郭逸飛

摘 要：管道機器人是一種通過電機驅(qū)動能夠在管道中沿某一方向定向運動的移動機器人。它在管道防洪、管道檢測以及管道運輸?shù)阮I(lǐng)域有諸多重要應(yīng)用?；诖?，本文介紹了一種基于自鎖原理的伸縮式管道機器人，通過對其與管道壁之間受力的物理模型分析，建立了管道機器人運動的必要條件，并對不同管徑下管道機器人的自鎖機構(gòu)的表面設(shè)計參數(shù)進行了探討，其結(jié)論對于管道機器人的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：自鎖現(xiàn)象；管道機器人；摩擦力

中圖分類號：TP24 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0064-02

本文介紹一種伸縮式管道機器人，基于自鎖原理實現(xiàn)在管道內(nèi)的按要求定向運動，進行管道內(nèi)的檢測、清潔、疏通、運輸?shù)裙ぷ?。在實際應(yīng)用中，這種管道機器人的最大牽引力源自其內(nèi)部移動機構(gòu)與管壁之間的最大靜摩擦力，而移動機構(gòu)和管壁之間的摩擦系數(shù)在運動過程中幾乎恒定不變，要提高牽引力必須通過增大正壓力來增大靜摩擦力，而這樣勢必會影響機器人的運行速度[1]。自鎖原理的應(yīng)用能夠解決管道機器人在管道中運動時牽引力、摩擦力和正壓力之間的這一矛盾問題，同時使管道機器人對管道復(fù)雜的內(nèi)部環(huán)境可以具有一定適應(yīng)性[1]。

1 伸縮式管道機器人的工作原理

伸縮式管道機器人的運動如圖1所示。其整體由一個后置移動機構(gòu)、一個前置移動機構(gòu)和一個連接于兩個移動機構(gòu)之間的伸縮機構(gòu)組成。在啟動運行時（圖1的狀態(tài)1），后置移動機構(gòu)通過電機驅(qū)動開始向前運動，前置移動機構(gòu)因為自鎖原理保持靜止，伸縮機構(gòu)產(chǎn)生收縮運動，而當(dāng)達到伸縮機構(gòu)的最大收縮狀態(tài)時（圖1的狀態(tài)2），后置移動機構(gòu)因為自鎖原理保持靜止，前置移動機構(gòu)開始向前運動，伸縮機構(gòu)產(chǎn)生伸長運動，直至伸縮機構(gòu)達到最大伸長狀態(tài)時（圖1的狀態(tài)3），前置移動機構(gòu)因為自鎖原理靜止，后置移動機構(gòu)開始向前運動，開始下一個運動周期循環(huán)，單個周期內(nèi)伸縮式管道機器人的有效行程為ΔS。在整個過程中，因為自鎖原理使得管道機器人在運動的相反方向由于鎖止而能提供較大牽引力，實現(xiàn)伸縮機構(gòu)的恒功率工作，從而消除管道機器人的無效運動，保證管道機器人能夠沿管道的單一方向快速平穩(wěn)的向前運動，完成任務(wù)目標(biāo)。

2 伸縮式管道機器人的自鎖模型及受力分析

上文所述后置移動機構(gòu)和前置移動機構(gòu)的自鎖模型如圖2（a）、圖2（b）所示，實現(xiàn)自鎖鎖止的結(jié)構(gòu)為類似扇形的凸輪結(jié)構(gòu)，同時建立OXY平面直角坐標(biāo)系以便進行受力分析。從圖中可以分析得出，無論是后置移動機構(gòu)的自鎖結(jié)構(gòu)還是前置移動機構(gòu)的自鎖結(jié)構(gòu)，都受到四個力的作用，分別是來自管道內(nèi)壁的支持力，也就是正壓力，還有來自管道內(nèi)壁的靜摩擦力，這個摩擦力非常關(guān)鍵，是管道機器人能否按要求運動并適應(yīng)管道內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境的最主要因素。另外就是伸縮機構(gòu)對后置和前置自鎖結(jié)構(gòu)分別產(chǎn)生的牽引力以及運動時自鎖結(jié)構(gòu)和管壁之間產(chǎn)生的滑動摩擦力。為保證模型分析的合理性，本文還需做出如下假設(shè)：

