一種可調(diào)式管道爬行機(jī)器人

帥青文 帥青武

摘要 ：針對(duì)石油、化工、天然氣及核工業(yè)等產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，各種管道作為一種重要的物料輸送設(shè)施，得到了廣泛應(yīng)用。由于腐蝕、重壓等作用，管道不可避免地會(huì)出現(xiàn)裂紋、漏孔等現(xiàn)象。而管道所處的環(huán)境往往是人們不易或不能直接接觸的，因此，對(duì)于管道的檢測(cè)和維護(hù)成了工業(yè)生產(chǎn)中的一道難題 ，管道機(jī)器人有巨大需求，本文提出了管道機(jī)器人中的一種。

關(guān)鍵詞：石油，化工，管道，機(jī)器人

1.爬行原理的設(shè)計(jì)

充分利用仿尺蠖昆蟲(chóng)的爬行原理，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人[19]的前行，具體實(shí)施過(guò)程如下：?jiǎn)?dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿隨動(dòng)受拉力，帶動(dòng)后大滑塊向前，后大滑塊通過(guò)兩個(gè)后滑桿帶動(dòng)兩足收攏，脫離管道側(cè)壁，后大滑塊通過(guò)滑槽前壁推動(dòng)后機(jī)體往前移動(dòng)，此時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)受到阻力通過(guò)電機(jī)整體傳力至前機(jī)體，由于前大滑塊已處于滑槽最后面，兩個(gè)前滑桿帶動(dòng)兩個(gè)前足向管道兩側(cè)撐開(kāi)，足夠大的摩擦力抵抗前機(jī)體向后移動(dòng)，結(jié)果只能是后機(jī)體往前運(yùn)動(dòng)，從而解決了前行問(wèn)題。

2.結(jié)構(gòu)及原理

圖1為可調(diào)式管道爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖，其由三部分組成，前體部分、后體部分及前后體連接部分。

前體部分包括帶有封閉滑槽的前機(jī)體1、固連有驅(qū)動(dòng)電機(jī)5的前大滑塊4、與前大滑塊鉸接且?guī)в行』鄣那盎瑮U、與前機(jī)體鉸接且?guī)в行』瑝K的前足。

后體部分包括帶有封閉滑槽的后機(jī)體15、后大滑塊14、與后大滑塊鉸接且?guī)в行』鄣暮蠡瑮U、與后機(jī)體鉸接且?guī)в行』瑝K的后足。

后機(jī)體連接部分包括連接轉(zhuǎn)盤(pán)和后大滑塊的連桿7、連接前后機(jī)體承托電纜的拖鏈8。

這種可調(diào)式管道爬行機(jī)器人的工作原理是：

工作前，前大滑塊處于前機(jī)體滑槽的后部，后大滑塊處于后機(jī)體滑槽的前部，啟動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿隨動(dòng)受拉力，帶動(dòng)后大滑塊向前，后大滑塊通過(guò)兩個(gè)后滑桿帶動(dòng)兩足收攏，脫離管道側(cè)壁，后大滑塊通過(guò)滑槽前壁推動(dòng)后機(jī)體往前移動(dòng)，此時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)受到阻力通過(guò)電機(jī)整體傳力至前機(jī)體，由于前大滑塊已處于滑槽最后面，兩個(gè)前滑桿帶動(dòng)兩個(gè)前足向管道兩側(cè)撐開(kāi)，足夠大的摩擦力抵抗前機(jī)體向后移動(dòng)，結(jié)果只能是后機(jī)體往前運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)一定角度時(shí)，連桿開(kāi)始受壓力，后大滑塊向后移動(dòng)貼緊后機(jī)體滑槽后壁，后兩足撐開(kāi)與管道兩側(cè)接觸產(chǎn)生摩擦力，后機(jī)體不能向后移動(dòng)，此時(shí)，連桿通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)、電機(jī)帶動(dòng)前大滑塊向前，當(dāng)前大滑塊向前消除滑槽中的間隙貼緊滑槽前壁，推動(dòng)前機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)。前后機(jī)體如此交替向前運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在管道中的移動(dòng)。

由于前后足是靠彈簧力壓在管壁上，這樣如果管徑直徑變小，則前后足將迫使彈簧壓縮;如果井眼直徑變大，則彈簧的彈力將迫使前后足繼續(xù)向外張開(kāi)，從而使前后足始終與管壁壁接觸。這樣，在彈簧力許可的范圍之內(nèi)，爬行器就可以在不同直徑的管徑內(nèi)爬行。如果爬行器所要進(jìn)入的管徑過(guò)大或過(guò)小，僅靠彈簧力原有的伸縮范圍無(wú)法保證提供合適的壓縮力。這時(shí)需根據(jù)管徑的尺寸范圍，在下管前預(yù)先調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓量，從而保證彈簧力在合適的范圍之內(nèi)———既保證能夠?qū)⒄麄€(gè)爬行器支撐在管壁上，又保證前后足與管壁壁之間具有合適的正壓力，從而確保驅(qū)前后足與管壁之間保持較好的摩擦力。

