管道機器人變徑機構設計及垂直管道內移動可行性分析

李 琴，賀一烜，黃志強，李崇磊

（西南石油大學 機電工程學院，成都 610500）

0 引言

管道運輸作為全球五大運輸方式之一，廣泛應用于石油與天然氣等工業領域。為了防止油氣管道發生泄漏，提高管道的使用壽命，必須對管道進行定期的檢查和維護，但油氣管道所處的環境往往是人們不容易或者不能直接接觸和管理控制的。所以為了保障一線工作人員的安全和油氣管道的檢測效率，管道機器人因此而生。

管道機器人一種是集驅動技術、傳感器技術、控制技術以及信號處理技術與一體的智能化機電裝置[1]。由于油氣管道運輸距離較長，管道內部的空間大小有限，隨著油氣的流動內部的壓力不穩定等因素，對管道機器人的環境的適應性、自身的穩定性、能源方面的供給等驅動特性提出了較高的要求，這些特性也是當前管道機器人相關研究的熱點[2]。歐洲美國對管道機器人的研究起步時間相對較早，研究資料齊全，伴隨著電子技術和通訊技術的發展，歐美研究的管道機器人已將達到了可以實際應用的水平[3]。而相比之下，國內的管道機器人研究雖然起步較晚，但是也在這方面投入了大量的人力和物力，取得了不錯的成果，目前國內管道機器人研究多為實驗室階段，無法應用于工業生產中[4]。曹建樹等[5]設計了一種支撐式管道機器人，并對管道機器人的變徑機構進行了優化設計，驗證了變徑機構優化的可行性[6]。文獻[7]設計了一種針對礦業管道的負載較強的可變徑管道機器人。在此基礎上，青島大學張繼忠教授[8]等設計了一種具有較好越障性能的管道機器人。劉清友等[9]設計的螺旋式管道機器人具備通過垂直方向上的管道的能力和優秀的負載能力，且具有更高的對管道的檢測精度。現階段，管道機器人仍存在變徑機構種類較少[10]，難以通過垂直方向上的管道[11]等問題。

因此，本文設計了一個有變徑機構的輪式管道機器人，并對其在垂直管道內的狀態進行了靜力學分析，對變徑機構進行動力學分析，在增大變徑機構適應的管徑范圍基礎上，使機器人可以在垂直方向上的管道內移動，為管道機器人的物理樣機的制作奠定了基礎。

1 管道機器人機械結構設計

1.1 機器人組成

該管道機器人的機械部分主要由變徑機構和行走機構兩部分組成。變徑機構主要由曲柄、滑塊、輔助桿、彈簧軸、基板、彈簧等零部件組成。行走機構主要由輪子和輪子的支架組成。

1.2 機器人變徑機構

變徑機構主要參考了平行四桿機構，位于機器人軸心上的液壓缸和長軸上的彈簧通過滑塊推動連桿，再由輔助桿帶動曲柄來改變曲柄的水平方向的角度，使機器人的行走機構緊貼在管道內壁上，平行四桿機構的優勢可以使處于軸向的液壓缸的推力和彈簧壓縮時的推力通過平行四桿機構轉換為徑向的對管道內壁的支撐力，因此此機構更適合作變徑機構。

1.3 機器人行走機構

行走機構主要由輪子和輪子支架組成，行走機構的輪子均為從動輪，主要通過位于機器人軸心的液壓缸提供動力，帶動輪子使機器人移動。行走機構的輪子在一個輪基板上裝配有兩個，三個輪基板呈120°分布在徑向圓周范圍內。考慮到行走機構所占的空間，該管道機器人可以適應管道內徑在385mm～405mm范圍之內的不同管徑的管道。

