陸宇捷

（蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

1 管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案總體設(shè)計(jì)

本研究旨在通過設(shè)計(jì)一種單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有自適應(yīng)高效驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的無(wú)纜式管道機(jī)器人，該管道機(jī)器人能夠在直徑250～350 mm 的管道中自適應(yīng)管徑變化運(yùn)動(dòng)，在管道中快速通過（5～6 m/min），通過彎管時(shí)不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，牽引力不小于240 N，采用鋰電池供電，能連續(xù)工作8 h。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，提出分體式和整體式兩個(gè)總體方案。

1.1 分體式

分體式管道機(jī)器人由前后機(jī)體和中間軟軸三部分組成。前機(jī)體為驅(qū)動(dòng)模塊，通過單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，鋰電池供電，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩經(jīng)三軸差速機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)自動(dòng)分配，經(jīng)三個(gè)輸出軸輸出，通過錐齒輪轉(zhuǎn)向，經(jīng)外部直齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳給三組驅(qū)動(dòng)輪。后機(jī)體攜帶檢測(cè)設(shè)備，前后機(jī)體各有3 組周向120° 均勻分布行走支撐機(jī)構(gòu)，支撐機(jī)構(gòu)上采用被動(dòng)變徑機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)管徑的自適應(yīng)。前后體采用彈簧軟軸連接，彈簧軟軸起到碰撞緩沖、提高過彎能力的作用。前后機(jī)體靠近軟軸一側(cè)設(shè)計(jì)為球面，防止其在過彎過程中前后機(jī)體發(fā)生碰撞[1-3]，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 分體式管道機(jī)器人

1.2 整體式

整體式系統(tǒng)與分體式區(qū)別在于為整體式無(wú)中間軟軸連接，機(jī)器人由一個(gè)單元體組成，前后輪采用共同變徑方式，通過同步帶進(jìn)行連接，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 整體式管道機(jī)器人

兩種總體方案性能對(duì)比見表1。

表1 總體方案對(duì)比表

兩種方案均采用模塊化設(shè)計(jì)，具有互換性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)比，分體式在過彎性能、碰撞緩沖、控制難度、軸向尺寸、彈簧力轉(zhuǎn)換率、運(yùn)動(dòng)干涉等方面均優(yōu)于整體式，因此本研究設(shè)計(jì)采用分體式。

2 運(yùn)動(dòng)模塊

2.1 運(yùn)動(dòng)模塊方案

管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式因應(yīng)用領(lǐng)域和作業(yè)要求的不同而存在較大差異，其中應(yīng)用較為廣泛的主要有8 種形式：車型式、履帶式、支撐輪式、蠕動(dòng)式、多足式、螺旋輪式、仿生式和管道豬（PIG）[4]。它們的主要特點(diǎn)及適用場(chǎng)合見表2。

表2 八種移動(dòng)方案的比較

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人需采用單電機(jī)高效驅(qū)動(dòng),在管道中快速運(yùn)動(dòng)，且具有一定的越障能力和適應(yīng)管徑變化能力。其中，PIG 形式為流體驅(qū)動(dòng)，不滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)的要求，螺旋輪式和蠕動(dòng)式運(yùn)動(dòng)速度慢，不滿足速度要求，多足式和仿生式驅(qū)動(dòng)效率低，不滿足高效驅(qū)動(dòng)的要求。車型式和履帶式過彎容易發(fā)生傾覆，不滿足運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性要求。綜合比較，采用支撐輪式運(yùn)動(dòng)方案。

