng)管徑變化過程中受到管壁對于履帶輪的正向壓力;給滑塊中心施加一個水平向左的變力，用以模擬所設(shè)計彈簧的彈力，該彈力函數(shù)表達式為F=5.65*（.canshuhuayouhua.MARKER_45_MEA_1）-168.4，建立自適應(yīng)機構(gòu)參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計模型，自適應(yīng)機構(gòu)參數(shù)化模型如圖4所示。

采用Adams對自適應(yīng)機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計時，添加約束條件的方式與傳統(tǒng)的利用約束方程對設(shè)計變量進行約束的方式不同，可直接或間接利用Adams提供的測量工具模塊確定，且約束條件的測量函數(shù)表達式需要轉(zhuǎn)化為小于等于零的標(biāo)準(zhǔn)形式。通過Bulid/Measure建立約束條件所需要的測量，并通過Build/Measure/Function創(chuàng)建約束條件式（8）～式（10）的標(biāo)準(zhǔn)化測量函數(shù)表達式，并通過Simulate/Design?constraint利用測量函數(shù)對約束條件表達式進行約束。

通過使用Simulate/Design?Objective，在Measure選項中選擇在基板中心添加的驅(qū)動力作為目標(biāo)函數(shù)，適應(yīng)管徑為Ф210?mm～220?mm，仿真過程中的均值作為目標(biāo)函數(shù)在一個優(yōu)化周期內(nèi)的取值。

3.2?設(shè)計研究

利用Adams中的Design?study模塊，研究自適應(yīng)機構(gòu)參數(shù)化模型，在允許范圍內(nèi)變化時，得到各設(shè)計變量對自適應(yīng)機構(gòu)目標(biāo)函數(shù)的影響特點。自適應(yīng)機構(gòu)設(shè)計參數(shù)靈敏度如表4所示。由表4可知各個設(shè)計參數(shù)對自適應(yīng)機構(gòu)履帶輪與管壁之間正向壓力FN的靈敏度大小。通過對比發(fā)現(xiàn)支撐桿與基板鉸點橫坐標(biāo)x1、支撐桿與連桿鉸點橫坐標(biāo)x2靈敏度絕對值相差不大，說明這兩個參數(shù)對自適應(yīng)機構(gòu)履帶輪與管壁之間正向壓力FN影響比較明顯，因此優(yōu)化設(shè)計變量無需進行修正（如式（6）所示）。

機器人自適應(yīng)機構(gòu)設(shè)計如圖5所示，由圖5可以看出，支撐桿與基板鉸點的橫坐標(biāo)x1及支撐桿與連桿鉸點的橫坐標(biāo)x2，對自適應(yīng)機構(gòu)在適應(yīng)管徑變化過程中向管壁施加正向壓力的性能均有較大影響，且后者影響稍大一些。

圖5a是以支撐桿與基板鉸點橫坐標(biāo)x1為設(shè)計變量，以自適應(yīng)機構(gòu)適應(yīng)管徑變化過程中履帶輪對管壁正向壓力FN為目標(biāo)的設(shè)計研究結(jié)果。由圖5a可以看出，履帶輪對管壁正向壓力FN隨支撐桿與基板鉸點橫坐標(biāo)x1呈非線性增大;圖5b是以支撐桿與連桿鉸點橫坐標(biāo)x2為設(shè)計變量，以自適應(yīng)機構(gòu)適應(yīng)管徑變化過程中履帶輪對管壁正向壓力FN為目標(biāo)的設(shè)計研究結(jié)果。由圖5b可以看出，履帶輪對管壁正向壓力FN隨支撐桿與連桿鉸點橫坐標(biāo)x2呈非線性減小。

3.3?優(yōu)化設(shè)計

將支撐桿與基板鉸點橫坐標(biāo)x1及支撐桿與連桿鉸點橫坐標(biāo)x2作為優(yōu)化設(shè)計變量，在表1要求的變量范圍內(nèi)，在式（8）～式（10）的約束條件限制情況下，以自適應(yīng)機構(gòu)適應(yīng)管徑變化過程中履帶輪對管壁正向壓力FN最大為優(yōu)化目標(biāo)，采用Adams中的優(yōu)化設(shè)計功能模塊，對自適應(yīng)機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計分析。在自適應(yīng)機構(gòu)適應(yīng)管徑變化過程中，履帶輪對管壁正向壓力FN優(yōu)化軌跡如圖6所示，自適應(yīng)機構(gòu)優(yōu)化前、后對比結(jié)果如表5所示。

4?結(jié)束語

本文采用了Adams參數(shù)化建模與優(yōu)化設(shè)計方法，實現(xiàn)了對履帶式管道機器人自適應(yīng)機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的利用編寫復(fù)雜程序進行優(yōu)化設(shè)計的方法不同，該研究實現(xiàn)了自適應(yīng)機構(gòu)在適應(yīng)管徑變化的過程中，履帶輪對管壁正向壓力較優(yōu)化前提高11.3%，具有比較明顯的優(yōu)化效果，提高了管道機器人在已設(shè)計彈簧驅(qū)動下自適應(yīng)機構(gòu)傳遞力的性能，增強了管道機器人的爬行能力，為本課題后續(xù)的履帶式管徑自適應(yīng)管道機器人的研究奠定了基礎(chǔ)。

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Optimization?Design?of?Pipeline?Robot?Adaptive?Mechanism?Based?on?Adams

XUE?Yaoyong，?ZHANG?Jizhong，?WANG?Qingqian，?YU?Xiang，?GONG?Jian

（School?of?Electromechanic?Engineering，?Qingdao?University，?Qingdao?266071，?China）

Abstract：??In?order?to?enhance?the?transmission?capacity?of?selfadaptive?mechanism?of?crawler?pipeline?robot，?this?paper?optimizes?the?adaptive?mechanism?of?pipeline?robot.?According?to?the?principle?of?adaptive?mechanism?for?the?presentation?and?dynamic?analysis?of?institutions，?it?establishes?selfadaptive?optimization?design?mathematical?model.?It?provides?optimization?design?with?Adams?parameterized?modeling?and?optimized?design?module?as?a?tool?to?optimize?the?goals?of?the?larger?institutional?parameters?for?the?optimization?variables，?and?with?the?structure?and?movement?requirements?of?the?organization?as?a?constraint?condition，?and?with?adaptive?agencies?in?the?process?of?adapting?to?the?pipe?diameter?to?optimize?the?pressure?on?the?pipe?wall.?The?optimization?results?show?that?the?optimized?adaptive?mechanism?improves?the?pressure?of?the?pipe?wall?by?11.3%，?which?obviously?improves?the?transmission?ability?of?the?adaptive?mechanism?and?enhances?the?crawling?ability?of?the?pipe?robot.?The?research?lays?the?foundation?for?the?followup?development?of?crawler?pipe?diameter?adaptive?pipeline?robot.

Key?words：??pipeline?robot;?ADAMS;?adaptive?mechanism;?optimization?design