管道爬行机器人运动分析与变径结构设计

胡啸 史继新

【摘 要】目前对长距离管道进行巡检、维修的一个有效手段是使用管道爬行机器人携带摄像头及各类工具在管道内部进行运动。为实现这一目标，机器人需要具有的三个重要功能：（1）管道内壁直径尺寸的适应性，（2）竖直管道的爬行能力，（3）管道弯头的通过能力。本文以一种多足履带式爬行机器人为例，对机器人在管道内的运动进行了分析，并根据分析结果给出了一种变径机构的设计方案，为管道爬行机器人的整体设计提供了依据。

【关键词】管道机器人;管道彎头;变径机构

中图分类号： TP242 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）13-0001-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.001

Motion Analysis and Diameter Change Structure Design of Pipeline Crawling Robot

HU Xiao1* SHI Ji-xin2

（1.China Nuclear Wuhan Nuclear Power Operation Technology Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223，China;

2.Hubei Key Laboratory of Hydropower Machinery Equipment Design and Maintenance

〈Three Gorges University〉，Yichang Hubei 443002，China）

【Abstract】At present，an effective ways of inspecting and maintaining long-distance pipelines is to use the pipeline crawler robot to carry cameras and various tools to move inside the pipelines.To achieve this goal， robots need to have three important functions：（1）Adaptability of pipe inner wall diameter size.（2）Crawling ability of vertical pipe.（3）Passing Capacity of Pipeline Elbow.This paper takes a crawler robot with multiple feet as an example to analyze the movement of the robot in the pipeline，and according to the analysis results，gives a design scheme of a diameter changing mechanism， which provides a basis for the overall design of the pipeline crawler robot.

【Key words】Pipeline crawler robot;Pipeline Elbow;Diameter changing mechanism

0 引言

在市政、石油、化工、电力等行业，均存在大量的、规格众多的金属管道，随着使用年限的增长，需要对这些管道进行巡检、维修。对于从外部无法到达的管道，使用管道爬行机器人携带工具进入到管道内部进行巡检、维修是一种非常有效的方式。

管道机器人按照驱动方式大致可以分为三种：a.自驱动（自带动力源），b.利用流体推力，c.通过弹性杆外加推力;其中自驱动管内机器人包括轮式、脚式、爬行式、蠕动式，还包括履带式等[1]。目前在管道巡检领域已经有多个产品实现了商业化应用，例如德国恩萨公司开发了多轮驱动的“蟹式”管道爬行机器人[2]，可对管道进行视频检查;加拿大的Inuktun公司开发了模块化的履带单元，通过履带单元的并联、串联，可组成多款适应不同工况的管道机器人，主要用于电力行业的管道检测，其中一款Versatrex三足履带机器人可在顺利通过竖直管道及管道弯头[3];深圳施罗德工业集团开发了多款轮式、履带式的爬行机器人，主要用于市政管网的检测与维修[4];北京德朗检视科技公司开发的DNC110B管道机器人可对110mm-800mm的管道中进行视频检测，也可搭载机械手进行异物抓取[5]，已在电站的管道检测中实现了应用。

对于水平走向或者坡度不大的管道，使用轮式机器人进行巡检，效率更高、运动更加灵活，但是对于坡度较大甚至竖直走向的管道，就需要利用履带式爬行机器人的驱动能力携带摄像头等工具实施巡检。三足履带式管道爬行机器人由三个间隔120°分布的独立履带驱动模块和中心的变径结构组成，通过变径结构的张紧力，三个独立履带驱动模块紧紧的贴在管道内壁，履带转动时机器人得以前进，这种布置方案可以使得机器人能够在竖直管道内进行爬行研究对象。本文以一种三足履带机器人为例，通过分析其在管道内的运动需求，并对比各类变径机构，给出一种适用于三足履带机器人的变径结构设计方案。

1 机器人运动分析

1.1 管道直径适应性分析

机器人对管道的直径适应性，分为两方面：（1）机器人对于管道内径由于制造误差、不圆度等因素产生的直径小幅变化应能够自主适应，（2）机器人通过变径结构的作用，能够在一定范围内改变直径，以适应多种规格的管道。

