段穎妮，韓佐軍，楊振鋼，戴君，李國柱

(1. 陜西省表面工程與再制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065； 2. 西安文理學(xué)院 機(jī)械與材料工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

0 引言

管道健康監(jiān)測的機(jī)器人技術(shù)中自適應(yīng)于復(fù)雜管線的牽引機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一直是管道機(jī)器人研究領(lǐng)域中一個(gè)熱點(diǎn)[ 1-4 ]。目前氣液體輸送管道檢測和修復(fù)的管道機(jī)器人有靠流體壓差驅(qū)動、輪式驅(qū)動、履帶式、基于外磁場驅(qū)動方式、仿生蠕動式等牽引驅(qū)動方式[ 5-9 ]。靠流體壓差驅(qū)動屬于被動式驅(qū)動，牽引力不可調(diào)控，帶載能力差。輪式驅(qū)動過彎道處驅(qū)動難度大，效率低，雖然提出了多電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動理論及由單電機(jī)輸入，同時(shí)帶動周向多個(gè)輪轉(zhuǎn)動，理論上這樣方法可以過彎道，但機(jī)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致可靠性降低。履帶式驅(qū)動越障能力強(qiáng)，能輸出較大牽引力，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)向性差，通過彎道困難，能耗大。針對埋地2 m左右的鋼管道，土石層削弱磁動力，外磁場驅(qū)動方式在此應(yīng)用不合適。蠕動式移動機(jī)構(gòu)是借用蚯蚓等環(huán)節(jié)動物運(yùn)動的原理開發(fā)的，其目前有多種實(shí)現(xiàn)形式，如利用氣壓伸縮驅(qū)動，利用電磁吸合驅(qū)動，用形狀記憶合金伸縮驅(qū)動等[10]?？紤]探傷機(jī)器人對移動速度和移動連續(xù)光滑度無要求，結(jié)合圓形管道特征，考慮在役管道內(nèi)機(jī)器人過彎通過性及系統(tǒng)中能量自供給方案，本文采用蠕動式柔性移動前行的方式。在役管道檢測機(jī)器人蠕動式柔性牽引機(jī)構(gòu)是在前期授權(quán)的專利《一種蠕動式管道機(jī)器人移動牽引機(jī)構(gòu)》(ZL201220229959.9)[11]基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)的，而該技術(shù)雖然具有在平直、豎直變徑管道中主動牽引大，結(jié)構(gòu)簡單可靠，能耗低等優(yōu)點(diǎn)，但在彎道通過方面仍不太理想，主要是其中間的絲杠是剛性的。為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)了一種蠕動式管道柔性機(jī)器人牽引機(jī)構(gòu)。將蠕動式管道機(jī)器人移動牽引機(jī)構(gòu)中3個(gè)用于同軸的剛性滑桿和中間的剛性絲杠改為中間的柔性絲杠，結(jié)合準(zhǔn)直螺母等其他部件使該牽引機(jī)構(gòu)能順利過彎。

1 移動牽引機(jī)構(gòu)構(gòu)成

該機(jī)構(gòu)由行走機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成，其中行走機(jī)構(gòu)由前行走部件和后行走部件組成。設(shè)計(jì)過程中考慮減少阻力截面，迎流面面積盡量小的需求，機(jī)構(gòu)的三維示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)構(gòu)的三維示意圖

兩組腿臂分別連接底座和滑塊，電機(jī)驅(qū)動力經(jīng)傳動機(jī)構(gòu)傳遞給滑塊，滑塊沿絲杠軸向運(yùn)動。移動牽引機(jī)構(gòu)中驅(qū)動機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件是電機(jī)及電機(jī)軸齒輪；其中后行走部件與傳動機(jī)構(gòu)通過M10螺母固定連接，前行走部件通過準(zhǔn)直螺母與帶滑鍵槽中空柔性絲杠形成的螺旋副連接，傳動機(jī)構(gòu)與驅(qū)動機(jī)構(gòu)通過齒輪和電機(jī)軸齒輪嚙合連接；驅(qū)動機(jī)構(gòu)通過電機(jī)支撐桿安裝于前行走部件的底座內(nèi)。整個(gè)機(jī)構(gòu)的二維平面圖如圖2所示。

