嵇鵬程 韓紅波 計玉根 沈惠平

（1.常州市河道湖泊管理處，江蘇常州 213016；2.常州市水利局，江蘇常州 213001；3.常州大學(xué)，江蘇常州 213102）

1 總體方案

1.1 清淤機(jī)器人的總體概述

筆者研究的清淤機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、管徑適應(yīng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、絞刀機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等組成。機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 管道清淤機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 清淤機(jī)器人的實物模型

清淤機(jī)器人主要由控制柜和機(jī)器人機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。

2 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

2.1 機(jī)器人的本體設(shè)計

機(jī)器人本體主要包含車體、光源和攝像頭等，由于受到管道和檢查井口形狀及尺寸的限制，機(jī)器人的本體應(yīng)盡可能小，且用厚度約為5 mm的鋼板做成長方形結(jié)構(gòu)。

圖2 管道清淤機(jī)器人實物模型圖

2.2 機(jī)器人的適徑機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 適徑機(jī)構(gòu)的工作原理

適徑機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)和工作原理如下：用螺栓把滾珠絲杠螺母13、壓力傳感器12以及軸套11固定在一起，拉桿16的一端和軸套11鉸接在一起，另一端鉸接在搖桿6上，搖桿6的一端鉸接連桿8的一端，搖桿6的另一端鉸接在機(jī)器人的車體17上，滾珠絲杠14的轉(zhuǎn)動將帶動絲杠螺母13在滾珠絲杠上來回滑動，從而帶動拉桿16運(yùn)動，進(jìn)而拉動搖桿6繞支點(diǎn)左右轉(zhuǎn)動，使鉸鏈四桿力封閉機(jī)構(gòu)撐開或者緊縮，以達(dá)到適應(yīng)不同管徑的目的，壓力傳感器12可以檢測適徑機(jī)構(gòu)上頂輪與管道內(nèi)壁之間的壓力，保證管道機(jī)器人以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管道內(nèi)壁上，并使機(jī)器人具有充足且穩(wěn)定的牽引力。

2.2.2 適徑機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析

分析鉸鏈四桿力封閉機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性，對適徑機(jī)構(gòu)的設(shè)計具有重要意義，也為適徑機(jī)構(gòu)PID控制器的設(shè)計提供重要的理論條件?，F(xiàn)以機(jī)器人適徑機(jī)構(gòu)后面的搖桿與機(jī)架的鉸鏈點(diǎn)A為坐標(biāo)系原點(diǎn)，建立如圖3所示的坐標(biāo)系XOY。

圖3 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)方式示意圖

在圖3中，Νo為管道內(nèi)壁作用在適徑機(jī)構(gòu)頂輪上的壓力，F(xiàn)是螺母受到的水平拉力，Tm1是適徑機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)軸上的輸出扭矩。

根據(jù)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)幾何尺寸的關(guān)系可列出方程組為：

對方程組（1）兩邊求導(dǎo)并化簡得：

根據(jù)做功守恒原理得：

由式（2）、式（3）可求得螺母的軸向力F為：

如果滾珠絲杠相對于螺母轉(zhuǎn)過的角度為φ，滾珠絲杠的螺距記為Ph，則絲杠螺母移動的距離為：

對式（5）等號兩邊分別求導(dǎo)得：

式中：

η—滾珠絲杠螺母的傳動效率；

Tn1—滾珠絲杠上的扭矩。

合并整理式（4）、（6）、（7）可得滾珠絲杠扭矩與機(jī)器人對管壁的壓力關(guān)系為：

式（8）即為鉸鏈四桿力封閉機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性。

機(jī)器人輸出的牽引力F牽按600N計算，驅(qū)動輪和管道內(nèi)壁之間的摩擦系數(shù)μ取0.5，則管道內(nèi)壁作用在車輪上的壓力為：

因此，選取滾珠絲杠公稱直徑為Φ20，選用的型號為 FC1B20×4-5-E2，其額定負(fù)載是5393 N，摩擦角為φ=10′，螺旋升角 γ=3°25′，則其傳動效率為：