所以管道机器人的变径结构应当具有能在一定范围内伸缩的变径机构。

1.2 竖直管道爬行运动分析

对于三足履带式爬行机器人，其在竖直管道内爬行时，三个履带足通过变径机构的张紧力紧紧贴在管道内壁上，当履带转动时，履带与管道内壁产生摩擦力驱动机器人向上运动。如图1所示，机器人向上运动驱动力来自于变径结构的张紧力在管道内壁上产生的动摩擦力，设机器人向上爬行所需克服的重力、电缆摩擦力、自身传动阻力等合力为T，单个履带驱动模块受到的张紧力为F，履带与管道内壁的动摩擦系数为η，则有：

F×？浊×3？叟T（1）

图1 竖直爬升受力示意图

所以，机器人要想在竖直管道里顺利爬升，变径结构需要提供足够的张紧力，所以变径结构的驱动动力源需要有足够的驱动力。

1.3 管道弯头通过性分析

当机器人需要通过弯头时，机器人的外形尺寸，特别是履带驱动模块的长度，会对机器人整体在管道弯头处的通过性产生影响。通过对管道内径a、管道弯曲半径R、机器人履带驱动模块长度l三者关系的分析，可以得出机器人外形尺寸的设计依据。

考虑到弯头的极限情况，以水平90°弯头为例，如图2所示，将机器人的外形轮廓的水平投影抽象为一个矩形，矩形的长为l。机器人通过弯头时，矩形外侧的两个顶点与管道内壁的外弧面接触，内侧的长边与管道内壁的内弧面相切，只要机器人的外形尺寸与管道的规格尺寸能够形成这种关系，机器人就可以顺利通过弯头。

从式（2）和式（7）可看出，通过弯头时，mmax

三足履带机器人在管道内行走时，其外形可抽象成一个与管道内圆内接的正三角形，如图3所示，此时机器人最宽的区域不在管道的中间平面，而是在底边所在的截面上，故需要根据此情况对上述式子进行修正。假设管道的参数不变，此时机器人的初始宽度变为：

当针对某种管道进行机器人的结构设计时，R和a已知，当设计出的履带驱动模块长度为时，如果mmax的数值大于零，且该数值在实际结构设计中可以达到，那么机器人可以顺利通过该种管道的弯头;当需要判断设计的机器人能否通过某种管道弯头时，同样可将已知的l、R和a带入式（9），若计算出的mmax为正值且机器人结构实际可已达到，则说明机器人可以顺利通过该种规格管道的弯头。

mmax和m之间的变化差值，就是机器人在通过管道弯头时，自适应的变径机构需要自适应收缩的尺寸，设计变径结构时需要满足此要求。

2 变径机构的比较与分析

目前常见的管道机器人变径机构有以下几种：弹簧支撑变径机构、涡轮蜗杆变径机构、剪叉升降台变径机构、丝杆滑块变径机构、自适应弹簧连杆变径机构、平行四边形变径机构等[6-12]，分别如图4a、b、c、d、e、f所示。

机器人在进行竖直管道爬行时，无动力的变径机构不能提供稳定的张紧力，特别是对于不同规格的管道，同一套无动力的变径机构的效果受弹簧变形量的影响会有明显差异，不利于工程应用。

对于轮式机器人，旋转摆动式的变径结构可以满足需要;但对于履带式的机器人，其与管道内壁为面接触，单纯的旋转摆动变径会履带与管道内壁接触不稳定，且在直径方向占用较大空间。所以，根据各种变径机构的特点，结合三足履带机器人的实际工况需求，将丝杆推动的平行四边形变径机构作为变径机构的重点考虑方案，但单纯由电机驱动丝杆推动滑块而形成的平四边形变径机构，不具有直径尺寸的自适应性，这样不符合1.1和1.3中所分析的需求，因此需要对刚性的平四边形变径机构进行改进设计。

3 变径结构设计

三足履带在圆周方向上呈120°圆周分布，变径机构的驱动结构需要布置在中心，为了节省径向空间，通过电机驱动一根丝杆推动三个滑块，进而驱动三个平行四边形机构同时伸、缩。

