李 琴，賀一烜，黃志強(qiáng)，李崇磊

（西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500）

0 引言

管道運(yùn)輸作為全球五大運(yùn)輸方式之一，廣泛應(yīng)用于石油與天然氣等工業(yè)領(lǐng)域。為了防止油氣管道發(fā)生泄漏，提高管道的使用壽命，必須對(duì)管道進(jìn)行定期的檢查和維護(hù)，但油氣管道所處的環(huán)境往往是人們不容易或者不能直接接觸和管理控制的。所以為了保障一線工作人員的安全和油氣管道的檢測(cè)效率，管道機(jī)器人因此而生。

管道機(jī)器人一種是集驅(qū)動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)以及信號(hào)處理技術(shù)與一體的智能化機(jī)電裝置[1]。由于油氣管道運(yùn)輸距離較長(zhǎng)，管道內(nèi)部的空間大小有限，隨著油氣的流動(dòng)內(nèi)部的壓力不穩(wěn)定等因素，對(duì)管道機(jī)器人的環(huán)境的適應(yīng)性、自身的穩(wěn)定性、能源方面的供給等驅(qū)動(dòng)特性提出了較高的要求，這些特性也是當(dāng)前管道機(jī)器人相關(guān)研究的熱點(diǎn)[2]。歐洲美國對(duì)管道機(jī)器人的研究起步時(shí)間相對(duì)較早，研究資料齊全，伴隨著電子技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，歐美研究的管道機(jī)器人已將達(dá)到了可以實(shí)際應(yīng)用的水平[3]。而相比之下，國內(nèi)的管道機(jī)器人研究雖然起步較晚，但是也在這方面投入了大量的人力和物力，取得了不錯(cuò)的成果，目前國內(nèi)管道機(jī)器人研究多為實(shí)驗(yàn)室階段，無法應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[4]。曹建樹等[5]設(shè)計(jì)了一種支撐式管道機(jī)器人，并對(duì)管道機(jī)器人的變徑機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了變徑機(jī)構(gòu)優(yōu)化的可行性[6]。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種針對(duì)礦業(yè)管道的負(fù)載較強(qiáng)的可變徑管道機(jī)器人。在此基礎(chǔ)上，青島大學(xué)張繼忠教授[8]等設(shè)計(jì)了一種具有較好越障性能的管道機(jī)器人。劉清友等[9]設(shè)計(jì)的螺旋式管道機(jī)器人具備通過垂直方向上的管道的能力和優(yōu)秀的負(fù)載能力，且具有更高的對(duì)管道的檢測(cè)精度?，F(xiàn)階段，管道機(jī)器人仍存在變徑機(jī)構(gòu)種類較少[10]，難以通過垂直方向上的管道[11]等問題。

因此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)有變徑機(jī)構(gòu)的輪式管道機(jī)器人，并對(duì)其在垂直管道內(nèi)的狀態(tài)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，對(duì)變徑機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，在增大變徑機(jī)構(gòu)適應(yīng)的管徑范圍基礎(chǔ)上，使機(jī)器人可以在垂直方向上的管道內(nèi)移動(dòng)，為管道機(jī)器人的物理樣機(jī)的制作奠定了基礎(chǔ)。

1 管道機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人組成

該管道機(jī)器人的機(jī)械部分主要由變徑機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)兩部分組成。變徑機(jī)構(gòu)主要由曲柄、滑塊、輔助桿、彈簧軸、基板、彈簧等零部件組成。行走機(jī)構(gòu)主要由輪子和輪子的支架組成。

1.2 機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)

變徑機(jī)構(gòu)主要參考了平行四桿機(jī)構(gòu)，位于機(jī)器人軸心上的液壓缸和長(zhǎng)軸上的彈簧通過滑塊推動(dòng)連桿，再由輔助桿帶動(dòng)曲柄來改變曲柄的水平方向的角度，使機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)緊貼在管道內(nèi)壁上，平行四桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)可以使處于軸向的液壓缸的推力和彈簧壓縮時(shí)的推力通過平行四桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為徑向的對(duì)管道內(nèi)壁的支撐力，因此此機(jī)構(gòu)更適合作變徑機(jī)構(gòu)。

