崔向貴 張繼忠 姜錦華

摘要：針對現(xiàn)有管道機(jī)器人變徑方式單一、越障能力不足等問題，設(shè)計(jì)了一種具有自適應(yīng)和主動適應(yīng)功能的履帶式管道機(jī)器人。選擇絲杠螺母副變徑和碟形彈簧組合作為變徑機(jī)構(gòu)，動力學(xué)仿真驗(yàn)證了碟形彈簧提供的力及其壓縮量均能滿足越障要求，并對變徑機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果表明，管道機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩相同時，機(jī)器人傳力性能提升了22.3%，能夠跨越更大的障礙。

關(guān)鍵詞：管道機(jī)器人；變徑機(jī)構(gòu)；碟形彈簧；動力學(xué)仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP242

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-1037（2023）02-0079-05

doi：10.3969/j.issn.1006-1037.2023.02.13

通信作者：

張繼忠，男，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)及數(shù)字化設(shè)計(jì)。

管道運(yùn)輸作為中國五大運(yùn)輸方式之一，因其運(yùn)量大、費(fèi)用低、環(huán)境效益高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)而得到快速發(fā)展，截至2021年底，中國油氣管道的總里程已經(jīng)達(dá)到15.0萬千米[1]，且油氣管道的建設(shè)長期保持增長態(tài)勢。但隨著地下空間的開發(fā)和服役年限的增長，管道會出現(xiàn)腐蝕、裂紋甚至斷裂[2-3]，若不及時修復(fù)，可能產(chǎn)生爆炸等重大安全事故。人工檢修管道成本高、效率低，檢測勞動強(qiáng)度大，因此研制管道機(jī)器人替代人工檢修具有現(xiàn)實(shí)意義[4]。履帶式管道機(jī)器人因具有與管道接觸面積大，附著能力強(qiáng)、所需驅(qū)動力小等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。加拿大INUKTUN公司研發(fā)了雙履帶式管道機(jī)器人，通過調(diào)節(jié)兩履帶的夾角使機(jī)器人適應(yīng)不同的管道內(nèi)徑，當(dāng)履帶水平放置時，可在矩形管道內(nèi)工作，但兩履帶夾角在工作中不可調(diào)節(jié)，自適應(yīng)能力差[5-6]；韓國大邱慶北科技學(xué)院研發(fā)了一種三履帶式管道機(jī)器人，由氣缸驅(qū)動帶動兩桿件發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)動從而帶動履帶伸縮實(shí)現(xiàn)變徑，越障能力和負(fù)載能力較佳，但氣源供給要求嚴(yán)格，機(jī)器人的穩(wěn)定性和靈活性得不到保障[7-8]；PackBot機(jī)器人的前后兩端安裝有鰭狀肢結(jié)構(gòu)，可輔助跨越障礙，攜帶的多種傳感器可在未知環(huán)境中實(shí)現(xiàn)全范圍搜索，但被動適應(yīng)環(huán)境的能力較弱[9-10]； 基于圓柱螺旋彈簧的三履帶管道機(jī)器人具備一定柔性，解決了管道變化時的干涉問題，但變徑方式單一，適應(yīng)內(nèi)徑管徑范圍有限[11]；關(guān)節(jié)履帶式管道機(jī)器人越障能力強(qiáng)，但缺乏一定柔性，只適用于坡度平緩變化的管道[12]；基于行星輪系原理研制的管道機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)和徑向尺寸調(diào)節(jié)均采用三組行星輪系，能夠自動適應(yīng)管道變化，但適應(yīng)管徑變化的范圍較小[13-14]?，F(xiàn)有管道尺寸不同、內(nèi)部存在缺陷等原因，對管道機(jī)器人的變徑能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)履帶式管道機(jī)器人雖然一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)管道的檢測、維護(hù)等功能，但普遍存在變徑方式單一、越障能力差等缺陷。本文利用碟形彈簧和絲杠螺母副變徑方式設(shè)計(jì)了一種具有自適應(yīng)和主動適應(yīng)的履帶式管道機(jī)器人，通過動力學(xué)仿真驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對變徑機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得機(jī)器人能夠越過更大的障礙。

1 管道機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 變徑機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

變徑機(jī)構(gòu)不僅能使管道機(jī)器人適應(yīng)不同的管徑變化，還能使其具有一定的柔性，避免干涉與沖擊。比較常見的變徑方式有蝸輪蝸桿變徑、剪叉升降變徑、滾珠絲杠螺母副變徑、彈簧支撐變徑等，每種變徑方式都有優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍[15-17]。

