朱治鵬,吳其林,邵宇吉,張東升（合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院,230009）

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可變徑機構(gòu)在新型“蛋形”管道探測機器人中的應(yīng)用研究

朱治鵬,吳其林,邵宇吉,張東升
（合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院,230009）

摘要：為了滿足不同工業(yè)環(huán)境的管道探測需求，本文介紹的一種新型管道探測可變徑結(jié)構(gòu)是基于STC90C51單片機控制系統(tǒng)，融合膠囊“蛋形”結(jié)構(gòu)設(shè)計元素，在膠囊“蛋形”橢圓輪內(nèi)部中，通過主錐齒輪、側(cè)錐齒輪與螺旋機構(gòu)系統(tǒng)嚙合傳動，通過電動機控制，將螺旋桿的旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈靶屋喯騼蓚?cè)的直線運動，從而可以實現(xiàn)在管道內(nèi)部探測的可變徑功能，能夠很好地滿足當下探測工程的需求。

關(guān)鍵詞：可變徑；蛋形輪；機器人；管道；探測

合肥工業(yè)大學2014年國家級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目資助，項目編號為201410359007

隨著社會科技化的日益發(fā)展，滲透著科技元素的探測工程技術(shù)已經(jīng)逐步在各個領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。管道探測是探測工程里非常重要的探測領(lǐng)域，往往在管道內(nèi)部，由于具有一定的危險性、不便性等問題，管內(nèi)機器人可以代替人工在給誰排水、天然氣等行業(yè)發(fā)揮著重要的作用，因為機器人的高效靈活能力能夠滿足很多領(lǐng)域管道探測的需求，在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

在當下的可變徑管道探測機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由哈爾濱工業(yè)大學鄧宗全、陳軍、姜元生等人設(shè)計的六輪獨立驅(qū)動管道機器人，采用彈簧封閉力設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)隨管徑變化而變徑的功能，同時各個行走輪都單獨有著驅(qū)動電機和傳動機構(gòu)。同時由韓國Choi H R等人設(shè)計的用于天然氣管道檢測機器人設(shè)計系統(tǒng)中，利用“彈簧+平行四邊形機構(gòu)”來實現(xiàn)多輪子貼壁的功能，動力裝置則利用同步帶來實現(xiàn)，不過利用這種彈簧力的作用時候，若管徑變化較大，則彈簧產(chǎn)生的封閉力變化也較大，易失去作用特性，可靠性和穩(wěn)定性將受到影響。由上海大學機電工程與自動化學院陸麟、章亞男等人設(shè)計的適應(yīng)管徑變化的管道機器人，采用三組行星輪系作為行走部件和徑向尺寸調(diào)節(jié)機構(gòu)，并沿著管道圓周均勻分布，利用“蝸桿—行星輪系”結(jié)構(gòu)，使得機器人能夠根據(jù)管徑的大小自動調(diào)節(jié)徑向尺寸，從而實現(xiàn)變徑功能，符合一定的實際要求?？墒沁@種結(jié)構(gòu)采用三組太陽輪和行星輪設(shè)計，體積龐大，在管道的橫截面積中占據(jù)這大量的面積，不便于攜帶且變徑能夠限制較大。

現(xiàn)在在工程領(lǐng)域主流的機器人探測系統(tǒng)主體都是由四輪式，搭載各種傳感器和高清攝像頭進行數(shù)據(jù)采集和圖像視頻收集，通過電機驅(qū)動四輪前進、后退或者轉(zhuǎn)彎，這樣的機器人雖然在一定的領(lǐng)域可以滿足某種工業(yè)程度的需求，但是由于管道的特殊結(jié)構(gòu)、機器人體積、便攜性等問題的限制，往往在特定的環(huán)境下難以高效便利地完成任務(wù)?；谠撛?，本文主要研究的是一種新型變徑結(jié)構(gòu)在“蛋形”輪子里面的應(yīng)用原理與特性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

