北京市中關(guān)村中學(xué) 于 錚

具有自適應(yīng)能力管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析

北京市中關(guān)村中學(xué) 于 錚

具有自適應(yīng)能力的管道勘察機(jī)器人對(duì)于未來(lái)管道維護(hù)、清理工作有著重要的意義。秉著在不增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基礎(chǔ)上盡可能節(jié)能降耗的理念，選用螺旋驅(qū)動(dòng)方式并進(jìn)行了優(yōu)化，提高其適應(yīng)能力和越障能力。本文針對(duì)具有自適應(yīng)能力管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法和建模運(yùn)動(dòng)結(jié)果進(jìn)行了探討。

自適應(yīng)；管道機(jī)器人；管道內(nèi)探；機(jī)械設(shè)計(jì)

1 前言

我國(guó)擁有數(shù)量龐大的地下管道系統(tǒng)管網(wǎng)。由于這些深處地下的管道設(shè)施有的人工無(wú)法直接進(jìn)行觀察檢修和清潔，無(wú)法直觀上對(duì)其存在的腐蝕、開(kāi)裂等情況進(jìn)行判斷，就必須依賴相關(guān)的管道機(jī)械機(jī)器人和影像勘察設(shè)備。而管道機(jī)器人由于能夠具備自適應(yīng)能力，能夠便捷快速的進(jìn)行管道內(nèi)探工作，為管道維護(hù)工作提供了保障。

2 具有自適應(yīng)能力管道機(jī)器人概述

具有自適應(yīng)能力的管道機(jī)器人設(shè)計(jì)考慮選用螺旋驅(qū)動(dòng)方式，該方式使用的電動(dòng)機(jī)數(shù)量少且易于控制，電機(jī)的減少相對(duì)能量消耗少，就有更足夠的時(shí)間來(lái)完成管道的內(nèi)探任務(wù)。由于地下管道中有液體管道、氣體管道以及半液半氣管道，而采用螺旋驅(qū)動(dòng)方式的自驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人，由于在其機(jī)械輪腿的部分也安裝有旋轉(zhuǎn)槳葉，從而讓其能夠在管道內(nèi)自主行走并不受到管道內(nèi)部物質(zhì)的限制。管道機(jī)器人通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)就為機(jī)器人性能擴(kuò)展留足空間，還便于安裝影像設(shè)備。如圖1所示為自適應(yīng)管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)圖，整個(gè)設(shè)計(jì)主要包括：移動(dòng)機(jī)構(gòu)部件（包括旋轉(zhuǎn)輸出構(gòu)件：（1）前部彈性驅(qū)動(dòng)臂、旋轉(zhuǎn)輸出構(gòu)件；（2）后部彈性驅(qū)動(dòng)臂、保持架、滾輪、槳葉。）、前臂驅(qū)動(dòng)部件、后臂驅(qū)動(dòng)部件。

旋轉(zhuǎn)傳輸構(gòu)件1主要與前臂的驅(qū)動(dòng)固定，而傳輸2部件則與后驅(qū)動(dòng)相固定。通過(guò)彈簧的作用就讓所有的滾輪都直接壓在管道壁上從而確保了機(jī)器人與管道壁之間運(yùn)動(dòng)的摩擦力。前部驅(qū)動(dòng)臂和滾輪是和旋轉(zhuǎn)傳輸構(gòu)件1相連工作的，并且前部和后部的驅(qū)動(dòng)部件是分別進(jìn)行工作的。當(dāng)前部滾輪和驅(qū)動(dòng)臂遇到障礙沒(méi)有辦法前進(jìn)時(shí)，后部的旋轉(zhuǎn)傳輸部件2啟動(dòng)，通過(guò)后部的動(dòng)力傳輸幫助前部驅(qū)動(dòng)臂前進(jìn)越過(guò)障礙；而后部遇到障礙，通過(guò)前部驅(qū)動(dòng)就能夠帶動(dòng)后部越過(guò)障礙。同時(shí)也為機(jī)器人的前后運(yùn)動(dòng)提供便利。由于輪腿上設(shè)計(jì)有槳葉部分所以在流體中行進(jìn)時(shí)通過(guò)槳葉還能夠確保機(jī)器人有額外的動(dòng)力，增強(qiáng)了其適應(yīng)性。

圖1 自適應(yīng)管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)圖

3 具有自適應(yīng)管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)

