新型管道機(jī)器人設(shè)計(jì)及仿真研究

常鶴軒 陳清揚(yáng)

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有的管道機(jī)器人適應(yīng)管徑單一，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，協(xié)調(diào)控制困難，小管徑不能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)轉(zhuǎn)向等諸多問題，為了提高管道機(jī)器人的自適應(yīng)能力，本文設(shè)計(jì)了一款新型的單驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)式管道機(jī)器人，并介紹了該型機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和原理，完成了前后支撐結(jié)構(gòu)，推進(jìn)機(jī)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)，建立了絲桿推力與平行四邊形推力的關(guān)系。在Solidworks軟件中建立了三維模型，將該機(jī)器人模型導(dǎo)入Adams中建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，并將仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比照。該型機(jī)器人僅由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，具有較好的管徑適應(yīng)能力，可以適應(yīng)100～150mm管徑，可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)轉(zhuǎn)向，具有一定的越障能力。其中研究結(jié)果可以為相關(guān)管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)提供參考。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)悟?qū)動(dòng)；蠕動(dòng)式；仿真；動(dòng)力分析；管道

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）21-0080-02

1 引言

近幾年來，隨著工業(yè)的發(fā)展以及基礎(chǔ)工業(yè)設(shè)施的不斷完善。石油，天然氣和其他流體管道作為一種高效的物料運(yùn)輸方式而得到廣泛的應(yīng)用，定期對(duì)老化的管道進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)就顯得十分重要。尤其是2017年7月4日的吉林松原燃?xì)夤艿辣ㄊ鹿矢菍⑷藗兊慕裹c(diǎn)引回到老化管道的檢測(cè)維護(hù)上，由于管道設(shè)備數(shù)量多，安裝地點(diǎn)的復(fù)雜，以及管道設(shè)備自身的局限，人的操作能動(dòng)性大大受限，在傳統(tǒng)的人力方式下，工人很難做到高效地對(duì)管道設(shè)備進(jìn)行維護(hù)與檢測(cè)。這一工程問題引起了很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，管內(nèi)機(jī)器人的研究最早始于20世紀(jì)70年代法國(guó)，其中美國(guó)，日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的管內(nèi)機(jī)器人研究處于世界前列。中國(guó)在這方面起步較晚但研究成果顯著，國(guó)內(nèi)的許多大學(xué)和公司相繼研發(fā)了自己的管道機(jī)器人，一些已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。

由于管道內(nèi)環(huán)境具有復(fù)雜、空間小等特點(diǎn)，為了使管道機(jī)器人能夠平穩(wěn)前進(jìn)，其應(yīng)該在一定程度上實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)：（1）管道機(jī)器人應(yīng)具有可靠的控制系統(tǒng)，在工人的操作下或自主完成管道的檢測(cè)與維護(hù)；（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)可靠簡(jiǎn)單，動(dòng)力系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)小型化；（3）可以根據(jù)需要調(diào)整以提供足夠功率攜帶檢測(cè)設(shè)備；（4）對(duì)管徑變化具有一定的適應(yīng)性，具有一定的管徑適應(yīng)性，轉(zhuǎn)向能力。

近幾年，隨著不同的工程實(shí)際需要，眾多學(xué)者研發(fā)出多種多樣驅(qū)動(dòng)方式的管道機(jī)器人可供參考，最基本的有8種：管道豬、輪式、履帶式、振動(dòng)式、行走式、蠕動(dòng)式、螺旋式和蛇形式。振動(dòng)式常用于剛性的管壁環(huán)境中；輪式常用于直管道，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高效等優(yōu)點(diǎn)；蠕動(dòng)式因其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊等優(yōu)點(diǎn)，常用于復(fù)雜多變的小口徑管道的檢測(cè)中，基于以上不同管道機(jī)器人的基本特點(diǎn)以及現(xiàn)有管道機(jī)器人存在的問題，本文提出了一種基于單向軸承的蠕動(dòng)式單驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人，具有良好的管徑適應(yīng)能力，可以適應(yīng)100～150mm管徑，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，具有一定的自適應(yīng)轉(zhuǎn)向能力。