1—管道；2—腿臂；3—底座；4—帶滑鍵槽中空柔性絲杠；5—限位開關(guān)a； 6—準(zhǔn)直螺母； 7—軸承； 8—有周向限位滑鍵的滑塊；9—齒輪；10—滑鍵；11—電機(jī)；12—限位開關(guān)b；13—限位螺母圖2 移動機(jī)構(gòu)平面圖

其中傳動機(jī)構(gòu)由帶滑鍵槽中空柔性絲杠、推力球軸承、齒輪、準(zhǔn)直螺母和限位開關(guān)a、限位螺母組成。帶滑鍵槽中空柔性絲杠和準(zhǔn)直螺母二維圖如圖3所示。

26—萬向節(jié)；27—銷釘b；28—滑鍵槽；9—齒輪；30—輻條圖3 柔性絲杠和準(zhǔn)直螺母二維平面圖

柔性絲杠外邊側(cè)開有滑鍵槽，準(zhǔn)直螺母外圓周帶有齒輪和輻條。帶滑鍵槽中空柔性絲杠是在交錯(cuò)接續(xù)連接的萬向節(jié)上刻螺紋形成柔性絲杠，各節(jié)之間通過銷釘b連接。準(zhǔn)直螺母的兩端頭設(shè)計(jì)做成錐形口，和帶滑鍵槽中空柔性絲杠聯(lián)合使用，絲杠中萬向節(jié)與萬向節(jié)之間有θ角度彎曲時(shí)，進(jìn)入具有導(dǎo)向錐的螺母時(shí)，便于帶滑鍵槽中空柔性絲杠局部準(zhǔn)直。

該牽引機(jī)構(gòu)的移動機(jī)理：當(dāng)帶滑鍵槽中空柔性絲杠連接的底座和有周向限位滑鍵的滑塊間距離減小時(shí)，底座相對管道靜止，有周向限位滑鍵的滑塊相對管道前向移動。當(dāng)帶滑鍵槽中空柔性絲杠連接的底座和有周向限位滑鍵的滑塊間距離增大時(shí)，有周向限位滑鍵的滑塊相對管道靜止，底座相對管道前向移動，即形成行走機(jī)構(gòu)的前行走部件和后行走部件交替向前運(yùn)動的形式，使整個(gè)牽引機(jī)構(gòu)形成蠕動式前行的效果。

2 移動牽引機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵問題分析

2.1 持續(xù)增大的牽引力自主鎖止

牽引力是管道機(jī)器人的一個(gè)重要指標(biāo)。牽引力的大小直接影響到機(jī)器人的帶載荷能力并關(guān)系到檢測任務(wù)的成敗，也影響機(jī)器人的運(yùn)行速度，有必要對牽引力進(jìn)行分析。

圖4 水平直管道內(nèi)機(jī)器人受力分析簡圖

結(jié)合圖2和圖4進(jìn)行分析，滑塊位于前端，即機(jī)器人前進(jìn)的方向(自左向右)，底座位于后端。當(dāng)?shù)鬃o止滑塊前行時(shí),底座周向三腿臂與管道壁的正壓力N1，靜摩擦力f1隨著滑塊沿絲杠滑行至前到限位螺母位置的過程中，正壓力N1持續(xù)增強(qiáng)，靜摩擦力f1=μN(yùn)1隨之增強(qiáng)，持續(xù)增強(qiáng)的靜摩擦力使移動機(jī)構(gòu)自主鎖止管道。當(dāng)滑塊沿絲杠滑行至觸動限位開關(guān)b，電機(jī)停轉(zhuǎn)，滑塊周向三腿臂支撐管壁與管道相對靜止，接著電機(jī)反轉(zhuǎn)驅(qū)動絲杠帶動底座沿軸向前行。以絲杠為參照系，相當(dāng)于滑塊周向三腿臂向后運(yùn)動(自右向左端)，滑塊周向三腿臂與管道壁的正壓力持續(xù)增強(qiáng)形成正反饋效果，則滑塊周向三腿臂與管道壁的靜摩擦力持續(xù)增強(qiáng)，移動機(jī)構(gòu)自主鎖止管道，因此該機(jī)構(gòu)拖曳牽引力大。當(dāng)滑塊觸動限位開關(guān)a時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，底座周向三腿臂支撐管壁相對與管道靜止，接著電機(jī)反轉(zhuǎn)驅(qū)動和絲杠螺旋副連接的準(zhǔn)直螺母帶動滑塊沿軸向自左向右運(yùn)動，形成周而復(fù)始的間歇蠕動前行。蠕動前行過程中兩組腿交替與管道壁的摩擦力持續(xù)增強(qiáng)形成正反饋效果，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人與管壁間的自主鎖止，使該機(jī)構(gòu)拖曳牽引力大，該機(jī)構(gòu)拖曳牽引力大的特點(diǎn)是其在豎直管道中帶動負(fù)載能順暢爬行。

