曾軍德，孫亮波，龔俊杰，梁會勇，郭成成

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復(fù)雜管道清理機(jī)器人結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

曾軍德，孫亮波*，龔俊杰，梁會勇，郭成成

（武漢輕工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430048）

論述了管道機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，對幾類典型管道機(jī)器人性能進(jìn)行對比分析。創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款適用于清理中小型管道的清潔機(jī)器人。該裝置由電機(jī)、履帶行走機(jī)構(gòu)、直徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和清理機(jī)構(gòu)組成。電纜傳輸信號控制機(jī)器人在管道內(nèi)行走；通過直徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)器人尺寸以適應(yīng)不同管徑變化。該機(jī)器人可兩節(jié)串聯(lián)使用以實(shí)現(xiàn)清潔力度的調(diào)節(jié)，配合氣壓桿裝置調(diào)節(jié)刷頭壓力以增強(qiáng)清理效果，可適用于不同管徑及污染程度的輸水管道，具有良好的應(yīng)用前景。

管道機(jī)器人；管道清理；履帶式；直徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

管道運(yùn)輸作為一種高效的流體運(yùn)輸手段，廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、石油煤炭、社會民生的各方面[1]。由于管道的封閉特性，造成檢測探傷、維修保養(yǎng)、清淤等工作十分麻煩。同時(shí)，需要經(jīng)常清理的石油天然氣輸送管道、城市輸水管道、工廠排污管道等管道內(nèi)部環(huán)境差別較大，所需清潔方式也不同，進(jìn)一步加重管道清理工作的順利進(jìn)行。

通過市場調(diào)研，目前市場上采用的清理方式（圖1）及其性能分析如下[3-7]：

（1）該方法需要人工將鋼繩穿過待清洗管路，鋼繩固定在絞車上，在絞車的帶動下來回運(yùn)動，鋼繩上固定的清理器材與鋼繩同步，完成清淤工作。此種方法雖有機(jī)械輔助，但是依然需要人工去穿繩。且管道中釋放出的氣體會損害工人的身體健康。

（2）車載式高壓水射流清淤。該方法利用高壓水射流的強(qiáng)大沖擊力沖擊被清洗物體，將污垢剝離、清除，達(dá)到清洗的目的。然后將管道內(nèi)壁殘留的沉積物沖到下游檢查井，再由吸泥車將其吸走。

（3）腳式管道清淤機(jī)器人。該機(jī)器人基本工作原理是通過腿推壓管道壁來支撐身體，利用裝有彈簧的傾斜支撐臂把腿上的車輪緊壓在管道內(nèi)壁上，使其產(chǎn)生預(yù)壓力，利用軟軸在扭矩作用下使機(jī)器人向前行走，進(jìn)行清淤工作。

（a）絞車清淤 （b）車載式高壓水射流清淤 （c）腳式管道清淤機(jī)器人

分析可知現(xiàn)有清淤機(jī)械主要存在以下問題：①操作繁瑣，資源浪費(fèi)嚴(yán)重；②不能適應(yīng)多種直徑的管道，通用性差；③清理機(jī)構(gòu)不可調(diào)節(jié)清理壓力大小，適應(yīng)環(huán)境能力差。

1 管道清理機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路

基于上述分析，創(chuàng)新設(shè)計(jì)一款針對中小直徑（350～500 mm）、短距離工作（工作半徑小于50 m）、可以中斷輸送（輸送過程可以停止）的輸水管道清理機(jī)器人，使其能夠適用于一般的輸水管道和工廠管道，以達(dá)到降低清理成本、適應(yīng)一定范圍管徑、可調(diào)節(jié)清理力度的目的。該機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 管道清理機(jī)器人設(shè)計(jì)流程圖

為了減少動力源數(shù)量、縮小機(jī)身尺寸，該機(jī)器人通過常閉式電磁離合器控制履帶和清理機(jī)構(gòu)、通過常開式電磁離合器控制直徑調(diào)整機(jī)構(gòu)。電機(jī)、履帶、直徑調(diào)整機(jī)構(gòu)、清理機(jī)構(gòu)四個部分同軸縱向布置，電機(jī)居中，動力通過中間軸、離合器、減速器等原件傳至各個功能單位。總體布局示意圖如圖3所示。

