管內爬行機器人行走機構的設計

【摘 要】隨著管內檢測爬行機器人技術的不斷成熟，它在工業中的應用也越來越廣，本文所設計的管內爬行機器人驅動機構，即管內步伐式行走機構，是在分析以往的輪式和履帶式機器人的基礎上設計的一種新型的管內爬行機器人行走機構。

【關鍵詞】管內爬行機器人；步伐式；驅動機構

0.引言

目前工業管道系統已廣泛應用于冶金、石油、化工及城市水暖供應等領域，因其工作環境非常惡劣，容易發生腐蝕、疲勞破壞或使管道內部潛在缺陷發展成破損而引起泄漏事故等，必須定期地對這些管道進行檢修和維護，然而管道所處的環境往往是人力所限或人手不及，檢修難度很大， 所以燃氣管道管內探測是一項十分重要的實用化工程，關系到燃氣的安全、合理地應用和管理。管道檢測機器人（管內爬行機器人驅動機構）就是為滿足該需要而產生的。

根據管內步伐式行走機器人的運動模仿人在井筒中四肢扶壁上下運動的模式，設計了機器人的行走機構，有效的解決了機器人在管道內的行走。

1.管內爬行機構總體設計

管內爬行機構主要由撐腳機構及其傳動，牽引機構及傳動，轉向機構3部分組成：見圖1所示：

該管內爬行機構的運動控制過程大致為：主、副電機不同時工作，分別控制其牽引機構和撐腳機構，并且鏡面對稱的兩單元，其支撐腳同一時間徑向所處狀態相反，即前腳踩在管壁上時，后腳處在抬起狀態；反之亦然。具體過程為通過副電機16帶動齒輪與齒圈嚙合旋轉，齒圈背面的平面螺紋驅動滑桿沿滑道徑向移動，從而實現支撐腳的轉換。主電機1通過聯軸器與絲杠連接，帶動絲杠旋轉，將絲杠的旋轉運動轉換為螺母的軸向移動，從而通過連桿機構拖動身軀和前后單元向前移動，另一部分的控制過程相同。上述動作是管內爬行機構的一個步進過程，循環執行步進過程機器人繼續前進，實現管內的均勻連續行走。

2.撐腳機構及其傳動

撐腳機構的作用是使管道機器人被支承在管道中心線上。其機構及傳動(見圖1)由電機16、小齒輪15、齒圈及平面螺紋14、滑桿13、腳靴12組成。當電機16帶動小齒輪15和齒圈14旋轉時，齒圈背面的平面螺紋驅動滑桿13在筒體10的徑向軌道內外伸推動腳靴踩在管壁上，電機反向旋轉時，滑桿內縮帶動腳靴徑向抬起離開管壁。腳靴三套在圓周上間隔120°布置，三套腳靴同步伸縮，其動作與車床三爪卡盤的動作類同。三套腳靴伸出踩在管壁上時，使機器人處在管道的中心線上。為了使機器人在腳靴縮回時，仍能維持在中心線上，安裝4組輔助支承輪18，每組三套，在圓周上間隔120°安裝，支承輪通過支承柱19、彈簧20分別與支架3和筒體10固連。當撐腳縮回時支承輪使機器人基本上維持在管道中心線上。當機器人行走過程中支承輪遇到障礙時彈簧被壓縮通過障礙。

3.牽引機構及傳動

牽引機構的作用是拖動機器人前進.牽引機構(見圖1)由電機1、螺桿2、螺母5撥銷4、撥桿7和支承桿9組成。當電機1帶動螺桿轉動時，螺母受撥桿的約束不能轉動而沿螺桿軸向移動，固連其上的撥銷4撥動撥桿7順時針方向轉動，由于腳靴12鎖死在管壁上，支承桿9不能向后運動，撥桿7通過銷6帶動支架3及其固連在3上的套筒11在筒體10內向前滑動，同時通過萬向節21拖動機器人的后單元(此時后單元的腳靴在抬起狀態)向前運動，整個機器人前進.當腳靴12處在抬起位置時，撥桿7通過支承桿9推動筒體在套筒11上向萬向節方向滑動、改變了腿的姿勢。