（1）所有零件均視為剛體分析；

（2）各運動副之間不存在任何間隙；

（3）各零部件強度足夠而不會被損毀；

（4）旋轉(zhuǎn)軸只能沿著管道方向運動；

（5）自鎖結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)軸之間無摩擦。

圖中，為管道內(nèi)壁對前置和后置自鎖結(jié)構(gòu)的支持力也就是自鎖結(jié)構(gòu)對管道內(nèi)壁的正壓力；為管道內(nèi)壁對后置移動機構(gòu)中自鎖結(jié)構(gòu)的靜摩擦力，為管道內(nèi)壁對前置移動機構(gòu)中自鎖結(jié)構(gòu)的靜摩擦力，F(xiàn)為中間伸縮機構(gòu)對后置移動機構(gòu)的牽引力，F(xiàn)為伸縮機構(gòu)對前置移動機構(gòu)的牽引力，R為管道內(nèi)壁到轉(zhuǎn)軸的距離，D為管道直徑，為管道內(nèi)壁到轉(zhuǎn)軸連線與豎直方向的夾角。

當(dāng)后置移動機構(gòu)的自鎖結(jié)構(gòu)鎖止時，以O(shè)點進行分析，靜摩擦力的力矩和支持力的力矩構(gòu)成力矩平衡，由此可以寫出力矩平衡方程，可得：

-FN·R·sinθ+Ff·R·cosθ=0

而此時后置移動機構(gòu)的自鎖結(jié)構(gòu)在水平方向受到來自伸縮機構(gòu)的牽引力以及管道兩個內(nèi)壁面的靜摩擦力，并達到受力平衡，可得：

F=2Ff

同理，當(dāng)前置移動機構(gòu)的自鎖結(jié)構(gòu)鎖止時，以O(shè)點進行分析，靜摩擦力的力矩和支持力的力矩構(gòu)成力矩平衡，由此可以寫出力矩平衡方程，可得：

-FN·R·sinθ+Ff'·R·cosθ=0

而此時前置移動機構(gòu)的自鎖結(jié)構(gòu)在水平方向受到來自伸縮機構(gòu)的牽引力以及管道兩個內(nèi)壁面的靜摩擦力，并達到受力平衡，可得：

F'=2Ff'

而后置移動機構(gòu)受到來自伸縮機構(gòu)的牽引力F和前置移動機構(gòu)受到來自伸縮機構(gòu)的牽引力F是大小相等、方向相反的力，因此Ff=Ff'。

根據(jù)滑動情況下的最大靜摩擦力公式可知：

所以：-Ff/μ·R·sinθ+FfRcosθ=0

化簡得：tanθ=μ

又根據(jù)靜止?fàn)顟B(tài)下的靜摩擦力滿足：

結(jié)合上述兩式，可以得出如下約束條件：

3 伸縮式管道機器人活動的管徑與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系分析

通過將上述自鎖模型及約束條件進行分析和畫圖，可以得到：

也就是

伸縮式管道機器人運動的管道管徑與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系如圖3所示，其中橫坐標(biāo)為管道直徑（cm），縱坐標(biāo)為摩擦系數(shù)。

通過分析與繪圖，可以看出對于某確定R值自鎖結(jié)構(gòu)的管道機器人，對應(yīng)的管道直徑越大，管道機器人移動機構(gòu)與管壁之間的摩擦系數(shù)就要越小。通過本文的計算與分析，可以根據(jù)管道的直徑來確定設(shè)計制作管道機器人移動機構(gòu)的材料，即確定管道機器人自鎖結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)。當(dāng)摩擦系數(shù)與管徑滿足上圖關(guān)系，管道機器人在運動過程中就可以使得兩個移動機構(gòu)能夠交替鎖止和運動，從而帶動管道機器人整體按要求方向?qū)崿F(xiàn)快速平穩(wěn)運動。

4 結(jié)語

伸縮式管道機器人靈活運用自鎖現(xiàn)象及原理，通過巧妙設(shè)計自鎖結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)管道清潔、疏通、運輸?shù)认嚓P(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用需要。本文通過對應(yīng)用于伸縮式管道機器人的自鎖建模與受力分析，推導(dǎo)出管道機器人在確定的管道內(nèi)能夠正常定向運動的約束條件公式，即實現(xiàn)快速平穩(wěn)定向運動的必要條件，同時基于此給出管道的管徑與管道機器人移動機構(gòu)和管壁之間摩擦系數(shù)的關(guān)系，并畫出圖表，對于實現(xiàn)伸縮式管道機器人的設(shè)計具有一定指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1]喬晉崴，尚建忠，陳循，羅自榮.基于凸輪自鎖原理的伸縮式管道機器人設(shè)計[J].機械工程學(xué)報，2010，46（11）：83-88.