張 禹 王 寧 趙文川 陸登宇

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110870)

管道機(jī)器人是一種可以搭載傳感器和相關(guān)作業(yè)工具，并自行在管道內(nèi)部或外部移動(dòng)以完成不同操作的機(jī)器人[1-2]。近年來(lái)，隨著仿生學(xué)和軟體技術(shù)的快速發(fā)展，利用硅膠材料的超彈性特征，采用軟體驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了以氣體驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)式軟體管道機(jī)器人，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)模式，該機(jī)器人主要可分為徑向膨脹型機(jī)器人和彎曲型機(jī)器人。Connolly等[3]采用纖維增強(qiáng)軟體執(zhí)行器設(shè)計(jì)出一種分段蠕蟲(chóng)狀軟體管道爬行機(jī)器人；Calderón等[4]以收縮驅(qū)動(dòng)器和伸長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)器制作了軟體管道機(jī)器人；Yamazaki等[5]研發(fā)了一種名為earthworm-type 25A的管道檢測(cè)機(jī)器人；隋立明等[6]設(shè)計(jì)了一種可在管道中運(yùn)行的軟體爬行機(jī)器人；費(fèi)燕瓊等[7]利用彎曲驅(qū)動(dòng)器和摩擦片設(shè)計(jì)了一種氣壓驅(qū)動(dòng)多氣囊軟體機(jī)器人。這些蠕動(dòng)式軟體管道機(jī)器人大多存在對(duì)運(yùn)行管道、管徑尺寸要求嚴(yán)格，運(yùn)動(dòng)模式單一等不足。

試驗(yàn)擬采用六棱柱型驅(qū)動(dòng)器和圓柱型驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)一種具備兩種運(yùn)動(dòng)模式的蠕動(dòng)式軟體管道機(jī)器人，利用有限元分析技術(shù)驗(yàn)證其變形是否滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)需求，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試軟體管道機(jī)器人在不同運(yùn)動(dòng)模式下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，旨在為后續(xù)軟體管道機(jī)器人的研究提供理論依據(jù)。

1 硅膠力學(xué)理論模型分析

軟體驅(qū)動(dòng)器是以硅橡膠為材料，其力學(xué)性能通常用應(yīng)變能密度函數(shù)表示和分析，用應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系表達(dá)超彈性材料的應(yīng)變勢(shì)能[8-9]。其中常用到應(yīng)變勢(shì)能模型有Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型和Ogden模型。由于硅橡膠是一種具有超彈性、能大變形、體積幾乎不發(fā)生變化(即不可壓縮)的非線性材料，具有大變形特點(diǎn)及非線性力學(xué)性質(zhì)。因此，采用Yeoh模型對(duì)軟體管道爬行機(jī)器人進(jìn)行非線性力學(xué)分析[10]。

基于Yeoh模型，采用典型的二參數(shù)形式能量方程：

(1)

式中：

C1、C2——系數(shù)，C1=0.11，C2=0.02。

可得應(yīng)力與彈性變形能的關(guān)系為：

(2)

化簡(jiǎn)得應(yīng)力與主伸長(zhǎng)比的關(guān)系式為：

(3)

2 蠕動(dòng)式軟體管道機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

借鑒蠕蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)方式，結(jié)合徑向膨脹型軟體管道機(jī)器人和軸向彎曲型軟體管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)以六棱柱型驅(qū)動(dòng)器和圓柱型驅(qū)動(dòng)器為結(jié)構(gòu)單元的蠕動(dòng)式軟體管道機(jī)器人。通過(guò)對(duì)六棱柱型驅(qū)動(dòng)器6個(gè)基礎(chǔ)矩形型腔分別通氣，使六棱柱型驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生徑向膨脹變形或軸向彎曲變形，繼而改變六棱柱型驅(qū)動(dòng)器與管道間的摩擦力。再對(duì)圓柱型驅(qū)動(dòng)器通放氣使其產(chǎn)生母線方向的伸縮變形，并牽引與之前后端相連接的六棱柱型驅(qū)動(dòng)器移動(dòng)，對(duì)各驅(qū)動(dòng)器周期性的充放氣可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道中的蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)。針對(duì)不同管徑的管道，改變通氣方式，使六棱柱型驅(qū)動(dòng)器發(fā)生不同的形變，機(jī)器人可具備兩種不同的管道運(yùn)行方式。并且六棱柱型驅(qū)動(dòng)器的各基礎(chǔ)型腔對(duì)稱分布，使機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有助于加強(qiáng)機(jī)器人在管道中運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蠕動(dòng)式軟體管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1，其結(jié)構(gòu)由兩個(gè)六棱柱型驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)圓柱型驅(qū)動(dòng)器串聯(lián)而成。