1.3 機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)主要由輪子和輪子支架組成，行走機(jī)構(gòu)的輪子均為從動(dòng)輪，主要通過位于機(jī)器人軸心的液壓缸提供動(dòng)力，帶動(dòng)輪子使機(jī)器人移動(dòng)。行走機(jī)構(gòu)的輪子在一個(gè)輪基板上裝配有兩個(gè)，三個(gè)輪基板呈120°分布在徑向圓周范圍內(nèi)?？紤]到行走機(jī)構(gòu)所占的空間，該管道機(jī)器人可以適應(yīng)管道內(nèi)徑在385mm～405mm范圍之內(nèi)的不同管徑的管道。

1.4 機(jī)器人工作原理

當(dāng)該機(jī)器人在管道中時(shí)，三個(gè)彈簧軸上的壓縮的彈簧會(huì)推動(dòng)滑塊從而使輔助桿帶動(dòng)輪子緊貼在管道內(nèi)壁。機(jī)器人主要靠液壓缸推動(dòng)的力實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)，在機(jī)器人移動(dòng)時(shí)，位于機(jī)器人中心的液壓缸會(huì)提供一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向同向的力，這個(gè)推力使行走機(jī)構(gòu)的輪子向前移動(dòng)。當(dāng)該管道機(jī)器人在垂直方向的管道內(nèi)移動(dòng)時(shí)，其變徑機(jī)構(gòu)可以提供足夠大的對(duì)管道內(nèi)壁的壓力，使機(jī)器人的摩擦力在管徑適應(yīng)范圍內(nèi)不會(huì)因其自身重力而在管道內(nèi)下滑或者無法爬上垂直方向的管道，而液壓缸可以提供足夠大的驅(qū)動(dòng)力來克服機(jī)器人在緊靠垂直方向上的管道所受到的重力、摩擦力等各種阻力[12]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人在垂直方向的管道內(nèi)壁上的上升或者下降。

通過三維制圖軟件Autodesk Inventor構(gòu)建出該管道機(jī)器人的三維模型，如圖1所示，用以后續(xù)的對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的分析和研究。

圖1 管道機(jī)器人

2 管道機(jī)器人在垂直管道時(shí)受力分析

管道機(jī)器人在垂直方向上的管道運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人的輪子因?qū)艿纼?nèi)壁的壓力而產(chǎn)生的靜摩擦力應(yīng)當(dāng)?shù)扔诠艿罊C(jī)器人自身的重力，使機(jī)器人可以在動(dòng)力部分不提供動(dòng)力時(shí)停留在管道內(nèi)壁上。在機(jī)器人對(duì)管道內(nèi)壁產(chǎn)生的靜摩擦力剛好等于重力時(shí)，可以視為靜力學(xué)平衡的一種臨界狀態(tài)。機(jī)器人在進(jìn)入管道時(shí)變徑機(jī)構(gòu)的彈簧處于壓縮狀態(tài)，彈簧會(huì)使基板對(duì)管道內(nèi)壁有較大的壓力，當(dāng)機(jī)器人在變徑機(jī)構(gòu)的適應(yīng)范圍的最大管徑405mm時(shí)，壓緊的彈簧會(huì)舒張一部分，但彈簧仍處于壓縮狀態(tài)，對(duì)管道內(nèi)壁依舊具有壓力，此時(shí)變徑機(jī)構(gòu)對(duì)管道內(nèi)壁的壓力為變徑范圍內(nèi)的最小壓力。為了使機(jī)器人可以在垂直方向的管道內(nèi)移動(dòng)，需要對(duì)機(jī)器人在405mm管徑的垂直管道內(nèi)壁停留時(shí)的這一狀態(tài)進(jìn)行靜力學(xué)分析，并建立出靜力學(xué)平衡方程，求出機(jī)器人在變徑機(jī)構(gòu)可以適應(yīng)的管徑范圍內(nèi)對(duì)管道內(nèi)壁的壓力和機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，從而確定機(jī)器人在這一狀態(tài)下所需要對(duì)管道內(nèi)壁提供的最小壓力。

