新型管道机器人设计及仿真研究

常鹤轩 陈清扬

摘 要：针对现有的管道机器人适应管径单一，机械结构复杂，协调控制困难，小管径不能实现自适应转向等诸多问题，为了提高管道机器人的自适应能力，本文设计了一款新型的单驱动蠕动式管道机器人，并介绍了该型机器人的基本结构和原理，完成了前后支撑结构，推进机构的基本设计，建立了丝杆推力与平行四边形推力的关系。在Solidworks软件中建立了三维模型，将该机器人模型导入Adams中建立动力学仿真模型，并将仿真结果与计算结果进行比照。该型机器人仅由一个电机驱动，结构简单可靠，具有较好的管径适应能力，可以适应100～150mm管径，可以实现自适应转向，具有一定的越障能力。其中研究结果可以为相关管道机器人的设计和实验提供参考。

关键词：单驱动；蠕动式；仿真；动力分析；管道

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）21-0080-02

1 引言

近几年来，随着工业的发展以及基础工业设施的不断完善。石油，天然气和其他流体管道作为一种高效的物料运输方式而得到广泛的应用，定期对老化的管道进行检测和维护就显得十分重要。尤其是2017年7月4日的吉林松原燃气管道爆炸事故更是将人们的焦点引回到老化管道的检测维护上，由于管道设备数量多，安装地点的复杂，以及管道设备自身的局限，人的操作能动性大大受限，在传统的人力方式下，工人很难做到高效地对管道设备进行维护与检测。这一工程问题引起了很多国内外学者的重视，管内机器人的研究最早始于20世纪70年代法国，其中美国，日本等发达国家的管内机器人研究处于世界前列。中国在这方面起步较晚但研究成果显著，国内的许多大学和公司相继研发了自己的管道机器人，一些已经进入实际应用阶段。

由于管道内环境具有复杂、空间小等特点，为了使管道机器人能够平稳前进，其应该在一定程度上实现以下几点：（1）管道机器人应具有可靠的控制系统，在工人的操作下或自主完成管道的检测与维护；（2）机械结构应可靠简单，动力系统和传动机构应小型化；（3）可以根据需要调整以提供足够功率携带检测设备；（4）对管径变化具有一定的适应性，具有一定的管径适应性，转向能力。

近几年，随着不同的工程实际需要，众多学者研发出多种多样驱动方式的管道机器人可供参考，最基本的有8种：管道猪、轮式、履带式、振动式、行走式、蠕动式、螺旋式和蛇形式。振动式常用于刚性的管壁环境中；轮式常用于直管道，其具有结构简单，高效等优点；蠕动式因其机械结构简单紧凑等优点，常用于复杂多变的小口径管道的检测中，基于以上不同管道机器人的基本特点以及现有管道机器人存在的问题，本文提出了一种基于单向轴承的蠕动式单驱动管道机器人，具有良好的管径适应能力，可以适应100～150mm管径，结构简单，可靠性高，具有一定的自适应转向能力。

2 管道机器人基本工作原理及其结构介绍

图1为所设计的管道机器人结构，该机器人可以分成三个部分：前支撑机构，后支撑机构，以及中间的插架推进机构。前支撑机构与后支撑机构类似，其采用三个伸缩足，调整丝杠，单向轴承等以实现其支撑、制动和调整管径的功能。插架推进机构由电机，丝杠，滑块，连杆机构等组成。在电机的正反转带动下配合前后支撑机构实现机器人的伸缩动作从而前进。机器人推进机构与后支撑机构之间由两个万向联轴器相连，使其能够实现一定程度上的自适应转向，转弯过后能够在导向轮的作用下回复到原始状态。管道机器人的一个运动周期可分为两个状态，首先电机正转带动丝杠旋转，前支撑结构伸出，后支撑在单向轴承的作用下制动；电机反转带动丝杠，后支撑机构收回，前支撑机构在单向轴承的作用下制动。电机正反转周期性交替从而实现机器人的蠕动式行进。

3 管道机器人的参数设计

3.1 支撑机构设计

支撑机构的设计主要以下几方面：（1）支撑足与管道内壁之间应该有足够摩擦力以提供向前的推力；（2）支撑足应具有单向制动能力以完成机器人的蠕动式前进；（3）应具有一定的调整能力以适应不同的管径。根据上述要求设计了如图2所示的支撑机构，三个伸缩杆在三向套筒中120度布置，三个伸缩杆的伸缩状态一致，其上方通过单向轴承与支撑轮联接，其下方通过导力杆与紧缩螺母联接，紧锁螺母与调整丝杆相配合，通过旋转丝杆即可调整伸缩足的伸出程度，以适应不同管径。如图2，前后支撑机构中间设置有两个万向节联轴器，在机器人推进过程中，遇到转角可自适应调整角度，以实现机器人转弯的功能。

