復(fù)雜環(huán)境下旋轉(zhuǎn)式變向管道清洗機器人及轉(zhuǎn)向技術(shù)研究

0 引言

隨著社會的發(fā)展，天然氣管道以及各種輸送管道的應(yīng)用越來越多。而在使用的過程中管道內(nèi)的粉塵，碎屑物質(zhì)的積累會使得管道的輸送成本提高，輸送效率降低。人為清理管道成本高，而且工序復(fù)雜。因此使用小型機器人實現(xiàn)自動化清理管道便成為最經(jīng)濟，合理的選擇。我國的天然氣輸送管道的直徑一般在426mm～720mm。由于粉塵與碎屑黏附在管道內(nèi)徑表面會導(dǎo)致內(nèi)徑的不均勻變化，并且在某些地段有90°直角管道。因此針對這些現(xiàn)實情況目前國內(nèi)外研究人員都提出許多有價值的方案。Thes系列輪式管道機器人就是由東京工業(yè)大學(xué)研發(fā)的[1]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧全宗開發(fā)了針對海底管道的六輪驅(qū)動式機器人[2]，韓國的CHOI也研制出了MRINSPECT系列的多關(guān)節(jié)輪式小車[3]。因此由以往文獻可知，目前的管道清洗機器人以履帶、輪子實現(xiàn)在管道中的移動的居多數(shù)。但是針對直角管道的轉(zhuǎn)向問題卻未有充分研究，因此轉(zhuǎn)向技術(shù)仍有缺陷，并且市場尚不成熟。

針對目前管道清洗機器人存在的缺點，基于基本的機械原理[4]和設(shè)計[5]，運用CAD軟件進行仿真模擬，并通過參數(shù)分析，設(shè)計出了一種新型履帶式管道清洗機器人。此機器人可實現(xiàn)在大范圍內(nèi)徑變化范圍較大的管道的通行，并且能順利通過90°管道以及丁字形等復(fù)雜管道；同時可以在有淤泥及光滑的管道內(nèi)實現(xiàn)無障礙行進；并且機器人可以實現(xiàn)在垂直方向的爬行運動。

1 機器人主體結(jié)構(gòu)

本機器人主體由行走機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和清洗機構(gòu)組成，三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 機器人三維示意圖及實物圖

本機構(gòu)初步設(shè)計目標(biāo)是為在天然氣及輸送管道中行走除污。為了適應(yīng)不管道內(nèi)徑不均勻變化的情況，采用傘狀伸縮結(jié)構(gòu)，易于對機腿進行伸縮變換；同時為了使機器人在管道中無障礙行走、越障爬行以及轉(zhuǎn)向，使用三個減速電機為行走機構(gòu)提供行進動力；一個減速電機為旋轉(zhuǎn)絲杠提供動力，通過旋轉(zhuǎn)絲杠實現(xiàn)傘狀結(jié)構(gòu)伸縮；一個減速電機為機體后蓋旋轉(zhuǎn)提供動力，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運動。

1.1 行走機構(gòu)

本機器人，為實現(xiàn)履帶與管壁的緊密貼合，三組完全相同的履帶行走機構(gòu)呈120°對稱分布在機身主體外架上。行走機構(gòu)三維示意圖如圖2所示。

圖2 行走結(jié)構(gòu)三維示意圖及實物圖

為確保行走機構(gòu)在管道中有足夠的動力行進并且摩擦力適當(dāng)，并且在機器人處于垂直攀爬時，管道內(nèi)徑對機器人的摩擦力可以支撐機器人本生的重力。對于履帶外形尺寸參數(shù)的設(shè)計需要嚴(yán)謹(jǐn)合理的推導(dǎo)計算。

首先，因為履帶的寬窄與摩擦力有密切關(guān)系。如果履帶較窄，它的行進時摩擦力小及所提供的行進動力就?。蝗袈膸珜挄r，貼壁效果不明顯，提供的摩擦力就小。因此利用CAD作圖，如圖3所示的模擬的方法分析。

設(shè)履帶寬為d。

為了達到更好的貼壁效果：

a為履帶的齒高，取10mm；

選取履帶的寬度為：B=150mm。

然后，分析履帶的長度。因為履帶的長度與轉(zhuǎn)彎的性能有關(guān)，若履帶的長度大時，會有更大的摩擦力作用于機器人，需要大功率的電機帶動履帶運動，對電源的要求較高；在彎道轉(zhuǎn)彎時不易貼緊管道內(nèi)表面，容易產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。所以履帶的長度也不能太長。