3.1 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

其移動(dòng)部分設(shè)計(jì)，必須結(jié)合實(shí)際的工作需求進(jìn)行考慮，并滿足以下條件：首先采用減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)對(duì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)扭矩進(jìn)行降速；其次，確保管道機(jī)器人的軸向尺寸盡可能的短才確保其靈活性；再者，應(yīng)該減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)量減少電源的消耗，使機(jī)器人能夠長(zhǎng)時(shí)間工作。由于要確保以上三個(gè)條件，所以就必須要考慮三者之間存在的制約關(guān)系，且并不互相矛盾。采用圖2的方案能夠有效解決以上的三個(gè)問(wèn)題。

由于采用了輪系傳動(dòng)的方式就可有效的對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行降速，同時(shí)確保減速比的情況下確保了較短的軸向尺寸。而后，直齒輪1和直齒輪2都是直接和驅(qū)動(dòng)電機(jī)用聯(lián)軸器進(jìn)行連接傳動(dòng)，其中直齒輪2與傳動(dòng)軸采用固連方式。當(dāng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)就會(huì)通過(guò)環(huán)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)固聯(lián)的前部驅(qū)動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)，而后動(dòng)力就通過(guò)齒輪輸出出來(lái)。動(dòng)力的另一路輸出路徑為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸和太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)，然后經(jīng)由行星輪從行星架出輸出來(lái)。固聯(lián)在前部驅(qū)動(dòng)臂上的滾輪不僅僅被彈簧壓在管道壁上且與管道軸線還要形成一定的傾斜角度；而后部的驅(qū)動(dòng)臂滾輪與管道軸線平行。

圖2 自適應(yīng)管道機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

3.2 工作模式設(shè)計(jì)

如上設(shè)計(jì)的機(jī)器人有兩種工作模式，即正常工作模式和越障模式。在正常模式下，其在管道中向前行進(jìn)由于沒(méi)有障礙，所需要克服的阻力不大，僅由前部的驅(qū)動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生設(shè)備向前行進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力；此時(shí)前部驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力足夠機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，后部驅(qū)動(dòng)臂受到約束從而不旋轉(zhuǎn)。在此時(shí)傳動(dòng)比能夠保證機(jī)器人向前快速行進(jìn)。而在越障輔助模式下，因?yàn)楣艿罊C(jī)器人遇到了相應(yīng)的故障，前部驅(qū)動(dòng)臂可能受到比較大的阻力無(wú)法向前，從而速度降低，電動(dòng)機(jī)輸出的扭矩就會(huì)增大；此時(shí)后部驅(qū)動(dòng)臂就能通過(guò)克服外部驅(qū)動(dòng)約束從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)輸出動(dòng)力，而后部輸出的動(dòng)力大于前部所以就能夠幫助前驅(qū)動(dòng)臂越過(guò)障礙，順利向前行進(jìn)。

正是由于在正常工作模式下管道機(jī)器人能夠通過(guò)前驅(qū)動(dòng)臂的動(dòng)力快速的向前行進(jìn)，而遇到障礙時(shí)又通過(guò)后驅(qū)動(dòng)臂輸出動(dòng)力越過(guò)障礙，兩種模式的交替就可確保在管道行進(jìn)中機(jī)器人獲得足夠的自適應(yīng)性，并不需要人為進(jìn)行干預(yù)和控制，有良好的實(shí)用性。

3.3 后部驅(qū)動(dòng)臂設(shè)計(jì)

由于在越障模式下后驅(qū)動(dòng)臂的作用至關(guān)重要，且為了整個(gè)機(jī)器人在管道行進(jìn)過(guò)程中具備良好的穩(wěn)定性就必須要確保后臂設(shè)計(jì)滿足的要求：首先，必須要確保后臂滾輪在正常工作模式下與管道軸線始終處于平行狀態(tài)；其次在越障輔助模式情況下滾輪能夠與軸線產(chǎn)生傾斜角度。

