劉洪斌， 冀楠

(西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500)

管道作為一種重要的運(yùn)輸方式，在石油和天然氣的運(yùn)輸中起著重要的作用。我國(guó)油氣管道輸送量巨大，管道輸送安全保障工作十分重要，管道機(jī)器人用于巡檢工作成為必要需求[1-2]。Abid等[3]研究了一款用于管道泄漏檢測(cè)的游泳機(jī)器人；Halsted等[4]提出了由2個(gè)模塊組成管道內(nèi)機(jī)器人設(shè)計(jì)，引導(dǎo)模塊由一組平行于管道軸線運(yùn)動(dòng)的輪子沿管道引導(dǎo)，驅(qū)動(dòng)模塊由于傾斜的輪子圍繞管道的軸線旋轉(zhuǎn)，被迫跟隨螺旋運(yùn)；Reddy等[5]提出了一種可以在8英寸天然氣管道內(nèi)移動(dòng)的鉸接式管道檢測(cè)機(jī)器人；顏豐等[6]所設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人可在超聲波傳感器的幫助下檢測(cè)管道裂縫。陳瀟等[7]設(shè)計(jì)了履帶型自適應(yīng)管道機(jī)器人，研究了機(jī)器人彎管、水平管、傾斜管以及障礙管中的通過(guò)性；張禹等[8]基于硅橡膠材料超彈性特征，參考蠕蟲(chóng)類生物運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種蠕動(dòng)式軟體管道機(jī)器人并對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試；張保真等[9]為提高履帶式管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)效率與適應(yīng)性，提出一種滾珠絲杠螺母副三角升降變徑機(jī)構(gòu)；張延恒等[10-11]設(shè)計(jì)研發(fā)了一種柔性蠕動(dòng)式管道機(jī)器人，其前后機(jī)體通過(guò)柔性彈簧軸連接從而在一定程度上可以自主適應(yīng)管道內(nèi)徑及形狀的變化，并具有良好的牽引能力?，F(xiàn)階段管道檢測(cè)機(jī)器人依然存在管道內(nèi)工作時(shí)負(fù)載力小、越障能力不足、工作運(yùn)行中安全性不夠高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不便于安裝和拆卸等一些問(wèn)題[12-15]。本文針對(duì)上述問(wèn)題，以常見(jiàn)的管徑457 mm長(zhǎng)輸天然氣管道為例，開(kāi)展了大負(fù)載力、高通過(guò)性的液壓蠕動(dòng)式管道機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究。

1 管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 工況需求分析及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管道機(jī)器人針對(duì)直徑為457 mm的天然氣運(yùn)輸管道內(nèi)壁進(jìn)行離線檢測(cè)，行進(jìn)過(guò)程中要保障其能夠越過(guò)管道內(nèi)凸起、凹槽及焊圈所形成的臺(tái)階障礙，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于安裝和拆卸。機(jī)體質(zhì)量不大于10 kg、載荷或驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力不低于150 N，運(yùn)動(dòng)速度可調(diào)且不低于20 mm/s。根據(jù)工況需求設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要可分為前后支撐行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)裝置、管道檢測(cè)裝置。

圖1 液壓蠕動(dòng)式管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of hydraulic peristaltic pipeline robot

1.2 支撐行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及工作原理

如圖2(a)所示為管道機(jī)器人的支撐行走機(jī)構(gòu)，前后2個(gè)部分完全相同，當(dāng)其中一端實(shí)現(xiàn)自鎖時(shí)另一端向前行進(jìn)。其中前端與液壓缸的伸縮桿頂端固定，后端與液壓缸的底座固定。支撐行走機(jī)構(gòu)由3組行進(jìn)輪、輪腿及支撐彈簧組成，輪腿間彼此呈120°周向分布。行進(jìn)輪結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，主要由內(nèi)棘輪、內(nèi)輪、棘爪、扭簧所組成。當(dāng)外棘輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)則可以正常行進(jìn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)棘輪會(huì)被棘爪卡住實(shí)現(xiàn)自鎖。單向輪內(nèi)輪采用鋼骨架結(jié)構(gòu)，棘輪采用硬質(zhì)耐磨橡膠材料，這樣既可保障整體結(jié)構(gòu)的剛性，又可保障輪子與管壁間的摩擦從而不會(huì)打滑。

