一種管道疏通蛇形機器人的關節研究

劉響響 羅家維 趙婧

摘要：各類管道和人們的生活生產密不可分，由于管道常用于輸送腐蝕性液體或各類污水，人們對該類管道的堵塞處理非常困難。尤其是多數管道比較長、直徑比較小，一旦發生堵塞，一般的疏通工具難以抵達堵塞部位。根據管道疏通現狀，研制了一種用于狹窄管道的仿生蛇形機器人，該機器人根據蛇類形體特征和運動特點設計，能夠更好地適應較細管道的疏通工作。

關鍵詞：管道;堵塞;疏通;機器人

1 ? ?蛇形機器人運動類型與控制方案分析

生物蛇的運動分為直線爬行、蜿蜒前進、伸縮運動三種基本類型，結合下水管道的實際應用環境，蛇形機器人采用直線運動模式最為適合[1]。所謂“直線運動模式”是指蛇身體骨骼構造特殊，軀干部分骨骼僅存肋骨，肋骨之間通過一定的肌肉相連，通過肌肉的伸縮實現肋骨的前后運動，肋骨與貼地的腹鱗之間存在一定的肌肉關聯，當肋骨和腹部鱗片之間的肌肉收縮時，肋骨即可向前移動，進而使腹部鱗片豎起，這樣豎起的鱗片對地面有個斜向前的力的作用，此時，蛇身并沒有向前運動，豎起的鱗片和收縮的腹部肌肉處于一種力學平衡中，蛇腹部肌肉放松時，這種平衡被打破，僅存鱗片對地面的作用力，這種力將推動蛇身體向前運動[2]。所有的肋骨依次做相應動作，即可完成蛇的直線爬行運動。在構造蛇形機器人結構模型時，主要完成肋骨的結構替換設計和骨環之間的肌肉替換仿真控制。

2 ? ?蛇形機器人的關節組成結構

蛇形機器人軀干采用分段模塊設計，仿照蛇類骨環設置相應的關節環，這種關節環設計結構如圖1所示。該關節環采用氣囊的結構模式，單個關節環設置四個條帶狀扇面氣囊室（A、B、C、D），條帶狀氣囊首尾兩端固定在前后氣囊固定架之上，并且氣囊之間采用分割架進行限位隔離。條帶狀氣囊由彈性外壁包裹，在關節環外部設置彈性外壁。每段關節末端設置一個環狀氣囊室，環狀氣囊室采用內外環固定支撐架固定，內環支撐架直徑小于外環支撐架。環狀氣囊室外壁由彈性材料構成，在彈性材料上安裝防后移裝置，如圖2所示。防后移裝置主要由限位鱗片、刀形連桿、彈簧室、環形氣囊室組成，當該關節的環形氣囊室氣體充氣后，環形氣囊室支撐類似魚鱗片形的防位移限位鱗片，防止蛇形機器人關節向后移動，當氣囊失氣后，刀片狀連桿在彈簧的拉力作用下使防位移鱗片緊貼蛇形機器人關節，此時蛇形機器人關節近似一個圓柱形。因此，后級氣囊環起到位置固定作用。

3 ? ?蛇形機器人關節運動與控制系統研究

蛇類在直線運動過程中，通過調整骨環之間肌肉束的伸展和伸縮實現前進運動。蛇形機器人關節在運動過程中各部分的功能主要通過調整環狀限位氣囊的通氣縮張和條帶狀扇面氣囊室伸展和收縮實現，采用四個（A、B、C、D）條帶狀氣囊，蛇形機器人關節橫截面顯示各條帶狀氣囊呈扇面狀。蛇形機器人主要由多級關節機構串聯組成，相鄰關節間通過關節固定架上的法蘭盤固定在一起，仿照蛇類骨環肌肉動作完成仿生動作，在前進運動過程中采用多級協作模式。首先是前級關節環狀氣囊室中的氣體轉移到后級關節環狀氣囊室中，在該模式下，后級環狀限位氣囊（所謂“限位氣囊”，主要通過該機構與接觸面的壓力，阻礙蛇形機器人身體在運動過程中向后移位）膨脹，使后級關節的重力中相當一部分作用在后級關節的氣囊環之上，同時，前級關節環狀氣囊室因為失去氣體支撐，整個前級關節貼地重心也隨之下降。其次，前級關節四個條帶狀扇面氣囊中的氣體通過氣體泵經過相應的微型管道轉移至后級關節相應的氣囊室中;在氣體轉移過程中，后級氣囊產生自然的前后伸展（氣囊側向伸縮受到關節外罩的束縛作用，限制橫向縮張作用），又因為受到后級環狀限位氣囊的限制作用，后級條帶狀扇面氣囊做前伸運動，推動前級關節向前移動。當該動作完成時，后級環狀氣囊室中的氣體再次轉移到前級環狀氣囊室，然后后級關節條帶狀扇面氣囊中的氣體再次轉移到前級關節條帶狀扇面氣囊中，后級關節氣囊收縮，拉動后級關節前移。按照這種模式不斷循環，蛇形關節依次向前移動，實現整個機器人的前進運動。

蛇形機器人關節運動控制過程如圖3所示。

蛇形機器人前后關節中的條帶狀扇面氣囊室之間的氣體轉移采用氣體導管經過微型氣泵抽送完成。在氣體抽送過程中，通過安裝在各類氣囊上的壓力傳感器對相應的氣囊內的氣壓進行判斷，由氣壓變化完成氣囊是否實現氣體抽送任務的判斷。例如，條帶狀扇面氣囊的氣體壓力值傳感器達到壓力值101.325 kPa，即表示該氣囊室處于完全伸展狀態;否則即處于收縮狀態。按照需要完成對不同氣囊間的氣體抽送，實現蛇形機器人關節的伸縮控制，最終實現蛇形機器人的運動控制。

4 ? ?結語

經過論證，該結構設計可采用較輕質材料完成，降低蛇形機器人自身重量，減輕機器人移動過程中的能量損耗。整個結構體組成較為簡單，關節模塊化程度較高，易于生產與組裝，因而具備一定的實用性和可靠性。

[參考文獻]

[1] 鄔昭平，劉許童.一種基于真空吸入式氣力輸送技術的大管道疏通設備研發[J].科技資訊，2016，14（18）：41-42.

[2] 琚立穎，龍海洋，李耀剛.自主式微型管道疏通車疏通驅動系統研究[J].機床與液壓，2016，44（8）：75-77.

收稿日期：2020-08-25

作者簡介：劉響響（1989—），男，安徽人，碩士，研究方向：智能控制。