仿尺蠖式氣壓驅(qū)動(dòng)管道清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)

， ，

(東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 吉林 吉林　132012)

引言

管道運(yùn)輸在石油、天然氣、化工等工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大作用，降低了運(yùn)輸成本，極大的推動(dòng)了工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。在流體介質(zhì)運(yùn)輸過程中，管道內(nèi)部不可避免的存在破裂、泄漏、結(jié)塊等現(xiàn)象，影響了管道運(yùn)輸功能的發(fā)揮；但是管道大都深埋于地下，要對(duì)管道實(shí)施檢測(cè)和維修，存在很大的困難；在此背景下，能夠進(jìn)入管道內(nèi)部作業(yè)的管道機(jī)器人引發(fā)了廣大學(xué)者的研究熱情。唐整生[1]研究了一種適用于10 cm以下的小型管道的作業(yè)機(jī)器人，該機(jī)器人采用無線方式驅(qū)動(dòng)，完成對(duì)管道內(nèi)無損探傷、管道內(nèi)壁防腐噴涂、管道清淤、內(nèi)壁視覺檢查等功能。唐德威等[2]研制了一種具有差動(dòng)運(yùn)動(dòng)功能的環(huán)境自適應(yīng)輪式管道機(jī)器人，該機(jī)器人在通過彎管時(shí)可根據(jù)管道環(huán)境利用三軸差動(dòng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)各驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速， 從而提高機(jī)器人通過彎管時(shí)的運(yùn)動(dòng)柔順性。唐德威等研制的三軸差動(dòng)機(jī)器人具有良好的性能，后續(xù)學(xué)者在此基礎(chǔ)上繼續(xù)展開了深入的研究。殷奇會(huì)等[3]對(duì)三軸差速式管道機(jī)器人在惡劣管道工作環(huán)境中的生存能力進(jìn)行了研究，提出了一種提高且能計(jì)算出管道機(jī)器人越障能力的方法，取得了良好的效果。張學(xué)文等[4]研究了三軸差動(dòng)式管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元的彎管通過性, 建立了驅(qū)動(dòng)單元在彎管處的運(yùn)動(dòng)方程與平衡方程, 分析了其在彎管處的差速特性與力學(xué)特性。孫麗霞等[5]對(duì)三軸差動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行了設(shè)計(jì)。徐小云等[6]針對(duì)能夠適應(yīng)管徑為 40～65 cm的管道, 提出了3 種適應(yīng)不同管徑的常用調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，并且分析了每種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性, 給出了計(jì)算結(jié)果, 比較了各種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。胡文君等[7]則對(duì)管道機(jī)器人通過管道三通處的通過性進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的控制策略。李鵬[8]、喬晉崴[9]則從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)的角度提出不同的管道機(jī)器人機(jī)構(gòu)，對(duì)于管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

本研究以管道清潔機(jī)器人為研究對(duì)象，參照自然界昆蟲尺蠖的運(yùn)動(dòng)方式，運(yùn)用仿生原理設(shè)計(jì)了仿尺蠖式氣壓驅(qū)動(dòng)管道清潔機(jī)器人，在管道機(jī)器人設(shè)計(jì)原理上進(jìn)行了較大的創(chuàng)新。

1　管道清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)

1.1　機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尺蠖是自然界中較為常見的一種無脊椎動(dòng)物，其運(yùn)動(dòng)形式較為特殊，它可以通過身體的前端和后端分別于樹枝等固定，身體中間翹曲的方式向前運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過程往復(fù)循環(huán)，其運(yùn)動(dòng)方式在仿生學(xué)上具有非常重要的意義。本研究所設(shè)計(jì)的管道清潔機(jī)器人仿照了自然界中尺蠖的運(yùn)動(dòng)方式，采用了前端和后端分別固定，中間收縮的方式實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在管道內(nèi)壁的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方式簡(jiǎn)單可靠，整個(gè)設(shè)計(jì)具有較大的創(chuàng)新性。