2.2 空間分布和支撐度冗余問題

對(duì)于支撐輪式管道機(jī)器人的研究有很多，但對(duì)其支撐臂空間分布與支撐度的分析卻很少，對(duì)管道機(jī)器人而言，其行走機(jī)構(gòu)的數(shù)量及空間分布對(duì)其性能有較大影響。根據(jù)空間對(duì)稱分布原則，支撐輪式機(jī)器人必要支撐度（獨(dú)立且有效的支撐量）為6。管壁獨(dú)立有效的支撐力隨支撐度增加而增加，同時(shí)減輕各支撐件的負(fù)荷，提高機(jī)器人在管壁內(nèi)行走的姿態(tài)穩(wěn)定性。如果能有效地利用每一支撐度，使每一支撐度具有驅(qū)動(dòng)能力，就能增強(qiáng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)和牽引能力。但增加支撐度可能出現(xiàn)以下問題：①通過性和越障性下降;②產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉;③結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制困難。

如圖3 所示，僅當(dāng)姿態(tài)角為45°時(shí)，所有的行走機(jī)構(gòu)均可與管壁接觸。因?yàn)闄C(jī)器人的轉(zhuǎn)彎和轉(zhuǎn)向是由差速驅(qū)動(dòng)來(lái)完成的，所以空閑的行走機(jī)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)彎和轉(zhuǎn)向不起任何作用，也會(huì)增加幾何約束。很明顯，4 組和4 組以上的行走機(jī)構(gòu)對(duì)于轉(zhuǎn)彎和轉(zhuǎn)向機(jī)器人來(lái)說幫助不大，但卻增加了問題的復(fù)雜性[5-6]。所以本研究最終確定了該機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的三個(gè)組，其周向空間的120°等間隔分布。

圖3 4 組支撐臂支撐情況

3 變徑模塊

變徑模塊作用是使機(jī)器人能夠適應(yīng)管徑變化，此外，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪和管壁的正壓力大小決定了其驅(qū)動(dòng)力大小，盡管機(jī)器人本身的重量也能起到部分驅(qū)動(dòng)輪與管壁之間的壓力作用，但這種壓力通常是有限的，所以驅(qū)動(dòng)單元在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上必須有一個(gè)預(yù)緊變徑機(jī)構(gòu)來(lái)保證其有效的驅(qū)動(dòng)。而且為保證惡劣環(huán)境下仍能承受較大的帶載能力，還需要有管徑適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，以避免管徑局部突變帶來(lái)的剛性沖擊[7]。圖4為6 種主要的變徑機(jī)構(gòu)，各自特點(diǎn)對(duì)比見表3。

圖4 6 種主要的變徑機(jī)構(gòu)示意圖

表3 6 種變徑機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

圖4 中（b）、（c）、（d）為主動(dòng)變徑方式，這種方式采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，會(huì)增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制的難度，導(dǎo)致軸向空間結(jié)構(gòu)不緊湊，且蝸輪蝸桿預(yù)緊型變徑機(jī)構(gòu)對(duì)電機(jī)性能要求高，占據(jù)空間大，升降機(jī)變徑機(jī)構(gòu)外力需求大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜?？紤]到設(shè)計(jì)要求的變徑率（變徑范圍占平均管徑的百分比）不大，為33.33%，需要提供可靠的預(yù)緊力且具備一定的越障能力，綜合比較，驅(qū)動(dòng)輪采用預(yù)緊彈簧與曲柄滑塊相結(jié)合的變徑方式，也是前4 種基本預(yù)緊型變徑機(jī)構(gòu)中唯一一種被動(dòng)調(diào)節(jié)式變徑機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，變徑范圍廣，軸向尺寸小等特點(diǎn)[8-10]。另外，由于彈簧受到一定尺寸的預(yù)緊作用，滑桿上安裝擋板螺母，用來(lái)限制滑套在滑桿上的運(yùn)動(dòng)范圍。