本文設(shè)計(jì)一種具有自適應(yīng)和主動適應(yīng)功能的履帶式管道機(jī)器人，綜合考慮所需驅(qū)動力的大小、適應(yīng)管徑的范圍、越障能力等，變徑方式選擇絲杠螺母副變徑機(jī)構(gòu)，此種變徑方式結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動力適中，搭載彈簧可使機(jī)器人具備一定柔性，能解決過彎或者越障時的干涉問題，達(dá)到增強(qiáng)機(jī)器人穩(wěn)定性的目的，采用三履帶支撐式來提高機(jī)器人的爬坡和越障能力，所設(shè)計(jì)的變徑機(jī)構(gòu)如圖1所示。

1.2 機(jī)器人的工作原理

根據(jù)變徑機(jī)構(gòu)類型、所需適應(yīng)管道內(nèi)徑范圍、彎管通過性等，在原有變徑機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)履帶行走模塊、檢測模塊、驅(qū)動模塊和輔助模塊等，利用SolidWorks創(chuàng)建完成履帶式管道機(jī)器人的模型，如圖2所示。

機(jī)器人裝配三條履帶輪，工作時依靠步進(jìn)電機(jī)的保持力矩使三條履帶輪緊貼管道內(nèi)壁而產(chǎn)生足夠大的附著力，最終產(chǎn)生與機(jī)器人運(yùn)動方向相一致的摩擦力并帶動機(jī)器人移動[18]；每個履帶輪都裝有一個驅(qū)動電機(jī)，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向等功能；機(jī)器人的前端搭載了檢測模塊用于記錄管道內(nèi)壁的實(shí)際情況，傳送到上位機(jī)后經(jīng)圖像識別與處理技術(shù)即可判斷管道缺陷；后端留有一定的擴(kuò)展接口，搭載相應(yīng)的障礙清理裝置或者噴涂裝置從而完成特定的工作。所設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人能夠在235～280 mm的管道中工作，可跨越2.5 mm的同心垂直臺階[19]，適應(yīng)管徑變化范圍廣、爬坡和越障性能更優(yōu)。

2 變徑機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真

2.1 仿真模型的創(chuàng)建

機(jī)器人主動變徑時，步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠一起轉(zhuǎn)動即可驅(qū)動螺母實(shí)現(xiàn)左右移動，隨著螺母移動同步盤等構(gòu)件帶動桿件產(chǎn)生一定角度的轉(zhuǎn)動即可帶動履帶行走模塊發(fā)生平動實(shí)現(xiàn)變徑；自動適應(yīng)管徑時，通過碟形彈簧的壓縮或伸長帶動同步盤移動而實(shí)現(xiàn)變徑。為探求機(jī)器人的越障性能，本文對機(jī)器人在運(yùn)行過程中的最困難狀態(tài)即在240 mm豎直管道中跨越2.5 mm的狀態(tài)進(jìn)行動力學(xué)仿真。利用SolidWorks建立三維模型，簡化后導(dǎo)入ADAMS中，創(chuàng)建動力學(xué)仿真模型，如圖3所示。在機(jī)器人管徑的變化過程中碟形彈簧的壓縮量的變化值為2.39 mm，完成越障所需的組合碟形彈簧由18片型號為C20 GB/T 1972—2005的碟形彈簧對合而成[20]，Matlab擬合得到組合碟形彈簧特性曲線

其中，x為碟形彈簧自適應(yīng)管徑時的壓縮量，mm；y為碟形彈簧提供的彈力，N。

2.2 仿真結(jié)果及分析

管道機(jī)器人在越障過程中，組合碟形彈簧壓縮量的變化、主動曲柄和從動曲柄對大連桿在Y方向合力的變化、小連桿和螺母之間添加的轉(zhuǎn)動副處X方向力的變化以及主動曲柄與小連桿之間轉(zhuǎn)動副處合力的變化如圖4～7所示。

機(jī)器人在管徑由240 mm到235 mm變化的過程中碟形彈簧的壓縮量由5.35 mm增至7.74 mm，變化量為2.39 mm，滿足越障要求，將碟形彈簧的最大壓縮量帶入式（1），得到碟形彈簧越障所需的力為223.2 N；主動曲柄和從動曲柄對大連桿在Y方向的合力從209 N增加至243 N，即經(jīng)過傳遞后機(jī)器人對管道內(nèi)壁的壓力由209 N增加至243 N；主動曲柄與小連桿之間的轉(zhuǎn)動副處X方向的力由206 N增加至223 N，與越障所需提供的223.2 N近似相等，滿足越障的需求；主動曲柄和小連桿之間添加的轉(zhuǎn)動副處合力由262 N增加至296 N，達(dá)到變徑過程此轉(zhuǎn)動副所受力的最大值，為后期探求其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系提供參考。

