關于機械自適應中管道機器人的機構原理與驅動技術分析

吳　落（國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心,廣州　510530）

關于機械自適應中管道機器人的機構原理與驅動技術分析

吳落
（國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心,廣州510530）

摘要：管道作為輸送物料的工具已在軍事裝備、天然氣、石油以及核工業(yè)等領域中得到廣泛的應用。管道在運作的過程中因物料摩擦、壓力等因素的影響，常出現泄露和管道壽命短的情況。對管道的及時檢測與維修至關重要，管道機器人作為管道維護的有效工具，在維修手段、檢測以及故障等方面具有高效性和準確性，其已廣泛地應用于管道的焊接、維修、檢測以及探傷等方面。本文介紹分析了機械自適應中管道機器人的機構原理，并且進一步分析了機械自適應中管道機器人的驅動技術。

關鍵詞：自適應；管道機器人；機構原理；驅動技術

通過理論和實踐兩個層面對機械自適應中管道機器人的機構原理與驅動技術進行分析研究，可以更好地解決管道機器人在不規(guī)則管道或者彎管運行過程當中被干涉等問題，提高管道機器人對管道環(huán)境的適應性進而提高工作效率，從而進一步推動機械自適應管道機器人在軍事、天然氣、石油等行業(yè)和領域中的應用與推廣，而且在一定程度上還能夠促進機械自適應管道機器人在其他領域的應用與推廣。

1　機械自適應中管道機器人的機構原理分析

多電機獨立驅動與單電機驅動是傳統(tǒng)的直進輪式管道機器人驅動的主要方式，為了克服多電機獨立驅動穩(wěn)定性差和實時性差以及單電機驅動傳動性差、工作效率低以及磨損嚴重等缺點，科研人員研發(fā)出機械自適應型管道機器人。機械自適應型管道機器人現階段普遍采用的是直進輪式管道機器人的單電機驅動，這種驅動系統(tǒng)是由預緊變徑、中央差速、行走以及控制四個單元組成。經過改進之后該驅動系統(tǒng)具有很強的管道自適應能力，工作效率也比較高。

通過離合器將動力從電機輸出，在控制單元的操作下將動力傳遞到中央差速單元以及預緊變徑單元；在管道環(huán)境符合一定的條件下，中央差速單元能夠實現差速分配的自動化，通過行走單元將動力傳遞到驅動輪。在動力的傳遞過程當中，機械自適應型管道機器人會出現向后或者向前移動的現象，這種現象的出現在于：壓力傳感器位于驅動系統(tǒng)的預緊變徑單元，該傳感器會為控制單元提供準確高效地預緊力測量信息，系統(tǒng)根據壓力傳感器所提供的預緊力數值自動辨別該數值是否滿足設定的預緊力要求，如果不符合預設的要求歐，控制單元的離合器會選擇預緊變徑單元作為傳遞動力的方向，直到預緊力的測量數值滿足驅動系統(tǒng)所需的要求為止。

相比于傳統(tǒng)的管道機器人，機械自適應型管道機器人憑借其科學的機構原理，運用機械化的方法，較好地解決了管道機器人在遇到不規(guī)則管道或彎管所面臨的運動干涉的難題，在實際的操作過程中機械自適應型管道機器人具有很強的自適應能力。同時，雙排輪和圓周三點的支撐方式，為機械自適應型管道機器人超越障礙能力以及負載能力的提高創(chuàng)造了很好地條件；沿軸對稱、均勻分布的前后支撐輪，能夠達到自定心以及形成封閉的條件，還能夠增強行走輪的適應性和穩(wěn)定性。

機械自適應管道機器人在設計的時候通過運用幾何約束來實現其順利越過彎道內的障礙；通過研究和實踐，運用機械化的方法以及三軸差速等理念通過設置中央差速單元有效地解決了傳統(tǒng)管道機器人在操作中遇到的問題。其次，機械自適應型管道機器人的預緊變徑單元主要是由絲杠螺母、升降機、蝸輪蝸桿以及彈簧等部件組成，很好地實現了機械自適應型管道機器人的預緊變徑能力；通過將三個平行四邊形組合在一起，以圓周的方式將其均勻分布，實現了機械自適應型管道機器人的行走越障和欠主動驅動。

2　機械自適應中管道機器人的驅動技術分析

為了保證管內移動機器人對管道環(huán)境具有良好的適應性，國內外學者研制了不同結構形式的差動驅動式管道機器人?，F階段機械自適應型管道機器人已經憑借其很高的工作效率和超強的適應能力，投入使用到許多行業(yè)和領域的管道的創(chuàng)口焊接和維修當中，對于泄露事故的防范以及管道壽命的延長都起到一定的效果。提出了一種新型差動式管道機器人——機械自適應型管道機器人,其驅動單元是由三軸差速式驅動模塊與彈性全主動輪腿式管徑適應模塊組成。

在機械自適應型管道機器人的驅動設計方面，科研人員把“彈性全主動輪腿式管徑適應模塊”和“三軸差速式驅動模塊”組成驅動單元，不論是在直管階段，還是在彎管階段以及不規(guī)則管道階段，“彈性全主動輪腿式管徑適應模塊”和“三軸差速式驅動模塊”都可以不同程度的防止寄生功率的產生，并能夠保證在懸空狀態(tài)之下行走輪拖動力的充足性，從而適應機械自適應型管道機器人所處的管徑不斷變化的管道環(huán)境。

管道機器人在驅動單元方面在設計的時候要通過運用一定的驅動技術讓其具備管徑適應以及差速的性能和作用。機械自適應型管道機器人的驅動技術的應用，提高了機械自適應型管道機器人對管道環(huán)境的適應能力，促進了管道機器人工作效率的提高。

三軸差速式驅動模塊可根據管道拓撲約束自動調節(jié)驅動單元各行走輪轉速,避免了因行走輪滑移產生的寄生功率;彈性全主動輪腿式管徑適應模塊通過徑向的伸縮來適應管徑的變化,其全主動結構保證了行走輪在懸空狀態(tài)下仍可提供足夠的拖動力。

3　小結

在分析機械自適應中管道機器人的機構原理與驅動技術的過程當中，我們運用三維建模以及管道機器人的運動仿真等方式，對機械自適應型管道機器人的自適應能力以及其他性能做了理論和實踐上的進一步研究與分析。機械自適應型管道機器人的成本低、工作可靠、驅動效率高、結構緊湊以及適應能力強等特點都在研究與分析得到了驗證。伴隨著科學技術的不斷進步，還要及時地更新和完善機械自適應管道機器人的機構原理以及驅動技術，保證機械自適應管道機器人的工作能力和管道環(huán)境適應能力的進一步的提高，從而推動我國管道使用壽命的延長以及各個領域管道運輸泄露情況的改善。

參考文獻：

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