當(dāng)遇到一定曲率半徑的彎管時(shí)，由于彎道左右曲率半徑不一樣，撐開(kāi)的左右足受力不一樣，轉(zhuǎn)向側(cè)受力大，相對(duì)側(cè)受力小，通過(guò)滑桿使大滑塊受到一定的側(cè)向力，此側(cè)向力使機(jī)體向轉(zhuǎn)向側(cè)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)體有一定的轉(zhuǎn)向能力。

當(dāng)進(jìn)行具體作業(yè)時(shí)，停止電機(jī)，機(jī)器人不移動(dòng)，開(kāi)啟裝在前機(jī)體上的專(zhuān)業(yè)設(shè)備，完成機(jī)器人所要進(jìn)行的工作。

3.可調(diào)式管道爬行機(jī)器人的先進(jìn)性

3.1可調(diào)式管道爬行機(jī)器人繼承了現(xiàn)有爬行機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，克服了其不足點(diǎn)

該可調(diào)式管道爬行機(jī)器人包括前機(jī)體和后機(jī)體，前后機(jī)身通過(guò)連桿相連，前機(jī)體上固連有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，前后機(jī)體分別鉸接有兩足，通過(guò)改變彈簧的預(yù)壓量和兩足的鉸接點(diǎn)，可以獲得兩足的不同張開(kāi)距離，達(dá)到適應(yīng)不同口徑管道的爬行需要。本機(jī)器人爬行速度快，可調(diào)性好，適應(yīng)一定曲率半徑的彎管道，適用于多種工作環(huán)境下的管道作業(yè)，成本低，拆裝方便，實(shí)用價(jià)值高。

3.2可調(diào)式管道爬行機(jī)器人能克服現(xiàn)有一些爬行機(jī)器人的不足

到目前為止，經(jīng)過(guò)各國(guó)學(xué)者努力，雖然也出現(xiàn)了各種形式的管道機(jī)器人，類(lèi)似裝置驅(qū)動(dòng)方案主要有輪式驅(qū)動(dòng)、履帶式驅(qū)動(dòng)、蠕動(dòng)式驅(qū)動(dòng)及液力(氣動(dòng))驅(qū)動(dòng)等。但都存在一些不足，如適應(yīng)能力不夠、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、移動(dòng)速度慢、成本高、可靠性低等一些問(wèn)題，給實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)帶來(lái)了困難。

可調(diào)式管道爬行機(jī)器人能很好的克服以上缺點(diǎn)，主要原因是：1）前后機(jī)體正下方設(shè)計(jì)有支撐萬(wàn)向滾輪，滾輪高度可調(diào)，以適應(yīng)不同口徑的管道；2）該可調(diào)式管道爬行機(jī)器人提供一種了仿生學(xué)原理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、可調(diào)性好、拆裝方便、成本低廉。這些特點(diǎn)現(xiàn)有的爬行器都不易具備。

4.綜述

4.1通過(guò)上面的研究我們得出可調(diào)式管道爬行機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)：

(1）通過(guò)改變彈簧的預(yù)壓量和兩足的鉸接點(diǎn)，可以獲得兩足的不同張開(kāi)距離，達(dá)到適應(yīng)不同口徑管道的爬行需要，使其適應(yīng)性較好；

(2）充分利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好，可調(diào)性好、拆裝方便；

(3）依靠行走部分相對(duì)滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)使兩側(cè)行走的距離發(fā)生改變，從而達(dá)到在管道中具有一定的轉(zhuǎn)彎能力；

因此，該可調(diào)式管道爬行機(jī)器人技術(shù)具有非常重大的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

5.前景展望

該管道機(jī)器人的適應(yīng)范圍及推廣前景

基于管道機(jī)器人具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）適用于各種管內(nèi)作業(yè); 2）適用于管道的無(wú)損檢測(cè)；3）適用于各種管道的清理等。提高了管道機(jī)器人的可靠性和效率以及降低了使用成本，能滿足各種管道作業(yè)的需求，因此可調(diào)式管道爬行機(jī)器人具有很好的應(yīng)用前景。

6.參考文獻(xiàn)

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[4] 鄧宗全，王永福，徐偉等．管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人拖線力計(jì)算方法研究．機(jī)械設(shè)計(jì)，1995，(9)．46-49