2 管道機(jī)器人基本工作原理及其結(jié)構(gòu)介紹

圖1為所設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)，該機(jī)器人可以分成三個(gè)部分：前支撐機(jī)構(gòu)，后支撐機(jī)構(gòu)，以及中間的插架推進(jìn)機(jī)構(gòu)。前支撐機(jī)構(gòu)與后支撐機(jī)構(gòu)類似，其采用三個(gè)伸縮足，調(diào)整絲杠，單向軸承等以實(shí)現(xiàn)其支撐、制動(dòng)和調(diào)整管徑的功能。插架推進(jìn)機(jī)構(gòu)由電機(jī)，絲杠，滑塊，連桿機(jī)構(gòu)等組成。在電機(jī)的正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)下配合前后支撐機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的伸縮動(dòng)作從而前進(jìn)。機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)與后支撐機(jī)構(gòu)之間由兩個(gè)萬(wàn)向聯(lián)軸器相連，使其能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度上的自適應(yīng)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎過后能夠在導(dǎo)向輪的作用下回復(fù)到原始狀態(tài)。管道機(jī)器人的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期可分為兩個(gè)狀態(tài)，首先電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，前支撐結(jié)構(gòu)伸出，后支撐在單向軸承的作用下制動(dòng)；電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠，后支撐機(jī)構(gòu)收回，前支撐機(jī)構(gòu)在單向軸承的作用下制動(dòng)。電機(jī)正反轉(zhuǎn)周期性交替從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的蠕動(dòng)式行進(jìn)。

3 管道機(jī)器人的參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要以下幾方面：（1）支撐足與管道內(nèi)壁之間應(yīng)該有足夠摩擦力以提供向前的推力；（2）支撐足應(yīng)具有單向制動(dòng)能力以完成機(jī)器人的蠕動(dòng)式前進(jìn)；（3）應(yīng)具有一定的調(diào)整能力以適應(yīng)不同的管徑。根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)了如圖2所示的支撐機(jī)構(gòu)，三個(gè)伸縮桿在三向套筒中120度布置，三個(gè)伸縮桿的伸縮狀態(tài)一致，其上方通過單向軸承與支撐輪聯(lián)接，其下方通過導(dǎo)力桿與緊縮螺母聯(lián)接，緊鎖螺母與調(diào)整絲桿相配合，通過旋轉(zhuǎn)絲桿即可調(diào)整伸縮足的伸出程度，以適應(yīng)不同管徑。如圖2，前后支撐機(jī)構(gòu)中間設(shè)置有兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器，在機(jī)器人推進(jìn)過程中，遇到轉(zhuǎn)角可自適應(yīng)調(diào)整角度，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎的功能。

3.2 行進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

行進(jìn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，整個(gè)行進(jìn)機(jī)構(gòu)固定在前支撐機(jī)構(gòu)的三向套筒支架上，其由電機(jī)，皮帶減速器，兩個(gè)對(duì)稱布置的絲杠滑臺(tái)，機(jī)械同步機(jī)構(gòu)，連桿等組成。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過皮帶減速器帶絲杠旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)對(duì)稱的絲杠滑臺(tái)機(jī)械互鎖以實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)。通過絲杠的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滑塊上下運(yùn)動(dòng)，滑塊通過銷軸將運(yùn)動(dòng)傳到不等邊平行四邊形機(jī)構(gòu)，由平行四邊形機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)前后支撐機(jī)構(gòu)的伸縮。其動(dòng)作幅度大小，可根據(jù)需要通過滑塊機(jī)構(gòu)和連桿尺寸參數(shù)的修改進(jìn)行調(diào)整。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算

機(jī)器人在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，滑塊沿絲杠往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)速n與機(jī)器人行進(jìn)速度的v系式為，其中l(wèi)為絲杠的有效行程，ph為滾珠絲杠副的導(dǎo)程，i為傳動(dòng)比，x為機(jī)器人一周期前進(jìn)距離。

根據(jù)該模型零件的尺寸參數(shù)（其中一些結(jié)構(gòu)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)為主并非最優(yōu)解），可以得到推動(dòng)該機(jī)器人一周期前進(jìn)的距離X為30mm，滾珠絲杠導(dǎo)程ph為2mm，傳動(dòng)比i=1：3。若該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)周期為15秒，則所需電機(jī)轉(zhuǎn)速大致應(yīng)為220r/min。

4.2 動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算

為了縮短機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度和絲桿長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)采用了兩個(gè)對(duì)稱的如圖四所示不等邊平行四邊形機(jī)構(gòu)。

