主動(dòng)變徑式管道機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析

陳朋威,高飛,賈超鈺

(1. 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,陜西 咸陽 712000;2. 太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,山西 太原 030024)

0 引言

隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展,圓形管道的應(yīng)用越來越多,這類管道通常架設(shè)在空中,鋪設(shè)在地下或應(yīng)用于隧道中。直徑小于400mm的圓形管道需要對(duì)其進(jìn)行內(nèi)部維護(hù)、探測(cè)等作業(yè)時(shí),由于管道內(nèi)部直徑較小,人體難以進(jìn)入,需要相關(guān)設(shè)備進(jìn)行輔助作業(yè)。管道線路長(zhǎng)度大于50m時(shí),一般的探測(cè)或作業(yè)設(shè)備達(dá)不到這樣的作業(yè)距離。

可移動(dòng)的管道機(jī)器人作為一種有效的探測(cè)設(shè)備,可以深入人類無法到達(dá)的狹小空間內(nèi)執(zhí)行勘察任務(wù)[1]。國內(nèi)外學(xué)者及相關(guān)公司對(duì)管道機(jī)器人理論和產(chǎn)品開展了大量的研究,國內(nèi)輪式管道檢測(cè)機(jī)器人產(chǎn)品較為成熟,如武漢某公司生產(chǎn)的多款輪式管道機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)城市地下排水管道的檢測(cè),特點(diǎn)是可應(yīng)用于大直徑管道。國外加拿大某公司開發(fā)了多款履帶式管道機(jī)器人,可以應(yīng)用于小直徑管道,但是其產(chǎn)品價(jià)格高昂;韓國大邱慶北科技學(xué)院采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)研發(fā)了履帶式管道機(jī)器人[2]。管道機(jī)器人理論研究方面,吳興鋒[3]研究了管道機(jī)器人避障技術(shù);郭憲、TOURAJIZADEH H等[4-5]分別對(duì)管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路線及控制進(jìn)行了相關(guān)研究;文獻(xiàn)[6-9]對(duì)管道機(jī)器人通過性和檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[10-12]對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究。

本文研制了一種應(yīng)用于管道直徑φ280mm～φ380mm的機(jī)器人。機(jī)器人具有主動(dòng)變徑機(jī)構(gòu)和3組獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)模塊,可以實(shí)現(xiàn)圓形管道內(nèi)部影像的實(shí)時(shí)觀測(cè)作業(yè)。闡述了機(jī)器人機(jī)構(gòu)組成,建立了機(jī)器人在圓形管道內(nèi)的位姿模型,對(duì)機(jī)器人兩種典型位姿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,并對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)特性仿真;搭建了圓形管道的試驗(yàn)環(huán)境,對(duì)研制的機(jī)器人進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 管道機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

管道機(jī)器人如圖1所示,其機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)模塊、支撐結(jié)構(gòu)、變徑機(jī)構(gòu)、CCD及光源組成。驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)置伺服電機(jī)、減速機(jī)和同步帶等傳動(dòng)機(jī)構(gòu),沿圓周方向呈120°均布,其運(yùn)動(dòng)可以單獨(dú)控制,為機(jī)器人在圓形管道中的行走提供動(dòng)力,機(jī)器人前端結(jié)構(gòu)安裝有CCD攝像頭,可以將管道內(nèi)部影像呈現(xiàn)在視頻顯示器中。

圖1 機(jī)器人實(shí)物結(jié)構(gòu)

變徑機(jī)構(gòu)如圖2所示,驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)絲杠螺母及與其固定連接的零件進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),支承連桿通過角度的變化來調(diào)整3組驅(qū)動(dòng)模塊履帶與管道內(nèi)壁的接觸壓力,同時(shí)使機(jī)器人適應(yīng)管道內(nèi)部直徑的變化。

圖2 機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)

2 機(jī)器人位姿和力學(xué)特性分析

2.1 機(jī)器人位姿和受力分析

定義機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊的中心分型面與重力方向直線的夾角為β, 0°≤β≤120°,G為機(jī)器人及負(fù)載重力,N1、N2和N3為重力產(chǎn)生的3組驅(qū)動(dòng)輪對(duì)管道內(nèi)壁正壓力的反作用力,由變徑機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)模塊與管道內(nèi)壁正壓力為f,管道內(nèi)機(jī)器人位姿及受力分析如圖3所示。

圖3 管道內(nèi)機(jī)器人位姿及受力分析

機(jī)器人3組驅(qū)動(dòng)模塊呈120°圓周均布,當(dāng)機(jī)器人3組驅(qū)動(dòng)模塊均與管道內(nèi)壁壓緊,機(jī)器人在管道中的典型位姿有兩種:

1)2組驅(qū)動(dòng)模塊支撐重力的位姿如圖4所示,此時(shí)重力G作用在下部?jī)山M驅(qū)動(dòng)模塊上N3=0;

圖4 2組驅(qū)動(dòng)模塊支撐

2)1組驅(qū)動(dòng)模塊支撐重力的位姿如圖5所示,此時(shí)重力G作用在下部1組驅(qū)動(dòng)模塊上N3=G;N1=N2=0。

圖5 1組驅(qū)動(dòng)模塊支撐

當(dāng)管道內(nèi)頂部空間不允許受力或不允許物體通過時(shí),機(jī)器人使用1組驅(qū)動(dòng)模塊支撐重力的位姿進(jìn)行作業(yè)。根據(jù)力平衡條件有如下關(guān)系:

(1)

機(jī)器人沿管道內(nèi)部直線運(yùn)動(dòng)時(shí)有如下動(dòng)力學(xué)關(guān)系:

(2)

式中:F為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的總牽引力;m為機(jī)器人質(zhì)量;Vt為機(jī)器人移動(dòng)速度;μ為驅(qū)動(dòng)模塊與管道內(nèi)壁之間的運(yùn)動(dòng)摩擦因數(shù);Mi為驅(qū)動(dòng)模塊輸出轉(zhuǎn)矩;r為驅(qū)動(dòng)輪半徑。

2.2 單驅(qū)動(dòng)模塊支撐情況下機(jī)器人動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

底部1組驅(qū)動(dòng)模塊支撐重力,當(dāng)機(jī)器人另外2組驅(qū)動(dòng)模塊與管道內(nèi)壁不接觸時(shí),機(jī)器人運(yùn)動(dòng)具有不穩(wěn)定性。為研究機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性,對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行近似處理。機(jī)器人底部驅(qū)動(dòng)模塊與管道內(nèi)壁的接觸可以看作是一個(gè)可以擺動(dòng)的支點(diǎn),機(jī)器人的所有質(zhì)量集中于機(jī)器人的質(zhì)心上,為此把變徑機(jī)構(gòu)和機(jī)器人系統(tǒng)通過適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換轉(zhuǎn)化成一個(gè)變桿長(zhǎng)的可伸縮倒立擺模型,如圖6所示。采用適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)控制策略后,管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問題可以在其運(yùn)動(dòng)空間中討論。

圖6 管道機(jī)器人近似模型建模

如圖6所示,模型的輸入包括作用于支點(diǎn)處的力矩τ和機(jī)器人變徑力f。模型的動(dòng)力學(xué)方程表示如下:

(3)

力矩τ為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊履帶與管道內(nèi)壁的滑動(dòng)摩擦力產(chǎn)生的力矩,當(dāng)管道內(nèi)壁光滑時(shí)τ的數(shù)值較小,而當(dāng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊履帶與管道內(nèi)部的接觸面被簡(jiǎn)化為一個(gè)點(diǎn)時(shí),τ=0。在較大直徑管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí),為了使機(jī)器人不倒下,可以通過控制變徑力f來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的擺動(dòng)模式,由力學(xué)分析知:當(dāng)質(zhì)心處的變徑力為

f=mg/cosθ

(4)

質(zhì)心沿水平方向運(yùn)動(dòng),這種在直觀上通過改變l來保持恒定質(zhì)心高度的擺就是線性倒立擺。

二維線性倒立擺的運(yùn)動(dòng)方程為

(5)

將式(4)帶入式(5),可得:

(6)

當(dāng)質(zhì)心為水平運(yùn)動(dòng),即y為定值時(shí),可求得:

(7)

(8)

3 管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性仿真

3.1 機(jī)器人仿真試驗(yàn)條件

仿真試驗(yàn)條件:0～0.5s為管道內(nèi)部放入機(jī)器人時(shí)間段,機(jī)器人4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)均不啟動(dòng);0.5～3s,機(jī)器人變徑電機(jī)和3個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊的電機(jī)啟動(dòng);3s～30s機(jī)器人在管道內(nèi)部沿著管道方向運(yùn)動(dòng)(圖7)。

圖7 管道機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型

3.2 機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)特性仿真及分析

用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)機(jī)器人在管道內(nèi)部運(yùn)行特性進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。0.5～3s階段,機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度的軌跡規(guī)劃是先加速后減速,電機(jī)最大角速度270°/s。當(dāng)變徑機(jī)構(gòu)張開到一定角度后,電機(jī)輸出軸不轉(zhuǎn)動(dòng),電機(jī)進(jìn)入力矩保持模式,以維持變徑機(jī)構(gòu)的姿態(tài),此時(shí)電機(jī)速度降為0°/s,如圖8所示。