2.2 機(jī)構(gòu)行進(jìn)中前后行走部件同軸性問題

文獻(xiàn)[11]中的3個(gè)用于同軸的剛性滑桿和中間的剛性絲杠替換為柔性絲杠、推力球軸承、齒輪、準(zhǔn)直螺母的組合，如何保證牽引機(jī)構(gòu)前后行走部件同軸性呢？如圖3所示，機(jī)構(gòu)中柔性絲杠外邊側(cè)開有滑鍵槽，滑塊通過其內(nèi)置的滑鍵和帶滑鍵槽中空柔性絲杠連接?；I在柔性絲杠的外圓周軸向的滑鍵槽內(nèi)滑動，確保前行走部件不能周向旋轉(zhuǎn)，有周向限位滑鍵的滑塊通過軸承滾動摩擦(推力球軸承)和準(zhǔn)直螺母連接。這樣前行走部件只能和準(zhǔn)直螺母一起沿柔性絲杠軸向滑動，解決了同軸性問題。

靠推力球軸承連接的準(zhǔn)直螺母和滑塊間摩擦力記作f2,f2是滾動摩擦，前行走部件中3個(gè)腿臂與管壁之間的摩擦力記作f3，f3是滑動摩擦，設(shè)計(jì)時(shí)考慮準(zhǔn)直螺母、滑塊、移動機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，移動機(jī)構(gòu)前行過程中易于滿足f2

2.3 機(jī)構(gòu)過彎性分析

1) 基本約束條件

管道機(jī)器人牽引機(jī)構(gòu)單元體能通過彎道，則其最大單體模塊幾何尺寸與彎道幾何尺寸必須滿足一定的約束關(guān)系。本設(shè)計(jì)中最大單體模塊是滑塊和底座。滑塊或底座與管道壁間極限尺寸如圖5所示。設(shè)其最大體積Vmax(大的空間能放置多的載荷)，底面圓周直徑d,長度l，管道直徑是D,彎道曲率半徑R，彎道彎曲角度γ=90°，l和d分別滿足條件分析如下：

圖5 單元體與彎道的幾何關(guān)系

(1)

d

(2)

在管道約束條件下，l和d分別滿足式(1)和式(2)。

2) 形成“力”的封閉，產(chǎn)生足夠的驅(qū)動力

管道對機(jī)器人施加了一個(gè)封閉的形狀約束，管道機(jī)器人在直管中行走時(shí)，各腿臂彈性變形是一致的。前后兩組支撐輪和管壁接觸，形成“力“和“形”的封閉，不會引起牽引力的波動，即驅(qū)動電機(jī)負(fù)載的波動。但在彎道處，由于機(jī)器人受到幾何約束、運(yùn)動約束和彎道曲率的影響，機(jī)器人各腿臂的空間位置相對于管道軸線已不對稱，與管壁間的接觸狀態(tài)也各不相同，接觸點(diǎn)處局部位置坐標(biāo)變化分析如下：如圖6所示，設(shè)xfi、xri表示前后兩組支撐腿臂與管壁可能接觸點(diǎn)的軌跡，x、y、z是橫截面Ⅰ和Ⅱ過機(jī)器人本體中心指向腿臂的向量與管壁交點(diǎn)的坐標(biāo)，前后兩組腿臂在與管道垂直的橫截面中產(chǎn)生的變形量分別是：

Δlf和Δlr大小表示機(jī)器人彈性腿臂在橫截面Ⅰ和Ⅱ內(nèi)產(chǎn)生的變形量，當(dāng)過彎道時(shí)，只有Δlf=Δlr，才能保證機(jī)器人過彎道時(shí)各腿臂與彎道曲面緊密接觸，從而形成“力”的封閉，產(chǎn)生足夠的驅(qū)動力。本設(shè)計(jì)中由于腿臂內(nèi)采用彈簧，具有較大的可伸縮變徑范圍，使得支撐腿臂與管道接觸處正壓力可自動調(diào)節(jié)，滿足Δlf=Δlr的約束條件，從而依然形成“形”的封閉。