3.2 行进机构设计

行进机构的结构设计如图3所示，整个行进机构固定在前支撑机构的三向套筒支架上，其由电机，皮带减速器，两个对称布置的丝杠滑台，机械同步机构，连杆等组成。当电机转动时，通过皮带减速器带丝杠旋转，两个对称的丝杠滑台机械互锁以实现同步旋转。通过丝杠的旋转带动滑块上下运动，滑块通过销轴将运动传到不等边平行四边形机构，由平行四边形机构带动机器人运动实现前后支撑机构的伸缩。其动作幅度大小，可根据需要通过滑块机构和连杆尺寸参数的修改进行调整。

4 设计计算

4.1 运动学设计计算

机器人在一个运动周期内，滑块沿丝杠往复运动一次，可以得到电机转速n与机器人行进速度的v系式为，其中l为丝杠的有效行程，ph为滚珠丝杠副的导程，i为传动比，x为机器人一周期前进距离。

根据该模型零件的尺寸参数（其中一些结构参数以实现运动为主并非最优解），可以得到推動该机器人一周期前进的距离X为30mm，滚珠丝杠导程ph为2mm，传动比i=1：3。若该机器人运动周期为15秒，则所需电机转速大致应为220r/min。

4.2 动力学设计计算

为了缩短机构长度和丝杆长度，设计采用了两个对称的如图四所示不等边平行四边形机构。

如图四所示，该设计既保证了运动放大倍率，又可以提高运动效率，并且对称式设计增加了机构整体的稳定性。BD杆的B端和AE杆的A端与丝杠滑台中的滑块连接，现研究丝杆对A点的推力与机构中O点对支撑部分的推力之间的关系：

（1）DO与EO为二力杆，则有N1=N2，N3=N4，N1=N3。

（2）当平行四边形处于图示位置时即AE杆与水平方向夹角为β时有： （1）

（3）对于AE杆根据力矩的平衡有：

（2）

（3）

将式（2）代入式（1）中得 （4）

电机功率与机构中O点对支撑部分的推力之间的关系，如图3所示电机通过减速器，将力传递到齿轮上，进而带动两丝杠旋转，两丝杠之间通过机械联锁，丝杠带动滑块，是直线运动变为回转运动，滑块通过销轴将运动传到平行四边形，由平行四边形带动机器人的前后支撑机构交替伸缩，进而完成机器人的蠕动式前进。

设电机的输出功率为，转速为。

（1）两丝杠的总输入功率为 （5）

（2）絲杠为的螺杆，牙型属于三角形螺纹，当量摩擦系数为：

（6）

为普通三角形螺纹的牙型半角。

当量摩擦角为 （7）

（3）受到外载荷时，丝杆转动所需的最大扭矩为：

（8）

1） 丝杠扭矩与丝杆输入功率间的关系为：

（9）

（10）

根据式（4）—（5），（8）—（10）可得电机功率与机器人所受推力之间的关系式为 （11）

可知所选电机的输出功率不应小于当β为最大值时计算所得功率。根据模型尺寸参数，传动效率取0.9，丝杠中径取5.355mm，升角取，牙型半角为；处于临界润滑状态为0.1，，转速，最大角度为60度，电机的输出功率为3.4w，可以得到

由于机器人采用对称不等边四边形机构，则机器人的推动力为44N。

4.3 基于adams的动力学仿真

在上述理论及计算参数的基础上，将Solidworks三维模型导入Adams中，建立仿真模型。在管道内壁与弹性足之间压力足够即满足制动的前提下，推动力为44N，对管道机器人运动中单个滑块的所受力进行动力仿真，并将计算结果与仿真结果进行对照。

通过了解机器人完成一个周期的运动丝杠滑台中单个滑块受力变化，机器人行进一周期所需时间为15s，可以发现在整个运动过程中，受力最大处约为70N。由公式（8）—（10）可以得到电机的输出功率为3.43w，得到的仿真结果与计算一致。

5 应用前景

本文针对现有的管道及其的存在的不足，提供了一种全新的蠕动式管道机器人设计方案，机器人仅由单个电机驱动，结构简单可靠，成本相对较低，具有良好管径适应能力，可以适应100～150mm管径。同时具有一定的自适应转向能力，理论上根据不同工况调整伸缩足的伸缩量，能够适应竖直的管道的爬行，不需要提供额外压力。

参考文献

[1]张向伟.蛇形管道机器人系统研究[D].长安大学，2017.

[2]乔晋崴，尚建忠，陈循等.基于凸轮自锁原理的伸缩式管道机器人设计[J].机械工程学报，2010，46（11）：83-88.

[3]张延恒，逄增辉.一种蠕动式管道机器人的设计[J].机械设计与制造，2010，（4）：13-15.