而通過(guò)研究設(shè)計(jì)，采用的后臂驅(qū)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要的組成部分為：轉(zhuǎn)臺(tái)、滑桿、套筒、滾輪。由于滾輪是安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上的就能夠繞軸線進(jìn)行自由的轉(zhuǎn)動(dòng)；滑桿與轉(zhuǎn)臺(tái)的連接方式為鉸接，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)與滑桿之間的銷軸就能夠?qū)烧呦鄬?duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍進(jìn)行限制；滑桿可以在套筒中進(jìn)行縱向的自由運(yùn)動(dòng)但是相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)是手下了約束。套筒中安裝有壓縮彈簧是保證滾輪能夠壓在管道壁上；最后滑桿的轉(zhuǎn)軸與滾輪的中心存在偏心，拉伸彈簧的預(yù)緊力保持滾輪與管道軸線平行。

圖3 后部驅(qū)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)圖

該機(jī)器人在傳動(dòng)的螺旋驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)行了延伸和改進(jìn)，從而能夠具備更強(qiáng)的自適應(yīng)性。并且只需要配比一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)就能夠大大的減少能源消耗，保證工作的效率，有較強(qiáng)的工作能力。

4 自適應(yīng)管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)建模結(jié)果分析

螺旋驅(qū)動(dòng)的管道機(jī)器人與傳統(tǒng)的輪式機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)方式上已不同，因?yàn)槁菪?qū)動(dòng)機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)中也出現(xiàn)了自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，所以需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。而通過(guò)運(yùn)動(dòng)建模的方式對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的模擬分析得到了以下的結(jié)果。

4.1 無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的運(yùn)動(dòng)分析

通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)速度不僅僅與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，主要還與管道的半徑、輪半徑、滾輪與管道軸線夾角有關(guān)。并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)管道機(jī)器人滾輪與管道軸線之間夾角的正切值在實(shí)際情況下就相當(dāng)于減速機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)比，必須要對(duì)該夾角進(jìn)行考慮。

4.2 發(fā)生自轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)分析

自適應(yīng)機(jī)器人發(fā)生保持架自轉(zhuǎn)時(shí)其移動(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)臂都直接對(duì)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象產(chǎn)生影響。一般來(lái)說(shuō)保持架的滾輪傾斜角為0時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效果是最差的，但是隨著保持架滾輪傾斜角的增大其運(yùn)動(dòng)情況也會(huì)改善，當(dāng)保持架滾輪傾斜角達(dá)到90度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)速度達(dá)到最大值且保持架不會(huì)再進(jìn)行自轉(zhuǎn)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)后部驅(qū)動(dòng)臂的滾輪傾斜角與保持架滾輪傾斜角的影響作用相同，在后部驅(qū)動(dòng)臂滾輪傾斜角達(dá)到90度時(shí)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度最大。正是由于這樣的影響規(guī)律，所以在進(jìn)行機(jī)器人滾輪傾斜角設(shè)計(jì)時(shí)盡量保證保持架滾輪傾斜角為90度的同時(shí)保證后部驅(qū)動(dòng)臂滾輪傾斜角也為90度。但是越障模式下也需要對(duì)后部驅(qū)動(dòng)臂滾輪傾斜角進(jìn)行考慮，以保證其驅(qū)動(dòng)力。

4.3 總結(jié)

傳統(tǒng)的輪式和傳統(tǒng)的螺旋管道機(jī)器人一般需要多電機(jī)，且適應(yīng)性較差。所以采用單個(gè)電機(jī)的自適應(yīng)性管道機(jī)器人無(wú)論在電機(jī)數(shù)量和工作模式上能夠展現(xiàn)出良好的性能優(yōu)勢(shì)；而且由于兩個(gè)工作模式的并用就能夠確保機(jī)器人在管道中不需要人為干預(yù)就能夠順利行進(jìn)，且有良好的穩(wěn)定性。最后通過(guò)運(yùn)動(dòng)模型分析也說(shuō)明雖然機(jī)器人會(huì)出現(xiàn)保持架自轉(zhuǎn)，但是通過(guò)對(duì)保持架滾輪角和后部驅(qū)動(dòng)臂滾輪角的選擇設(shè)計(jì)能夠保證自轉(zhuǎn)現(xiàn)象得到控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

具備自適應(yīng)能力的管道機(jī)器人必然會(huì)在未來(lái)國(guó)家地下管道內(nèi)探工作中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，而有關(guān)機(jī)器人設(shè)計(jì)、研究、優(yōu)化的工作也不會(huì)停止。未來(lái)管道機(jī)器人在自主維修、管道清理等方面還有著巨大的發(fā)展空間，值得更多的去探索。

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