圓截面管道輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟慶靈, 武 熙, 趙佳偉, 李 珂

(山西大同大學(xué) a. 煤炭工程學(xué)院, b. 煤礦機(jī)電技術(shù)研究所, 山西 大同 037003)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展,國(guó)家對(duì)能源的需求量不斷增大,管道作為實(shí)現(xiàn)能源運(yùn)輸?shù)裙δ艿闹匾橘|(zhì)[1-3],其使用目標(biāo)也日趨多樣化。對(duì)于煤礦、油田等實(shí)際作業(yè)工況惡劣的場(chǎng)景,研究性能可靠的管道機(jī)器人代替人進(jìn)行各項(xiàng)作業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4-7]。

對(duì)于管道機(jī)器人的研究起步較晚,近些年,自動(dòng)化和智能化生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)管道機(jī)器人設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的需求逐步趨于個(gè)性化、多樣化。對(duì)管道機(jī)器人的研究和探索得到了較好的發(fā)展與應(yīng)用[8]。管道機(jī)器人有的用于管道氣體檢測(cè),有的用于管道內(nèi)缺陷檢查,依其作業(yè)需求和目標(biāo)不同,相應(yīng)機(jī)器人具有不同的功能模塊。但是,無(wú)論實(shí)現(xiàn)哪一種功能,機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都是決定其工作性能的關(guān)鍵[9]?，F(xiàn)階段,根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)方式可將管道機(jī)器人分為輪式、皮帶式、履帶式、軌道式、螺旋式及蠕動(dòng)式等[10-14]。其中:蠕動(dòng)式機(jī)器人運(yùn)行速度較慢;履帶式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸偏大;螺旋式機(jī)器人不易控制[15]。相比之下,輪式機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便,只需解決驅(qū)動(dòng)力及打滑問(wèn)題。因此,本文主要針對(duì)輪式管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)特性進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)機(jī)器人在圓截面管道中作業(yè)的特殊工作條件[16],設(shè)計(jì)一種新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),該系統(tǒng)采用單側(cè)3組驅(qū)動(dòng)裝置沿管道橫截面120°均勻布置,雙側(cè)6組驅(qū)動(dòng)裝置同步運(yùn)行的設(shè)計(jì)方案,分析和研究驅(qū)動(dòng)輪與管道內(nèi)壁的摩擦及驅(qū)動(dòng)力工況,對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行靜力學(xué)分析,確定機(jī)器人在管道內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行的基本條件以及影響驅(qū)動(dòng)力的因素。此設(shè)計(jì)可提高機(jī)器人本體的驅(qū)動(dòng)力,以滿足不同管徑、不同工作條件、不同作業(yè)功能的要求。

根據(jù)確定的設(shè)計(jì)方案及相關(guān)技術(shù)參數(shù)和指標(biāo),完成了輪式管道機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)器人具體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括驅(qū)動(dòng)裝置、控制單元、電池組件、傳感器組件、支撐組件等。

1—驅(qū)動(dòng)裝置; 2—支撐管; 3—控制單元; 4—電池組件; 5—傳感器組件;6—外殼體; 7—端蓋; 8—驅(qū)動(dòng)輪; 9—行走管道。

1.1 驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置是機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)中最重要的部件之一,機(jī)器人的6組驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。每1組驅(qū)動(dòng)裝置均由功率為3 W的減速電機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)輪架等組成,其中驅(qū)動(dòng)輪公稱直徑為36 mm。驅(qū)動(dòng)裝置安裝在機(jī)器人兩側(cè)端蓋的外側(cè),每一側(cè)的3組驅(qū)動(dòng)裝置在端蓋端面以120°均勻布置,呈三角形狀態(tài),相較于其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),該布置形式機(jī)器人行走更加穩(wěn)定。驅(qū)動(dòng)輪架通過(guò)鉸接的方式固定在端蓋上,可調(diào)節(jié)彈簧安裝在每1組驅(qū)動(dòng)裝置中的驅(qū)動(dòng)輪架下方,彈簧可提供足夠的壓緊力,迫使所有驅(qū)動(dòng)輪與管道內(nèi)壁緊密貼合,從而與管道內(nèi)壁之間產(chǎn)生足夠的摩擦力,為機(jī)器人在管道中行走提供驅(qū)動(dòng)力,以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人雙向往復(fù)行走,行走速度為0.27 m·s-1。另外,可通過(guò)變更彈簧的伸縮范圍使機(jī)器人主動(dòng)適應(yīng)不同直徑的管道,即彈簧變徑式支撐,從而較容易地滿足不同規(guī)格管道的作業(yè)需求。