4.轉向機構

轉向機構的作用是使機器人能隨管道的彎曲自動轉向通過彎曲管道(見圖1)。管道行走機器人由兩個鏡面對稱的單元組成，兩個單元的套筒間由萬向節21連接，這是一個十字萬向節機構，可使前后兩單元在任意方向上轉動。當管道彎曲時萬向節可自動轉向適應彎曲管道，這樣機器人通過彎曲管道時無需專門進行檢測和控制。

5.撐腳防滑機構的工作原理

撐腳防滑機構如圖2所示，其中長銷2靠過盈配合固連在腳靴3上，當滑桿1與腳靴3相對移動時，長銷2在滑桿1的長槽中滑動，在腳靴踩上管壁前，由于彈簧6的作用使滑桿1相對于腳靴上移，固聯在滑桿1上的短銷5迫使兩擺桿4的夾角增大，使兩擺桿4的端部縮回到腳靴底面以上。當滑桿外伸時首先腳靴底與管壁接觸，腳靴底接觸管壁后，滑桿壓縮彈簧6繼續下移，短銷也隨滑桿下移，放松了兩擺桿4，在彈簧7的作用下，兩擺桿4的夾角減小，兩擺桿的端部從腳靴底面上伸出壓在管壁上，擺桿長度設計保證擺桿此時與中心線的夾角小于擺桿材料與管壁摩擦角，腳靴向右滑動時右擺桿起作用，向左滑動時左擺桿起作用，被鎖死在管壁上不能左右滑動，起防滑作用。

6.支撐腿的設計

支撐腿的作用是使機器人在腳靴縮回時，仍能維持在中心線上。管道行走機器人由兩個鏡面對稱的單元組成，在每個單元里安裝兩組支撐腿，每組三套，在圓周上間隔120度安裝。支撐腿主要是由支撐柱、支撐輪和彈簧三部分組成（如圖3所示）圖中1為支撐桿，2為彈簧，3為支撐輪，支撐輪通過彈簧、支撐柱以及支撐柱上的螺紋分別固連在支架的前端與筒體上。在此，為方便連接，在支撐柱上設置一凹槽，以便利用扳手將支撐腿固連在支架和筒體上。

當撐腳縮回時，支撐輪使機器人基本上維持在管道中心線上；機器人在行走過程中，當支撐輪遇到障礙，彈簧在機器人牽引力的作用下被迫壓縮，以此通過障礙。

7.結論

步伐式行走機構，腳鎖死在管壁上，在大牽引力情況下不打滑。并且安裝了4組輔助支撐輪，當撐腳縮回時支撐輪使機器人基本上維持在管道中心線上；當機器人行走過程中，支撐輪遇到障礙時，支撐輪上的彈簧被壓縮，可以自主通過障礙；機器人通過彎曲管道時無需專門進行檢測和控制。這種機器人是可以雙向運動、自動轉彎的步伐式行走機構，此設計解決了機器人在管內爬行的行走需要。 [科]

【參考文獻】

［１］森高，宗利.管內步行裝置.特開平5-294233，1993.

［２］Aoki K.Pipe mouse.J.Piping Tech，1983，25(8):150-15.

［３］鄧宗全，孫序梁，劉成林.管內行走機器機構的研究，機器人，1989，3(6).

［４］張耀宏，阿克.在小管內移動的微型機器人.世界機械工業， 1990，(2).

［５］李元宗，史貴柱，武利生.管內步伐式行走機器人.機器人，1998，9，20(5)：356-361.

［６］甘小明等.管道機器人的發展現狀.機器人技術與應用，2003，(6).

［７］徐小云，顏國正，閆小雪.油/氣管道檢測機器人.上海交通大學學報，2003，11，37(11).

［８］馬宏偉，陳富，杜功儒.長輸管道無損檢測自動化技術的研究進展.中國機械工程，2003，12，14(23).

［９］劉大維，彭商賢，龔進峰.地下管道檢測移動機器人的發展現狀.吉林工大學學報，1998，28(1)：109-112.