如圖2所示，當(dāng)管道機(jī)器人處于在垂直管道內(nèi)停留的狀態(tài)時(shí)，管道機(jī)器人受到自身的重力G，變徑機(jī)構(gòu)的平行四桿部分對(duì)兩個(gè)輪子提供兩個(gè)壓力FN1和FN2，管道內(nèi)壁對(duì)兩個(gè)輪子提供的壓力N1和N2，以及管道內(nèi)壁和兩個(gè)輪子之間摩擦力Ff1和Ff2。同時(shí)，管道內(nèi)壁同輪之間附著系數(shù)為μ。圖2中其余的機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)含義：R為機(jī)器人的輪子半徑；L為兩個(gè)輪子之間的圓心距；h0為在變徑范圍最大值405mm時(shí)輪子的圓心到機(jī)器人重心延長(zhǎng)線上的垂直最短距離。

根據(jù)三維制圖軟件Autodesk Inventor中查看模型物理特性的功能，得出管道機(jī)器人的體積V=1.84dm3，選用鋁合金作為機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料，密度為，得出機(jī)器人重力G=50N。

圖2 機(jī)器人豎直管道內(nèi)停留時(shí)臨界狀態(tài)受力分析圖

由圖2的受力分析圖可以得出機(jī)器人在此狀態(tài)時(shí)的靜力學(xué)平衡方程組(1)：

機(jī)器人在如圖2所示的狀態(tài)時(shí)，其輪子受到來自管道內(nèi)壁的壓力N1和N2，以及來自變徑機(jī)構(gòu)支撐板的壓力FN1和FN2，對(duì)這一局部的范圍進(jìn)行受力分析，可以得出FN1和N1對(duì)另一輪子的圓心的力矩大小相等、方向相反，F(xiàn)N2和N2對(duì)另一輪子的圓心的力矩大小相等、方向相反，考慮到這兩組力的力臂都是圓心距L，所以根據(jù)靜力學(xué)平衡方程組(1)可以得出FN1=N1、FN2=N2。由此可以將方程組(1)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得出靜力學(xué)平衡方程組(2)：

由靜力學(xué)平衡方程組(2)，可以得出（FN1+FN2）的表達(dá)式(3)：

根據(jù)表達(dá)式(3)，將管道機(jī)器人的重力的大小G=50N、兩個(gè)輪子之間的圓心距L=197.03mm、管道內(nèi)壁和輪子之間的附著系數(shù)μ=0.5[8]、輪子的半徑R=28mm、在變徑范圍的最大值405mm時(shí)輪子的圓心到機(jī)器人重心延長(zhǎng)線上的垂直距離h0=174.5mm等機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)代入到表達(dá)式中，可得出（FN1+FN2）的最小值為207.73N。

通過對(duì)管道機(jī)器人在垂直管道內(nèi)壁停留時(shí)的臨界狀態(tài)靜力學(xué)分析可知，當(dāng)管道機(jī)器人在變徑范圍的最大值405mm時(shí)，為機(jī)器人所需要提供的對(duì)管道內(nèi)壁的壓力的最小值。在這一極限狀態(tài)下，機(jī)器人一個(gè)方向的基板需要提供的正壓力為207.73N，那么三個(gè)徑向均布的基板所需要對(duì)管道內(nèi)壁提供的正壓力為單一方向的基板對(duì)管道內(nèi)壁的正壓力的三倍，所以FN=3(FN1+FN2)=623.19N。通過對(duì)管道機(jī)器人在垂直管道的臨界狀態(tài)的分析，可以為后續(xù)對(duì)機(jī)器人物理樣機(jī)的制作及變徑機(jī)構(gòu)的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

3 變徑機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真及分析

在通過制圖軟件Autodesk Inventor建立出管道機(jī)器人的三維模型后，導(dǎo)入ADAMS中，給模型加以轉(zhuǎn)動(dòng)副、固定副、移動(dòng)副等約束，利用ADAMS對(duì)管道機(jī)器人的變徑機(jī)構(gòu)的模型進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，如圖3所示。

