履帶式管道機器人的結構設計與運動學分析

李帥衡

摘要：創新設計了一種履帶式管道機器人平臺，其可以根據用戶需求加裝不同的操作器，拓展了管道機器人的通用性，滿足用戶的個性化需求。對機器人的管徑適應機構，爬升機構，齒輪系驅動機構進行了設計;通過運動學分析，得到了管徑適應機構的運動特性;研究工作對管道機器人的設計具有參考意義。

Abstract： This paper innovatively designed a crawler pipeline robot platform， which can install different operators according to user requirements， expand the versatility of pipeline robots and meet the individual needs of users. The pipe diameter adapting mechanism， climbing mechanism and gear train drive mechanism of the robot are designed. Through the kinematics analysis， the motion characteristics of the pipe diameter adapting mechanism are obtained. The research work has reference significance for the design of the pipeline robot.

關鍵詞：管道機器人;結構設計;運動學分析

Key words： pipeline robot;structural design;kinematics analysis

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0197-03

0? 引言

改革開放以來，隨著經濟的日益發展，我國的城市化率不斷提高，城市排水系統的規模也越來越大;但是隨著長時間的淤泥沉積，部分管道開始出現管道堵塞，外溢污水等情況，這嚴重污染環境，同時給社會經濟造成巨大損失[1]。另一發面，對于化工類等管道，其內部損傷等會對管道的安全造成嚴重威脅，而通常這類損傷在管道內部，不易被發現[2]。針對這些問題，管道機器人應用而生，管道機器人也成為國內、外相關領域研究的重點[3]，出現了各類專用管道機器人。常鶴軒等設計了一款新型的單驅動蠕動式管道機器人[4]。薛耀勇[5]等通過建立靜力學平衡方程對管道機器人進行了越障過程的受力分析，根據機器人越障所需對管道內壁提供的正向壓力設計了自動適應元件圓柱螺旋彈簧，利用ADAMS對自動適應機構進行了動力學仿真分析。目前，管道機器人根據其行走機構主要分為蠕動式，腳式輪式和履帶式等[6]。履帶式管道機器人能夠很好的適應管道的變化，有良好的機動性能，在越障和爬行等發面有比較明顯的優勢。有鑒于此，本文設計一種履帶式管道機器人，對其結構組成，傳動系統，運動學等進行分析。該管道機器人為管道檢測，管道清淤等提供了一個機器人平臺，其上可以加裝各種操作器，進而實現不同的功能。

1? 履帶式管道機器人的結構設計

1.1 管道機器人的整體結構設計

履帶式管道機器人主要包括管徑適應機構，履帶式爬升機構以及齒輪系驅動機構，電源系統，控制系統等。如圖1所示為該履帶式管道機器人的整體結構示意圖。

管徑適應機構可以設置3或4個，其沿基體的軸向均布在基體的周邊，每個管徑適應機構上對應設置有履帶式爬升機構。齒輪系驅動機構設置在基體內部。基體的上部設置有操作器安裝部，其可以用來安裝攝像頭或者操作手等。基體的上部設置有照明燈，為機器人進行操作時提供照明。

1.2 管徑適應機構的結構設計

管徑適應機構主要包括曲柄A，曲柄B，連桿，絲桿，異形螺母等。參見圖1，曲柄A，曲柄B，履帶式爬升機構本體以及基體之間形成平行四邊形機構;連桿一端與履帶式爬升機構本體鉸接，另一端與異形螺母鉸接，異型螺母與絲桿形成螺旋副，絲桿兩端與基體分別鉸接。當絲桿在齒輪系驅動機構的作用下轉動時，進而使異形螺母移動，進一步通連桿推動履帶式爬升機構本體伸展或收縮，進而使得該機器人可以適應不同直徑的管道。

1.3 履帶式爬升機構和齒輪系驅動機構的結構設計

履帶式爬升機構主要包括驅動裝置、主動同步帶輪、被動同步帶輪以及多個支撐輪、履帶等。驅動裝置帶動主動同步帶輪轉動，進而帶動履帶，實現爬升。齒輪系驅動機構主要包括動力及減速裝置、中心齒輪、聯軸器、傳動軸以及3個傳動齒輪等。如圖2所示為齒輪系驅動機構的結構示意圖。傳動齒輪固定在絲杠上。動力及減速裝置輸出軸通過聯軸器與傳動軸連接，傳動軸穿過中心齒輪并與中心齒輪固結，傳動軸末端與基體鉸接。

2? 管徑適應機構的運動學分析與仿真計算

2.1 管徑適應機構的機構運動簡圖

分析管徑適應機構的運動傳遞情況，其包括6個活動構件，1-曲柄A，2-履帶式爬升機構本體，3-連桿，4-曲柄B，5-絲桿，6-異型螺母，以及機架（機器人基體）。其機構運動簡圖如圖3所示。分析可知管徑適應機構中存在3個平行虛約束，進一步去除機構的虛約束，可以得到管徑適應機構簡化后的機構運動簡圖（見圖4）。

2.2 管徑適應機構的自由度計算

通過前一節繪制了管徑適應機構的機構運動簡圖，進一步計算管徑適應機構的自由度。

平面機構的自由度計算公式如下：

2.3 管徑適應機構的ADAMS仿真分析

為進一步分析絲桿轉動速度與履帶式爬升機構本體伸展或收縮距離之間的關系，在ADAMS機械系統動力學仿真軟件中間建立管徑適應機構的簡化模型，如圖5所示。

仿真參數如下：

曲柄A和曲柄B的長度均為：150mm，履帶式爬升機構本體的長度為：200mm，連桿的長度為：300mm，初始狀態連桿與絲桿軸線之間的角度為：30°，曲柄A處于水平位置，連桿鉸接于履帶式爬升機構本體的中點;絲桿保持勻角速度轉動，轉動速度為：100r/s，異型螺母的螺距為：1mm，仿真時間：2s。進一步得到如圖6-圖8結果。

通過仿真結果分析可知，在絲桿保持勻角速度轉動時，爬升機構本體質心的位置變化并不是勻速的。隨著時間的推移，爬升機構本體質心位置的變化速度越來越快;也即隨著異型螺母向上移動，爬升機構本體收縮的越來越快。

3? 總結與創新點

管道機器人在管道清淤，管道損傷檢測等領域具有廣闊應用前景。本文創新設計了一種履帶式管道機器人平臺。該管道式機器人的特點在于可以根據用戶的需求安裝不同的操作器，能夠滿足用戶的多樣化需求。通過機構分析，以及ADAMS仿真分析，對管徑適應機構的運動特性進行了仿真研究。該機器人可用于城市管道清淤，化工管道、油管裂縫檢測等。未來，可進一步對該機器人的操作器等進行研究，使其能更好地為人們的生產生活服務。

參考文獻：

[1]沈體強.城市排水管道清淤機器人研究綜述[J].山東工業技術，2016（20）：289.

[2]張卓，陳旭，王文斌.智能管道探測機器人的研制[J].無線互聯科技，2017（3）：122-124.

[3]趙建偉，楊壘，商德勇.薄煤層工作面巡檢機器人越障動力學建模與分析[J].制造業自動化，2015（15）：7-9.

[4]常鶴軒，陳清.新型管道機器人設計及仿真研究[J].工藝設計改造及檢測檢修，2018（21）：80-81.

[5]薛耀勇，張繼忠，張磊.管道機器人自動適應機構設計與越障分析[J].制造業自動化，2018，40（06）：29-32.

[6]李磊，葉濤，譚民.移動機器人技術研究現狀與未來[J].機器人，2002，24（5）：475-480.