一種管道疏通蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)研究

劉響響 羅家維 趙婧

摘要：各類管道和人們的生活生產(chǎn)密不可分，由于管道常用于輸送腐蝕性液體或各類污水，人們對該類管道的堵塞處理非常困難。尤其是多數(shù)管道比較長、直徑比較小，一旦發(fā)生堵塞，一般的疏通工具難以抵達(dá)堵塞部位。根據(jù)管道疏通現(xiàn)狀，研制了一種用于狹窄管道的仿生蛇形機(jī)器人，該機(jī)器人根據(jù)蛇類形體特征和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)，能夠更好地適應(yīng)較細(xì)管道的疏通工作。

關(guān)鍵詞：管道;堵塞;疏通;機(jī)器人

1 ? ?蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)類型與控制方案分析

生物蛇的運(yùn)動(dòng)分為直線爬行、蜿蜒前進(jìn)、伸縮運(yùn)動(dòng)三種基本類型，結(jié)合下水管道的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，蛇形機(jī)器人采用直線運(yùn)動(dòng)模式最為適合[1]。所謂“直線運(yùn)動(dòng)模式”是指蛇身體骨骼構(gòu)造特殊，軀干部分骨骼僅存肋骨，肋骨之間通過一定的肌肉相連，通過肌肉的伸縮實(shí)現(xiàn)肋骨的前后運(yùn)動(dòng)，肋骨與貼地的腹鱗之間存在一定的肌肉關(guān)聯(lián)，當(dāng)肋骨和腹部鱗片之間的肌肉收縮時(shí)，肋骨即可向前移動(dòng)，進(jìn)而使腹部鱗片豎起，這樣豎起的鱗片對地面有個(gè)斜向前的力的作用，此時(shí)，蛇身并沒有向前運(yùn)動(dòng)，豎起的鱗片和收縮的腹部肌肉處于一種力學(xué)平衡中，蛇腹部肌肉放松時(shí)，這種平衡被打破，僅存鱗片對地面的作用力，這種力將推動(dòng)蛇身體向前運(yùn)動(dòng)[2]。所有的肋骨依次做相應(yīng)動(dòng)作，即可完成蛇的直線爬行運(yùn)動(dòng)。在構(gòu)造蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型時(shí)，主要完成肋骨的結(jié)構(gòu)替換設(shè)計(jì)和骨環(huán)之間的肌肉替換仿真控制。

2 ? ?蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)組成結(jié)構(gòu)

蛇形機(jī)器人軀干采用分段模塊設(shè)計(jì)，仿照蛇類骨環(huán)設(shè)置相應(yīng)的關(guān)節(jié)環(huán)，這種關(guān)節(jié)環(huán)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該關(guān)節(jié)環(huán)采用氣囊的結(jié)構(gòu)模式，單個(gè)關(guān)節(jié)環(huán)設(shè)置四個(gè)條帶狀扇面氣囊室（A、B、C、D），條帶狀氣囊首尾兩端固定在前后氣囊固定架之上，并且氣囊之間采用分割架進(jìn)行限位隔離。條帶狀氣囊由彈性外壁包裹，在關(guān)節(jié)環(huán)外部設(shè)置彈性外壁。每段關(guān)節(jié)末端設(shè)置一個(gè)環(huán)狀氣囊室，環(huán)狀氣囊室采用內(nèi)外環(huán)固定支撐架固定，內(nèi)環(huán)支撐架直徑小于外環(huán)支撐架。環(huán)狀氣囊室外壁由彈性材料構(gòu)成，在彈性材料上安裝防后移裝置，如圖2所示。防后移裝置主要由限位鱗片、刀形連桿、彈簧室、環(huán)形氣囊室組成，當(dāng)該關(guān)節(jié)的環(huán)形氣囊室氣體充氣后，環(huán)形氣囊室支撐類似魚鱗片形的防位移限位鱗片，防止蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)向后移動(dòng)，當(dāng)氣囊失氣后，刀片狀連桿在彈簧的拉力作用下使防位移鱗片緊貼蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)，此時(shí)蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)近似一個(gè)圓柱形。因此，后級氣囊環(huán)起到位置固定作用。