1.履帶2.傘狀直徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3.電機(jī)4.清理機(jī)構(gòu)

2 清淤機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1供能方式

現(xiàn)有的管道機(jī)器人主要有流體動能驅(qū)動式、自帶能源式、線纜式等功能方式[5-7]。流體動能驅(qū)動能夠從流動液體中獲取能量，能行駛較遠(yuǎn)距離，但其功率較小，會增加管道阻力且不能在惡劣環(huán)境中使用。自帶能源主要為電池，使用方便，成本低廉，適用于短距離、中等直徑管道，但其體積較大。線纜式可實(shí)現(xiàn)大功率輸出，工作較長時(shí)間，可避免在金屬管道內(nèi)部機(jī)器人通信屏蔽問題。

與其他方式相比，線纜式供能有功率大、工作時(shí)間長、易于通信等優(yōu)點(diǎn)，能夠符合短距離工作、便于縮小機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸等要求。故本設(shè)計(jì)采用線纜式供能方式。

2.2 行走部分

2.2.1 行走方式的選擇

機(jī)器人的行走方式有輪式、腿足式、蠕動式、履帶式等[8-11]。輪式移動速度快，結(jié)構(gòu)緊湊但越障能力不強(qiáng)。腿足式和蠕動式都屬于仿生機(jī)器人，能夠做到較小的尺寸，但效率不高，控制復(fù)雜。履帶式適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，但縱向長度長、轉(zhuǎn)彎性能差。

與其他行走方式相比，履帶式能產(chǎn)生更大的摩擦力，拖纜行走能力強(qiáng)，在污染較為嚴(yán)重的管道環(huán)境中也有較強(qiáng)的通過能力。故本設(shè)計(jì)采用履帶式行走機(jī)構(gòu)。

2.2.2 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

若要限定機(jī)器人位于管道中心位置，至少需要三組履帶。三組以上的履帶可以增加行走機(jī)構(gòu)在管道內(nèi)壁的有效支撐，有利于提高機(jī)器人在管道內(nèi)壁行走姿態(tài)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)機(jī)器人的驅(qū)動能力和牽引能力。但同時(shí)也增加了零件數(shù)量，使中心支撐部分強(qiáng)度降低。本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人采用三組履帶，分布如圖3所示。

圖4為一個履帶單元。動力從電機(jī)向左輸出至離合器和變速器，再傳至絲桿，絲桿轉(zhuǎn)動帶動滑塊運(yùn)動。履帶、前撐桿、后撐桿、電機(jī)共同組成四桿機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)，支撐履帶緊貼管壁?；瑝K的行程為55 mm，其左右滑動調(diào)節(jié)四桿機(jī)構(gòu)角度，控制履帶開合。調(diào)節(jié)完成后離合器斷開，絲桿自鎖，履帶保持壓緊。電機(jī)將動力傳至離合器和減速器，工作時(shí)離合器保持常閉狀態(tài)。動力通過減速器再傳至蝸桿帶動蝸輪經(jīng)由鏈輪鏈條傳送至履帶。滑塊部分結(jié)構(gòu)如圖5所示?；瑝K在導(dǎo)軌上滑動。電機(jī)將動力傳送至絲桿，經(jīng)由絲桿螺母傳到彈簧。彈簧推動滑塊向右運(yùn)動。在絲桿螺母和滑塊之間設(shè)置彈簧使傘狀機(jī)構(gòu)有一定彈性，防止由于管道內(nèi)徑輕微變化或雜物而卡死機(jī)器人。同時(shí)彈簧與滑塊接觸面設(shè)有壓力傳感器，在彈簧完全壓緊后壓力超過一定大小則反饋信息給控制系統(tǒng)，絲桿反轉(zhuǎn)，釋放壓力?？ōh(huán)固定在滑塊上，限制絲桿螺母只能做橫向微小的滑動，且不能滑出滑塊。電機(jī)端裝有編碼器時(shí)時(shí)檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速用于計(jì)算機(jī)器人行走速度，同時(shí)防止電機(jī)卡死燒毀。

