新型變徑管道機器人的設計

常生，劉玉良，王忠超

（浙江海洋大學 海洋工程裝備學院，浙江 舟山 316000）

0 引言

油氣管道在各國的能源傳輸方面起著重要的作用[1-2]，尤其是我國有著復雜的油氣管網，隨著油氣管道的使用時間變長，地底環境潮濕和地震等自然災害會造成油氣管道的腐蝕、裂紋和斷裂[3]，經常會出現油氣泄漏污染環境和安全的問題。為了防止發生油氣泄漏，造成安全事故，就需要定期地對油氣管道進行安全檢測。如果采用人工挖開進行檢測，不僅檢測效率低，而且成本高[4-5]。目前市面上存在的固定半徑的管道檢測機器人，只適應同一管徑的管網檢測，對于不同管徑的管網卻無能為力。變徑油氣管道檢測機器人就可以自由過渡不同管徑，可以一次性檢測不同管徑管網，提高了操作的靈活性和檢測效率[6-7]。為了能夠使管道機器人適應不同的管徑，國內的管道機器人研究者設計了不同結構的變徑管道機器人，例如：石家莊鐵道大學的張保真等[8]針對管道機器人對管道半徑的適應性，基于升降機式與滾珠絲杠螺母副式變徑機構，提出了一種滾珠絲杠螺母副三角升降式變徑機構；上海交通大學的馬嘉翊[9]研發了一種運動機構，采用周向三輪定位全驅機構和雙絲桿曲柄滑塊叉式主動變徑機構相結合，通過對稱式設計實現管道內行走及變徑。

為了更好地實現油氣管道檢測機器人的變徑，本文設計了一種新型變徑機構，可以靈活地實現機器人的變徑，以適應不同工況下檢測作業。

1 機器人的整體設計

1.1 機器人的設計原則

1）根據現有的變徑管道檢測機器人，設計一種新型連桿結構的管道機器人的變徑機構；2）采用履帶式行走機構，增大機器人的驅動性能和運動穩定性，便于機器人在油氣管道內穩定地作業；3）采用傳統的同軸、不同向的齒輪傳動結構，帶動連桿結構實現變徑；4）節約成本，在實現管道機器人的各種功能的前提下，盡可能使機器人的體積小，結構緊湊。

1.2 機器人工作原理

機器人在水平管道中運行時，履帶行走機構的橡膠履帶與管道內壁接觸，管道內壁與橡膠履帶的摩擦力為機器人提供動力。水平管中運行的機器人，兩側履帶行走裝置不需要張開太大角度，只需要履帶與管道內壁接觸，就可以滿足機器人的正常行走。機器人在豎直管道內運行時，可以控制變徑機構收放以適應管道內不同管徑的變化，保持變徑管道機器人本體中心線與油氣管道的中心軸線保持平行。就需要機器人的履帶行走機構張開180°以抵在油氣管道內壁。機器人內部的同軸、不同向的齒輪傳動結構工作，電動機正轉，分布在機器人本體上的圓環隨著齒輪轉動，左右兩邊的圓環轉向相反，帶著履帶固定架向上和向外運動，一方面，抬高了履帶行走機構，使其與管道直徑平行；另一方面，擴展了機器人的伸展寬度。使橡膠履帶緊緊地抵在管道內壁，防止機器人滑落，為機器人向上運動提供足夠的摩擦力。

1.3 機器人的整體組成結構

如圖1所示，通過三維制圖軟件SolidWorks建模零件和裝配變徑管道機器人的三維模型，主要包括機器人主體、圓環、連接架、履帶固定架、履帶行走機構等。

圖1 變徑管道機器人的整體組成結構

2 變徑管道機器人關鍵結構的設計

2.1 履帶式行走機構

與傳統的履帶式行走機構不同，該履帶式行走機構沒有直接與機器人本體相連接，而是通過履帶固定結構與本體間接相連，一方面是機器人變徑結構的一部分，另一方面是管道機器人的行走機構。使得管道機器人在運動的過程中實現輕松變徑，讓機器人的變徑與行走變得更加靈活。

履帶式行走機構中的履帶采用橡膠履帶，由于材質的原因，在機器人行走過程中，橡膠履帶會產生比金屬履帶更大的摩擦力，特別是管道機器人運行在有一定傾角或者豎直管道內時，橡膠材質的履帶的摩擦效果會更顯著。履帶式行走機構與油氣管道壁面的接觸面積大，可以為機器人的運動提供足夠的摩擦力，增加機器人的負載能力。但履帶的整體結構比較笨重，需要的轉彎半徑大，故在制作過程中要采用輕質材料組裝履帶式行走機構。履帶式行走機構如圖2所示。

圖2 履帶式行走機構

2.2 管道機器人變徑系統

機器人的整個變徑系統如圖3所示，包括機器人的變徑結構和變徑驅動結構。機器人的變徑機構采用了傳統的連桿機構，機器人主體上有4個帶有齒輪的圓環，這4個圓環是實現變徑的主要零件，可將4個圓環理解為連桿機構的一部分。通過銷將圓環、連接架和履帶行走機構的固定架聯接起來。履帶式行走機構與履帶行走機構固定架類似于另一個連桿。前后各有2個這種連桿機構，在同軸不同向的齒輪傳動結構的帶動下實現變徑。前后2個連桿機構分別與1個齒輪傳動結構相連。在電動機的帶動下，齒輪結構產生不同方向的轉動，帶動左右4個圓環同時向上或向下運動，上面2個圓環的上下擺動主要是用于調節履帶行走機構的高度，下面2個圓環的上下擺動主要是用于調節履帶行走機構的角度，便于增大履帶與油氣管道內壁的接觸面積。

圖3 機器人的變徑系統

3 管道機器人的整體裝配

在對新型變徑管道機器人的設計過程中，采用的是以本體為中心向周圍擴散的裝配方法，首先要對變徑機器人的各種機械零件和裝配結構進行分析。使用SolidWorks 三維建模軟件完成機器人全部零件的設計和建模，并通過對各個零件進行合理的配合，組裝成整體機器人的裝配體，如圖4所示。

圖4 變徑管道機器人的整體裝配

4 結論

油氣管道是我國主要的能源輸送方式之一，油氣管道的好壞直接決定了油氣運輸的效率。油氣管道檢測變徑機器人的設計和研發決定了油氣管道的檢測質量。現在市面上少有用于管道內變徑的機器人，因此設計一種能適應不同管徑的管道機器人是一種必要的途徑。對于變徑管道機器人，主要有以下幾個方面的研究：1）主要針對能夠適應油氣變徑管道復雜情況的變徑管道機器人進行研究，設計了一種新型變徑結構，可以適應直徑范圍為300～350 mm的油氣管道；2）一種新型的連桿結構的機器人變徑結構，連桿結構變徑靈活，能夠完成一定范圍的變徑，并保證機器人的履帶機構能夠很好地接觸到油氣管道內壁；3）傳統的機械齒輪結構，該結構可以實現同軸不同向的轉動，設計靈活，并在一定程度上節省了空間，減少了機器人的制造成本；4）改造的履帶式行走機構，兼顧管道機器人的變徑和行走功能，橡膠式履帶可以增大與油氣管的接觸面積，增大摩擦力，提高驅動能力和負載能力；5）采用三維建模軟件SolidWorks對機器人的各個零件進行設計、建模和裝配，直觀地體現出變徑管道機器人的整體情況，為搭建實物提供了依據。雖然本文設計的是針對油氣管道的變徑機器人，但是經過適當的改進，該機器人在其他類似的工程管道中也具有很好的實用性。