同時L/B如果太大，會增大轉(zhuǎn)向阻力，增大轉(zhuǎn)向功率，加大轉(zhuǎn)向困難；L/B如果太小，會影響機器人行駛穩(wěn)定性[6]：

故選取履帶的長度為：L=580mm。

最后，分析履帶的高度。因為履帶的高度受管道直徑的制約，同時還受傘狀撐開桿結(jié)構(gòu)的影響；由于傘狀撐開桿結(jié)構(gòu)要能在直徑為400mm～1000mm范圍管道內(nèi)變化，并且桿長要達到給定的范圍。故通過對撐開桿組的分析設(shè)計，最終確定履帶的高度H=175mm。

圖3 CAD模擬圖

1.2 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

該機器人旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由內(nèi)部絲杠旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和外部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。

內(nèi)部絲杠結(jié)構(gòu)通過電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)機腿的伸縮，從而實現(xiàn)傘狀結(jié)構(gòu)的張合。其運用絲杠和螺母結(jié)構(gòu)，將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動；推動機腿的伸縮，使機器人適應(yīng)不同管徑。滾珠絲杠機構(gòu)相對于齒輪齒條結(jié)構(gòu)具有更高的精確度，在豎直管道行進作業(yè)中壓力的微小變化就有可能使機器人打滑甚至摔毀，所以選擇絲杠機構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 絲杠旋轉(zhuǎn)機構(gòu)CAD圖及實物圖

外部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)通過電機帶動機體后蓋旋轉(zhuǎn)改變行走機構(gòu)的角度，通過行走機構(gòu)在管道中旋轉(zhuǎn)行進從而實現(xiàn)機器人彎道轉(zhuǎn)向。打破了常規(guī)的輪式轉(zhuǎn)向的不順暢的缺點，實現(xiàn)彎道流暢轉(zhuǎn)向。如圖5所示。

圖5 外部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

1.3 清洗機構(gòu)

清洗機構(gòu)是采用高壓噴頭清洗，高壓噴頭采用圓錐形狀，在使用過程中通過噴嘴內(nèi)孔橫截面的收縮，將高壓的液體和空氣在噴嘴中聚集起來然后急速噴出，產(chǎn)生高沖擊力的水流從外側(cè)噴出，噴頭在壓力的作用下不斷抖動，從而清洗掉管道內(nèi)的大部分淤泥等雜質(zhì)。如圖6所示。

圖6 高壓噴頭

2 機器人動力機構(gòu)

2.1 電機選取

該機器人受力如圖7所示，預(yù)?。?/p>

由于三履帶呈120°分布：

（μ為橡膠與鋼材之間的摩擦系數(shù)）

假設(shè)清洗機器人最大速度為0.5m/s：

故選取功率為200w的電機。

圖7 機器人受力圖

2.2 電源選取

考慮到管道內(nèi)徑變化比較復(fù)雜，大部分情況又是在野外作業(yè)，需要機器人要有自帶的供電系統(tǒng)，有較為靈活的運動能力，并且工作連續(xù)時長越長越好。因此在電源的選取上需要重量輕，體積小，并且電量大的供電電源。根據(jù)機器人電機的電壓和電路板電壓的要求，再結(jié)合實際市場上可選擇的情況，選擇由3.7V單體鋰電池組成的鋰電池組，其具有電壓可自主裝配調(diào)節(jié)，并且價格低廉。

3 機器人控制系統(tǒng)

由于考慮到機器人的供電電量有限，且機器人的電機控制系統(tǒng)不宜選用復(fù)雜系統(tǒng)，因此機器人控制系統(tǒng)選用PWM脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)是對于直流電機無極調(diào)速最優(yōu)化的調(diào)速系統(tǒng)。PWM調(diào)速系統(tǒng)可調(diào)節(jié)頻帶寬，電流脈動小，電源功率因素高級，電機動態(tài)硬度好，而且技術(shù)已經(jīng)非常成熟，使用普通的芯片和電路系統(tǒng)即可實現(xiàn)其功能。