4 動(dòng)力模塊

電機(jī)、液壓和氣動(dòng)是三種最常見的驅(qū)動(dòng)方式。氣動(dòng)式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性差，姿態(tài)精度不高。而液壓式機(jī)器人容易漏油，影響工作穩(wěn)定和定位精度，且對(duì)液壓元件要求高，否則容易造成污染。電機(jī)驅(qū)動(dòng)因控制簡(jiǎn)單、使用方便、傳動(dòng)效率高、成本低等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域[11]，故選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方案。根據(jù)速度和牽引力要求，通過設(shè)計(jì)計(jì)算，選擇了型號(hào)為56JBX-57ZYN001J2000 的直流電機(jī)，該電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，承載能力強(qiáng)，壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便的特點(diǎn)，額定狀態(tài)下能提供341 N 的牽引力，滿足設(shè)計(jì)要求的240 N。

能源供給上，線纜式行走距離增加，線纜與管道壁面的摩擦力會(huì)增大，如果牽引力過大，就會(huì)浪費(fèi)能源，損壞機(jī)構(gòu)，牽引力不足，則原地滑行，嚴(yán)重影響檢測(cè)器工作時(shí)的最大運(yùn)行距離。此外，線纜與管道發(fā)生摩擦，引起電纜溫度升高，產(chǎn)生不安全因素。另一種是管道機(jī)器人需要的能量由其自身攜帶的電源提供。無(wú)纜式可減輕機(jī)器人的拖動(dòng)負(fù)載，使其具有足夠的負(fù)載力，可攜帶其他傳感器等檢測(cè)設(shè)備[12]。無(wú)纜供電方式中鋰電池續(xù)航能力強(qiáng)，尺寸小，攜帶方便。電機(jī)負(fù)載電流≤3.7 A，設(shè)計(jì)要求連續(xù)工作8 h，所以電池容量不小于29.6 Ah，單體鋰電池容量為2 Ah，故串聯(lián)15 片可滿足容量要求。

5 傳動(dòng)模塊

在常見7 種傳動(dòng)方式中，蝸輪蝸桿很難在變徑管道中實(shí)現(xiàn)有效傳動(dòng)；鏈傳動(dòng)一般用于平行軸和低速重載工況。帶傳動(dòng)不精確易磨損，結(jié)合機(jī)器人的技術(shù)要求和實(shí)際工作環(huán)境，選擇了傳動(dòng)穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、可實(shí)現(xiàn)空間復(fù)雜傳動(dòng)、傳動(dòng)效率高、精度高的齒輪傳動(dòng)。其中，機(jī)器人內(nèi)部采用三軸差速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其由三個(gè)差速器與一個(gè)分動(dòng)器組成，具有一路輸入三路輸出的功能，其傳動(dòng)原理圖如圖5（a）所示[13]，外部采用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將三軸差速單元輸出的動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，其原理圖如圖5（b）所示。

圖5 傳動(dòng)原理圖

6 連接模塊

許多管道機(jī)器人都加入了導(dǎo)向裝置，期望能借導(dǎo)向頭的導(dǎo)向能力，使機(jī)器人具有自主轉(zhuǎn)向的能力。但是，結(jié)果表明這種導(dǎo)向頭裝置不但效果不佳，還增加了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和控制難度[14-15]。所以本研究取消了傳統(tǒng)管道機(jī)器人前體的導(dǎo)向裝置，通過采用軟軸連接機(jī)構(gòu)提高機(jī)器人的過彎性能。

6.1 連接機(jī)構(gòu)方案

軟軸作用：①三軸差速機(jī)構(gòu)雖然能滿足一定范圍內(nèi)的彎管通過能力需求，但由于受到支撐強(qiáng)度和機(jī)體姿態(tài)平衡的限制，需要通過軟軸協(xié)助提高過彎性能；②避免與管道中障礙物的剛性碰撞，也是機(jī)器人的一項(xiàng)性能要求。采用軟軸使前機(jī)體具有在任何狀態(tài)下可反向運(yùn)動(dòng)的特性，以避免損壞機(jī)器人器件。

