管道爬行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析與變徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

胡嘯 史繼新

【摘 要】目前對(duì)長(zhǎng)距離管道進(jìn)行巡檢、維修的一個(gè)有效手段是使用管道爬行機(jī)器人攜帶攝像頭及各類工具在管道內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，機(jī)器人需要具有的三個(gè)重要功能：（1）管道內(nèi)壁直徑尺寸的適應(yīng)性，（2）豎直管道的爬行能力，（3）管道彎頭的通過(guò)能力。本文以一種多足履帶式爬行機(jī)器人為例，對(duì)機(jī)器人在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，并根據(jù)分析結(jié)果給出了一種變徑機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，為管道爬行機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】管道機(jī)器人;管道彎頭;變徑機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)： TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）13-0001-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.001

Motion Analysis and Diameter Change Structure Design of Pipeline Crawling Robot

HU Xiao1* SHI Ji-xin2

（1.China Nuclear Wuhan Nuclear Power Operation Technology Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223，China;

2.Hubei Key Laboratory of Hydropower Machinery Equipment Design and Maintenance

〈Three Gorges University〉，Yichang Hubei 443002，China）

【Abstract】At present，an effective ways of inspecting and maintaining long-distance pipelines is to use the pipeline crawler robot to carry cameras and various tools to move inside the pipelines.To achieve this goal， robots need to have three important functions：（1）Adaptability of pipe inner wall diameter size.（2）Crawling ability of vertical pipe.（3）Passing Capacity of Pipeline Elbow.This paper takes a crawler robot with multiple feet as an example to analyze the movement of the robot in the pipeline，and according to the analysis results，gives a design scheme of a diameter changing mechanism， which provides a basis for the overall design of the pipeline crawler robot.

【Key words】Pipeline crawler robot;Pipeline Elbow;Diameter changing mechanism

0 引言

在市政、石油、化工、電力等行業(yè)，均存在大量的、規(guī)格眾多的金屬管道，隨著使用年限的增長(zhǎng)，需要對(duì)這些管道進(jìn)行巡檢、維修。對(duì)于從外部無(wú)法到達(dá)的管道，使用管道爬行機(jī)器人攜帶工具進(jìn)入到管道內(nèi)部進(jìn)行巡檢、維修是一種非常有效的方式。

管道機(jī)器人按照驅(qū)動(dòng)方式大致可以分為三種：a.自驅(qū)動(dòng)（自帶動(dòng)力源），b.利用流體推力，c.通過(guò)彈性桿外加推力;其中自驅(qū)動(dòng)管內(nèi)機(jī)器人包括輪式、腳式、爬行式、蠕動(dòng)式，還包括履帶式等[1]。目前在管道巡檢領(lǐng)域已經(jīng)有多個(gè)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，例如德國(guó)恩薩公司開(kāi)發(fā)了多輪驅(qū)動(dòng)的“蟹式”管道爬行機(jī)器人[2]，可對(duì)管道進(jìn)行視頻檢查;加拿大的Inuktun公司開(kāi)發(fā)了模塊化的履帶單元，通過(guò)履帶單元的并聯(lián)、串聯(lián)，可組成多款適應(yīng)不同工況的管道機(jī)器人，主要用于電力行業(yè)的管道檢測(cè)，其中一款Versatrex三足履帶機(jī)器人可在順利通過(guò)豎直管道及管道彎頭[3];深圳施羅德工業(yè)集團(tuán)開(kāi)發(fā)了多款輪式、履帶式的爬行機(jī)器人，主要用于市政管網(wǎng)的檢測(cè)與維修[4];北京德朗檢視科技公司開(kāi)發(fā)的DNC110B管道機(jī)器人可對(duì)110mm-800mm的管道中進(jìn)行視頻檢測(cè)，也可搭載機(jī)械手進(jìn)行異物抓取[5]，已在電站的管道檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。

對(duì)于水平走向或者坡度不大的管道，使用輪式機(jī)器人進(jìn)行巡檢，效率更高、運(yùn)動(dòng)更加靈活，但是對(duì)于坡度較大甚至豎直走向的管道，就需要利用履帶式爬行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)能力攜帶攝像頭等工具實(shí)施巡檢。三足履帶式管道爬行機(jī)器人由三個(gè)間隔120°分布的獨(dú)立履帶驅(qū)動(dòng)模塊和中心的變徑結(jié)構(gòu)組成，通過(guò)變徑結(jié)構(gòu)的張緊力，三個(gè)獨(dú)立履帶驅(qū)動(dòng)模塊緊緊的貼在管道內(nèi)壁，履帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)機(jī)器人得以前進(jìn)，這種布置方案可以使得機(jī)器人能夠在豎直管道內(nèi)進(jìn)行爬行研究對(duì)象。本文以一種三足履帶機(jī)器人為例，通過(guò)分析其在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)需求，并對(duì)比各類變徑機(jī)構(gòu)，給出一種適用于三足履帶機(jī)器人的變徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析