1.2 控制單元

控制單元主要由電源板、 系統(tǒng)控制電路板等元器件組成, 用于控制機(jī)器人在管道中行走及按照設(shè)定的程序完成預(yù)定的作業(yè)功能。 每一塊電路板設(shè)計(jì)有中心孔, 用螺釘固定套裝在位于軸心線上的支撐管上。

1.3 傳感器組件

傳感器單元是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能目標(biāo)的核心器件,根據(jù)機(jī)器人預(yù)先設(shè)定的功能目標(biāo),配置相應(yīng)數(shù)量的檢驗(yàn)檢測(cè)傳感器,將傳感器及其集成控制板一同安裝在座套內(nèi),并固定在支撐管上,再通過(guò)系統(tǒng)程序化控制,進(jìn)行預(yù)定的功能檢測(cè),并將檢測(cè)數(shù)據(jù)反饋到控制系統(tǒng)中。

1.4 電池組件

電池組件是機(jī)器人工作的總電源,主要用于提供機(jī)器人作業(yè)所需的動(dòng)力,設(shè)計(jì)中將多節(jié)鋰電池裝在定制的電池座內(nèi),用螺釘將電池座固定在支撐管上。

1.5 支撐組件

支撐組件由支撐管、端蓋和外殼體組成,主要用于將各組件和元器件裝配為一體。其中,支撐管為專門(mén)設(shè)計(jì)的三角形空心管,位于機(jī)器人中心軸線上,支撐管的兩端分別固定安裝有1個(gè)端蓋,外殼體通過(guò)螺釘固定在端蓋外圓上。

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的6組驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成了機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),每1組驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)完全相同,其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

1—主動(dòng)錐齒輪; 2—從動(dòng)錐齒輪; 3—輪軸; 4—驅(qū)動(dòng)輪;5—驅(qū)動(dòng)輪架; 6—電機(jī); 7—彈簧; 8—機(jī)架。圖2 驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Kinematic diagram of drive mechanism

驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括主動(dòng)錐齒輪1、從動(dòng)錐齒輪2、輪軸3、驅(qū)動(dòng)輪4、驅(qū)動(dòng)輪架5、電機(jī)6、彈簧7和機(jī)架8。由于彈簧結(jié)構(gòu)及其性能的特殊性,機(jī)構(gòu)存在兩個(gè)方向的自由度:其一是驅(qū)動(dòng)輪4在電機(jī)6帶動(dòng)下的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);其二是輪架5繞鉸接點(diǎn)O的擺動(dòng)。這是符合設(shè)計(jì)預(yù)期的,也是彈簧被視作一個(gè)原動(dòng)件后機(jī)構(gòu)應(yīng)有的工作狀態(tài)。

2.2 驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,每1組驅(qū)動(dòng)裝置都是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

(a) 正視圖(b) 側(cè)視圖

如圖3(a)所示,減速電機(jī)3和驅(qū)動(dòng)輪1均安裝在驅(qū)動(dòng)輪架2上,輪架的末端通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸安裝在機(jī)器人支撐組件的端蓋上。彈簧上端與驅(qū)動(dòng)輪架2的底部接觸,下端固定在中心支撐管上,通過(guò)合理設(shè)計(jì)彈簧的結(jié)構(gòu)給定相應(yīng)的伸縮量,便可將驅(qū)動(dòng)輪壓緊管道內(nèi)壁,產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力。

如圖3(b)所示,輪式管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置采用錐齒輪進(jìn)行動(dòng)力傳遞,并實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出。每個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置中驅(qū)動(dòng)輪架的一端都安裝有2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪,這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以較好地保證輪體與管道內(nèi)壁的接觸狀態(tài),從根本上杜絕機(jī)器人在管道內(nèi)行走時(shí)產(chǎn)生周向偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