圖1 管道機(jī)器人三維模型圖

六棱柱型驅(qū)動(dòng)器是由6個(gè)形狀、尺寸相同的矩形型腔和1個(gè)空心正六棱形硅膠柱組成，采用硅膠粘接技術(shù)將各部分粘連起來(lái)。矩形型腔是由若干個(gè)氣腔相連組成的褶皺形結(jié)構(gòu)。圓柱型驅(qū)動(dòng)器是采用兩個(gè)相同的半圓形型腔粘連而成的類波紋管型結(jié)構(gòu)。六棱柱型驅(qū)動(dòng)器的硅膠柱采用空心結(jié)構(gòu)，既可減輕機(jī)器人本體質(zhì)量，節(jié)約成本，減少前進(jìn)過(guò)程中阻力，又可增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)器彎曲能力，加快機(jī)器人在管道中的運(yùn)行速度。蠕動(dòng)式軟體管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2.3 運(yùn)動(dòng)模式分析

基于六棱柱型驅(qū)動(dòng)器通氣后產(chǎn)生的兩種形變狀態(tài)，軟體管道機(jī)器人在管道中可具備兩種不同的運(yùn)動(dòng)模式，即徑向膨脹式運(yùn)動(dòng)和軸向彎曲式運(yùn)動(dòng)。管道中采用徑向膨脹式運(yùn)動(dòng)模式爬行的一個(gè)周期，機(jī)器人運(yùn)行步態(tài)示意圖如圖2所示。通過(guò)中間圓柱型驅(qū)動(dòng)器的充氣伸長(zhǎng)推動(dòng)前端前進(jìn)，然后通過(guò)圓柱型驅(qū)動(dòng)器的放氣收縮拖動(dòng)后端前移。前后端六棱柱型驅(qū)動(dòng)器對(duì)其6個(gè)基礎(chǔ)型腔充氣，使驅(qū)動(dòng)器整體徑向膨脹擠壓管壁，改變其與管道間的摩擦力，使機(jī)器人前后產(chǎn)生摩擦力差，在管道中蠕動(dòng)前行。采用此運(yùn)動(dòng)模式在管道中爬行時(shí)，機(jī)器人主要通過(guò)前后端驅(qū)動(dòng)器膨脹擠壓管壁產(chǎn)生足夠的摩擦力以保持一端的固定。因此，管道的內(nèi)徑尺寸不能大于六棱柱型驅(qū)動(dòng)器的徑向膨脹尺寸。

當(dāng)管道的管徑大于六棱柱型驅(qū)動(dòng)器的徑向膨脹尺寸時(shí)，機(jī)器人可采用軸向彎曲式運(yùn)動(dòng)模式，機(jī)器人一個(gè)周期爬行的步驟示意圖如圖3所示。此運(yùn)動(dòng)模式下，機(jī)器人爬行推動(dòng)力仍靠中間圓柱型驅(qū)動(dòng)器的伸縮提供，再分別對(duì)前后端六棱柱型驅(qū)動(dòng)器頂部?jī)蓚€(gè)相鄰基礎(chǔ)型腔充氣，使驅(qū)動(dòng)器整體產(chǎn)生軸向彎曲變形，減小驅(qū)動(dòng)器底部與管道的接觸面積，減小摩擦，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道中的蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)。采用此運(yùn)動(dòng)模式在管道中爬行時(shí)，機(jī)器人前后端驅(qū)動(dòng)器主要通過(guò)與管壁所接觸的部分產(chǎn)生摩擦力保持固定。因此，在管道爬行過(guò)程中，需保證前后端驅(qū)動(dòng)器至少有一個(gè)不通氣。