柔性連接單元主要有3 種：柔性桿，柱形彈簧，萬(wàn)向節(jié)。柔性桿可壓縮性差，一般萬(wàn)向節(jié)在一定范圍內(nèi)有一定角度限制，故選用柱形彈簧作為前后機(jī)身的連接件。并加裝了與螺旋彈簧直徑相匹配的外螺紋連接頭，使螺旋彈簧的傳動(dòng)單元和檢測(cè)單元具有良好的連接性能。彈簧軟軸與兩個(gè)單體之間的連接如圖6 所示。

圖6 彈簧軟軸連接結(jié)構(gòu)圖

彈簧軟軸在設(shè)計(jì)上應(yīng)滿足以下準(zhǔn)則：①需滿足機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)的要求，軸向剛度要大；②在滿足過彎要求的前提下，盡可能選用具有較小的彎曲剛度的彈性材料；③應(yīng)選用較大的彈簧內(nèi)徑，以避免機(jī)器人發(fā)生失效。根據(jù)參考文獻(xiàn)，彈簧選用公稱直徑16 mm，中徑14 mm，常規(guī)易壓縮量為8 mm，工作圈數(shù)5，螺距4 mm，材料為合金，符合性能要求。

7 檢測(cè)模塊

管道機(jī)器人的作用是探測(cè)管道內(nèi)壁的缺陷和破損，其主要是通過數(shù)據(jù)或圖像來(lái)反映管道內(nèi)壁的狀況，常用的檢測(cè)方法有CCD 視頻探測(cè)，超聲檢測(cè)，射線檢測(cè)，漏磁檢測(cè)等。漏磁檢測(cè)的效果受管道缺陷的形狀與尺寸影響較大，超聲檢測(cè)不能獲得缺陷的直觀圖像，檢驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜，射線檢測(cè)成本高，速度慢，對(duì)人體有損害。該機(jī)器人用于工業(yè)管道檢測(cè)，管線較長(zhǎng)，期望能夠?qū)崟r(shí)、快速地完成檢測(cè)，故選擇了CCD 圖像采集檢測(cè)作為本管道機(jī)器人的檢測(cè)方式，其具有全色視頻圖像輸出，可實(shí)時(shí)觀察，設(shè)備簡(jiǎn)單，速度快的優(yōu)點(diǎn)。通訊方式上主要有數(shù)據(jù)壓縮式、纜線傳輸式和無(wú)線通信傳輸式，其中數(shù)據(jù)壓縮式無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，纜線式工作距離受限，故本研究采用WiFi 無(wú)線通信方式，同時(shí)在管道口處安裝WiFi 中繼器對(duì)WiFi 信號(hào)進(jìn)行放大，延長(zhǎng)機(jī)器人數(shù)據(jù)通信距離[16-23]。

8 結(jié)論

通過分析傳統(tǒng)管道機(jī)器人存在的問題，設(shè)計(jì)了一種具有自適應(yīng)能力的新型管道機(jī)器人。采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，提出了總體方案。對(duì)各模塊進(jìn)行了分析與研究，針對(duì)8 種運(yùn)動(dòng)方式的主要特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行對(duì)比分析，選定了支撐輪式的移動(dòng)方案，并分析了支撐臂空間分布和支撐度冗余問題。通過分析不同變徑機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，選定了曲柄滑塊式彈簧變徑作為驅(qū)動(dòng)輪變徑方式。驅(qū)動(dòng)方式上采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，鋰電池供電的方案。針對(duì)4 種傳動(dòng)方式進(jìn)行了比較與分析，管道機(jī)器人內(nèi)部采用三軸差速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過外部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳到驅(qū)動(dòng)輪上；針對(duì)3種連接機(jī)構(gòu)方案進(jìn)行了分析比較，選定彈簧軟軸作為連接機(jī)構(gòu)，并分析了其設(shè)計(jì)要求。通過對(duì)四種檢測(cè)方法的對(duì)比分析，選定CCD 圖像采集檢測(cè)方式，通過對(duì)3 種通訊方式進(jìn)行分析比較，選定Wifi 無(wú)線通信方式。