胡嘯 史繼新

【摘 要】目前對長距離管道進行巡檢、維修的一個有效手段是使用管道爬行機器人攜帶攝像頭及各類工具在管道內部進行運動。為實現(xiàn)這一目標，機器人需要具有的三個重要功能：（1）管道內壁直徑尺寸的適應性，（2）豎直管道的爬行能力，（3）管道彎頭的通過能力。本文以一種多足履帶式爬行機器人為例，對機器人在管道內的運動進行了分析，并根據(jù)分析結果給出了一種變徑機構的設計方案，為管道爬行機器人的整體設計提供了依據(jù)。

【關鍵詞】管道機器人;管道彎頭;變徑機構

中圖分類號： TP242 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）13-0001-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.001

Motion Analysis and Diameter Change Structure Design of Pipeline Crawling Robot

HU Xiao1* SHI Ji-xin2

（1.China Nuclear Wuhan Nuclear Power Operation Technology Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223，China;

2.Hubei Key Laboratory of Hydropower Machinery Equipment Design and Maintenance

〈Three Gorges University〉，Yichang Hubei 443002，China）

【Abstract】At present，an effective ways of inspecting and maintaining long-distance pipelines is to use the pipeline crawler robot to carry cameras and various tools to move inside the pipelines.To achieve this goal， robots need to have three important functions：（1）Adaptability of pipe inner wall diameter size.（2）Crawling ability of vertical pipe.（3）Passing Capacity of Pipeline Elbow.This paper takes a crawler robot with multiple feet as an example to analyze the movement of the robot in the pipeline，and according to the analysis results，gives a design scheme of a diameter changing mechanism， which provides a basis for the overall design of the pipeline crawler robot.

【Key words】Pipeline crawler robot;Pipeline Elbow;Diameter changing mechanism

0 引言

在市政、石油、化工、電力等行業(yè)，均存在大量的、規(guī)格眾多的金屬管道，隨著使用年限的增長，需要對這些管道進行巡檢、維修。對于從外部無法到達的管道，使用管道爬行機器人攜帶工具進入到管道內部進行巡檢、維修是一種非常有效的方式。

管道機器人按照驅動方式大致可以分為三種：a.自驅動（自帶動力源），b.利用流體推力，c.通過彈性桿外加推力;其中自驅動管內機器人包括輪式、腳式、爬行式、蠕動式，還包括履帶式等[1]。目前在管道巡檢領域已經有多個產品實現(xiàn)了商業(yè)化應用，例如德國恩薩公司開發(fā)了多輪驅動的“蟹式”管道爬行機器人[2]，可對管道進行視頻檢查;加拿大的Inuktun公司開發(fā)了模塊化的履帶單元，通過履帶單元的并聯(lián)、串聯(lián)，可組成多款適應不同工況的管道機器人，主要用于電力行業(yè)的管道檢測，其中一款Versatrex三足履帶機器人可在順利通過豎直管道及管道彎頭[3];深圳施羅德工業(yè)集團開發(fā)了多款輪式、履帶式的爬行機器人，主要用于市政管網的檢測與維修[4];北京德朗檢視科技公司開發(fā)的DNC110B管道機器人可對110mm-800mm的管道中進行視頻檢測，也可搭載機械手進行異物抓取[5]，已在電站的管道檢測中實現(xiàn)了應用。

對于水平走向或者坡度不大的管道，使用輪式機器人進行巡檢，效率更高、運動更加靈活，但是對于坡度較大甚至豎直走向的管道，就需要利用履帶式爬行機器人的驅動能力攜帶攝像頭等工具實施巡檢。三足履帶式管道爬行機器人由三個間隔120°分布的獨立履帶驅動模塊和中心的變徑結構組成，通過變徑結構的張緊力，三個獨立履帶驅動模塊緊緊的貼在管道內壁，履帶轉動時機器人得以前進，這種布置方案可以使得機器人能夠在豎直管道內進行爬行研究對象。本文以一種三足履帶機器人為例，通過分析其在管道內的運動需求，并對比各類變徑機構，給出一種適用于三足履帶機器人的變徑結構設計方案。

1 機器人運動分析

1.1 管道直徑適應性分析

機器人對管道的直徑適應性，分為兩方面：（1）機器人對于管道內徑由于制造誤差、不圓度等因素產生的直徑小幅變化應能夠自主適應，（2）機器人通過變徑結構的作用，能夠在一定范圍內改變直徑，以適應多種規(guī)格的管道。

所以管道機器人的變徑結構應當具有能在一定范圍內伸縮的變徑機構。

1.2 豎直管道爬行運動分析

對于三足履帶式爬行機器人，其在豎直管道內爬行時，三個履帶足通過變徑機構的張緊力緊緊貼在管道內壁上，當履帶轉動時，履帶與管道內壁產生摩擦力驅動機器人向上運動。如圖1所示，機器人向上運動驅動力來自于變徑結構的張緊力在管道內壁上產生的動摩擦力，設機器人向上爬行所需克服的重力、電纜摩擦力、自身傳動阻力等合力為T，單個履帶驅動模塊受到的張緊力為F，履帶與管道內壁的動摩擦系數(shù)為η，則有：

F×？濁×3？叟T（1）

圖1 豎直爬升受力示意圖

所以，機器人要想在豎直管道里順利爬升，變徑結構需要提供足夠的張緊力，所以變徑結構的驅動動力源需要有足夠的驅動力。

1.3 管道彎頭通過性分析

當機器人需要通過彎頭時，機器人的外形尺寸，特別是履帶驅動模塊的長度，會對機器人整體在管道彎頭處的通過性產生影響。通過對管道內徑a、管道彎曲半徑R、機器人履帶驅動模塊長度l三者關系的分析，可以得出機器人外形尺寸的設計依據(jù)。