圖2 支撐行走機(jī)構(gòu)示意Fig.2 Diagram of supporting walking mechanism

管道機(jī)器人支撐行走機(jī)構(gòu)自鎖機(jī)理如圖3所示。圖3(a)中支撐機(jī)構(gòu)向前行進(jìn)，此時(shí)A點(diǎn)受到推力F，單向輪緊貼內(nèi)壁向前滾動(dòng)且受到管壁產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦力fa，由于fa遠(yuǎn)小于推力F，整體能夠順利的向前行進(jìn)。圖3(b)中支撐機(jī)構(gòu)整體停止行進(jìn)，此時(shí)A′受到推力F′，單向輪緊貼管壁自鎖停止轉(zhuǎn)動(dòng)與管壁間產(chǎn)生靜摩擦力fb，由于fb可以與推力F′平衡，整體機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)自鎖。

圖3 支撐行走機(jī)構(gòu)自鎖機(jī)理示意Fig.3 Schematic diagram of self locking mechanism of supporting walking mechanism

管道機(jī)器人蠕動(dòng)行走過(guò)程如圖4所示。狀態(tài)a時(shí)前端支撐機(jī)構(gòu)與管壁自鎖固定，此時(shí)液壓缸收縮拉動(dòng)后端向前行進(jìn)，完全收縮后達(dá)到狀態(tài)b。狀態(tài)b后端支撐機(jī)構(gòu)與管壁自鎖固定，液壓桿向前推出推動(dòng)前端行進(jìn)，當(dāng)液壓桿完全推出后達(dá)到狀態(tài)c。如此循環(huán)往復(fù)使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)式前行。由于液壓缸單次行程L為112 mm。機(jī)器人由管道入口端行進(jìn)至出口端對(duì)管壁進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)束后由出口端處取出，將纜線及液壓管從機(jī)器人上拆卸下來(lái)由管道入口處收回，整個(gè)過(guò)程操作簡(jiǎn)單。

圖4 管道機(jī)器人蠕動(dòng)行進(jìn)過(guò)程示意Fig.4 Diagram of pipeline robot crawling process

1.3 管道機(jī)器人液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖4管道機(jī)器人蠕動(dòng)行進(jìn)過(guò)程設(shè)計(jì)了如圖5所示的管道機(jī)器人液壓控制系統(tǒng)。其中控制節(jié)部分的液壓元件包括：液壓泵、油箱、過(guò)濾器、泵單向閥、控制溢流閥、電磁換向閥、壓力調(diào)速閥等元件。液壓系統(tǒng)需要采用循環(huán)往復(fù)的方式控制機(jī)器人進(jìn)行蠕動(dòng)行走，考慮其系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)載力的變化以及便于調(diào)速，液壓控制系統(tǒng)采用壓力調(diào)速閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用溢流閥穩(wěn)定系統(tǒng)壓力。當(dāng)外載荷突然過(guò)大時(shí)液壓缸體內(nèi)的液壓油可以通過(guò)溢流閥的調(diào)節(jié)自動(dòng)返回油箱。

注：1伸縮式液壓缸，2調(diào)速閥，3電磁換向閥，4單向閥，5儲(chǔ)能器，6液壓泵，7濾油器，8油箱，9溢流閥。圖5 管道機(jī)器人液壓控制系統(tǒng)原理Fig.5 Schematic diagram of hydraulic control system of pipeline robot

