楊彩霞，黎建軍，許曉東

（中國計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州 310018）

油氣管道是運(yùn)輸石油、天然氣的重要途徑，由于介質(zhì)的特殊性，對油氣管道的安全性提出了較高的要求。隨著管道使用年限的增加，因管道裂縫、腐蝕或人為破壞等原因造成石油、天然氣泄漏而引發(fā)的事故危害極大，嚴(yán)重危害人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全。由于地下空間情況非常復(fù)雜，天然氣管道、石油管道、電力管道、自來水管、電纜、通訊管線等數(shù)量繁多，造成地下空間擁擠，各類管線鋪設(shè)錯(cuò)綜復(fù)雜，如果不清楚地下管線的分布情況，后續(xù)的施工會(huì)破壞原先的管道，其中，天然氣管道一旦被破壞，輕則漏氣，重則發(fā)生爆炸造成人員傷亡，后果不堪設(shè)想。

本文主要對管道機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制研究，使其作為載體攜帶相關(guān)檢測裝置進(jìn)行位置檢測，以備工程施工作為數(shù)據(jù)參考，避免對管道的損傷和破壞。管道機(jī)器人現(xiàn)有的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式大致分為輪式、履帶式、蠕動(dòng)式、螺旋式等；還有多足行走式、蛇形機(jī)器人等，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大或者不能攜帶檢測裝置等缺點(diǎn)，應(yīng)用范圍較小。通過以上的對比分析，我們選擇輪式作為本研究油氣管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，下面將針對輪式管道機(jī)器人的變徑機(jī)構(gòu)進(jìn)行對比分析。

1 管道機(jī)器人工作原理與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

支撐式自適應(yīng)結(jié)構(gòu)主要由變徑機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩大部分組成，其中變徑機(jī)構(gòu)沿管道徑向做伸縮運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使得機(jī)器人沿管道軸向做前進(jìn)后退運(yùn)動(dòng)。如圖1.2 所示為支撐式自適應(yīng)結(jié)構(gòu)原理圖（如圖1）。

支撐式自適應(yīng)管道機(jī)器人系統(tǒng)工作原理如下：

（1）機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)采用剛性和柔性調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)變徑功能。其中，剛性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)1、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2、螺母4、連桿機(jī)構(gòu)5、正反牙絲杠6 組成，柔性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由壓縮彈簧3 組成。剛性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和柔性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)分別代表主動(dòng)調(diào)節(jié)以及被動(dòng)調(diào)節(jié)兩種方式。當(dāng)機(jī)器人在行走過程中遇到障礙物引起沖擊載荷時(shí)，彈簧起緩沖作用并實(shí)現(xiàn)微小變徑。

（2）機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)7、差速機(jī)構(gòu)8、齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)10、帶傳動(dòng)11 構(gòu)成。其中，差速機(jī)構(gòu)原理如圖2，關(guān)于差速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，我們借鑒汽車差速器原理，并結(jié)合整體結(jié)構(gòu)在管道空間的周向支撐式特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適合該結(jié)構(gòu)的差速機(jī)構(gòu)，并通過一系列傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞到位于下方120 度分布的行進(jìn)輪，下面分析差速機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳遞過程。該差速機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸入是由電機(jī)經(jīng)直齒輪1 傳遞給直齒輪2，與直齒輪2 相連的支撐架實(shí)際上相當(dāng)于行星架，當(dāng)機(jī)器人在直管道運(yùn)行時(shí)，行進(jìn)輪12 轉(zhuǎn)速相等，此時(shí)，齒輪2、3、4、5 可視為整體，當(dāng)機(jī)器人在彎管中行走時(shí)，行進(jìn)輪速度不相等，齒輪3 相當(dāng)于行星齒輪，除繞本身軸線自轉(zhuǎn)外，同時(shí)，繞齒輪4 所在的軸線公轉(zhuǎn)，齒輪4 與齒輪5 發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，齒輪6 與齒輪8 獲得不同的速度，并將動(dòng)力傳遞到下一級。

假設(shè)輸入轉(zhuǎn)速為n1，可求得差速機(jī)構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)速n2為：