3 ? ?蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與控制系統(tǒng)研究

蛇類在直線運(yùn)動(dòng)過程中，通過調(diào)整骨環(huán)之間肌肉束的伸展和伸縮實(shí)現(xiàn)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中各部分的功能主要通過調(diào)整環(huán)狀限位氣囊的通氣縮張和條帶狀扇面氣囊室伸展和收縮實(shí)現(xiàn)，采用四個(gè)（A、B、C、D）條帶狀氣囊，蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)橫截面顯示各條帶狀氣囊呈扇面狀。蛇形機(jī)器人主要由多級關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)串聯(lián)組成，相鄰關(guān)節(jié)間通過關(guān)節(jié)固定架上的法蘭盤固定在一起，仿照蛇類骨環(huán)肌肉動(dòng)作完成仿生動(dòng)作，在前進(jìn)運(yùn)動(dòng)過程中采用多級協(xié)作模式。首先是前級關(guān)節(jié)環(huán)狀氣囊室中的氣體轉(zhuǎn)移到后級關(guān)節(jié)環(huán)狀氣囊室中，在該模式下，后級環(huán)狀限位氣囊（所謂“限位氣囊”，主要通過該機(jī)構(gòu)與接觸面的壓力，阻礙蛇形機(jī)器人身體在運(yùn)動(dòng)過程中向后移位）膨脹，使后級關(guān)節(jié)的重力中相當(dāng)一部分作用在后級關(guān)節(jié)的氣囊環(huán)之上，同時(shí)，前級關(guān)節(jié)環(huán)狀氣囊室因?yàn)槭怏w支撐，整個(gè)前級關(guān)節(jié)貼地重心也隨之下降。其次，前級關(guān)節(jié)四個(gè)條帶狀扇面氣囊中的氣體通過氣體泵經(jīng)過相應(yīng)的微型管道轉(zhuǎn)移至后級關(guān)節(jié)相應(yīng)的氣囊室中;在氣體轉(zhuǎn)移過程中，后級氣囊產(chǎn)生自然的前后伸展（氣囊側(cè)向伸縮受到關(guān)節(jié)外罩的束縛作用，限制橫向縮張作用），又因?yàn)槭艿胶蠹壄h(huán)狀限位氣囊的限制作用，后級條帶狀扇面氣囊做前伸運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)前級關(guān)節(jié)向前移動(dòng)。當(dāng)該動(dòng)作完成時(shí)，后級環(huán)狀氣囊室中的氣體再次轉(zhuǎn)移到前級環(huán)狀氣囊室，然后后級關(guān)節(jié)條帶狀扇面氣囊中的氣體再次轉(zhuǎn)移到前級關(guān)節(jié)條帶狀扇面氣囊中，后級關(guān)節(jié)氣囊收縮，拉動(dòng)后級關(guān)節(jié)前移。按照這種模式不斷循環(huán)，蛇形關(guān)節(jié)依次向前移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)器人的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制過程如圖3所示。

蛇形機(jī)器人前后關(guān)節(jié)中的條帶狀扇面氣囊室之間的氣體轉(zhuǎn)移采用氣體導(dǎo)管經(jīng)過微型氣泵抽送完成。在氣體抽送過程中，通過安裝在各類氣囊上的壓力傳感器對相應(yīng)的氣囊內(nèi)的氣壓進(jìn)行判斷，由氣壓變化完成氣囊是否實(shí)現(xiàn)氣體抽送任務(wù)的判斷。例如，條帶狀扇面氣囊的氣體壓力值傳感器達(dá)到壓力值101.325 kPa，即表示該氣囊室處于完全伸展?fàn)顟B(tài);否則即處于收縮狀態(tài)。按照需要完成對不同氣囊間的氣體抽送，實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)的伸縮控制，最終實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。

4 ? ?結(jié)語

經(jīng)過論證，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可采用較輕質(zhì)材料完成，降低蛇形機(jī)器人自身重量，減輕機(jī)器人移動(dòng)過程中的能量損耗。整個(gè)結(jié)構(gòu)體組成較為簡單，關(guān)節(jié)模塊化程度較高，易于生產(chǎn)與組裝，因而具備一定的實(shí)用性和可靠性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 鄔昭平，劉許童.一種基于真空吸入式氣力輸送技術(shù)的大管道疏通設(shè)備研發(fā)[J].科技資訊，2016，14（18）：41-42.

[2] 琚立穎，龍海洋，李耀剛.自主式微型管道疏通車疏通驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓，2016，44（8）：75-77.

收稿日期：2020-08-25

作者簡介：劉響響（1989—），男，安徽人，碩士，研究方向：智能控制。