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向向右

3 仿真分析

3.1 六棱柱型驅(qū)動(dòng)器

應(yīng)用ANSYS Workbench仿真軟件對(duì)各氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)分析，通過(guò)改變輸入氣壓，使各氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器獲得相應(yīng)的形變?cè)茍D。其中，接觸類型是根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)各驅(qū)動(dòng)裝置接觸面采用綁定接觸，對(duì)各型腔膨脹壁采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.4。網(wǎng)格劃分是將數(shù)模分割成若干個(gè)規(guī)則的幾何體，再基于非線性六面體單元，通過(guò)掃掠而生成網(wǎng)格。位移約束是根據(jù)各驅(qū)動(dòng)器在蠕動(dòng)式軟體管道機(jī)器人中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)需求進(jìn)行設(shè)定的，在六棱柱型驅(qū)動(dòng)器兩端的端面設(shè)定為全約束，在圓柱型驅(qū)動(dòng)器其中一端的端面設(shè)定為全約束。

由于軟體管道爬行機(jī)器人具備兩種運(yùn)動(dòng)模式，則六棱柱型驅(qū)動(dòng)器能產(chǎn)生兩種不同的變形狀態(tài)，故需對(duì)這兩種情況分別進(jìn)行仿真分析。對(duì)機(jī)器人軸向彎曲式運(yùn)動(dòng)模式下的六棱柱型驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行有限元分析時(shí)，使其兩相鄰矩形型腔充入相同壓力的氣體，驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生軸向彎曲形變，如圖4所示。

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向向右

由圖4可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力為50 kPa時(shí)，驅(qū)動(dòng)器與管壁接觸面積最小，六棱柱型驅(qū)動(dòng)器的彎曲變形滿足機(jī)器人彎曲式運(yùn)動(dòng)模式的需求。仿真過(guò)程發(fā)現(xiàn)，隨著驅(qū)動(dòng)壓力的增加，驅(qū)動(dòng)器彎曲變形程度繼續(xù)增大，但其與管壁接觸面積基本不變，故將50 kPa定為機(jī)器人采用軸向彎曲式運(yùn)動(dòng)模式時(shí)六棱柱型驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)氣壓。

圖4 六棱柱型驅(qū)動(dòng)器彎曲變形仿真圖

機(jī)器人徑向膨脹式運(yùn)動(dòng)模式下的六棱柱型驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行有限元分析時(shí)，對(duì)其驅(qū)動(dòng)器6個(gè)矩形型腔同時(shí)充入相同壓力的氣體，其膨脹變形如圖5所示。由圖5可知，六棱柱型驅(qū)動(dòng)器的徑向膨脹變形能滿足機(jī)器人徑向膨脹式運(yùn)動(dòng)模式的需求。當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力為0～100 kPa時(shí)，每間隔10 kPa對(duì)六棱柱型驅(qū)動(dòng)器施加一個(gè)壓力，得驅(qū)動(dòng)壓力與變形尺寸的關(guān)系圖如圖6所示。由圖6可知，六棱柱型驅(qū)動(dòng)器的徑向膨脹變形隨驅(qū)動(dòng)氣壓的增加而增大。

圖5 六棱柱型驅(qū)動(dòng)器膨脹變形仿真圖

圖6 驅(qū)動(dòng)壓力與尺寸變形關(guān)系圖

3.2 圓柱型驅(qū)動(dòng)器

圓柱型驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行有限元分析時(shí)，對(duì)其型腔內(nèi)充入不同大小壓力的氣體，其形變?nèi)鐖D7所示。隨著通氣壓力的增大，圓柱型驅(qū)動(dòng)器軸向形變?cè)黾?，可以滿足蠕動(dòng)式軟體管道機(jī)器人的伸縮運(yùn)動(dòng)要求。當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力為0～20 kPa 時(shí)，每間隔2 kPa對(duì)圓柱型驅(qū)動(dòng)器施加一個(gè)壓力，得變形尺寸與驅(qū)動(dòng)壓力關(guān)系圖如圖8所示。由圖8可知，圓柱型驅(qū)動(dòng)器通氣變形可分為3個(gè)階段，坐標(biāo)軸前段變化緩慢，中段開(kāi)始極速提升，進(jìn)入后段又開(kāi)始減緩。

圖7 圓柱型驅(qū)動(dòng)器軸向變形仿真圖

圖8 驅(qū)動(dòng)壓力與伸長(zhǎng)量關(guān)系圖

4 試驗(yàn)與測(cè)試

4.1 控制系統(tǒng)

