具有自適應能力管道機器人的設計與運動分析

北京市中關村中學 于 錚

具有自適應能力管道機器人的設計與運動分析

北京市中關村中學 于 錚

具有自適應能力的管道勘察機器人對于未來管道維護、清理工作有著重要的意義。秉著在不增加驅動電機的基礎上盡可能節能降耗的理念，選用螺旋驅動方式并進行了優化，提高其適應能力和越障能力。本文針對具有自適應能力管道機器人的設計理念、設計方法和建模運動結果進行了探討。

自適應；管道機器人；管道內探；機械設計

1 前言

我國擁有數量龐大的地下管道系統管網。由于這些深處地下的管道設施有的人工無法直接進行觀察檢修和清潔，無法直觀上對其存在的腐蝕、開裂等情況進行判斷，就必須依賴相關的管道機械機器人和影像勘察設備。而管道機器人由于能夠具備自適應能力，能夠便捷快速的進行管道內探工作，為管道維護工作提供了保障。

2 具有自適應能力管道機器人概述

具有自適應能力的管道機器人設計考慮選用螺旋驅動方式，該方式使用的電動機數量少且易于控制，電機的減少相對能量消耗少，就有更足夠的時間來完成管道的內探任務。由于地下管道中有液體管道、氣體管道以及半液半氣管道，而采用螺旋驅動方式的自驅動管道機器人，由于在其機械輪腿的部分也安裝有旋轉槳葉，從而讓其能夠在管道內自主行走并不受到管道內部物質的限制。管道機器人通過模塊化設計就為機器人性能擴展留足空間，還便于安裝影像設備。如圖1所示為自適應管道機器人的設計圖，整個設計主要包括：移動機構部件（包括旋轉輸出構件：（1）前部彈性驅動臂、旋轉輸出構件；（2）后部彈性驅動臂、保持架、滾輪、槳葉。）、前臂驅動部件、后臂驅動部件。

旋轉傳輸構件1主要與前臂的驅動固定，而傳輸2部件則與后驅動相固定。通過彈簧的作用就讓所有的滾輪都直接壓在管道壁上從而確保了機器人與管道壁之間運動的摩擦力。前部驅動臂和滾輪是和旋轉傳輸構件1相連工作的，并且前部和后部的驅動部件是分別進行工作的。當前部滾輪和驅動臂遇到障礙沒有辦法前進時，后部的旋轉傳輸部件2啟動，通過后部的動力傳輸幫助前部驅動臂前進越過障礙；而后部遇到障礙，通過前部驅動就能夠帶動后部越過障礙。同時也為機器人的前后運動提供便利。由于輪腿上設計有槳葉部分所以在流體中行進時通過槳葉還能夠確保機器人有額外的動力，增強了其適應性。

圖1 自適應管道機器人的設計圖

3 具有自適應管道機器人的設計

3.1 移動機構的設計

其移動部分設計，必須結合實際的工作需求進行考慮，并滿足以下條件：首先采用減速傳動機構來對機器人驅動電機的輸出轉扭矩進行降速；其次，確保管道機器人的軸向尺寸盡可能的短才確保其靈活性；再者，應該減少驅動電機的數量減少電源的消耗，使機器人能夠長時間工作。由于要確保以上三個條件，所以就必須要考慮三者之間存在的制約關系，且并不互相矛盾。采用圖2的方案能夠有效解決以上的三個問題。

由于采用了輪系傳動的方式就可有效的對驅動電機進行降速，同時確保減速比的情況下確保了較短的軸向尺寸。而后，直齒輪1和直齒輪2都是直接和驅動電機用聯軸器進行連接傳動，其中直齒輪2與傳動軸采用固連方式。當傳動軸旋轉就會通過環齒輪轉動帶動固聯的前部驅動臂旋轉，而后動力就通過齒輪輸出出來。動力的另一路輸出路徑為驅動電動機帶動傳動軸和太陽輪旋轉，然后經由行星輪從行星架出輸出來。固聯在前部驅動臂上的滾輪不僅僅被彈簧壓在管道壁上且與管道軸線還要形成一定的傾斜角度；而后部的驅動臂滾輪與管道軸線平行。