2 管道機(jī)器人姿態(tài)角及驅(qū)動(dòng)力分析

2.1 管道機(jī)器人姿態(tài)角及受力分析

管道機(jī)器人頭部添加配重物使機(jī)身在運(yùn)行過(guò)程中重心始終位于前后輪連線中點(diǎn)左右。選擇其中一組支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析。如圖6所示為過(guò)管道軸心一點(diǎn)且與管道軸心線垂直的截面圖。設(shè)定夾角γ為機(jī)器人在管道內(nèi)的姿態(tài)角，其范圍為-π/3≤γ≤π/3。為了使行進(jìn)輪緊貼管道內(nèi)壁使其自鎖時(shí)不會(huì)失效，則要求管道內(nèi)壁對(duì)每個(gè)行進(jìn)輪都產(chǎn)生一定支持力，設(shè)每個(gè)輪所需最小支持力為N0，即N1≥N0，N2≥N0，N3≥N0。

根據(jù)圖6可得出受力平衡方程：

(1)

式中：N1、N2、N3為3個(gè)支撐輪所受支持力；γ為管道機(jī)器人在管道內(nèi)姿態(tài)角；G為管道機(jī)器人所受重力。

圖6 管道機(jī)器人姿態(tài)Fig.6 Diagram of the working Euler angle of pipeline robot

當(dāng)-π/3≤γ≤π/3時(shí)，N3為支撐輪所受最小支持力?？刂茝椈晒ぷ骼κ筃3=N0，則由式(1)可得：

(2)

管道內(nèi)壁對(duì)3個(gè)行進(jìn)輪的支持力之和為：

(3)

在姿態(tài)角范圍內(nèi)：

(4)

式(3)所得∑Ni0為管道機(jī)器人靜止?fàn)顟B(tài)下前后支撐機(jī)構(gòu)所受的管道封閉力。

取一組支撐機(jī)構(gòu)輪腿受力分析，如圖7所示。

圖7 靜止?fàn)顟B(tài)下支撐行走機(jī)構(gòu)受力分析Fig.7 Force analysis diagram of supporting walking mechanism under static state

由圖7可得受力平衡方程：

(5)

式中：l1為支撐桿DC長(zhǎng)度；l2為支撐桿BC長(zhǎng)度；l3為頂桿AC長(zhǎng)度；θ為支撐角；α為頂角；FAyi為A點(diǎn)在Y方向的分力；FAxi為拉伸彈簧所提供的彈簧預(yù)緊力。

求解式(5)可得：

(6)

其中有幾何關(guān)系：

(7)

式中L為彈簧工作時(shí)長(zhǎng)度。

靜止?fàn)顟B(tài)下支撐機(jī)構(gòu)拉伸彈簧所需彈簧預(yù)緊力為3組輪腿所需拉力之和，即：

(8)

將式(3)代入式(8)可得：

(9)

由式(9)可以看出在不同工作姿態(tài)角下所需拉伸彈簧預(yù)緊彈力不同。當(dāng)γ=0時(shí)，彈簧預(yù)緊力∑FAxi為最大值，此時(shí)提供的彈簧預(yù)緊力可以滿足各工作姿態(tài)角下支撐機(jī)構(gòu)所需的彈力。因此拉伸彈簧預(yù)緊力為：

(10)

2.2 驅(qū)動(dòng)力分析

管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力負(fù)責(zé)機(jī)器人的行進(jìn)，圖8為機(jī)器人行進(jìn)時(shí)后端自鎖固定在管道內(nèi)壁，前端被液壓缸推出這一狀態(tài)下的受力分析圖。此時(shí)后端各輪受到的支持力為Ni，前端各輪受到的支持力為N′i。后端各行進(jìn)輪單向自鎖而不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并且各輪受到靜摩擦力fi與液壓缸的推力F相平衡，因此使后端固定在管壁；前端各行進(jìn)輪受到滾動(dòng)摩擦力f′i，滾動(dòng)摩擦力小于液壓缸的推力F′因此前端向前行進(jìn)。圖9為此狀態(tài)下管道機(jī)器人自鎖端其中一組支撐輪腿的受力分析圖。

圖8 管道機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)受力分析Fig.8 Force analysis diagram of the whole structure of pipeline robot

圖9 自鎖端支撐行走機(jī)構(gòu)受力分析Fig.9 Force analysis diagram of self locking end support walking mechanism