由于在管道探測工程中常受到管道形狀、管道半徑、管內(nèi)異物等多種因素的影響，為保證機器人能夠更好地開展工作，我們在傳統(tǒng)的管道探測機器人結(jié)構(gòu)上融入了新型的“變徑球滾”設(shè)計元素，一種新型的膠囊“蛋形”輪子結(jié)構(gòu)，利用兩個大的橢圓輪來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的探測機器人的四輪式結(jié)構(gòu)，在管道探測機器人中，搭載可變徑結(jié)構(gòu)，結(jié)合蛋形結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過慧魚零件，將螺旋機構(gòu)的螺旋運動轉(zhuǎn)化為蛋形輪子的兩側(cè)擴展伸縮的直線運動，從而實現(xiàn)可變徑的功能。

2 可變徑結(jié)構(gòu)設(shè)計

本結(jié)構(gòu)初期采用慧魚各零件搭建而成，通過慧魚創(chuàng)意組合模型，可以保證在反復拆裝的同時不影響模型組合的精確度，尺寸精確，同樣也不易磨損，硬度很高，是目前最先進的拼裝學習工具，為此，選用慧魚組合模型對本產(chǎn)品進行搭建，在模擬實驗的過程中也可以直接作為實物進行試驗。主要的慧魚零件包括組合好的固定底盤、螺旋桿、錐齒輪、支架、螺旋套、傳動細桿、固定方塊細小桿件等組成，同時產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包含步進電機、單片機電路系統(tǒng)等組成。

具體設(shè)計如圖一所示，在結(jié)構(gòu)底盤中間位置安裝一個主錐齒輪，此錐齒輪一端與電動機輸出軸相連接，由電動機接受的輸入信號然后輸出控制主錐齒輪的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，在主錐齒輪的端平面兩側(cè)分別與兩個側(cè)錐齒輪相嚙合，側(cè)錐齒輪兩端分別控制著兩側(cè)與之連接的螺旋桿，

圖一　變徑機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

在兩邊的兩個螺旋桿上各嚙合著一個螺旋驅(qū)動套，螺旋驅(qū)動套分別與兩側(cè)的蛋形輪子依托連接卡進行連接，從而實現(xiàn)兩側(cè)蛋形輪子的移動，向兩側(cè)伸展或者是收縮。

圖二　產(chǎn)品三維結(jié)構(gòu)設(shè)計模型（正方向）

圖三　產(chǎn)品三維結(jié)構(gòu)設(shè)計模型（側(cè)方向）

圖四　可變徑機構(gòu)工作運動特性

3 功能實現(xiàn)

本產(chǎn)品可變徑膠囊“蛋形”輪子機器人可變徑設(shè)計結(jié)構(gòu)是通過電動機接受單片機信號，由電動機控制著主錐齒輪的轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動方向，進而控制著兩端側(cè)錐齒輪和螺旋桿的運動特性，最后通過和螺旋桿相嚙合的螺旋套以及和輪子相連接的連接卡來控制蛋形輪的運動，具體運動間的聯(lián)系見下圖：

4 運動學和力學分析

通過實驗檢測，在步進電機的驅(qū)動下，螺旋桿可以以7.458mm/s的速度向兩邊伸展。

蝸輪蝸桿的傳遞效率為n1=0.3～0.4，取中間平均值得n1=0.35；圓錐齒輪的傳遞效率為n2=0.88～0.92，取中間平均值得n2=0.90，減速比50：1的減速直流電機最大功率P=1.1W，所以：

其中v=7.458mm/s，得水平力F=23.23N。

以圓管中心建立直角坐標系，、橢圓輪中心到坐標系中心的豎直方向長度為n，橢圓輪向兩端移動的距離為m，由matelab解得變徑到最大位置的時候θ=，此時假設(shè)橢圓輪和圓管道交點為（x0,y0），