圖2 自適應管道機器人移動機構示意圖

3.2 工作模式設計

如上設計的機器人有兩種工作模式，即正常工作模式和越障模式。在正常模式下，其在管道中向前行進由于沒有障礙，所需要克服的阻力不大，僅由前部的驅動臂旋轉產生設備向前行進的驅動力；此時前部驅動產生的動力足夠機器人運動，后部驅動臂受到約束從而不旋轉。在此時傳動比能夠保證機器人向前快速行進。而在越障輔助模式下，因為管道機器人遇到了相應的故障，前部驅動臂可能受到比較大的阻力無法向前，從而速度降低，電動機輸出的扭矩就會增大；此時后部驅動臂就能通過克服外部驅動約束從而產生旋轉輸出動力，而后部輸出的動力大于前部所以就能夠幫助前驅動臂越過障礙，順利向前行進。

正是由于在正常工作模式下管道機器人能夠通過前驅動臂的動力快速的向前行進，而遇到障礙時又通過后驅動臂輸出動力越過障礙，兩種模式的交替就可確保在管道行進中機器人獲得足夠的自適應性，并不需要人為進行干預和控制，有良好的實用性。

3.3 后部驅動臂設計

由于在越障模式下后驅動臂的作用至關重要，且為了整個機器人在管道行進過程中具備良好的穩定性就必須要確保后臂設計滿足的要求：首先，必須要確保后臂滾輪在正常工作模式下與管道軸線始終處于平行狀態；其次在越障輔助模式情況下滾輪能夠與軸線產生傾斜角度。

而通過研究設計，采用的后臂驅動臂結構如圖3所示，主要的組成部分為：轉臺、滑桿、套筒、滾輪。由于滾輪是安裝在轉臺上的就能夠繞軸線進行自由的轉動；滑桿與轉臺的連接方式為鉸接，通過轉臺與滑桿之間的銷軸就能夠對兩者相對的轉動范圍進行限制；滑桿可以在套筒中進行縱向的自由運動但是相對轉動是手下了約束。套筒中安裝有壓縮彈簧是保證滾輪能夠壓在管道壁上；最后滑桿的轉軸與滾輪的中心存在偏心，拉伸彈簧的預緊力保持滾輪與管道軸線平行。

圖3 后部驅動臂結構圖

該機器人在傳動的螺旋驅動機器人的基礎上進行了延伸和改進，從而能夠具備更強的自適應性。并且只需要配比一個驅動電機就能夠大大的減少能源消耗，保證工作的效率，有較強的工作能力。

4 自適應管道機器人運動建模結果分析

螺旋驅動的管道機器人與傳統的輪式機器人在運動方式上已不同，因為螺旋驅動機器人在實驗中也出現了自轉現象，所以需要進行運動分析。而通過運動建模的方式對機器人的運動進行的模擬分析得到了以下的結果。

4.1 無自轉現象的運動分析

通過模擬分析發現機器人的移動速度不僅僅與電機轉速有關，主要還與管道的半徑、輪半徑、滾輪與管道軸線夾角有關。并且通過實驗數據發現管道機器人滾輪與管道軸線之間夾角的正切值在實際情況下就相當于減速機構中的傳動比，必須要對該夾角進行考慮。

4.2 發生自轉時的運動分析

自適應機器人發生保持架自轉時其移動速度與驅動臂都直接對自轉現象產生影響。一般來說保持架的滾輪傾斜角為0時，機器人的運動效果是最差的，但是隨著保持架滾輪傾斜角的增大其運動情況也會改善，當保持架滾輪傾斜角達到90度機器人的運動動速度達到最大值且保持架不會再進行自轉。同時發現后部驅動臂的滾輪傾斜角與保持架滾輪傾斜角的影響作用相同，在后部驅動臂滾輪傾斜角達到90度時機器人的運動速度最大。正是由于這樣的影響規律，所以在進行機器人滾輪傾斜角設計時盡量保證保持架滾輪傾斜角為90度的同時保證后部驅動臂滾輪傾斜角也為90度。但是越障模式下也需要對后部驅動臂滾輪傾斜角進行考慮，以保證其驅動力。

4.3 總結

傳統的輪式和傳統的螺旋管道機器人一般需要多電機，且適應性較差。所以采用單個電機的自適應性管道機器人無論在電機數量和工作模式上能夠展現出良好的性能優勢；而且由于兩個工作模式的并用就能夠確保機器人在管道中不需要人為干預就能夠順利行進，且有良好的穩定性。最后通過運動模型分析也說明雖然機器人會出現保持架自轉，但是通過對保持架滾輪角和后部驅動臂滾輪角的選擇設計能夠保證自轉現象得到控制。

5 結束語

具備自適應能力的管道機器人必然會在未來國家地下管道內探工作中發揮越來越重要的作用，而有關機器人設計、研究、優化的工作也不會停止。未來管道機器人在自主維修、管道清理等方面還有著巨大的發展空間，值得更多的去探索。

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