如圖8所示此時(shí)機(jī)器人負(fù)載最大，后端行進(jìn)輪為自鎖失效臨界狀態(tài)，由水平方向受力平衡可得：

(11)

式中：f0為機(jī)器人的最大負(fù)載力；μg為行進(jìn)輪與管壁間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)；μs為行進(jìn)輪與管間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

由于各行進(jìn)輪外輪均采用硬質(zhì)耐磨橡膠材料，故可設(shè)滾動(dòng)摩擦系數(shù)μg≈0，代入式(11)可得：

(12)

式中∑Ni為機(jī)器人行進(jìn)時(shí)管壁對(duì)自鎖端的封閉力。若想求得機(jī)器人最大負(fù)載力，則需計(jì)算出此時(shí)自鎖端封閉力大小。由圖9可得力學(xué)平衡方程：

(13)

求解式(3)可得：

(14)

支撐機(jī)構(gòu)所需彈簧拉力為3組輪腿所需拉力之和，即：

(15)

由于機(jī)器人由靜止到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，前后支撐機(jī)構(gòu)拉伸彈簧長(zhǎng)度始終未發(fā)生變化，則彈簧彈力∑FAxi大小不變，由式(10)、(15)可得管道機(jī)器人最大負(fù)載時(shí)自鎖端行進(jìn)輪封閉力為：

(16)

由式(12)、(16)可得的機(jī)器人最大負(fù)載力為：

(17)

管道機(jī)器人液壓缸所提供的最大驅(qū)動(dòng)力為：

(18)

當(dāng)前端支撐機(jī)構(gòu)自鎖后端支撐機(jī)構(gòu)前進(jìn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力分析情況相同，不再贅述。

3 管道機(jī)器人越障分析

3.1 前輪遇臺(tái)階障礙受力分析

管道中可能會(huì)存在施工時(shí)所造成的泥土、砂礫或者管道焊接時(shí)所造成的焊瘤和焊圈形成的障礙物。所以機(jī)器人的越障能力是其工作可靠性的重要指標(biāo)。越障能力是指機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中所能越過(guò)的最大高度，當(dāng)障礙物超過(guò)這個(gè)高度之后，機(jī)器人將會(huì)卡死無(wú)法繼續(xù)前進(jìn)。針對(duì)焊瘤等障礙物形成的環(huán)形的臺(tái)階障礙作為研究對(duì)象，當(dāng)行進(jìn)輪前端離開(kāi)管壁時(shí)作為臨界點(diǎn)進(jìn)行研究。圖10所示為管道機(jī)器人前輪越障時(shí)的受力分析圖。

圖10 管道機(jī)器人前輪越障受力分析Fig.10 Force analysis diagram of the front wheel of pipeline robot crossing obstacles

其中O1點(diǎn)為機(jī)器人的質(zhì)心位置，O′、O分別為前后兩輪的輪心位置，則由受力平衡方程可得：

(19)

式中：FD為機(jī)器人主體對(duì)支撐機(jī)構(gòu)的合力；β1為N′i與水平方向夾角；L1為前后兩輪的輪心距；La為前端行進(jìn)輪到質(zhì)心的距離；d為行進(jìn)輪直徑。

式(19)中行進(jìn)輪與管道內(nèi)壁間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)μg≈0，且有幾何關(guān)系：

(20)

式中h1為管道機(jī)器人前輪的越障高度。

化簡(jiǎn)式(19)、(20)可得：

(21)

由于機(jī)器人行駛過(guò)程中，其重心保持在前后輪連心線中心左右，則La=1/2L1，式(21)可化簡(jiǎn)為：

(22)