圖4 適徑機(jī)構(gòu)閉環(huán)系統(tǒng)的PID控制函數(shù)框圖

圖5 適徑系統(tǒng)的Simulink仿真模型

圖6 管壁對頂輪的壓力變化曲線

當(dāng)機(jī)器人行走在Φ400 mm的管道中時，α=28.7°、β=10.6°，代入式（4）得出F=4895 N。

根據(jù)以上分析建立適徑機(jī)構(gòu)PID控制的傳遞函數(shù)框圖，如圖4所示。

壓力自適應(yīng)控制戰(zhàn)略使得管道清淤機(jī)器人能根據(jù)管子直徑的變化自動地通過滾珠絲杠調(diào)整鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的伸張與收縮，從而使得淤機(jī)器人在管道里面移動時，能根據(jù)一個期望的壓力值提供穩(wěn)定和充足的牽引力［1］，其 Simulink仿真模型如圖5所示。

為了檢驗管道壁對頂輪的壓力發(fā)生改變時，驅(qū)動電機(jī)軸轉(zhuǎn)速的變化情況，可設(shè)定最大壓力值為1200 N。

管壁對頂輪的壓力值變化曲線可模仿運(yùn)行情況設(shè)置為梯形，如圖6所示。加了負(fù)載力后對模型進(jìn)行仿真得到的結(jié)果如圖7所示。從圖中看出，0 s～1 s時，由于適徑機(jī)構(gòu)的頂輪未碰到管壁，故電機(jī)的角速度在不斷地增加；1 s～2 s時，頂輪已碰到管壁，且頂輪對管壁的壓力值逐漸增大，導(dǎo)致電機(jī)的角速度逐漸減少；2 s時，由于電機(jī)慣性的作用，角速度沒有立即停止到零；4 s～8 s時，由于管壁對頂輪的壓力值等于設(shè)定值，電機(jī)的角速度接近于零；8 s～10 s時，隨著管壁對頂輪的壓力值逐漸減少，電機(jī)的角速度在不斷地增加。

圖7 壓力變化情況下電機(jī)角速度變化曲線

表1 淤積較硬的泥沙層材料屬性

2.3 機(jī)器人的絞刀機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.3.1 絞刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于排水管道內(nèi)環(huán)境特殊，絞刀的選材、設(shè)計的形狀和尺寸都有特定的要求。筆者設(shè)計的管道清淤機(jī)器人絞刀兩端扭成90°，便于絞刀頂端能夠更大程度地絞淤，同時還可將絞碎的淤泥向后拋出；絞刀的兩側(cè)磨出刀鋒，便于絞碎管道內(nèi)的樹枝、樹葉和廢紙等雜質(zhì)。

2.3.2 有限元法模擬絞淤

絞刀機(jī)構(gòu)用在排水管道中作業(yè)，雖然環(huán)境復(fù)雜而多變，但對于排水管道內(nèi)存在的各種各樣的雜質(zhì)，實際粉碎它們所需絞刀的剪切力并不大，所以，筆者主要按管道內(nèi)的結(jié)固泥漿塊進(jìn)行分析。

（1）排水管道沉積的泥沙擊碎力分析

由于絞刀機(jī)構(gòu)在管道內(nèi)作業(yè)時所需的力和力矩受到多方面的影響，在進(jìn)行有限元分析時應(yīng)取影響力較大的主要因素，并且按最大負(fù)載進(jìn)行分析。

①分析建模

擬定排水管道內(nèi)徑D=400 mm，不考慮流體力學(xué)影響的情況下，選取淤積較硬的淤泥層，且完全充滿管道，其材料屬性如表1所示。

對沉積泥沙層建立幾何模型，以圓柱的軸方向為Z方向，以圓柱圓周的徑向方向為X方向，以圓柱圓周方向為Y方向。

②網(wǎng)格劃分

為了保證分析模型的合理、計算精度和內(nèi)存空間的有效利用，網(wǎng)格劃分時需要對淤泥塊各部分的網(wǎng)格密度和網(wǎng)格尺寸進(jìn)行合理控制和過渡，所得到的有限元模型共有23120個節(jié)點(diǎn)、13420個單元。

