【摘 要】隨著管內(nèi)檢測(cè)爬行機(jī)器人技術(shù)的不斷成熟，它在工業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣，本文所設(shè)計(jì)的管內(nèi)爬行機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，即管內(nèi)步伐式行走機(jī)構(gòu)，是在分析以往的輪式和履帶式機(jī)器人的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種新型的管內(nèi)爬行機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】管內(nèi)爬行機(jī)器人；步伐式；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

0.引言

目前工業(yè)管道系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工及城市水暖供應(yīng)等領(lǐng)域，因其工作環(huán)境非常惡劣，容易發(fā)生腐蝕、疲勞破壞或使管道內(nèi)部潛在缺陷發(fā)展成破損而引起泄漏事故等，必須定期地對(duì)這些管道進(jìn)行檢修和維護(hù)，然而管道所處的環(huán)境往往是人力所限或人手不及，檢修難度很大， 所以燃?xì)夤艿拦軆?nèi)探測(cè)是一項(xiàng)十分重要的實(shí)用化工程，關(guān)系到燃?xì)獾陌踩?、合理地?yīng)用和管理。管道檢測(cè)機(jī)器人（管內(nèi)爬行機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）就是為滿足該需要而產(chǎn)生的。

根據(jù)管內(nèi)步伐式行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模仿人在井筒中四肢扶壁上下運(yùn)動(dòng)的模式，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，有效的解決了機(jī)器人在管道內(nèi)的行走。

1.管內(nèi)爬行機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

管內(nèi)爬行機(jī)構(gòu)主要由撐腳機(jī)構(gòu)及其傳動(dòng)，牽引機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)3部分組成：見圖1所示：

該管內(nèi)爬行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制過程大致為：主、副電機(jī)不同時(shí)工作，分別控制其牽引機(jī)構(gòu)和撐腳機(jī)構(gòu)，并且鏡面對(duì)稱的兩單元，其支撐腳同一時(shí)間徑向所處狀態(tài)相反，即前腳踩在管壁上時(shí)，后腳處在抬起狀態(tài)；反之亦然。具體過程為通過副電機(jī)16帶動(dòng)齒輪與齒圈嚙合旋轉(zhuǎn)，齒圈背面的平面螺紋驅(qū)動(dòng)滑桿沿滑道徑向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)支撐腳的轉(zhuǎn)換。主電機(jī)1通過聯(lián)軸器與絲杠連接，帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為螺母的軸向移動(dòng)，從而通過連桿機(jī)構(gòu)拖動(dòng)身軀和前后單元向前移動(dòng)，另一部分的控制過程相同。上述動(dòng)作是管內(nèi)爬行機(jī)構(gòu)的一個(gè)步進(jìn)過程，循環(huán)執(zhí)行步進(jìn)過程機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)管內(nèi)的均勻連續(xù)行走。

2.撐腳機(jī)構(gòu)及其傳動(dòng)

撐腳機(jī)構(gòu)的作用是使管道機(jī)器人被支承在管道中心線上。其機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)(見圖1)由電機(jī)16、小齒輪15、齒圈及平面螺紋14、滑桿13、腳靴12組成。當(dāng)電機(jī)16帶動(dòng)小齒輪15和齒圈14旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒圈背面的平面螺紋驅(qū)動(dòng)滑桿13在筒體10的徑向軌道內(nèi)外伸推動(dòng)腳靴踩在管壁上，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑桿內(nèi)縮帶動(dòng)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(dòng)作與車床三爪卡盤的動(dòng)作類同。三套腳靴伸出踩在管壁上時(shí)，使機(jī)器人處在管道的中心線上。為了使機(jī)器人在腳靴縮回時(shí)，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(dāng)撐腳縮回時(shí)支承輪使機(jī)器人基本上維持在管道中心線上。當(dāng)機(jī)器人行走過程中支承輪遇到障礙時(shí)彈簧被壓縮通過障礙。

3.牽引機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)

牽引機(jī)構(gòu)的作用是拖動(dòng)機(jī)器人前進(jìn).牽引機(jī)構(gòu)(見圖1)由電機(jī)1、螺桿2、螺母5撥銷4、撥桿7和支承桿9組成。當(dāng)電機(jī)1帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺母受撥桿的約束不能轉(zhuǎn)動(dòng)而沿螺桿軸向移動(dòng)，固連其上的撥銷4撥動(dòng)撥桿7順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，由于腳靴12鎖死在管壁上，支承桿9不能向后運(yùn)動(dòng)，撥桿7通過銷6帶動(dòng)支架3及其固連在3上的套筒11在筒體10內(nèi)向前滑動(dòng)，同時(shí)通過萬向節(jié)21拖動(dòng)機(jī)器人的后單元(此時(shí)后單元的腳靴在抬起狀態(tài))向前運(yùn)動(dòng)，整個(gè)機(jī)器人前進(jìn).當(dāng)腳靴12處在抬起位置時(shí)，撥桿7通過支承桿9推動(dòng)筒體在套筒11上向萬向節(jié)方向滑動(dòng)、改變了腿的姿勢(shì)。

4.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的作用是使機(jī)器人能隨管道的彎曲自動(dòng)轉(zhuǎn)向通過彎曲管道(見圖1)。管道行走機(jī)器人由兩個(gè)鏡面對(duì)稱的單元組成，兩個(gè)單元的套筒間由萬向節(jié)21連接，這是一個(gè)十字萬向節(jié)機(jī)構(gòu)，可使前后兩單元在任意方向上轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)管道彎曲時(shí)萬向節(jié)可自動(dòng)轉(zhuǎn)向適應(yīng)彎曲管道，這樣機(jī)器人通過彎曲管道時(shí)無需專門進(jìn)行檢測(cè)和控制。

5.撐腳防滑機(jī)構(gòu)的工作原理

撐腳防滑機(jī)構(gòu)如圖2所示，其中長(zhǎng)銷2靠過盈配合固連在腳靴3上，當(dāng)滑桿1與腳靴3相對(duì)移動(dòng)時(shí)，長(zhǎng)銷2在滑桿1的長(zhǎng)槽中滑動(dòng)，在腳靴踩上管壁前，由于彈簧6的作用使滑桿1相對(duì)于腳靴上移，固聯(lián)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(dāng)滑桿外伸時(shí)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(xù)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(zhǎng)度設(shè)計(jì)保證擺桿此時(shí)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(dòng)時(shí)右擺桿起作用，向左滑動(dòng)時(shí)左擺桿起作用，被鎖死在管壁上不能左右滑動(dòng)，起防滑作用。

6.支撐腿的設(shè)計(jì)

支撐腿的作用是使機(jī)器人在腳靴縮回時(shí)，仍能維持在中心線上。管道行走機(jī)器人由兩個(gè)鏡面對(duì)稱的單元組成，在每個(gè)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(shè)置一凹槽，以便利用扳手將支撐腿固連在支架和筒體上。

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

7.結(jié)論

步伐式行走機(jī)構(gòu)，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(dāng)撐腳縮回時(shí)支撐輪使機(jī)器人基本上維持在管道中心線上；當(dāng)機(jī)器人行走過程中，支撐輪遇到障礙時(shí)，支撐輪上的彈簧被壓縮，可以自主通過障礙；機(jī)器人通過彎曲管道時(shí)無需專門進(jìn)行檢測(cè)和控制。這種機(jī)器人是可以雙向運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)轉(zhuǎn)彎的步伐式行走機(jī)構(gòu)，此設(shè)計(jì)解決了機(jī)器人在管內(nèi)爬行的行走需要。 [科]

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