由式(22)可以看出，決定管道機(jī)器人前輪越障高度的主要因素為行進(jìn)輪與管壁滑動(dòng)摩擦系數(shù)μs，機(jī)器人行進(jìn)輪直徑d，以及前后輪輪心間距L1。在行進(jìn)過(guò)中，μs與d為固定值保持不變，L1隨著液壓缸伸縮在一定范圍內(nèi)變化。由式(22)可知h1是關(guān)于L1的減函數(shù)，當(dāng)液壓缸完全推出時(shí)L1達(dá)到最大值，此時(shí)得到h1,min為機(jī)器人前輪所能越過(guò)的安全高度，L1在定義域內(nèi)取任何值前輪都能越過(guò)障礙。當(dāng)障礙物高度大于h1,min時(shí)，可能發(fā)生前輪無(wú)法通過(guò)障礙物而卡死的情況。

3.2 后輪遇臺(tái)階障礙受力分析

當(dāng)后端行進(jìn)輪接觸到臺(tái)階障礙時(shí)，取后端行進(jìn)輪離開(kāi)管壁臨界點(diǎn)時(shí)進(jìn)行研究。圖11為機(jī)器人后輪越障的受力分析圖。

圖11 管道機(jī)器人后輪越障受力分析Fig.11 Force analysis diagram of pipeline robot rear wheel crossing obstacles

此時(shí)管道機(jī)器人的受力平衡方程為：

(23)

式中：β2為Ni與水平方向所成的夾角；Lb為后端行進(jìn)輪到質(zhì)心之間的距離。

同樣有幾何關(guān)系：

(24)

式中h2為管道機(jī)器人后輪的越障高度。

化簡(jiǎn) (23)、(24)可得：

(25)

由于機(jī)器人行駛過(guò)程中，其中心保持在前后輪連心線中心左右，則Lb=1/2L1，式(25)可化簡(jiǎn)為：

(26)

與前輪相似，影響后輪越障高度的因素為行進(jìn)輪與內(nèi)壁的滑動(dòng)摩擦系數(shù)μs，機(jī)器人的行進(jìn)輪直徑d，以及前后輪輪心間距L1。不同的是式(26)中h2是關(guān)于L1的增函數(shù)，當(dāng)液壓缸完全收縮時(shí)L1達(dá)到最小值，此時(shí)得到h2,min為機(jī)器人后輪所能越過(guò)的安全高度，L1在定義域內(nèi)取任何值后輪都能越過(guò)障礙。當(dāng)障礙物高度大于h2,min時(shí)，則可能發(fā)生后輪無(wú)法通過(guò)障礙而出現(xiàn)卡死的情況。

4 管道機(jī)器人仿真及試驗(yàn)研究

4.1 虛擬樣機(jī)模型建立

為分析管道機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性縮短其設(shè)計(jì)周期，提高機(jī)器人的穩(wěn)定性和可靠性，決定通過(guò)ADAMS仿真軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析，如圖12所示。

圖12 管道機(jī)器人仿真模型Fig.12 Simulation model diagram of pipeline robot

其中管道直徑457 mm，行進(jìn)輪與管壁之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)μg≈0；滑動(dòng)摩擦系數(shù)μs=0.75；管道機(jī)器人重力G=80 N；支撐桿CD長(zhǎng)度l1=90 mm；支撐桿BC長(zhǎng)度l2=90 mm；頂桿AC長(zhǎng)度l3=110 mm；彈簧工作時(shí)長(zhǎng)度L=170 mm；行進(jìn)輪直徑d=80 mm；前后輪輪心間距范圍為358 mm≤L1≤470 mm；液壓缸行程為112 mm。

