朱治鵬,吳其林,邵宇吉,張東升（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,230009）

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可變徑機(jī)構(gòu)在新型“蛋形”管道探測機(jī)器人中的應(yīng)用研究

朱治鵬,吳其林,邵宇吉,張東升
（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,230009）

摘要：為了滿足不同工業(yè)環(huán)境的管道探測需求，本文介紹的一種新型管道探測可變徑結(jié)構(gòu)是基于STC90C51單片機(jī)控制系統(tǒng)，融合膠囊“蛋形”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)元素，在膠囊“蛋形”橢圓輪內(nèi)部中，通過主錐齒輪、側(cè)錐齒輪與螺旋機(jī)構(gòu)系統(tǒng)嚙合傳動(dòng)，通過電動(dòng)機(jī)控制，將螺旋桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈靶屋喯騼蓚?cè)的直線運(yùn)動(dòng)，從而可以實(shí)現(xiàn)在管道內(nèi)部探測的可變徑功能，能夠很好地滿足當(dāng)下探測工程的需求。

關(guān)鍵詞：可變徑；蛋形輪；機(jī)器人；管道；探測

合肥工業(yè)大學(xué)2014年國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號為201410359007

隨著社會科技化的日益發(fā)展，滲透著科技元素的探測工程技術(shù)已經(jīng)逐步在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。管道探測是探測工程里非常重要的探測領(lǐng)域，往往在管道內(nèi)部，由于具有一定的危險(xiǎn)性、不便性等問題，管內(nèi)機(jī)器人可以代替人工在給誰排水、天然氣等行業(yè)發(fā)揮著重要的作用，因?yàn)闄C(jī)器人的高效靈活能力能夠滿足很多領(lǐng)域管道探測的需求，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

在當(dāng)下的可變徑管道探測機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全、陳軍、姜元生等人設(shè)計(jì)的六輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人，采用彈簧封閉力設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)隨管徑變化而變徑的功能，同時(shí)各個(gè)行走輪都單獨(dú)有著驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。同時(shí)由韓國Choi H R等人設(shè)計(jì)的用于天然氣管道檢測機(jī)器人設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，利用“彈簧+平行四邊形機(jī)構(gòu)”來實(shí)現(xiàn)多輪子貼壁的功能，動(dòng)力裝置則利用同步帶來實(shí)現(xiàn)，不過利用這種彈簧力的作用時(shí)候，若管徑變化較大，則彈簧產(chǎn)生的封閉力變化也較大，易失去作用特性，可靠性和穩(wěn)定性將受到影響。由上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院陸麟、章亞男等人設(shè)計(jì)的適應(yīng)管徑變化的管道機(jī)器人，采用三組行星輪系作為行走部件和徑向尺寸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，并沿著管道圓周均勻分布，利用“蝸桿—行星輪系”結(jié)構(gòu)，使得機(jī)器人能夠根據(jù)管徑的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)徑向尺寸，從而實(shí)現(xiàn)變徑功能，符合一定的實(shí)際要求?？墒沁@種結(jié)構(gòu)采用三組太陽輪和行星輪設(shè)計(jì)，體積龐大，在管道的橫截面積中占據(jù)這大量的面積，不便于攜帶且變徑能夠限制較大。

現(xiàn)在在工程領(lǐng)域主流的機(jī)器人探測系統(tǒng)主體都是由四輪式，搭載各種傳感器和高清攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和圖像視頻收集，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)四輪前進(jìn)、后退或者轉(zhuǎn)彎，這樣的機(jī)器人雖然在一定的領(lǐng)域可以滿足某種工業(yè)程度的需求，但是由于管道的特殊結(jié)構(gòu)、機(jī)器人體積、便攜性等問題的限制，往往在特定的環(huán)境下難以高效便利地完成任務(wù)。基于該原因，本文主要研究的是一種新型變徑結(jié)構(gòu)在“蛋形”輪子里面的應(yīng)用原理與特性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