③載荷模型

根據(jù)有限元分析，對淤泥塊施加作用力，淤泥塊將受到兩個力的作用，分別是機(jī)器人機(jī)身的沖擊力F沖和絞刀的切削力F削，如圖8所示。圖8標(biāo)的是集中力，實際加載的都是均布載荷，加載切削力F削時，由于絞刀在絞淤時絞刀上各點(diǎn)的切削力不同，所以加載時把F削按OA的長度比例均分成幾個力，然后，再把這幾個力均布在各自長度域的節(jié)點(diǎn)上，此時的加載接近于實際去淤時的情況。

圖8 載荷模型圖

再分析當(dāng)F沖=600 N時載荷模型的情況，即分別考察當(dāng)F削=60 N、80 N、100 N、120 N時模型的應(yīng)變分布結(jié)果，最后結(jié)合實際情況選擇一個相對最優(yōu)的F削。

④邊界條件

模型底部的節(jié)點(diǎn)，使Z方向的自由度被約束住，模型側(cè)面上的節(jié)點(diǎn)使Y圓周方向上受到約束。

⑤計算結(jié)果及其分析

機(jī)器人在清淤時，將會經(jīng)歷動、靜載碎泥兩個過程。首先進(jìn)行動載碎泥，即絞刀頭與淤泥塊相碰時，由于作用時間短，會產(chǎn)生較大的沖擊力，在沖擊中將發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，使機(jī)器人的能量受到損失，損失的能量主要消耗在淤泥塊的不可逆變形上，沖擊力的大小與機(jī)器人碰撞前后的速度變化和碰撞持續(xù)時間所決定，可根據(jù)沖量定理計算：

接著進(jìn)行靜載碎泥，即在一個變化率不大的沖擊力（牽引力）下，利用絞刀切削力逐漸絞碎管內(nèi)淤泥。

進(jìn)行有限元分析時，在選取沖擊力F沖=F牽=600 N的情況下，再選擇不同的切削力進(jìn)行加載。通過對不同的切削力情況下切淤泥的效果進(jìn)行比對，最終選擇絞刀的切削力F削=100 N時，絞淤效果較好且電機(jī)無需太大的功率。絞刀清淤時，固結(jié)淤泥塊各方向上的等效應(yīng)變圖如圖9所示。

從圖9可知，縱向最大的深度達(dá)到0.3 mm，橫向切割的長度達(dá)到0.17 mm。

從各個方向應(yīng)變圖（圖10～12）可以看出，機(jī)器人絞刀與淤泥塊接觸瞬間，絞碎泥塊的長度為0.4 mm，其中，X方向上應(yīng)變尺寸最大為0.093 mm，Y方向上應(yīng)變尺寸最大為0.0568 mm，Z方向上應(yīng)變尺寸最大為0.387 mm。

（2）絞刀的等效應(yīng)力和應(yīng)變分析

為了防止管道清淤機(jī)器人在管道清淤過程中碰到管道內(nèi)堅硬的石頭、樹枝時，絞刀發(fā)生彎折或斷裂，按照管道的實際情況和條件，選取的絞刀尺寸及材料性能如表2所示。

同樣，對絞刀進(jìn)行建模、劃分網(wǎng)格、建立載荷模型、確定邊界條件。在加載時，沖擊力的反作用力仍可取600 N，但由于管道內(nèi)環(huán)境未知，在絞泥過程中，絞刀也可能絞到落在井內(nèi)的磚塊和石子等堅硬物質(zhì)而導(dǎo)致折斷，故絞刀切削力的反作用力應(yīng)取大些，這里取1000 N進(jìn)行有限元分析，得出兩個模型如圖13、圖14所示。