1.1 管道直徑適應(yīng)性分析

機(jī)器人對(duì)管道的直徑適應(yīng)性，分為兩方面：（1）機(jī)器人對(duì)于管道內(nèi)徑由于制造誤差、不圓度等因素產(chǎn)生的直徑小幅變化應(yīng)能夠自主適應(yīng)，（2）機(jī)器人通過(guò)變徑結(jié)構(gòu)的作用，能夠在一定范圍內(nèi)改變直徑，以適應(yīng)多種規(guī)格的管道。

所以管道機(jī)器人的變徑結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具有能在一定范圍內(nèi)伸縮的變徑機(jī)構(gòu)。

1.2 豎直管道爬行運(yùn)動(dòng)分析

對(duì)于三足履帶式爬行機(jī)器人，其在豎直管道內(nèi)爬行時(shí)，三個(gè)履帶足通過(guò)變徑機(jī)構(gòu)的張緊力緊緊貼在管道內(nèi)壁上，當(dāng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，履帶與管道內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦力驅(qū)動(dòng)機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于變徑結(jié)構(gòu)的張緊力在管道內(nèi)壁上產(chǎn)生的動(dòng)摩擦力，設(shè)機(jī)器人向上爬行所需克服的重力、電纜摩擦力、自身傳動(dòng)阻力等合力為T，單個(gè)履帶驅(qū)動(dòng)模塊受到的張緊力為F，履帶與管道內(nèi)壁的動(dòng)摩擦系數(shù)為η，則有：

F×？濁×3？叟T（1）

圖1 豎直爬升受力示意圖

所以，機(jī)器人要想在豎直管道里順利爬升，變徑結(jié)構(gòu)需要提供足夠的張緊力，所以變徑結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源需要有足夠的驅(qū)動(dòng)力。

1.3 管道彎頭通過(guò)性分析

當(dāng)機(jī)器人需要通過(guò)彎頭時(shí)，機(jī)器人的外形尺寸，特別是履帶驅(qū)動(dòng)模塊的長(zhǎng)度，會(huì)對(duì)機(jī)器人整體在管道彎頭處的通過(guò)性產(chǎn)生影響。通過(guò)對(duì)管道內(nèi)徑a、管道彎曲半徑R、機(jī)器人履帶驅(qū)動(dòng)模塊長(zhǎng)度l三者關(guān)系的分析，可以得出機(jī)器人外形尺寸的設(shè)計(jì)依據(jù)。

考慮到彎頭的極限情況，以水平90°彎頭為例，如圖2所示，將機(jī)器人的外形輪廓的水平投影抽象為一個(gè)矩形，矩形的長(zhǎng)為l。機(jī)器人通過(guò)彎頭時(shí)，矩形外側(cè)的兩個(gè)頂點(diǎn)與管道內(nèi)壁的外弧面接觸，內(nèi)側(cè)的長(zhǎng)邊與管道內(nèi)壁的內(nèi)弧面相切，只要機(jī)器人的外形尺寸與管道的規(guī)格尺寸能夠形成這種關(guān)系，機(jī)器人就可以順利通過(guò)彎頭。

從式（2）和式（7）可看出，通過(guò)彎頭時(shí)，mmax

三足履帶機(jī)器人在管道內(nèi)行走時(shí)，其外形可抽象成一個(gè)與管道內(nèi)圓內(nèi)接的正三角形，如圖3所示，此時(shí)機(jī)器人最寬的區(qū)域不在管道的中間平面，而是在底邊所在的截面上，故需要根據(jù)此情況對(duì)上述式子進(jìn)行修正。假設(shè)管道的參數(shù)不變，此時(shí)機(jī)器人的初始寬度變?yōu)椋?/p>

當(dāng)針對(duì)某種管道進(jìn)行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，R和a已知，當(dāng)設(shè)計(jì)出的履帶驅(qū)動(dòng)模塊長(zhǎng)度為時(shí)，如果mmax的數(shù)值大于零，且該數(shù)值在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以達(dá)到，那么機(jī)器人可以順利通過(guò)該種管道的彎頭;當(dāng)需要判斷設(shè)計(jì)的機(jī)器人能否通過(guò)某種管道彎頭時(shí)，同樣可將已知的l、R和a帶入式（9），若計(jì)算出的mmax為正值且機(jī)器人結(jié)構(gòu)實(shí)際可已達(dá)到，則說(shuō)明機(jī)器人可以順利通過(guò)該種規(guī)格管道的彎頭。

mmax和m之間的變化差值，就是機(jī)器人在通過(guò)管道彎頭時(shí)，自適應(yīng)的變徑機(jī)構(gòu)需要自適應(yīng)收縮的尺寸，設(shè)計(jì)變徑結(jié)構(gòu)時(shí)需要滿足此要求。

2 變徑機(jī)構(gòu)的比較與分析

目前常見(jiàn)的管道機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)有以下幾種：彈簧支撐變徑機(jī)構(gòu)、渦輪蝸桿變徑機(jī)構(gòu)、剪叉升降臺(tái)變徑機(jī)構(gòu)、絲桿滑塊變徑機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)彈簧連桿變徑機(jī)構(gòu)、平行四邊形變徑機(jī)構(gòu)等[6-12]，分別如圖4a、b、c、d、e、f所示。