由于在管道探測工程中常受到管道形狀、管道半徑、管內(nèi)異物等多種因素的影響，為保證機(jī)器人能夠更好地開展工作，我們在傳統(tǒng)的管道探測機(jī)器人結(jié)構(gòu)上融入了新型的“變徑球滾”設(shè)計(jì)元素，一種新型的膠囊“蛋形”輪子結(jié)構(gòu)，利用兩個(gè)大的橢圓輪來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的探測機(jī)器人的四輪式結(jié)構(gòu)，在管道探測機(jī)器人中，搭載可變徑結(jié)構(gòu)，結(jié)合蛋形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過慧魚零件，將螺旋機(jī)構(gòu)的螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為蛋形輪子的兩側(cè)擴(kuò)展伸縮的直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)可變徑的功能。

2 可變徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本結(jié)構(gòu)初期采用慧魚各零件搭建而成，通過慧魚創(chuàng)意組合模型，可以保證在反復(fù)拆裝的同時(shí)不影響模型組合的精確度，尺寸精確，同樣也不易磨損，硬度很高，是目前最先進(jìn)的拼裝學(xué)習(xí)工具，為此，選用慧魚組合模型對本產(chǎn)品進(jìn)行搭建，在模擬實(shí)驗(yàn)的過程中也可以直接作為實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)。主要的慧魚零件包括組合好的固定底盤、螺旋桿、錐齒輪、支架、螺旋套、傳動(dòng)細(xì)桿、固定方塊細(xì)小桿件等組成，同時(shí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包含步進(jìn)電機(jī)、單片機(jī)電路系統(tǒng)等組成。

具體設(shè)計(jì)如圖一所示，在結(jié)構(gòu)底盤中間位置安裝一個(gè)主錐齒輪，此錐齒輪一端與電動(dòng)機(jī)輸出軸相連接，由電動(dòng)機(jī)接受的輸入信號然后輸出控制主錐齒輪的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，在主錐齒輪的端平面兩側(cè)分別與兩個(gè)側(cè)錐齒輪相嚙合，側(cè)錐齒輪兩端分別控制著兩側(cè)與之連接的螺旋桿，

圖一　變徑機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

在兩邊的兩個(gè)螺旋桿上各嚙合著一個(gè)螺旋驅(qū)動(dòng)套，螺旋驅(qū)動(dòng)套分別與兩側(cè)的蛋形輪子依托連接卡進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)兩側(cè)蛋形輪子的移動(dòng)，向兩側(cè)伸展或者是收縮。

圖二　產(chǎn)品三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型（正方向）

圖三　產(chǎn)品三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型（側(cè)方向）

圖四　可變徑機(jī)構(gòu)工作運(yùn)動(dòng)特性

3 功能實(shí)現(xiàn)

本產(chǎn)品可變徑膠囊“蛋形”輪子機(jī)器人可變徑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是通過電動(dòng)機(jī)接受單片機(jī)信號，由電動(dòng)機(jī)控制著主錐齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，進(jìn)而控制著兩端側(cè)錐齒輪和螺旋桿的運(yùn)動(dòng)特性，最后通過和螺旋桿相嚙合的螺旋套以及和輪子相連接的連接卡來控制蛋形輪的運(yùn)動(dòng)，具體運(yùn)動(dòng)間的聯(lián)系見下圖：

4 運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)分析

通過實(shí)驗(yàn)檢測，在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，螺旋桿可以以7.458mm/s的速度向兩邊伸展。

蝸輪蝸桿的傳遞效率為n1=0.3～0.4，取中間平均值得n1=0.35；圓錐齒輪的傳遞效率為n2=0.88～0.92，取中間平均值得n2=0.90，減速比50：1的減速直流電機(jī)最大功率P=1.1W，所以：

其中v=7.458mm/s，得水平力F=23.23N。

以圓管中心建立直角坐標(biāo)系，、橢圓輪中心到坐標(biāo)系中心的豎直方向長度為n，橢圓輪向兩端移動(dòng)的距離為m，由matelab解得變徑到最大位置的時(shí)候θ=，此時(shí)假設(shè)橢圓輪和圓管道交點(diǎn)為（x0,y0），