圖8 變徑機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度

0.5～3s變徑階段,機(jī)器人中心軌跡點(diǎn)OO的x軸最大值為3.2mm,機(jī)器人中心軌跡點(diǎn)OO的y軸最小值為-8.5mm;3～30s變徑結(jié)束后機(jī)器人中心軌跡點(diǎn)OO的x軸數(shù)值穩(wěn)定在-0.1mm;y軸數(shù)值穩(wěn)定在0mm,如圖9、圖10所示。

圖9 軌跡點(diǎn)x軸位移和速度

圖10 軌跡點(diǎn)y軸位移和速度

管道長(zhǎng)度方向z軸機(jī)器人中心軌跡點(diǎn)OO速度穩(wěn)定在25mm/s線附近,機(jī)器人z軸位置從(3s,-1 182mm)變化到(30s,-507mm),機(jī)器人在管道內(nèi)27s移動(dòng)了575mm,平均速度25mm/s,說明經(jīng)過變徑后,機(jī)器人在管道中可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)如圖11所示。

圖11 軌跡點(diǎn)z軸位移和速度

仿真發(fā)現(xiàn)0.5～3s變徑階段,機(jī)器人中心軌跡點(diǎn)OO繞z軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)速度范圍(-3.68°/s,2.68°/s),對(duì)旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行積分,得到轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍為(0.78°,3.4°)。3～30s階段,機(jī)器人中心軌跡點(diǎn)OO旋轉(zhuǎn)速度數(shù)值為0°/s,機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)動(dòng),無轉(zhuǎn)動(dòng),如圖12所示。

圖12 軌跡點(diǎn)繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)管道選用有機(jī)玻璃材料,長(zhǎng)度3m,厚度5mm,內(nèi)部直徑φ320mm,管道內(nèi)壁光滑。機(jī)器人質(zhì)量19.8kg,機(jī)器人長(zhǎng)度385mm,變徑機(jī)構(gòu)電機(jī)功率60W,變徑連桿長(zhǎng)度100mm,驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)總功率180W,最大牽引力366N,機(jī)器人實(shí)驗(yàn)速度100mm/s。

4.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)

1)機(jī)器人在水平管道內(nèi)摩擦條件適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件:光滑管道及鋪設(shè)毛氈的管道。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在光滑有機(jī)玻璃材料管道內(nèi),機(jī)器人在啟動(dòng)和變徑階段發(fā)生明顯打滑和自轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象,隨著驅(qū)動(dòng)模塊和管道內(nèi)壁之間變徑壓力f的增大,打滑幅度和自轉(zhuǎn)動(dòng)幅度明顯減弱,機(jī)器人在管道內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本一致,如圖13和表1所示。

表1 機(jī)器人管道內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)角度數(shù)據(jù) 單位:(°)

圖13 管道不同摩擦因數(shù)的內(nèi)壁機(jī)器人適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)

在管道內(nèi)部裝入毛氈墊增加管道內(nèi)壁摩擦力,實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人未出現(xiàn)明顯打滑現(xiàn)象,機(jī)器人在管道內(nèi)部可以穩(wěn)定前進(jìn)和后退,機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)角度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過加大管道內(nèi)壁摩擦因數(shù),機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍小,有利于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

2)機(jī)器人在水平管道內(nèi)姿態(tài)適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件:管道在地面不固定,管道可以在地面滾轉(zhuǎn),機(jī)器人以任意姿態(tài)放入管道內(nèi)。

機(jī)器人以任意姿態(tài)放入管道內(nèi),在變徑機(jī)構(gòu)作用下,3組履帶模塊與管道內(nèi)壁完全接觸,機(jī)器人姿態(tài)適應(yīng)管道后,機(jī)器人在管道內(nèi)部可以穩(wěn)定前進(jìn)和后退,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器人在管道內(nèi)部姿態(tài)適應(yīng)性較好,如圖14所示。

圖14 轉(zhuǎn)動(dòng)的管道內(nèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)語

針對(duì)圓形管道設(shè)計(jì)了可變徑管道探測(cè)機(jī)器人,對(duì)機(jī)器人在管道中兩種典型作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行了分析和理論建模,運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)機(jī)器人在管道中的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了仿真分析,對(duì)機(jī)器人變徑階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段的運(yùn)動(dòng)軌跡和數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。搭建內(nèi)徑φ320mm的管道實(shí)驗(yàn)平臺(tái),機(jī)器人進(jìn)行的摩擦條件適應(yīng)性和姿態(tài)適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)特性良好,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的理論計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,表明了機(jī)器人在管道內(nèi)可以穩(wěn)定地開展相關(guān)作業(yè)。