关于机械自适应中管道机器人的机构原理与驱动技术分析

吴　落（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心,广州　510530）

关于机械自适应中管道机器人的机构原理与驱动技术分析

吴落
（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心,广州510530）

摘要：管道作为输送物料的工具已在军事装备、天然气、石油以及核工业等领域中得到广泛的应用。管道在运作的过程中因物料摩擦、压力等因素的影响，常出现泄露和管道寿命短的情况。对管道的及时检测与维修至关重要，管道机器人作为管道维护的有效工具，在维修手段、检测以及故障等方面具有高效性和准确性，其已广泛地应用于管道的焊接、维修、检测以及探伤等方面。本文介绍分析了机械自适应中管道机器人的机构原理，并且进一步分析了机械自适应中管道机器人的驱动技术。

关键词：自适应；管道机器人；机构原理；驱动技术

通过理论和实践两个层面对机械自适应中管道机器人的机构原理与驱动技术进行分析研究，可以更好地解决管道机器人在不规则管道或者弯管运行过程当中被干涉等问题，提高管道机器人对管道环境的适应性进而提高工作效率，从而进一步推动机械自适应管道机器人在军事、天然气、石油等行业和领域中的应用与推广，而且在一定程度上还能够促进机械自适应管道机器人在其他领域的应用与推广。

1　机械自适应中管道机器人的机构原理分析

多电机独立驱动与单电机驱动是传统的直进轮式管道机器人驱动的主要方式，为了克服多电机独立驱动稳定性差和实时性差以及单电机驱动传动性差、工作效率低以及磨损严重等缺点，科研人员研发出机械自适应型管道机器人。机械自适应型管道机器人现阶段普遍采用的是直进轮式管道机器人的单电机驱动，这种驱动系统是由预紧变径、中央差速、行走以及控制四个单元组成。经过改进之后该驱动系统具有很强的管道自适应能力，工作效率也比较高。

通过离合器将动力从电机输出，在控制单元的操作下将动力传递到中央差速单元以及预紧变径单元；在管道环境符合一定的条件下，中央差速单元能够实现差速分配的自动化，通过行走单元将动力传递到驱动轮。在动力的传递过程当中，机械自适应型管道机器人会出现向后或者向前移动的现象，这种现象的出现在于：压力传感器位于驱动系统的预紧变径单元，该传感器会为控制单元提供准确高效地预紧力测量信息，系统根据压力传感器所提供的预紧力数值自动辨别该数值是否满足设定的预紧力要求，如果不符合预设的要求欧，控制单元的离合器会选择预紧变径单元作为传递动力的方向，直到预紧力的测量数值满足驱动系统所需的要求为止。

相比于传统的管道机器人，机械自适应型管道机器人凭借其科学的机构原理，运用机械化的方法，较好地解决了管道机器人在遇到不规则管道或弯管所面临的运动干涉的难题，在实际的操作过程中机械自适应型管道机器人具有很强的自适应能力。同时，双排轮和圆周三点的支撑方式，为机械自适应型管道机器人超越障碍能力以及负载能力的提高创造了很好地条件；沿轴对称、均匀分布的前后支撑轮，能够达到自定心以及形成封闭的条件，还能够增强行走轮的适应性和稳定性。

机械自适应管道机器人在设计的时候通过运用几何约束来实现其顺利越过弯道内的障碍；通过研究和实践，运用机械化的方法以及三轴差速等理念通过设置中央差速单元有效地解决了传统管道机器人在操作中遇到的问题。其次，机械自适应型管道机器人的预紧变径单元主要是由丝杠螺母、升降机、蜗轮蜗杆以及弹簧等部件组成，很好地实现了机械自适应型管道机器人的预紧变径能力；通过将三个平行四边形组合在一起，以圆周的方式将其均匀分布，实现了机械自适应型管道机器人的行走越障和欠主动驱动。

2　机械自适应中管道机器人的驱动技术分析

为了保证管内移动机器人对管道环境具有良好的适应性，国内外学者研制了不同结构形式的差动驱动式管道机器人。现阶段机械自适应型管道机器人已经凭借其很高的工作效率和超强的适应能力，投入使用到许多行业和领域的管道的创口焊接和维修当中，对于泄露事故的防范以及管道寿命的延长都起到一定的效果。提出了一种新型差动式管道机器人——机械自适应型管道机器人,其驱动单元是由三轴差速式驱动模块与弹性全主动轮腿式管径适应模块组成。

在机械自适应型管道机器人的驱动设计方面，科研人员把“弹性全主动轮腿式管径适应模块”和“三轴差速式驱动模块”组成驱动单元，不论是在直管阶段，还是在弯管阶段以及不规则管道阶段，“弹性全主动轮腿式管径适应模块”和“三轴差速式驱动模块”都可以不同程度的防止寄生功率的产生，并能够保证在悬空状态之下行走轮拖动力的充足性，从而适应机械自适应型管道机器人所处的管径不断变化的管道环境。

管道机器人在驱动单元方面在设计的时候要通过运用一定的驱动技术让其具备管径适应以及差速的性能和作用。机械自适应型管道机器人的驱动技术的应用，提高了机械自适应型管道机器人对管道环境的适应能力，促进了管道机器人工作效率的提高。

三轴差速式驱动模块可根据管道拓扑约束自动调节驱动单元各行走轮转速,避免了因行走轮滑移产生的寄生功率;弹性全主动轮腿式管径适应模块通过径向的伸缩来适应管径的变化,其全主动结构保证了行走轮在悬空状态下仍可提供足够的拖动力。

3　小结

在分析机械自适应中管道机器人的机构原理与驱动技术的过程当中，我们运用三维建模以及管道机器人的运动仿真等方式，对机械自适应型管道机器人的自适应能力以及其他性能做了理论和实践上的进一步研究与分析。机械自适应型管道机器人的成本低、工作可靠、驱动效率高、结构紧凑以及适应能力强等特点都在研究与分析得到了验证。伴随着科学技术的不断进步，还要及时地更新和完善机械自适应管道机器人的机构原理以及驱动技术，保证机械自适应管道机器人的工作能力和管道环境适应能力的进一步的提高，从而推动我国管道使用寿命的延长以及各个领域管道运输泄露情况的改善。

参考文献：

[1]康德威,梁涛,姜生元,邓宗全,于伟真.机械自适应管道机器人的机构原理与仿真分析[J].机器人,2008(01).

[2]高兴华,姜生元,任立敏,江旭东,陈刚,罗荣能.三轴差动式管道机器人驱动单元自适应特性实验研究[J].机器人,2010(03).

[3]孙丽霞,江旭东,姜生元,卢杰,唐德威,李庆凯.机械自适应型管道机器人驱动单元的设计[J].机械设计,2009(10).