根據(jù)以上所述差速機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)得到：

其中：

因此得到：

同時(shí)，由圖2 得到：

因此得到：

式 中：z1、z2為 直 齒 輪1、2 的 齒 數(shù)，z4、z5、z6、z7、z8、z9分別為錐齒輪4、5、6、7、8、9 的齒數(shù)。傳遞至齒輪7 和齒輪9 的動(dòng)力，再由齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)行進(jìn)輪。

控制系統(tǒng)9 完成對變徑機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制任務(wù)，分別控制兩大機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)元件，即步進(jìn)電機(jī)1 和直流電機(jī)7。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的變徑功能，在行進(jìn)輪與軸之間安裝壓力傳感器，當(dāng)壓力傳感器的值大于或小于某一范圍時(shí)，將信息反饋至控制系統(tǒng)，控制直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的變徑功能。需要說明的是，由于管道的特殊性，機(jī)器人除了本身的前進(jìn)和伸縮自由度外，不可避免地會(huì)沿著管道周向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，引起機(jī)器人姿態(tài)角的變化。

1.3 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

管道機(jī)器人模型如圖3 所示，其中鈑金件7 起支撐和定位作用，變徑機(jī)構(gòu)中的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由中心齒輪1 和呈120度周向均勻分布的三個(gè)變徑周向齒輪3 組成，通過前定位板4 定位，其中，中心齒輪1 共兩個(gè)，其一傳動(dòng)變徑周向齒輪3，另一個(gè)與同步傳動(dòng)齒輪2 嚙合，兩組齒輪傳動(dòng)比相同，變徑周向齒輪3 和同步傳動(dòng)齒輪2 分別與雙旋向絲杠連接，雙旋向絲杠由中間分別至兩端固定塊處螺紋旋向相反。與變徑周向齒輪3 連接的雙旋向絲杠上的固定塊至前后定位板4、8處絲杠為光滑面，與絲杠平行的定向軸6 約束微調(diào)滑塊5 和螺母的旋轉(zhuǎn)自由度，使其隨著絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)而平動(dòng)，固定塊對微調(diào)滑塊5 起限位作用，微調(diào)滑塊5 與后定位板8 之間安裝壓縮彈簧。同步傳動(dòng)齒輪2 傳動(dòng)的雙旋向絲杠與鈑金件7 通過螺母連接，保證了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與變徑過程中螺母運(yùn)動(dòng)的同步性；差速機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞至錐齒輪，直齒輪，并通過蝸輪蝸桿將動(dòng)力傳遞至下方兩組120 分布的行進(jìn)機(jī)構(gòu)，最終通過帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給行進(jìn)輪。

圖3 機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

2 油氣管道機(jī)器人仿真分析

為縮短開發(fā)周期、降低成本，在制造實(shí)物樣機(jī)之前，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行分析評估。ADAMS（Autom atic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）虛擬樣機(jī)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)軟件建立機(jī)械系統(tǒng)的三維模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得到各部件的運(yùn)動(dòng)情況以及相關(guān)零件的受力情況，從而對機(jī)器人模型進(jìn)行修改、不斷改進(jìn)系統(tǒng)，獲得最佳的設(shè)計(jì)方案，再制造物理樣機(jī)。

2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真分析

本文中行進(jìn)輪半徑為50.75mm。至此，可以根據(jù)行進(jìn)輪的最小速度要求，推算出電機(jī)的最小輸出轉(zhuǎn)速。

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中機(jī)器人的行進(jìn)速度不小于1m/min，因此可以得到行進(jìn)輪所需的最小轉(zhuǎn)速：

由于各級傳動(dòng)比分別為4:3、1:1、7:10 和1:30，則電機(jī)的最小輸出速度如下:

根據(jù)式（3-2）的計(jì)算結(jié)果，電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速至少為87.8r/min，我們選擇添加驅(qū)動(dòng)Motion 的轉(zhuǎn)速大小設(shè)置為100r/min，即600°/s。得到機(jī)器人行進(jìn)輪的輸出轉(zhuǎn)速，如圖4 所示。