圖3 變徑機(jī)構(gòu)仿真模型

根據(jù)變徑機(jī)構(gòu)在變徑范圍的最大值對(duì)管道內(nèi)壁的壓力207.73N，將數(shù)值帶入到ADAMS的仿真模型中構(gòu)建靜態(tài)平衡，分析得出變徑機(jī)構(gòu)中心處三個(gè)移動(dòng)副的受力大小為1230N，如圖4所示。

圖4 變徑機(jī)構(gòu)移動(dòng)副受力變化

移動(dòng)副主要由彈簧推動(dòng)滑塊實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，所以移動(dòng)副處所受的力可以視為彈簧需要施加的力。要驗(yàn)證每個(gè)彈簧軸上的彈簧在提供1230N的彈力時(shí)，管道機(jī)器人的變徑機(jī)構(gòu)對(duì)管道內(nèi)壁的壓力滿足最小值207.73N，且要觀察變徑機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)在受力的瞬間的受力和轉(zhuǎn)矩變化情況，因此制圖5～圖10。

主動(dòng)曲柄和輔助桿之間的合力的變化、從動(dòng)曲柄和基板之間合力的變化、主動(dòng)曲柄和基板之間合力的變化如圖5～圖7所示。

圖5 主動(dòng)曲柄和輔助桿之間合力的變化

圖6 從動(dòng)曲柄和基板之間合力的變化

圖7 主動(dòng)曲柄和基板之間合力的變化

當(dāng)每個(gè)彈簧軸所提供的軸向力均為1230N時(shí)，主動(dòng)曲柄和基板之間的在豎直方向的分力的最小值為211.6301N，如圖8所示。

圖8 主動(dòng)曲柄和基板之間在豎直方向上力的變化

變徑機(jī)構(gòu)的主動(dòng)曲柄和輔助桿之間的合力矩變化、輔助桿和滑塊之間的合力和轉(zhuǎn)矩的變化如圖9～圖10所示。

圖9 主動(dòng)曲柄和輔助桿之間的合力矩的變化

圖10 輔助桿和滑塊之間的合力和轉(zhuǎn)矩的變化

結(jié)語：運(yùn)用ADAMS對(duì)管道機(jī)器人的變徑機(jī)構(gòu)的分析，得到了變徑機(jī)構(gòu)的主要轉(zhuǎn)動(dòng)副的力的變化情況，也由變徑機(jī)構(gòu)的主要轉(zhuǎn)動(dòng)副的力的變化情況可知，當(dāng)每個(gè)彈簧軸上的彈簧所提供的軸向力為1230N時(shí)，主動(dòng)曲柄和基板之間在垂直方向的分力的大小為211.6301N，滿足一個(gè)方向上的輪子在垂直管道時(shí)對(duì)管道內(nèi)壁壓力的最小值207.73N，同時(shí)主動(dòng)曲柄和輔助桿之間以及輔助桿和滑塊之間的合力變化較大，且又均存在合力矩，因此這兩個(gè)連接處可以視為機(jī)構(gòu)上的危險(xiǎn)點(diǎn)，這些為后續(xù)的管道機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)上的彈簧的設(shè)計(jì)和物理樣機(jī)的制作奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

1）設(shè)計(jì)了一種具有變徑機(jī)構(gòu)的輪式油氣管道機(jī)器人，變徑范圍為385mm～405mm，并對(duì)機(jī)器人在變徑機(jī)構(gòu)的最大適應(yīng)范圍405mm時(shí)在垂直管道中對(duì)管道內(nèi)壁的最小壓力值這一臨界狀態(tài)進(jìn)行了靜力學(xué)力分析，得出了最小壓力值的大小207.73N。

2）結(jié)合了Autodesk Inventor的三維設(shè)計(jì)和ADAMS的動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證了對(duì)管道內(nèi)壁的壓力211.6301N滿足最小壓力值207.73N和機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)上的單個(gè)彈簧在此時(shí)需要提供的彈力1230N，滿足機(jī)器人在垂直管道中移動(dòng)的要求，為樣機(jī)制作提供了理論依據(jù)。