4.2 驅(qū)動(dòng)力仿真分析

由式(18)可知，管道機(jī)器人的最大驅(qū)動(dòng)力與機(jī)身重力G、行進(jìn)輪最小正壓力N0、滑動(dòng)摩擦系數(shù)μs及支撐角θ相關(guān)。實(shí)際運(yùn)行中增加機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力最簡(jiǎn)單的方法是調(diào)整支撐機(jī)構(gòu)彈簧彈力來(lái)增大自鎖端行進(jìn)輪的封閉力。取行進(jìn)輪最小正壓力N0=5 N，將N0代入式(10)、(18)可得此時(shí)前后彈簧所需提供的預(yù)緊力FAxi=152.0 N，最大驅(qū)動(dòng)力Fmax=153.9 N。在理論分析中機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力與負(fù)載力相等，在仿真環(huán)境中添加預(yù)緊力為0 N的彈簧模擬負(fù)載力，如圖13所示。在機(jī)器人前進(jìn)過(guò)程中負(fù)載彈簧彈力達(dá)到最大值時(shí)機(jī)器人自鎖端失效開(kāi)始打滑，此時(shí)負(fù)載彈簧拉力為管道機(jī)器人最大負(fù)載力。在ADAMS中設(shè)置前后拉伸彈簧預(yù)緊力FAxi=152.0 N，仿真計(jì)算結(jié)果如圖14所示。

圖13 管道機(jī)器人負(fù)載力測(cè)試仿真模型Fig.13 Simulation model diagram of load force test for pipeline robot

圖14 管道機(jī)器人負(fù)載力測(cè)試仿真結(jié)果Fig.14 Simulation results of load force test for pipeline robot

如5 N曲線中所示，在0～1.8 s前端支撐機(jī)構(gòu)被液壓缸推出，后端支撐機(jī)構(gòu)在管道內(nèi)自鎖不動(dòng)，此時(shí)管道機(jī)器人的負(fù)載彈簧基本不發(fā)生形變。1.8 s后端支撐機(jī)構(gòu)向前移動(dòng)使負(fù)載彈簧拉伸，2.6 s時(shí)負(fù)載彈簧彈力達(dá)到最大值在157 N，此后由于機(jī)器人無(wú)法繼續(xù)前進(jìn)則負(fù)載彈簧彈力保持不變，仿真計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本相符。

將支撐機(jī)構(gòu)拉伸彈簧預(yù)緊力FAxi增加至164、176 N重復(fù)上述仿真過(guò)程，其負(fù)載彈簧彈力變化如10、15 N曲線所示。負(fù)載彈簧變化趨勢(shì)與5 N相似，其最大驅(qū)動(dòng)力分別達(dá)到170、182 N。由理論分析可知，當(dāng)拉伸彈簧預(yù)緊力增大，支撐機(jī)構(gòu)所受管道內(nèi)壁的封閉力也將變大，這提高了自鎖端的最大靜摩擦力以及管道機(jī)器人的最大驅(qū)動(dòng)力及最大負(fù)載力。

4.3 越障能力仿真分析

在管道機(jī)器人越障仿真研究中，將環(huán)形障礙物的半徑作為設(shè)計(jì)變量DV_R，通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)變量DV_R的數(shù)值來(lái)調(diào)整環(huán)形障礙物的高度，如圖15所示。

圖15 管道機(jī)器人越障測(cè)試仿真模型Fig.15 Simulation model diagram of pipeline robot obstacle crossing test

將管道機(jī)器人的參數(shù)代入式(22)、(26)可得前輪所能越過(guò)的最大高度h1,min=6.3 mm，后輪所能越過(guò)的最大高度h2,min=9.6 mm。在ADAMS中設(shè)置障礙高度分別為6、8、10 mm，在機(jī)器人前輪距障礙物20 mm處開(kāi)始運(yùn)行仿真，觀察機(jī)器人通過(guò)性，并對(duì)機(jī)器人前后彈簧預(yù)緊力彈力變化進(jìn)行測(cè)量。設(shè)置N0=5 N，前后拉伸彈簧預(yù)緊力∑FAxi=152 N。前后彈簧彈力變化如圖16所示。

圖16 不同高度障礙下前后端拉伸彈簧彈力變化Fig.16 Elastic force change of front and rear extension spring under different height obstacle