本機器人的控制系統(tǒng)分為行走機構(gòu)控制、絲杠旋轉(zhuǎn)機構(gòu)控制及外部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)控制。每個控制系統(tǒng)獨力地由一個PWM脈寬調(diào)節(jié)器控制。行走機構(gòu)要求控制系統(tǒng)能夠統(tǒng)一控制三個電機，從而在脈沖作用下實現(xiàn)同步前行，并且通過調(diào)制PWM波就能夠?qū)崿F(xiàn)機器人在行走速度上的控制。絲杠旋轉(zhuǎn)機構(gòu)控制通過單一電調(diào)發(fā)射脈沖信號，實現(xiàn)電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn)進行正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)傘狀結(jié)構(gòu)的張開閉合，同理也能通過PWM波的調(diào)節(jié)實現(xiàn)傘狀結(jié)構(gòu)運動速度的調(diào)節(jié)。外部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)通過單一電調(diào)發(fā)射脈沖信號，實現(xiàn)角度旋轉(zhuǎn)，從而轉(zhuǎn)向。

4 機器人定位系統(tǒng)

如果機器人在清洗過程中遇到嚴(yán)重阻塞，需人工處理時，需要對管道中機器人的定位來確定管道阻塞位置。雖然管道是封閉的，但路徑是固定的，因此可仿照出租車?yán)锍滔到y(tǒng)計算出行進里程[7]，而后通過里程和管道路線對比來判斷機器人的具體位置，從而快速精確地判斷出阻塞嚴(yán)重的位置，來實施人工清污。

5 彎道轉(zhuǎn)向技術(shù)分析

機器人轉(zhuǎn)向過程，假設(shè)：

1）機器人履帶與管道無縫貼合；

2）單根履帶與管道的接觸處摩擦力處處相同；

3）空氣阻力、傳動機構(gòu)間內(nèi)阻力、履帶與驅(qū)動輪間的內(nèi)阻力忽略不計。

該機器人轉(zhuǎn)向的實現(xiàn)，是通過尾部后蓋的旋轉(zhuǎn)帶動行走機構(gòu)尾部的的轉(zhuǎn)向，通過機器人行走機構(gòu)與主體呈一定的角度螺旋式行進，從而順滑地通過彎道?，F(xiàn)對轉(zhuǎn)向所需功率做分析：

圖8 機器人管道對比圖

取前支撐桿到后支撐桿的距離為S=500mm。

可近似看作：

同理計算出：

尾蓋的直徑為：

故電動機功率為：

外部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)實際電機功率足夠帶動尾部旋轉(zhuǎn)。

尾部機構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度越大，越容易實現(xiàn)彎道螺旋式行進。

設(shè)尾部旋轉(zhuǎn)最大角度為θ時；

撐開桿組尾部支撐桿要下降

同時轉(zhuǎn)動

因為撐開桿組為平行四邊形機構(gòu)，所以將帶動行走機構(gòu)尾部下降h，同時轉(zhuǎn)動β；

而對應(yīng)的行走機構(gòu)前部將向上移動

將額外產(chǎn)生

σ為橡膠的許用應(yīng)力。

又因此時電機產(chǎn)生的功率

得出此時旋轉(zhuǎn)最大角度θ≤10°。

為了保障旋轉(zhuǎn)時傘狀撐開桿組的安全使用，平行四邊形機構(gòu)轉(zhuǎn)向角度取5°～10°。

6 結(jié)論

本文在設(shè)計管道清洗機器人過程中通過文獻查閱，網(wǎng)絡(luò)搜索了解到管道機器人的應(yīng)用場地，總結(jié)各種管道機器人的優(yōu)缺點，了解到市場上管道清洗機器人彎道轉(zhuǎn)向的不足，側(cè)重于優(yōu)化彎道轉(zhuǎn)向的技術(shù)。創(chuàng)新出螺旋式彎道轉(zhuǎn)向技術(shù)，打破常規(guī)彎道轉(zhuǎn)型不靈活的特點，實現(xiàn)彎道無阻流暢轉(zhuǎn)向。機器人的另一個創(chuàng)新點在于利用傘狀結(jié)構(gòu)，更好地適用于不同直徑的管道以及不同用途的管道作業(yè)要求，使機器人可以應(yīng)用于多種工作情況，使得機器人有更為廣闊的運用前景。

參考文獻：

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