考慮到彎頭的極限情況，以水平90°彎頭為例，如圖2所示，將機器人的外形輪廓的水平投影抽象為一個矩形，矩形的長為l。機器人通過彎頭時，矩形外側的兩個頂點與管道內壁的外弧面接觸，內側的長邊與管道內壁的內弧面相切，只要機器人的外形尺寸與管道的規(guī)格尺寸能夠形成這種關系，機器人就可以順利通過彎頭。

從式（2）和式（7）可看出，通過彎頭時，mmax

三足履帶機器人在管道內行走時，其外形可抽象成一個與管道內圓內接的正三角形，如圖3所示，此時機器人最寬的區(qū)域不在管道的中間平面，而是在底邊所在的截面上，故需要根據(jù)此情況對上述式子進行修正。假設管道的參數(shù)不變，此時機器人的初始寬度變?yōu)椋?/p>

當針對某種管道進行機器人的結構設計時，R和a已知，當設計出的履帶驅動模塊長度為時，如果mmax的數(shù)值大于零，且該數(shù)值在實際結構設計中可以達到，那么機器人可以順利通過該種管道的彎頭;當需要判斷設計的機器人能否通過某種管道彎頭時，同樣可將已知的l、R和a帶入式（9），若計算出的mmax為正值且機器人結構實際可已達到，則說明機器人可以順利通過該種規(guī)格管道的彎頭。

mmax和m之間的變化差值，就是機器人在通過管道彎頭時，自適應的變徑機構需要自適應收縮的尺寸，設計變徑結構時需要滿足此要求。

2 變徑機構的比較與分析

目前常見的管道機器人變徑機構有以下幾種：彈簧支撐變徑機構、渦輪蝸桿變徑機構、剪叉升降臺變徑機構、絲桿滑塊變徑機構、自適應彈簧連桿變徑機構、平行四邊形變徑機構等[6-12]，分別如圖4a、b、c、d、e、f所示。

機器人在進行豎直管道爬行時，無動力的變徑機構不能提供穩(wěn)定的張緊力，特別是對于不同規(guī)格的管道，同一套無動力的變徑機構的效果受彈簧變形量的影響會有明顯差異，不利于工程應用。

對于輪式機器人，旋轉擺動式的變徑結構可以滿足需要;但對于履帶式的機器人，其與管道內壁為面接觸，單純的旋轉擺動變徑會履帶與管道內壁接觸不穩(wěn)定，且在直徑方向占用較大空間。所以，根據(jù)各種變徑機構的特點，結合三足履帶機器人的實際工況需求，將絲桿推動的平行四邊形變徑機構作為變徑機構的重點考慮方案，但單純由電機驅動絲桿推動滑塊而形成的平四邊形變徑機構，不具有直徑尺寸的自適應性，這樣不符合1.1和1.3中所分析的需求，因此需要對剛性的平四邊形變徑機構進行改進設計。

3 變徑結構設計

三足履帶在圓周方向上呈120°圓周分布，變徑機構的驅動結構需要布置在中心，為了節(jié)省徑向空間，通過電機驅動一根絲桿推動三個滑塊，進而驅動三個平行四邊形機構同時伸、縮。

如圖5所示，將電機、絲桿結構布置在中心。圖中，1.電機罩，2.驅動電機，3.連接筒，4.絲桿，5.尾座。

如圖6所示，在圖5的基礎上，加入導向軸、滑塊、連桿等結構進而形成變徑伸縮結構，其中：1.絲桿驅動結構，2.螺母，3.滑塊，4.導向軸，5.滑套，6.滑套安裝螺釘，7.驅動連桿，8.平行擺桿A，9.平行擺桿B，10.短銷軸，11.長銷軸，12.壓簧，13.彈簧限位塊。

一個滑塊同時連接三組平行四邊形機構，每組平行四邊形機構可帶動一個獨立履帶驅動模塊張開、收攏。當機器人需要進入不同規(guī)格管道時，可以控制絲桿轉動，將連桿機構伸展或收縮至相應的幅度，使得機器人可以順利進入管道。絲桿使用具有自鎖功能的絲桿，在螺母與滑塊之間加入勁度系數(shù)合適的壓縮彈簧，通過預設螺母的位置，在螺母的推力和連桿通過滑塊產生的反力的作用下，壓縮彈簧壓縮至適當?shù)姆龋藭r壓縮彈簧可向平行四邊形機構提供足夠的張緊力，進而使得獨立履帶驅動模塊緊密貼合在管道內壁，產生足夠的摩擦力供機器人爬升。

管道直徑因加工誤差、不圓度等產生變化時，在不改變螺母位置的前提下，連桿機構可以通過壓簧的形變來自適應;當機器人通過彎頭時，也可以通過壓簧的形變來保證機器人可以順利通過彎頭?？山Y合式（8）和（9）的計算結果，對壓縮彈簧的選型、設計提供依據(jù)。在滿足壓縮彈簧變化幅度需求的情況下，螺母與滑塊之間設置了限位塊，當壓簧被壓縮到一定程度時，滑塊被限位塊限位，以防止彈簧被過量壓縮，此時可通過絲桿將螺母適退回而將壓簧壓縮量釋放。

4 結語

1）本項目以三足履帶式管道爬行機器人為例，對其在管道中的運動進行了分析，確定了機器人結構設計需要滿足的基本條件;

2）對各類常見變徑機構的特點進行了對比與分析，結合運動分析的情況，給出一種機器人變徑結構，為機器人的整體結構設計提供了一種符合工程應用實際的基礎方案。

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