圖5 質(zhì)心運(yùn)動(dòng)位移 速度曲線

其中，曲線1 ～4 所示的是由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的四個(gè)具有主動(dòng)行走能力的行進(jìn)輪，角速度大約為22.5°/s，與最上方兩個(gè)輪無自主行走能力，由曲線5 ～6 表示，波動(dòng)較大。但基本也維持在與其他輪速相等的狀態(tài)。

2.2 模擬管內(nèi)運(yùn)行

設(shè)管道機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為100r/min，鑒于管道長度的限制，仿真時(shí)間不能太長，否則，機(jī)器人走過的位移以及超出管道范圍。此處仿真時(shí)間設(shè)置為8s，步數(shù)50，將前擋板的中心位移視為整個(gè)管道機(jī)器人的位移，隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5 所示。

曲線圖中，左側(cè)縱坐標(biāo)表示機(jī)器人的位置，右側(cè)縱坐標(biāo)表示機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度。由曲線可以看出機(jī)器人在8s 內(nèi)位移量大約150mm，平均速度在18 ～20mm/s 內(nèi)波動(dòng)，即1.08～1.2m/min，基本維持穩(wěn)定。也可結(jié)合圖3.3 的仿真結(jié)果，角速度為22.5°/s，可以計(jì)算出行進(jìn)輪的前進(jìn)速度為：

與圖3.4 仿真結(jié)果近似，且滿足速度要求：

2.3 牽引力仿真測試

通過仿真來測試管道機(jī)器人的牽引力，由于無法直接測量牽引力，因此彈簧力來測量。具體方法如下：

（1）新建MARKER 點(diǎn)，選擇在管道上建立一點(diǎn)，為了方便，我們將該點(diǎn)的位置放置在管道中心線的末端；

（2）新建彈簧，選擇彈簧的彈性系數(shù)K=5N/mm，選擇新建點(diǎn)與機(jī)器人后定位板的中心點(diǎn)作為彈簧兩端的連接點(diǎn)；

（3）點(diǎn)擊仿真按鈕，并測量彈簧力，如果彈簧力隨著機(jī)器人在管內(nèi)的前進(jìn)而增大，并且還沒有達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)，則將仿真時(shí)間延長，直至輸出的力曲線為平穩(wěn)狀態(tài)。經(jīng)過多次仿真試驗(yàn)，選擇仿真時(shí)間為20s。如圖6 所示。

圖6 牽引力測試曲線

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，管道機(jī)器人在管內(nèi)運(yùn)行約0 ～4s，機(jī)器人保持前進(jìn)狀態(tài)，且彈簧力也在增大，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間大于4s 后，機(jī)器人的位移基本保持不變，彈簧力也維持在基本穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)，趨于穩(wěn)定狀態(tài)下的彈簧力即為所測得的機(jī)器人最大牽引力，大小為109N。

3 結(jié)語

本文的主要研究內(nèi)容包括：對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與選擇，對比分析了支撐式可變徑獨(dú)立控制機(jī)構(gòu)、車載升降式機(jī)構(gòu)以及支撐式自適應(yīng)管徑機(jī)構(gòu)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，確定支撐式自適應(yīng)管徑機(jī)構(gòu)作為最終的結(jié)構(gòu)方案，并對其做了進(jìn)一步的分析；結(jié)合管道的特點(diǎn)對機(jī)器人在管內(nèi)空間的姿態(tài)偏轉(zhuǎn)問題進(jìn)行分析，并依次建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，靜力學(xué)模型，分析了機(jī)器人行進(jìn)輪的速度。根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對機(jī)器人的變徑機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，優(yōu)化了變徑機(jī)構(gòu)的尺寸，并通過ADAMS 仿真得到機(jī)器人在直徑為φ600～φ700mm 時(shí)各個(gè)量的變化情況，模擬了管道機(jī)器人受到?jīng)_擊載荷時(shí)對機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)受到的最大水平推力的影響，為控制系統(tǒng)中電機(jī)的選型提供了理論依據(jù)；此外，建立了機(jī)器人管內(nèi)運(yùn)動(dòng)的模型，通過仿真得到機(jī)器人各個(gè)行進(jìn)輪輸出的速度曲線、機(jī)器人整體位移曲線和平均速度曲線、機(jī)器人的牽引力曲線，得到機(jī)器人的行進(jìn)速度大約為1.196m/min，牽引力約109N。