用于石油、工業(yè)廢水等腐蝕性介質(zhì)運(yùn)輸?shù)墓艿纼?nèi)部的工況非常復(fù)雜，常伴有結(jié)塊、凹凸等表面特征，造成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的阻力增大，拖纜作業(yè)時(shí)拖纜阻力增大，這要求機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有較大的驅(qū)動(dòng)力，可以保證機(jī)器人能夠較長(zhǎng)距離的運(yùn)動(dòng)；同時(shí)清除管道內(nèi)部結(jié)塊也需要清潔作業(yè)單元具有較大的驅(qū)動(dòng)力，保證清潔的效果。綜合上述設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)采用氣壓驅(qū)動(dòng)作為管道機(jī)器人的動(dòng)力源，采用大功率氣壓馬達(dá)作為清潔作業(yè)單元的驅(qū)動(dòng)源。氣壓驅(qū)動(dòng)具有反映迅速、傳輸距離遠(yuǎn)、質(zhì)量少、傳輸介質(zhì)不需要回收等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以在遠(yuǎn)距離傳輸中很好的發(fā)揮作用。

仿尺蠖式氣壓驅(qū)動(dòng)管道清潔機(jī)器人原理如圖1所示。

1.清潔作業(yè)單元　2.氣壓馬達(dá)　3.橫向支撐滑輪14.橫向支撐氣壓桿1　5.橫向支撐氣壓缸1　6.縱向驅(qū)動(dòng)單元17.縱向驅(qū)動(dòng)氣壓桿　8.縱向驅(qū)動(dòng)單元2　9.橫向支撐氣壓缸210.橫向支撐氣壓桿2　11.橫向支撐滑輪2　12.管道圖1　氣壓驅(qū)動(dòng)管道清潔機(jī)器人

清潔作業(yè)單元采用高強(qiáng)度合金旋轉(zhuǎn)刀頭作為清除工具，采用氣壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)合金刀頭旋轉(zhuǎn)，能夠有效的清除管道內(nèi)壁的附著物?？v向驅(qū)動(dòng)單元1和2采用直線驅(qū)動(dòng)液氣壓缸作為動(dòng)力源。兩個(gè)縱向驅(qū)動(dòng)單元之間通過虎克鉸鏈連接，能夠保證在管道彎曲部分通過虎克鉸鏈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。橫向支撐單元1和2分別通過氣壓缸作用在管道內(nèi)壁上，能夠在機(jī)器人機(jī)械清潔作業(yè)和移動(dòng)作業(yè)的時(shí)候?yàn)闄C(jī)器人提供橫向支撐力；同時(shí)，由于橫向支撐單元通過氣壓缸驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)行程可以在移動(dòng)范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，通過運(yùn)動(dòng)行程的調(diào)節(jié)可以適應(yīng)不同內(nèi)徑的管道，拓展機(jī)器人的應(yīng)用范圍。

2　管道機(jī)器人仿尺蠖式工作原理分析

2.1　仿尺蠖式工作原理分析

通過對(duì)管道機(jī)器人作業(yè)過程的分析，本研究提出了管道機(jī)器人的仿尺蠖式工作方式，其工作原理可以分為以下5個(gè)環(huán)節(jié)：

(1) 前向支撐環(huán)節(jié)：在本環(huán)節(jié)中，橫向支撐單元1氣壓缸進(jìn)給，整個(gè)支撐單元1鎖定管道內(nèi)壁；橫向支撐單元2氣壓缸回縮，橫向支撐單元2的鎖定滑輪脫離管道內(nèi)壁，處于懸浮導(dǎo)向狀態(tài)，該過程與尺蠖運(yùn)動(dòng)過程中的頭部固定，尾部松開的狀態(tài)一致。其作用形式如圖2所示：

圖2　前向支撐環(huán)節(jié)原理

(2) 縱向拉動(dòng)進(jìn)給：在本環(huán)節(jié)中，縱向驅(qū)動(dòng)單元1氣壓缸右端工作，縱向驅(qū)動(dòng)單元1的活塞桿通過虎克鉸鏈拉動(dòng)縱向驅(qū)動(dòng)單元2向前進(jìn)給，該過程與尺蠖運(yùn)動(dòng)過程中的頭部固定，中間彎曲帶動(dòng)尾部前進(jìn)的狀態(tài)一致。其作用形式如圖3所示：