1.4 機器人工作原理

當該機器人在管道中時，三個彈簧軸上的壓縮的彈簧會推動滑塊從而使輔助桿帶動輪子緊貼在管道內壁。機器人主要靠液壓缸推動的力實現機器人的移動，在機器人移動時，位于機器人中心的液壓缸會提供一個與運動方向同向的力，這個推力使行走機構的輪子向前移動。當該管道機器人在垂直方向的管道內移動時，其變徑機構可以提供足夠大的對管道內壁的壓力，使機器人的摩擦力在管徑適應范圍內不會因其自身重力而在管道內下滑或者無法爬上垂直方向的管道，而液壓缸可以提供足夠大的驅動力來克服機器人在緊靠垂直方向上的管道所受到的重力、摩擦力等各種阻力[12]，進而實現該機器人在垂直方向的管道內壁上的上升或者下降。

通過三維制圖軟件Autodesk Inventor構建出該管道機器人的三維模型，如圖1所示，用以后續的對機器人結構的分析和研究。

圖1 管道機器人

2 管道機器人在垂直管道時受力分析

管道機器人在垂直方向上的管道運行時，機器人的輪子因對管道內壁的壓力而產生的靜摩擦力應當等于管道機器人自身的重力，使機器人可以在動力部分不提供動力時停留在管道內壁上。在機器人對管道內壁產生的靜摩擦力剛好等于重力時，可以視為靜力學平衡的一種臨界狀態。機器人在進入管道時變徑機構的彈簧處于壓縮狀態，彈簧會使基板對管道內壁有較大的壓力，當機器人在變徑機構的適應范圍的最大管徑405mm時，壓緊的彈簧會舒張一部分，但彈簧仍處于壓縮狀態，對管道內壁依舊具有壓力，此時變徑機構對管道內壁的壓力為變徑范圍內的最小壓力。為了使機器人可以在垂直方向的管道內移動，需要對機器人在405mm管徑的垂直管道內壁停留時的這一狀態進行靜力學分析，并建立出靜力學平衡方程，求出機器人在變徑機構可以適應的管徑范圍內對管道內壁的壓力和機器人結構參數之間的關系，從而確定機器人在這一狀態下所需要對管道內壁提供的最小壓力。

如圖2所示，當管道機器人處于在垂直管道內停留的狀態時，管道機器人受到自身的重力G，變徑機構的平行四桿部分對兩個輪子提供兩個壓力FN1和FN2，管道內壁對兩個輪子提供的壓力N1和N2，以及管道內壁和兩個輪子之間摩擦力Ff1和Ff2。同時，管道內壁同輪之間附著系數為μ。圖2中其余的機器人結構參數含義：R為機器人的輪子半徑；L為兩個輪子之間的圓心距；h0為在變徑范圍最大值405mm時輪子的圓心到機器人重心延長線上的垂直最短距離。

根據三維制圖軟件Autodesk Inventor中查看模型物理特性的功能，得出管道機器人的體積V=1.84dm3，選用鋁合金作為機器人機械結構的材料，密度為，得出機器人重力G=50N。

圖2 機器人豎直管道內停留時臨界狀態受力分析圖

由圖2的受力分析圖可以得出機器人在此狀態時的靜力學平衡方程組(1)：

機器人在如圖2所示的狀態時，其輪子受到來自管道內壁的壓力N1和N2，以及來自變徑機構支撐板的壓力FN1和FN2，對這一局部的范圍進行受力分析，可以得出FN1和N1對另一輪子的圓心的力矩大小相等、方向相反，FN2和N2對另一輪子的圓心的力矩大小相等、方向相反，考慮到這兩組力的力臂都是圓心距L，所以根據靜力學平衡方程組(1)可以得出FN1=N1、FN2=N2。由此可以將方程組(1)進行簡化，得出靜力學平衡方程組(2)：

由靜力學平衡方程組(2)，可以得出（FN1+FN2）的表達式(3)：

根據表達式(3)，將管道機器人的重力的大小G=50N、兩個輪子之間的圓心距L=197.03mm、管道內壁和輪子之間的附著系數μ=0.5[8]、輪子的半徑R=28mm、在變徑范圍的最大值405mm時輪子的圓心到機器人重心延長線上的垂直距離h0=174.5mm等機器人結構參數代入到表達式中，可得出（FN1+FN2）的最小值為207.73N。