解得交點坐標為（308.339，254.808），

此時為了滿足蛋形輪滾動半徑大于40mm的條件，所以n〈214.808，即|y+n|〉40,

為了滿足圓管道半徑R的要求，以及從成本角度考慮，取最小壁厚值bmin=120mm，帶入上述方程得：

圖五　matlab關(guān)于長軸長度和變徑距離的關(guān)系

以a為變量，由上述方程綜合編寫matlab程序，得到如下關(guān)系圖像：

通過圖像可以看出，隨著長半軸a長度的增加，中點橫向距離和變徑范圍都隨之減小，但是a的變化對變徑距離的影響變化不大，所以取a=215，|y0+n|=50,此時m=113，最大變徑距離為120。

5 從能量學角度考慮

5.1 局部角度

圖六 相切點位置受力分析圖

由于W〉WAB，所以滿足使用要求。

5.2 整體角度

當變徑距離為61的時候，橢圓輪和圓管道的交點坐標為（228.897，-328.034），此時

圖七　最小變徑時的輪子與軌道貼合圖

機器人機構(gòu)的重心坐標為（-253.007，0）。

當變徑距離為120的時候，橢圓輪和圓管道的交點坐標為（308.194，-254.984），此時機器人機構(gòu)的重心坐標為（-204.675，0）。

圖八 最大變徑時的輪子與軌道貼合圖

6 實驗測試

本產(chǎn)品在三維結(jié)構(gòu)設(shè)計好之后，開始進行實物組件搭建，圖九是產(chǎn)品的一個實際產(chǎn)品圖，該產(chǎn)品利用慧魚零件組合模型組裝而成，開始進行一系列的實驗測試，利用單片機控制電動機的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動方向，可以實現(xiàn)控制兩端結(jié)構(gòu)伸展的速度和長度，這種設(shè)計結(jié)構(gòu)改變經(jīng)機構(gòu)能夠很好地實現(xiàn)變徑的功能，并且能夠應(yīng)用在管道探測機器人領(lǐng)域。

圖九　產(chǎn)品實物組件圖

7 結(jié)論

變徑機構(gòu)是管道探測機器人的重要組成部件，本產(chǎn)品通過融合膠囊“蛋形”結(jié)構(gòu)，融合了新型的設(shè)計的可變徑機構(gòu)，經(jīng)過理論證明和實驗檢測都能夠很好的實現(xiàn)滿足機器人變徑的需求，也可以滿足機器人在不同的管道探測環(huán)境的探測需求，極大地提升了攜帶的便利性以及空間的可利用性，并且可以代替人工在危險管道區(qū)域進行活動，因而具有很好的實用性價值。

參考文獻

[1]鄧宗全，陳軍，姜元生，等. 六獨立輪驅(qū)動管內(nèi)檢測牽引機器人[J].機械工程學報，2005，41（9）：68—72

[2]Chio H R.Ryew S M. Robotic system with active steering capability for internal inspection of urban gas pipelines[J]. Mechatronics,2002,12(5):716—736

[3]陸麟，章亞男，沈林勇，錢晉武. 適應(yīng)管徑變化的管道機器人[J].機械設(shè)計報，上海大學 機電工程與自動化學院，1001-2354（2007）01-0016-04

Adjustable mechanism in the application of robot detection in the new "egg shaped" pipeline

Zhu Zhipeng,Wu Qilin,Shao Yuji,Zhang Dongsheng
（School of mechanical and automotive engineering,HeFei University of Technology,230009）

Abstract：In order to meet the different industrial environment of pipeline detection requirements,this paper introduces a novel pipeline detection reducing structure is based on stc90c51 SCM control system,a fusion capsule "egg shaped" structure design elements,in within the capsule "egg shaped" elliptic wheel, through the main cone gear,a side gear and screw mechanism system meshing transmission,by controlling the motor and the spiral rod rotation state of change for the egg shaped round to both sides of the linear motion,which can achieve the detection in the interior of the pipes can be reducing function.It can meet the demand of current exploration project is.

Keywords：variable diameter;egg shaped wheel;robot;pipeline;detection