3 力學(xué)分析

3.1 單組驅(qū)動(dòng)輪受力狀態(tài)分析

機(jī)器人主要通過(guò)6組驅(qū)動(dòng)裝置,共12個(gè)驅(qū)動(dòng)輪壓緊在管道內(nèi)壁,使其與管道內(nèi)壁之間產(chǎn)生足夠的軸向摩擦力。對(duì)于單組驅(qū)動(dòng)輪靜止?fàn)顟B(tài)而言,其受力分析如圖4所示。

(a) 受力分析(b) 等效簡(jiǎn)化

如圖4(a)所示,在圓截面管道中,單個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置中的2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別在A、B點(diǎn)與管道內(nèi)壁接觸,每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪作用于管道內(nèi)壁上的法向力為NA和NB,NA和NB在作用點(diǎn)上可分別分解為在水平坐標(biāo)X軸方向上的分力NAx、NBx及在垂直坐標(biāo)Y軸方向上的分力NAy、NBy。其中:NAx、NBx的作用效果就是使驅(qū)動(dòng)輪存在周向轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì),迫使機(jī)器人發(fā)生周向偏轉(zhuǎn),稱其為周向摩擦力。由于在靜平衡狀態(tài)下NAx=-NBx,因而有效地防止了驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)生偏轉(zhuǎn)。NAy、NBy為單組驅(qū)動(dòng)輪的有效法向力,其在Y軸方向上的合力為

N=NAy+NBy。

為了便于對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行受力分析,將圖4(a)受力狀態(tài)作等效簡(jiǎn)化,如圖4(b)所示。

3.2 單組驅(qū)動(dòng)裝置受力狀態(tài)分析

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置一端的驅(qū)動(dòng)輪與管道內(nèi)壁接觸,另一端通過(guò)銷軸連接在機(jī)器人機(jī)身的端蓋上,其受力狀態(tài)如圖5所示。

圖5 單組驅(qū)動(dòng)裝置受力分析Fig.5 Force analysis of single group driving device

不考慮裝置本身的重量,其外力作用包括驅(qū)動(dòng)輪受到的法向力N1和摩擦力f1;彈簧作用在驅(qū)動(dòng)輪架上的法向力FC和摩擦力fC;作用在鉸支座B處的2個(gè)正交分力,即水平方向上的分力FBx和豎直方向上的分力FBy。根據(jù)靜力平衡原理,應(yīng)滿足:

(1)

即:

(2)

根據(jù)各分力、摩擦力和彈性力計(jì)算可得:

(3)

式中:l1為彈簧與輪架接觸點(diǎn)到驅(qū)動(dòng)輪圓心的距離;l2為鉸接點(diǎn)到彈簧與輪架接觸點(diǎn)之間的距離;l1+l2為輪架長(zhǎng)度;FC為彈簧彈力;k為彈簧的彈性系數(shù);Δl為彈簧壓縮量;f1為輪體與管壁之間的摩擦力;H為輪體與管道內(nèi)壁接觸點(diǎn)至輪架與端蓋鉸接處的豎直距離;r為驅(qū)動(dòng)輪半徑;N1為輪體所受法向力;μ1為驅(qū)動(dòng)輪體與管道內(nèi)壁之間的摩擦系數(shù);μ2為彈簧與驅(qū)動(dòng)輪架之間的摩擦系數(shù);θ為驅(qū)動(dòng)輪架與支撐管之間的夾角;fC為彈簧與驅(qū)動(dòng)輪架之間的摩擦力;fCx為摩擦力fC在X軸方向上的分力;fCy為摩擦力fC在Y軸方向上的分力;FCx為彈簧彈力FC在X軸方向上的分力;FCy為彈簧彈力FC在Y軸方向上的分力。

將式(3)代入式(2)中,解得:

(4)

由式(4)可得驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生的摩擦力為

(5)

由式(5)可知,當(dāng)確定管道規(guī)格、材料后,理論上可以將μ1、θ視為常數(shù),對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響忽略不計(jì)。則輪組產(chǎn)生的摩擦力的大小與彈簧的壓縮量成正比。

由于設(shè)計(jì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)要求需滿足圓截面管道的內(nèi)徑為108～133 mm,根據(jù)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置與驅(qū)動(dòng)輪的相關(guān)參數(shù),可計(jì)算出θ的取值范圍為4°～12°。在機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí),將驅(qū)動(dòng)輪架設(shè)計(jì)為可繞端蓋鉸接處擺動(dòng)的狀態(tài),是為了滿足機(jī)器人在內(nèi)徑為108～133 mm圓截面管道中行走的驅(qū)動(dòng)要求,且在某一種規(guī)格的管道內(nèi)行走時(shí),若管道內(nèi)壁出現(xiàn)凹凸不平時(shí)也能夠保證機(jī)器人順利通行。