如图5所示，将电机、丝杆结构布置在中心。图中，1.电机罩，2.驱动电机，3.连接筒，4.丝杆，5.尾座。

如图6所示，在图5的基础上，加入导向轴、滑块、连杆等结构进而形成变径伸缩结构，其中：1.丝杆驱动结构，2.螺母，3.滑块，4.导向轴，5.滑套，6.滑套安装螺钉，7.驱动连杆，8.平行摆杆A，9.平行摆杆B，10.短销轴，11.长销轴，12.压簧，13.弹簧限位块。

一个滑块同时连接三组平行四边形机构，每组平行四边形机构可带动一个独立履带驱动模块张开、收拢。当机器人需要进入不同规格管道时，可以控制丝杆转动，将连杆机构伸展或收缩至相应的幅度，使得机器人可以顺利进入管道。丝杆使用具有自锁功能的丝杆，在螺母与滑块之间加入劲度系数合适的压缩弹簧，通过预设螺母的位置，在螺母的推力和连杆通过滑块产生的反力的作用下，压缩弹簧压缩至适当的幅度，此时压缩弹簧可向平行四边形机构提供足够的张紧力，进而使得独立履带驱动模块紧密贴合在管道内壁，产生足够的摩擦力供机器人爬升。

管道直径因加工误差、不圆度等产生变化时，在不改变螺母位置的前提下，连杆机构可以通过压簧的形变来自适应;当机器人通过弯头时，也可以通过压簧的形变来保证机器人可以顺利通过弯头。可结合式（8）和（9）的计算结果，对压缩弹簧的选型、设计提供依据。在满足压缩弹簧变化幅度需求的情况下，螺母与滑块之间设置了限位块，当压簧被压缩到一定程度时，滑块被限位块限位，以防止弹簧被过量压缩，此时可通过丝杆将螺母适退回而将压簧压缩量释放。

4 结语

1）本项目以三足履带式管道爬行机器人为例，对其在管道中的运动進行了分析，确定了机器人结构设计需要满足的基本条件;

2）对各类常见变径机构的特点进行了对比与分析，结合运动分析的情况，给出一种机器人变径结构，为机器人的整体结构设计提供了一种符合工程应用实际的基础方案。

【参考文献】

[1]甘小明，徐滨士，董世运，等.管道机器人的发展现状[J].机器人技术与应用，2003（6）：4-10.

[2]北京德朗檢视科技有限公司[EB/OL].http：//www.dellon.net/products/paxingqi/279.html.-.

[3]Inuktun Services Ltd.[EB/OL].http：//inuktun.com/en/products/.-.

[4]施罗德工业集团.[EB/OL].http：//www.sld-cctv.com/singa.-.

[5]北京德朗检视科技有限公司.[EB/OL].http：//www.dellon.net/products/paxingqi/288.html.-.

[6]宁鹏.管道清灰机器人结构设计及其运动学仿真[D].兰州：兰州理工大学2005.

[7]Dongxiang Chi，Guozheng Yan.From wired wireless aminiature robot for intestinal inspecyion[J].Journal of Medical Engineering & Technology，2005，27（2）：71-79.

[8]徐小云，颜国正，丁国清，颜福田.管道机器人适应不同管径的三种调节机构的比较[J].光学精密工程，2004，12（1）：60-65.

[9]李鹏，马书根，李斌.具有自适应能力管道机器人的设计与运动分析[J].上海交通大学学报，2005，39（6）：950-954.

[10]邓宗全，王杰，刘福利.直进轮式全驱动管内行走机构的研究[J].机器人，1995，17（2）：1212122.

[11]Amir A.F.Nassiraei，Yoshinori Kawamura，Alireza Ahrary，Yoshikazu Mikuriya，Kazuo Ishiii.A New Approach to the Sewer Pipe Inspection：Fully Autonomous Mibile Robot“KANTARO”[C].IECON Proceedings（Industrial Electronics Conference），P 4008-4093，2006，IECON 2006-32nd Annual Conference on IEEE Industrial Electronics.

[12]Toyomi Miyaagawa，Nobuyuki Iwatsuki.Characteristics of in-pipe mobile robot with wheel drive mechanism using planetary gears[C].IEEE International conference on Mechatronics and Automation，ICMA 2007，p 3646-3651，2007.