解得交點(diǎn)坐標(biāo)為（308.339，254.808），

此時(shí)為了滿足蛋形輪滾動(dòng)半徑大于40mm的條件，所以n〈214.808，即|y+n|〉40,

為了滿足圓管道半徑R的要求，以及從成本角度考慮，取最小壁厚值bmin=120mm，帶入上述方程得：

圖五　matlab關(guān)于長軸長度和變徑距離的關(guān)系

以a為變量，由上述方程綜合編寫matlab程序，得到如下關(guān)系圖像：

通過圖像可以看出，隨著長半軸a長度的增加，中點(diǎn)橫向距離和變徑范圍都隨之減小，但是a的變化對變徑距離的影響變化不大，所以取a=215，|y0+n|=50,此時(shí)m=113，最大變徑距離為120。

5 從能量學(xué)角度考慮

5.1 局部角度

圖六 相切點(diǎn)位置受力分析圖

由于W〉WAB，所以滿足使用要求。

5.2 整體角度

當(dāng)變徑距離為61的時(shí)候，橢圓輪和圓管道的交點(diǎn)坐標(biāo)為（228.897，-328.034），此時(shí)

圖七　最小變徑時(shí)的輪子與軌道貼合圖

機(jī)器人機(jī)構(gòu)的重心坐標(biāo)為（-253.007，0）。

當(dāng)變徑距離為120的時(shí)候，橢圓輪和圓管道的交點(diǎn)坐標(biāo)為（308.194，-254.984），此時(shí)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的重心坐標(biāo)為（-204.675，0）。

圖八 最大變徑時(shí)的輪子與軌道貼合圖

6 實(shí)驗(yàn)測試

本產(chǎn)品在三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好之后，開始進(jìn)行實(shí)物組件搭建，圖九是產(chǎn)品的一個(gè)實(shí)際產(chǎn)品圖，該產(chǎn)品利用慧魚零件組合模型組裝而成，開始進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)測試，利用單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向，可以實(shí)現(xiàn)控制兩端結(jié)構(gòu)伸展的速度和長度，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改變經(jīng)機(jī)構(gòu)能夠很好地實(shí)現(xiàn)變徑的功能，并且能夠應(yīng)用在管道探測機(jī)器人領(lǐng)域。

圖九　產(chǎn)品實(shí)物組件圖

7 結(jié)論

變徑機(jī)構(gòu)是管道探測機(jī)器人的重要組成部件，本產(chǎn)品通過融合膠囊“蛋形”結(jié)構(gòu)，融合了新型的設(shè)計(jì)的可變徑機(jī)構(gòu)，經(jīng)過理論證明和實(shí)驗(yàn)檢測都能夠很好的實(shí)現(xiàn)滿足機(jī)器人變徑的需求，也可以滿足機(jī)器人在不同的管道探測環(huán)境的探測需求，極大地提升了攜帶的便利性以及空間的可利用性，并且可以代替人工在危險(xiǎn)管道區(qū)域進(jìn)行活動(dòng)，因而具有很好的實(shí)用性價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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Adjustable mechanism in the application of robot detection in the new "egg shaped" pipeline

Zhu Zhipeng,Wu Qilin,Shao Yuji,Zhang Dongsheng
（School of mechanical and automotive engineering,HeFei University of Technology,230009）

Abstract：In order to meet the different industrial environment of pipeline detection requirements,this paper introduces a novel pipeline detection reducing structure is based on stc90c51 SCM control system,a fusion capsule "egg shaped" structure design elements,in within the capsule "egg shaped" elliptic wheel, through the main cone gear,a side gear and screw mechanism system meshing transmission,by controlling the motor and the spiral rod rotation state of change for the egg shaped round to both sides of the linear motion,which can achieve the detection in the interior of the pipes can be reducing function.It can meet the demand of current exploration project is.

Keywords：variable diameter;egg shaped wheel;robot;pipeline;detection