從圖13中可知，絞刀葉上的最大等效應(yīng)力為389 MPa，低于材料的允許值500 MPa；從圖14中可知，絞刀葉的最大變形量為2 mm，對于機(jī)器人清淤作業(yè)過程來說，不需要太高的精度，所以基本符合要求。

3 實驗測試

3.1 適徑機(jī)構(gòu)測試

3.1.1 實驗條件

將清淤機(jī)器人放在Φ0.5 m的水泥管道中，啟動適徑機(jī)構(gòu)電機(jī)，如圖15所示，讀取顯示器上的實際壓力值。

3.1.2 實驗方法

通過人機(jī)界面輸入壓力值為1200 N，每間隔5 s標(biāo)記液晶顯示的壓力值，得到的實際壓力值曲線如圖16所示。

3.1.3 結(jié)果分析

從顯示的數(shù)據(jù)結(jié)果看，壓力變化曲線平滑，沒有突變或者爬坡現(xiàn)象，且壓力變化范圍合理，說明傳動系統(tǒng)工作性能可靠，各參數(shù)設(shè)計合理。實際使用時，因系統(tǒng)要長時間工作，故其可靠性還需進(jìn)一步驗證。

圖9 整體應(yīng)變圖

圖10 X方向應(yīng)變

圖11 Y方向應(yīng)變

圖12 Z方向應(yīng)變

圖13 絞刀清淤時的等效應(yīng)變云圖

圖14 絞刀清淤時的等效應(yīng)力云圖

圖15 適徑機(jī)構(gòu)壓力測試

圖16 管壁壓力測量壓力曲線

3.2 牽引力測試

3.2.1 實驗條件

可通過人機(jī)界面設(shè)定不同適徑機(jī)構(gòu)的正壓力值，進(jìn)行牽引力實驗測試。

表2 絞刀的性能參數(shù)

3.2.2 實驗方法

本實驗用量程為80 kg、精度為0.25 kg的彈簧秤進(jìn)行測量，具體方法為：將彈簧秤秤鉤固定在機(jī)器人尾部，控制機(jī)器人前進(jìn)，直到機(jī)器人輪子打滑，記錄不同適徑機(jī)構(gòu)壓力下彈簧秤讀數(shù)，即可得到牽引力曲線，如圖17所示。

圖17 不同壓力下的牽引力曲線

圖18 絞刀剪切力曲線圖

3.2.3 結(jié)果分析

由測量數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)器人在不同情況下的牽引力各不相同，原因是摩擦系數(shù)一定時，隨著機(jī)器人適徑力的增大，機(jī)器人對管道的正壓力也增大，導(dǎo)致其與管道壁間的摩擦力變大，故牽引力也隨之變大。機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)行，其輪子與管道壁的接觸面積較小，所測量的牽引力對實際應(yīng)用有一定的參考作用，但實際牽引力還應(yīng)由管道內(nèi)的實際環(huán)境決定。

3.3 絞刀剪切力的測試

3.3.1 實驗條件

將機(jī)器人放于水平面上，可通過程序中的定時器來設(shè)定絞刀不同的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行測試。

3.3.2 實驗方法

將繩子一端系在絞刀葉末端，另一端系在彈簧秤秤鉤上，在電機(jī)不過熱的情況下，設(shè)置不同的定時器數(shù)值，啟動管道清淤機(jī)器人絞刀機(jī)構(gòu)，記下彈簧測量計的數(shù)值，得到的絞刀剪切力曲線如圖18所示。

3.3.3 結(jié)果分析

從剪切力分布來看，即使粘在管底很牢固的淤泥，也可被卷起并攪松，還能把管道內(nèi)樹枝及其它雜質(zhì)絞碎，證明絞刀機(jī)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動電機(jī)的選擇是合理的。

［1］ Yunwei Zhang，Guozheng Yan．In-pipe inspection robot with active pipe -diameter adaptability and automatic tractive force adjusting［J］．Mechanism and Machine Theory，2007（42）：1618~1631．