圖3　縱向拉動(dòng)進(jìn)給原理

(3) 后向支撐環(huán)節(jié)：在本環(huán)節(jié)中，橫向支撐單元2氣壓缸進(jìn)給，整個(gè)支撐單元2鎖定管道內(nèi)壁；橫向支撐單元1氣壓缸回縮，橫向支撐單元1的鎖定滑輪脫離管道內(nèi)壁，處于懸浮導(dǎo)向狀態(tài)，該過程與尺蠖運(yùn)動(dòng)過程中的尾部固定，頭部松開的狀態(tài)一致。其作用形式如圖4所示：

圖4　后向支撐環(huán)節(jié)原理

(4) 縱向推動(dòng)進(jìn)給：在本環(huán)節(jié)中，縱向驅(qū)動(dòng)單元1氣壓缸左端工作，縱向驅(qū)動(dòng)單元1的活塞桿通過虎克鉸鏈拉動(dòng)縱向驅(qū)動(dòng)單元2固連，縱向驅(qū)動(dòng)單元1氣壓缸向前進(jìn)給，該過程與尺蠖運(yùn)動(dòng)過程中的尾部固定，中間伸直帶動(dòng)頭部向前運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)一致。其作用形式如圖5所示：

圖5　縱向推動(dòng)進(jìn)給原理

(5) 清潔作業(yè)環(huán)節(jié)：在本環(huán)節(jié)中，橫向支撐單元1和2的氣壓缸全部進(jìn)給，鎖定管道內(nèi)壁，氣壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)合金刀頭旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行軌道內(nèi)部清潔作業(yè)。

當(dāng)機(jī)器人完成整個(gè)管道的清潔作業(yè)后，仿照尺蠖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)換，縱向驅(qū)動(dòng)單元2變成拖動(dòng)單元，縱向驅(qū)動(dòng)單元1變成推動(dòng)單元，帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人退出管道，完成全部作業(yè)。

2.2　氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在分析上述工作原理的基礎(chǔ)上，本研究設(shè)計(jì)了仿尺蠖式氣壓驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人的氣系統(tǒng)，其原理圖如圖6所示。

圖6　氣壓系統(tǒng)原理圖

3　結(jié)論

1) 提出了仿尺蠖式管道內(nèi)壁清潔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，進(jìn)行了管道清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)原理上的創(chuàng)新;

2) 設(shè)計(jì)了管道內(nèi)壁清潔的機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)，完成了管道清潔機(jī)器人所有功能;

3) 設(shè)計(jì)了管道清潔機(jī)器人的氣壓系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐整生.多功能管道機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[J].化學(xué)工程與裝備,2013,(3):52-55.

[2]唐德威,李慶凱,姜生元,等.具有差動(dòng)運(yùn)動(dòng)功能的管道機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(13):1-8.

[3]殷奇會(huì),孔凡讓.三軸差速式管道機(jī)器人越障能力分析[J].機(jī)電工程,2012,29(12):1371-1375.

[4]張學(xué)文,鄧宗全,賈亞洲,等.三軸差動(dòng)式管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元彎管通過性研究[J].中國機(jī)械工程,2008,(23):2777-2781.

[5]孫麗霞,江旭東,姜生元,等.機(jī)械自適應(yīng)型管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2009,(10):37-40.

[6]徐小云,顏國正,丁國清,等.管道機(jī)器人適應(yīng)不同管徑的三種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的比較[J].光學(xué)精密工程,2004,12(1):60-65.

[7]胡文君,李著信,蘇毅,等.管道機(jī)器人在三通處的通過性分析[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào),2005,(3):49-53.

[8]李鵬,馬書根,李斌,等.具有自適應(yīng)能力管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2009,45(1):154-161.

[9]喬晉崴,尚建忠,陳循,等.基于凸輪自鎖原理的伸縮式管道機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,46(11):83-88.