圖6 彎道通過性位置圖

腿前端可伸縮變徑，自適應(yīng)管道曲面，各腿臂與管道面接觸點(diǎn)的運(yùn)動軌跡滿足管道幾何約束條件、運(yùn)動約束。有效解決了剛性支撐問題和彎道通過性問題。

3) 彎道處準(zhǔn)直螺母準(zhǔn)直柔性絲杠

柔性絲杠是在交錯(cuò)接續(xù)連接的多節(jié)萬向節(jié)外圓周上刻螺紋形成，準(zhǔn)直螺母的兩端頭設(shè)計(jì)做成外錐形口，錐表面射線與軸向平行線間夾角Δθ，即錐形口半頂角。柔性絲杠與準(zhǔn)直螺母形成螺旋副連接，當(dāng)絲杠中萬向節(jié)與萬向節(jié)之間有Δθ角度彎曲時(shí)，進(jìn)入具有硬導(dǎo)向的錐型口螺母時(shí)，兩者結(jié)合點(diǎn)處絲杠局部準(zhǔn)直。

圖7 彎道通過性

取(R-D/2)∶D=5∶3,D=180 ，γ=90°，d，lmax的值根據(jù)本節(jié)1)的約束條件確定。

準(zhǔn)直螺母：長度L=L0+2b,L0越大，承受力越大，越可靠安全，壽命長,錐形口半頂角θ。

柔性絲杠：萬向節(jié)單節(jié)長度L’,b

柔性絲杠長度：C=R×π/2=(r+D/2)×π/2

柔性絲杠萬向節(jié)節(jié)數(shù)：N=C/L’

腿前端可伸縮變徑，自適應(yīng)管道曲面，各腿臂與管道面接觸點(diǎn)的運(yùn)動軌跡滿足管道幾何約束條件,柔性絲杠和準(zhǔn)直螺母配合，合理的尺寸設(shè)計(jì)滿足了在彎道處的運(yùn)動約束。有效解決了剛性支撐問題和彎道通過性問題。

3 模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境

設(shè)計(jì)D=180mm，管壁厚t=5mm，長度為10m，帶有水平直管、垂直直管、90°L型彎管、T型三通的有機(jī)透明玻璃管道。該管道內(nèi)壁可以緊貼鋼鐵條，管道中為常溫流動的水，要求水流速度和壓力與石油管道基本相當(dāng)。通過高功率水泵外加大容量水箱來實(shí)現(xiàn)模擬試驗(yàn)管道中水流速度為2m/s。根據(jù)以上要求選用水泵體積流量為60m3。如果要模擬天然氣管道只需將水泵換為氣泵，并保證空氣流速與壓力和天然氣管道相當(dāng)即可。模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖8所示。

圖8 模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境

該管道僅模擬實(shí)際環(huán)境情況，用于考察機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)、內(nèi)外通信和能量供給分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況。探傷部分采用通過對無流體鋼管來驗(yàn)證，鋼管外徑219mm，管壁厚t=7mm。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種適合圓形管道壁探傷蠕動式間歇前行柔性移動牽引機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)中傳動機(jī)構(gòu)采用柔性絲桿和準(zhǔn)直螺母配合提高過彎能力，絲杠由多節(jié)萬向節(jié)串聯(lián)而成，外側(cè)刻有螺紋，該絲杠剛性較柔性彈簧軸好，能傳遞大的轉(zhuǎn)矩。文中分析了該機(jī)構(gòu)中行走部件行進(jìn)中的拖曳牽引力，前后行走部件同軸性，機(jī)構(gòu)過彎時(shí)通過性這些關(guān)鍵問題，分析和實(shí)驗(yàn)表明該移動牽引機(jī)構(gòu)具有大的牽引力，在豎直管道中運(yùn)行良好，具有良好的過彎性能、自主鎖止在管道內(nèi)不耗能的特點(diǎn)。該機(jī)器人牽引機(jī)構(gòu)間歇前行過程中自主鎖止在管道壁方便采用高效發(fā)電裝置將流體動能轉(zhuǎn)化為電能供給機(jī)器人動力，使得機(jī)器人能量自供給。在此機(jī)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，今后可嘗試機(jī)器人前端增加采用傳感檢測及反饋的導(dǎo)向頭機(jī)構(gòu)，滿足順暢通過三通及T型管道的需求。