由圖9可知，該控制系統(tǒng)包括氣泵、減壓閥、電磁換向閥、PLC可編程控制器和HMI人機(jī)交換界面。整個(gè)系統(tǒng)中，氣泵提供驅(qū)動(dòng)壓力，調(diào)壓閥調(diào)節(jié)整個(gè)回路中的壓力，HMI對(duì)PLC發(fā)送指令，PLC控制各電磁換向閥的通斷順序，從而實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)式軟體管道機(jī)器人采用不同的運(yùn)動(dòng)模式在管道中運(yùn)行。

4.2 軟體管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)

根據(jù)六棱柱型驅(qū)動(dòng)器和圓柱型驅(qū)動(dòng)器的有限元分析及多次試驗(yàn)結(jié)果，機(jī)器人在管道中采用徑向膨脹式運(yùn)動(dòng)時(shí)所運(yùn)行管道內(nèi)徑范圍為82～88 mm，試驗(yàn)選用內(nèi)徑為84 mm的透明管道作為試驗(yàn)管道，根據(jù)管道內(nèi)徑尺寸可將六棱柱型驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)氣壓定為40 kPa，由于蠕動(dòng)式管道機(jī)器人單次蠕動(dòng)距離的大小是機(jī)器人的一個(gè)重要性能指標(biāo)，故將圓柱型驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)氣壓定為20 kPa，此時(shí)軸向形變達(dá)最大長(zhǎng)度80 mm。圖10～13給出了軟件機(jī)器人運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由圖10可知，機(jī)器人運(yùn)行單周期時(shí)間為12 s。此運(yùn)動(dòng)模式下，軟體管道爬行機(jī)器人一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖11所示，此時(shí)的移動(dòng)距離為80 mm，平均運(yùn)行速度為400 mm/min。

1. 氣泵 2. 油霧分離器 3. 過(guò)濾器 4、6～8. 減壓閥 5. 節(jié)流閥 9～13. 二位三通電磁換向閥 14. 蠕動(dòng)式軟體管道機(jī)器人樣機(jī) 15. PLC 16. HMI 實(shí)線為氣路 虛線為電路

圖10 徑向膨脹式運(yùn)動(dòng)各驅(qū)動(dòng)器充放氣時(shí)序圖

圖11 徑向膨脹式運(yùn)動(dòng)

機(jī)器人在管道中采用軸向彎曲式運(yùn)動(dòng)時(shí)，選用內(nèi)徑為115 mm的透明管道，根據(jù)仿真結(jié)果將六棱柱型驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)氣壓定為50 kPa，為了防止機(jī)器人在此模式運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)摩擦力不足，前后端驅(qū)動(dòng)器反向移動(dòng)的情況，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試將圓柱型驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)氣壓定為14 kPa。

由圖12可知，機(jī)器人運(yùn)行單周期時(shí)間為10 s。此運(yùn)動(dòng)模式下，機(jī)器人一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖13所示，此時(shí)的移動(dòng)距離為60 mm，平均運(yùn)行速度為360 mm/min。

圖12 軸向彎曲式運(yùn)動(dòng)各驅(qū)動(dòng)器充放氣時(shí)序圖

圖13 軸向彎曲式運(yùn)動(dòng)

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)制作了一種蠕動(dòng)式氣動(dòng)軟體管道機(jī)器人，并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)模式分析，表明該機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)形式多樣的特點(diǎn)。仿真分析表明六棱柱型驅(qū)動(dòng)器和圓柱型驅(qū)動(dòng)器的變形滿足所設(shè)計(jì)管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)需求；測(cè)試結(jié)果表明蠕動(dòng)式軟體管道機(jī)器人能采用不同運(yùn)動(dòng)模式在不同管徑的管道中進(jìn)行有效運(yùn)動(dòng)，并得出該軟體管道機(jī)器人不同運(yùn)動(dòng)模式下的運(yùn)行速度。后續(xù)可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：優(yōu)化組成蠕動(dòng)式軟體管道機(jī)器人的軟體驅(qū)動(dòng)器，增強(qiáng)各氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器的變形能力，加快機(jī)器人的運(yùn)行速度；還可增強(qiáng)蠕動(dòng)式軟體管道機(jī)器人的智能性，深入研究機(jī)器人的智能控制系統(tǒng)。