機(jī)器人在進(jìn)行豎直管道爬行時(shí)，無(wú)動(dòng)力的變徑機(jī)構(gòu)不能提供穩(wěn)定的張緊力，特別是對(duì)于不同規(guī)格的管道，同一套無(wú)動(dòng)力的變徑機(jī)構(gòu)的效果受彈簧變形量的影響會(huì)有明顯差異，不利于工程應(yīng)用。

對(duì)于輪式機(jī)器人，旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)式的變徑結(jié)構(gòu)可以滿足需要;但對(duì)于履帶式的機(jī)器人，其與管道內(nèi)壁為面接觸，單純的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)變徑會(huì)履帶與管道內(nèi)壁接觸不穩(wěn)定，且在直徑方向占用較大空間。所以，根據(jù)各種變徑機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合三足履帶機(jī)器人的實(shí)際工況需求，將絲桿推動(dòng)的平行四邊形變徑機(jī)構(gòu)作為變徑機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)考慮方案，但單純由電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿推動(dòng)滑塊而形成的平四邊形變徑機(jī)構(gòu)，不具有直徑尺寸的自適應(yīng)性，這樣不符合1.1和1.3中所分析的需求，因此需要對(duì)剛性的平四邊形變徑機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3 變徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三足履帶在圓周方向上呈120°圓周分布，變徑機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)需要布置在中心，為了節(jié)省徑向空間，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一根絲桿推動(dòng)三個(gè)滑塊，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)三個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)同時(shí)伸、縮。

如圖5所示，將電機(jī)、絲桿結(jié)構(gòu)布置在中心。圖中，1.電機(jī)罩，2.驅(qū)動(dòng)電機(jī)，3.連接筒，4.絲桿，5.尾座。

如圖6所示，在圖5的基礎(chǔ)上，加入導(dǎo)向軸、滑塊、連桿等結(jié)構(gòu)進(jìn)而形成變徑伸縮結(jié)構(gòu)，其中：1.絲桿驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，2.螺母，3.滑塊，4.導(dǎo)向軸，5.滑套，6.滑套安裝螺釘，7.驅(qū)動(dòng)連桿，8.平行擺桿A，9.平行擺桿B，10.短銷軸，11.長(zhǎng)銷軸，12.壓簧，13.彈簧限位塊。

一個(gè)滑塊同時(shí)連接三組平行四邊形機(jī)構(gòu)，每組平行四邊形機(jī)構(gòu)可帶動(dòng)一個(gè)獨(dú)立履帶驅(qū)動(dòng)模塊張開(kāi)、收攏。當(dāng)機(jī)器人需要進(jìn)入不同規(guī)格管道時(shí)，可以控制絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，將連桿機(jī)構(gòu)伸展或收縮至相應(yīng)的幅度，使得機(jī)器人可以順利進(jìn)入管道。絲桿使用具有自鎖功能的絲桿，在螺母與滑塊之間加入勁度系數(shù)合適的壓縮彈簧，通過(guò)預(yù)設(shè)螺母的位置，在螺母的推力和連桿通過(guò)滑塊產(chǎn)生的反力的作用下，壓縮彈簧壓縮至適當(dāng)?shù)姆龋藭r(shí)壓縮彈簧可向平行四邊形機(jī)構(gòu)提供足夠的張緊力，進(jìn)而使得獨(dú)立履帶驅(qū)動(dòng)模塊緊密貼合在管道內(nèi)壁，產(chǎn)生足夠的摩擦力供機(jī)器人爬升。

管道直徑因加工誤差、不圓度等產(chǎn)生變化時(shí)，在不改變螺母位置的前提下，連桿機(jī)構(gòu)可以通過(guò)壓簧的形變來(lái)自適應(yīng);當(dāng)機(jī)器人通過(guò)彎頭時(shí)，也可以通過(guò)壓簧的形變來(lái)保證機(jī)器人可以順利通過(guò)彎頭?？山Y(jié)合式（8）和（9）的計(jì)算結(jié)果，對(duì)壓縮彈簧的選型、設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在滿足壓縮彈簧變化幅度需求的情況下，螺母與滑塊之間設(shè)置了限位塊，當(dāng)壓簧被壓縮到一定程度時(shí)，滑塊被限位塊限位，以防止彈簧被過(guò)量壓縮，此時(shí)可通過(guò)絲桿將螺母適退回而將壓簧壓縮量釋放。

4 結(jié)語(yǔ)

1）本項(xiàng)目以三足履帶式管道爬行機(jī)器人為例，對(duì)其在管道中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，確定了機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足的基本條件;

2）對(duì)各類常見(jiàn)變徑機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比與分析，結(jié)合運(yùn)動(dòng)分析的情況，給出一種機(jī)器人變徑結(jié)構(gòu)，為機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種符合工程應(yīng)用實(shí)際的基礎(chǔ)方案。

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