圖16(a)所示為管道機(jī)器人前輪遇障時(shí)前端彈簧彈力變化情況。仿真過(guò)程中前端行進(jìn)輪可以順利通過(guò)6、8 mm障礙，彈簧彈力分別在0.7 s和0.8 s時(shí)達(dá)到最大值196和210 N。障礙物高度越大，支撐機(jī)構(gòu)被擠壓的程度越大，從而增大了彈簧的伸長(zhǎng)量和彈簧拉力。當(dāng)前輪越過(guò)障礙物后彈簧形狀立即復(fù)原彈力恢復(fù)到152 N。在面對(duì)10 mm高度障礙物時(shí)顯示前輪被卡住無(wú)法繼續(xù)前進(jìn)。管道機(jī)器人越障通過(guò)性如表1所示。

表1 管道機(jī)器人越障通過(guò)性Table 1 Trafficability of pipeline robot in obstacle pipe

圖16(b)所示為后端行進(jìn)輪遇礙時(shí)后端彈簧彈力變化情況。結(jié)果顯示機(jī)器人后端行進(jìn)輪可以順利通過(guò)6 mm障礙，曲線在3.2～3.5 s內(nèi)由152 N變化至198 N，彈力變化量與前端一致。在3.3 s處左右出現(xiàn)波峰是由于越障時(shí)機(jī)器人軸心位置波動(dòng)所導(dǎo)致的。當(dāng)障礙物高度增加到8 mm時(shí)后端行進(jìn)輪被卡死無(wú)法前進(jìn)，彈簧彈力保持不變。

4.4 驅(qū)動(dòng)力及越障性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力、越障能力的理論分析及虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果的正確性，進(jìn)行了物理樣機(jī)的制作并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力及越障能力試驗(yàn)。

在測(cè)試最大驅(qū)動(dòng)力試驗(yàn)中，在機(jī)器人末端添加一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)進(jìn)行負(fù)載力測(cè)試。機(jī)器人平穩(wěn)行進(jìn)使彈簧被逐漸拉長(zhǎng)，當(dāng)行進(jìn)輪打滑無(wú)法繼續(xù)前進(jìn)，彈簧測(cè)力計(jì)彈力為機(jī)器人最大負(fù)載力。圖17所示為負(fù)載力測(cè)試試驗(yàn)，圖18為測(cè)試結(jié)果。

圖17 管道機(jī)器人負(fù)載力測(cè)試Fig.17 Pipeline robot load test

圖18 管道機(jī)器人負(fù)載力測(cè)試結(jié)果Fig.18 Load test results of pipeline robot

多次測(cè)量結(jié)果取平均值可得機(jī)器人水平管內(nèi)最大負(fù)載力為149 N，結(jié)果小于仿真計(jì)算結(jié)果。這是由于各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間存在摩擦阻力所導(dǎo)致的。

在障礙管中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行通過(guò)性測(cè)試。管內(nèi)的設(shè)置障礙物高度分別6、8、10 mm的環(huán)形障礙并將其固定在同一位置，如圖19所示。

圖19 管道機(jī)器人越障能力測(cè)試Fig.19 Obstacle crossing ability test of pipeline robot

結(jié)果顯示管道機(jī)器人可通過(guò)6 mm障礙；在8 mm障礙管中前端順利通過(guò)，后端被卡死無(wú)法前進(jìn)；在10 mm障礙管中前端接觸障礙即被卡死無(wú)法前進(jìn)，驗(yàn)證了理論分析和仿真結(jié)果的正確性。

5 結(jié)論

1)根據(jù)管道機(jī)器人在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特性及其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，計(jì)算得到管道機(jī)器人運(yùn)行時(shí)支撐機(jī)構(gòu)拉伸彈簧所需提供的彈簧預(yù)緊力、液壓缸所提供的最大驅(qū)動(dòng)力以及機(jī)器人的最大負(fù)載力。支撐機(jī)構(gòu)彈簧預(yù)緊力越大則管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力和負(fù)載能力越大。

2)通過(guò)對(duì)管道機(jī)器人在管道中與環(huán)形障礙時(shí)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算得出管道機(jī)器人前輪和后輪所能越過(guò)的安全高度，管道機(jī)器人可以安全越過(guò)6 mm環(huán)形障礙。本文設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人在負(fù)載能力表現(xiàn)穩(wěn)定，同時(shí)具有良好的管道通過(guò)性。