通過對管道機器人在垂直管道內壁停留時的臨界狀態靜力學分析可知，當管道機器人在變徑范圍的最大值405mm時，為機器人所需要提供的對管道內壁的壓力的最小值。在這一極限狀態下，機器人一個方向的基板需要提供的正壓力為207.73N，那么三個徑向均布的基板所需要對管道內壁提供的正壓力為單一方向的基板對管道內壁的正壓力的三倍，所以FN=3(FN1+FN2)=623.19N。通過對管道機器人在垂直管道的臨界狀態的分析，可以為后續對機器人物理樣機的制作及變徑機構的優化奠定基礎。

3 變徑機構動力學仿真及分析

在通過制圖軟件Autodesk Inventor建立出管道機器人的三維模型后，導入ADAMS中，給模型加以轉動副、固定副、移動副等約束，利用ADAMS對管道機器人的變徑機構的模型進行靜力學和動力學分析，如圖3所示。

圖3 變徑機構仿真模型

根據變徑機構在變徑范圍的最大值對管道內壁的壓力207.73N，將數值帶入到ADAMS的仿真模型中構建靜態平衡，分析得出變徑機構中心處三個移動副的受力大小為1230N，如圖4所示。

圖4 變徑機構移動副受力變化

移動副主要由彈簧推動滑塊實現移動，所以移動副處所受的力可以視為彈簧需要施加的力。要驗證每個彈簧軸上的彈簧在提供1230N的彈力時，管道機器人的變徑機構對管道內壁的壓力滿足最小值207.73N，且要觀察變徑機構的關鍵轉動節點在受力的瞬間的受力和轉矩變化情況，因此制圖5～圖10。

主動曲柄和輔助桿之間的合力的變化、從動曲柄和基板之間合力的變化、主動曲柄和基板之間合力的變化如圖5～圖7所示。

圖5 主動曲柄和輔助桿之間合力的變化

圖6 從動曲柄和基板之間合力的變化

圖7 主動曲柄和基板之間合力的變化

當每個彈簧軸所提供的軸向力均為1230N時，主動曲柄和基板之間的在豎直方向的分力的最小值為211.6301N，如圖8所示。

圖8 主動曲柄和基板之間在豎直方向上力的變化

變徑機構的主動曲柄和輔助桿之間的合力矩變化、輔助桿和滑塊之間的合力和轉矩的變化如圖9～圖10所示。

圖9 主動曲柄和輔助桿之間的合力矩的變化

圖10 輔助桿和滑塊之間的合力和轉矩的變化

結語：運用ADAMS對管道機器人的變徑機構的分析，得到了變徑機構的主要轉動副的力的變化情況，也由變徑機構的主要轉動副的力的變化情況可知，當每個彈簧軸上的彈簧所提供的軸向力為1230N時，主動曲柄和基板之間在垂直方向的分力的大小為211.6301N，滿足一個方向上的輪子在垂直管道時對管道內壁壓力的最小值207.73N，同時主動曲柄和輔助桿之間以及輔助桿和滑塊之間的合力變化較大，且又均存在合力矩，因此這兩個連接處可以視為機構上的危險點，這些為后續的管道機器人變徑機構上的彈簧的設計和物理樣機的制作奠定了基礎。

4 結語

1）設計了一種具有變徑機構的輪式油氣管道機器人，變徑范圍為385mm～405mm，并對機器人在變徑機構的最大適應范圍405mm時在垂直管道中對管道內壁的最小壓力值這一臨界狀態進行了靜力學力分析，得出了最小壓力值的大小207.73N。

2）結合了Autodesk Inventor的三維設計和ADAMS的動力學分析，驗證了對管道內壁的壓力211.6301N滿足最小壓力值207.73N和機器人變徑機構上的單個彈簧在此時需要提供的彈力1230N，滿足機器人在垂直管道中移動的要求，為樣機制作提供了理論依據。