1.履帶2.后撐桿3.滑塊4.絲桿5.離合器和減速器6.前撐桿 7.離合器和減速器8.電機(jī)9.蝸桿10.渦輪

1.卡環(huán)2.絲桿螺母3.絲桿4.導(dǎo)軌5.彈簧

2.3 清理部分

輸水管道內(nèi)部的水垢以碳酸鹽硅酸鹽為主，硬度高，不易清除。實(shí)驗(yàn)表明，水垢可用刮刀、鋼刷多次清除[8-9]。在機(jī)器人頭部安裝旋轉(zhuǎn)清理機(jī)構(gòu)，能提供并調(diào)節(jié)壓力大小，且可根據(jù)不同的工作環(huán)境更換不同的清理裝置。如圖6所示，電機(jī)的動力經(jīng)由蝸桿箱、離合器和減速器傳遞到機(jī)器人頭端帶動三根清理?xiàng)U旋轉(zhuǎn)。清理?xiàng)U上帶有可拆卸更換的刷頭，可根據(jù)實(shí)際需要更換清理工具。離合器限定最大扭矩以保證刷頭在遇到障礙物時(shí)及時(shí)停止旋轉(zhuǎn)，保證機(jī)器人安全。

1.電機(jī)2.蝸桿箱3.氣壓桿4.離合器和減速器5.清理?xiàng)U6.刷頭

如圖7所示，減速器的輸出端帶動清理機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。清理?xiàng)U與固定塊鉸鏈連接。三根氣壓桿將清理?xiàng)U連接起來。由于氣壓桿的推力作用，清理?xiàng)U將會一直保持向外張緊的狀態(tài)，使鋼刷始終保持一定壓力。柔性連接三個清理頭可分別獨(dú)立運(yùn)動，使其在管道內(nèi)部凹凸不平，或在彎道處清理時(shí)，都能保持緊貼狀態(tài)。清理?xiàng)U上有雙排螺孔，用來固定氣壓桿的位置，以獲得適當(dāng)?shù)膹埦o力。

1.固定塊 2.氣壓桿 3.清理?xiàng)U 4.M4螺孔 5.清理頭

因清理裝置前端有蝸桿箱，在小直徑（350 mm左右）工況將氣壓桿水平放置時(shí)，會與蝸桿箱發(fā)生干涉。此時(shí)需要將氣壓桿傾斜以消除干涉。推桿直徑10 mm氣彈簧推力能達(dá)70 kg[12]，故傾斜氣壓桿造成的推力損失可以忽略。

3 小結(jié)

該管道清理機(jī)器人具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）適用于中小直徑（350～500 mm）、短距離工作（工作半徑小于50 m）的管道清理；

（2）采用傘狀開閉機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)履帶的開合角度，增強(qiáng)機(jī)器人通用性，適應(yīng)多種直徑管道；

（3）采用氣壓桿裝置調(diào)節(jié)刷頭壓力的大小，可根據(jù)污染程度調(diào)節(jié)清理壓力。

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Cleaning Robot Design of Complex Pipeline Structure Innovation

ZENG Junde，SUN Liangbo，GONG Junjie，LIANG Huiyong，GUO Chengcheng

( School of Mechanical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430048, China )

The research status of pipeline robot is discussed, and the performance of several typical pipeline robots is compared and analyzed The innovative design of a suitable small pipeline cleaning in cleaning robot. The device is composed of motor, crawler, diameter adjusting mechanism and a cleaning mechanism. The cable transmission signal, control robot in pipe robot; regulation the diameter size adjusting mechanism, adapt to different diameter change. The robot can be used in series two, adjust the clean strength, with the pressure rod device to adjust the brush head pressure, enhance the cleaning effect, suitable for water pipes of different diameters and the degree of pollution, it has a good application prospect.

pipeline robot；pipeline cleaning；caterpillar；diameter adjusting mechanism

TH11

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.03.009

1006－0316 (2018) 03－0035－04

2017－10－31

曾軍德（1995－），男，甘肅武威人，本科，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造。

孫亮波（1979－），男，湖北天門人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)。