如圖四所示，該設(shè)計(jì)既保證了運(yùn)動(dòng)放大倍率，又可以提高運(yùn)動(dòng)效率，并且對(duì)稱式設(shè)計(jì)增加了機(jī)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。BD桿的B端和AE桿的A端與絲杠滑臺(tái)中的滑塊連接，現(xiàn)研究絲桿對(duì)A點(diǎn)的推力與機(jī)構(gòu)中O點(diǎn)對(duì)支撐部分的推力之間的關(guān)系：

（1）DO與EO為二力桿，則有N1=N2，N3=N4，N1=N3。

（2）當(dāng)平行四邊形處于圖示位置時(shí)即AE桿與水平方向夾角為β時(shí)有： （1）

（3）對(duì)于AE桿根據(jù)力矩的平衡有：

（2）

（3）

將式（2）代入式（1）中得 （4）

電機(jī)功率與機(jī)構(gòu)中O點(diǎn)對(duì)支撐部分的推力之間的關(guān)系，如圖3所示電機(jī)通過減速器，將力傳遞到齒輪上，進(jìn)而帶動(dòng)兩絲杠旋轉(zhuǎn)，兩絲杠之間通過機(jī)械聯(lián)鎖，絲杠帶動(dòng)滑塊，是直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滑塊通過銷軸將運(yùn)動(dòng)傳到平行四邊形，由平行四邊形帶動(dòng)機(jī)器人的前后支撐機(jī)構(gòu)交替伸縮，進(jìn)而完成機(jī)器人的蠕動(dòng)式前進(jìn)。

設(shè)電機(jī)的輸出功率為，轉(zhuǎn)速為。

（1）兩絲杠的總輸入功率為 （5）

（2）絲杠為的螺桿，牙型屬于三角形螺紋，當(dāng)量摩擦系數(shù)為：

（6）

為普通三角形螺紋的牙型半角。

當(dāng)量摩擦角為 （7）

（3）受到外載荷時(shí)，絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)所需的最大扭矩為：

（8）

1） 絲杠扭矩與絲桿輸入功率間的關(guān)系為：

（9）

（10）

根據(jù)式（4）—（5），（8）—（10）可得電機(jī)功率與機(jī)器人所受推力之間的關(guān)系式為 （11）

可知所選電機(jī)的輸出功率不應(yīng)小于當(dāng)β為最大值時(shí)計(jì)算所得功率。根據(jù)模型尺寸參數(shù)，傳動(dòng)效率取0.9，絲杠中徑取5.355mm，升角取，牙型半角為；處于臨界潤(rùn)滑狀態(tài)為0.1，，轉(zhuǎn)速，最大角度為60度，電機(jī)的輸出功率為3.4w，可以得到

由于機(jī)器人采用對(duì)稱不等邊四邊形機(jī)構(gòu)，則機(jī)器人的推動(dòng)力為44N。

4.3 基于adams的動(dòng)力學(xué)仿真

在上述理論及計(jì)算參數(shù)的基礎(chǔ)上，將Solidworks三維模型導(dǎo)入Adams中，建立仿真模型。在管道內(nèi)壁與彈性足之間壓力足夠即滿足制動(dòng)的前提下，推動(dòng)力為44N，對(duì)管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中單個(gè)滑塊的所受力進(jìn)行動(dòng)力仿真，并將計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。

通過了解機(jī)器人完成一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)絲杠滑臺(tái)中單個(gè)滑塊受力變化，機(jī)器人行進(jìn)一周期所需時(shí)間為15s，可以發(fā)現(xiàn)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，受力最大處約為70N。由公式（8）—（10）可以得到電機(jī)的輸出功率為3.43w，得到的仿真結(jié)果與計(jì)算一致。

5 應(yīng)用前景

本文針對(duì)現(xiàn)有的管道及其的存在的不足，提供了一種全新的蠕動(dòng)式管道機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，機(jī)器人僅由單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，成本相對(duì)較低，具有良好管徑適應(yīng)能力，可以適應(yīng)100～150mm管徑。同時(shí)具有一定的自適應(yīng)轉(zhuǎn)向能力，理論上根據(jù)不同工況調(diào)整伸縮足的伸縮量，能夠適應(yīng)豎直的管道的爬行，不需要提供額外壓力。

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