3.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力的確定

以機(jī)器人為研究對(duì)象,做機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體受力分析如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)受力分析Fig.6 Force analysis of driving system

由于機(jī)器人自身重量對(duì)運(yùn)行速度的影響不大,分析受力時(shí)可以忽略重力的影響,每組驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)輪受軸向摩擦力fi與法向力Ni的作用,機(jī)器人在管道中行走必須滿足驅(qū)動(dòng)力F0大于等于摩擦力fi的合力,即

(6)

在驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)時(shí),選用減速電機(jī),按照機(jī)器人行走速度和傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算,選出減速電機(jī)轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù),并計(jì)算單電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率為

(7)

式中:Pi為單電機(jī)功率;fi為單輪組摩擦力;d為驅(qū)動(dòng)輪公稱直徑;n為輸出軸轉(zhuǎn)速;η為傳動(dòng)效率;q為備用系數(shù)。

由于機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由6組驅(qū)動(dòng)裝置組成,每1組驅(qū)動(dòng)裝置中帶有1個(gè)減速電機(jī),所以機(jī)器人的總驅(qū)動(dòng)功率為

P總=6Pi。

(8)

4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1 樣機(jī)制作

根據(jù)機(jī)器人整體的設(shè)計(jì)尺寸參數(shù),采用機(jī)械制造、3D打印等技術(shù)制作機(jī)器人中的非標(biāo)準(zhǔn)零件,購(gòu)買(mǎi)標(biāo)準(zhǔn)零件,并按照各結(jié)構(gòu)件的配合關(guān)系進(jìn)行組裝,完成樣機(jī)的制作。其中,機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪需要足夠的回彈性、耐化學(xué)性以及良好的力學(xué)性能,因此選用聚氨酯材料。機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)如圖7所示。

圖7 機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)Fig.7 Robot test prototype

4.2 試驗(yàn)過(guò)程

為了能夠清楚地看到機(jī)器人在管道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),選用內(nèi)徑為133 mm的亞克力透明直管進(jìn)行機(jī)器人行走性能試驗(yàn),如圖8所示。將機(jī)器人以一種確定姿態(tài)放入管道中,通過(guò)控制單元控制機(jī)器人在管道中往復(fù)行走,觀察機(jī)器人在行走過(guò)程中的姿態(tài)變化。其次,對(duì)管道分別設(shè)置0°～20°坡度,用于測(cè)試機(jī)器人的爬坡性能。最后選用內(nèi)徑為108 mm的焊接鋼管重復(fù)以上操作,并將鋼管與上述亞克力管道進(jìn)行串聯(lián),觀察機(jī)器人對(duì)于管道變徑的適應(yīng)性。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)觀察,機(jī)器人能夠完成行走、爬坡以及變徑通行,充分驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

圖8 機(jī)器人在管道中行走Fig.8 Robot walks in the pipe

5 結(jié) 論

1) 完成了圓截面管道輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的靜力學(xué)分析、計(jì)算,確定了機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力以及滿足在管道中穩(wěn)定運(yùn)行的基本條件,研究了影響驅(qū)動(dòng)力大小的主要因素,并完成了樣機(jī)的制作。

2) 經(jīng)過(guò)5次行走及爬坡性能試驗(yàn),驗(yàn)證機(jī)器人在管道內(nèi)無(wú)障礙的條件下能夠穩(wěn)定行走,不發(fā)生周向偏轉(zhuǎn)、打滑等現(xiàn)象,最大爬坡度為20°。可適應(yīng)內(nèi)徑為108～133 mm的金屬及非金屬材料管道,運(yùn)行過(guò)程中速度變化不大,能夠滿足大部分實(shí)際工業(yè)作業(yè)的需求,充分驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

3) 為輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種創(chuàng)新性思路和方法,進(jìn)一步推動(dòng)工業(yè)作業(yè)無(wú)人化、少人化進(jìn)程,在工礦自動(dòng)化作業(yè)等領(lǐng)域具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值與廣泛的推廣前景。