3 變徑機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)變量

變徑機(jī)構(gòu)中，大連桿、主動曲柄、從動曲柄和連桿的長度以及前后支架的鉸點(diǎn)的位置對其力學(xué)性能的影響較大，但若將大連桿和前后支架均優(yōu)化，則需修改相關(guān)裝配部件的尺寸，工作量巨大，甚至達(dá)不到優(yōu)化效果，故初選主動曲柄和從動曲柄的長度、小連桿的長度以及主動曲柄中間鉸點(diǎn)的位置作為設(shè)計(jì)變量，本文的變徑機(jī)構(gòu)為平行四邊形桿系，桿件的尺寸等存在諸多的相關(guān)性，最終將主動曲柄中間鉸點(diǎn)的橫坐標(biāo)和主動曲柄與大連桿相連接處的鉸點(diǎn)的橫坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量，分別記作DV_1和DV_2

3.2 目標(biāo)函數(shù)

變徑機(jī)構(gòu)的性能特性可用機(jī)器人對管道內(nèi)壁的正壓力作為評判標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電機(jī)輸出的保持力矩一定時，機(jī)器人對管道內(nèi)壁的正壓力越大，機(jī)器人就能夠跨越更大的障礙，故以主動曲柄和從動曲柄對大連桿的合力FN在垂直于管壁方向的最大值作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

3.3 約束條件

在自適應(yīng)壓縮碟形彈簧變徑時，若壓力太大，碟形彈簧會被壓平甚至發(fā)生倒翻，優(yōu)化時應(yīng)考慮碟形彈簧的變形量，一般取碟形彈簧的最大變形量為壓平時變形量的0.75倍。所選系列的單片碟形彈簧最大變形量為0.49 mm[20]，則組合碟形彈簧最大變形量為8.82 mm，綜合考慮絲杠螺母與右端的距離、碟形彈簧的安全余量等，確定組合碟形彈簧變形量的安全值為8.28 mm，并作為約束條件。

3.4 優(yōu)化分析

優(yōu)化分析是指機(jī)械結(jié)構(gòu)在滿足組期功能的前提下，通過對設(shè)計(jì)變量的約束和自動選擇，使得目標(biāo)函數(shù)取得最小值或最大值的方法。

參數(shù)化模型經(jīng)過多次迭代，得到迭代前后各參數(shù)對比情況，見表1。

管道機(jī)器人的步進(jìn)電機(jī)提供相同保持力矩時，機(jī)器人傳力性能提升了22.3%，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)更大障礙的跨越。主動曲柄和從動曲柄的長度l1由原來的77 mm縮短為74.6 mm，縮短了3.12%；主動曲柄中間鉸點(diǎn)的位置向大連桿端移動了5.3 mm，小連桿的長度l2由原來的62 mm變化為60.2 mm，縮短了2.9%，在一定程度上達(dá)到了輕量化效果。優(yōu)化后，機(jī)器人自動適應(yīng)管徑從240 mm變化到235 mm時，主動曲柄和從動曲柄對大連桿在Y方向的合力的變化情況如圖8所示。在自適應(yīng)過程中，管道機(jī)器人對管道內(nèi)壁的壓力從248.6 N變換到273.2 N，與優(yōu)化前相比較，機(jī)器人的傳力性能得到了提升。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人具有自適應(yīng)和主動適應(yīng)能力，由動力學(xué)仿真驗(yàn)證了其管徑適應(yīng)能力滿足預(yù)期要求。以組合碟形彈簧變形量安全值為約束條件，以機(jī)器人對管道內(nèi)壁的最大正壓力為優(yōu)化目標(biāo)，對機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，得到一種質(zhì)量更輕、越障能力更強(qiáng)的履帶式管道機(jī)器人。

參考文獻(xiàn)

[1]高鵬.2021年中國油氣管道建設(shè)新進(jìn)展[J].國際石油經(jīng)濟(jì)，2022，30（3）：12-19.

[2]LIU Q Y， REN T， CHEN Y H. Characteristic analysis of a novel in-pipe driving robot[J]. Mechatronics， 2013，23（4）：419-428.

[3]李琴，賀一烜，黃志強(qiáng)，等.管道機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及垂直管道內(nèi)移動可行性分析[J].制造業(yè)自動化，2021，43（1）：104-108.

[4]陳瀟.管道內(nèi)支撐式檢測機(jī)器人運(yùn)動控制與檢測研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2018.

[5]王殿君，李潤平，黃光明.管道機(jī)器人的研究進(jìn)展[J].機(jī)床與液壓，2008（4）：185-187.

[6]扈洪曉.地下排水干線管道清淤機(jī)器人的研制[D].北京：北京交通大學(xué)，2021.

[7]彭鶴，王路路，王勇，等.油氣管道爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)及仿真實(shí)驗(yàn)[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，43（1）：48-54.

[8]陳涵韻.可變徑管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2020.

[9]黑沫.可變形履帶機(jī)器人設(shè)計(jì)與運(yùn)動分析[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010.

[10] YAMAUCHI B M. PackBot： A versatile platform for military robotics[C]// Conference on Unmanned Ground Vehicle Technology VI. Orlando， 2004：228-237.

[11] 薛耀勇.自適應(yīng)功能管道機(jī)器人設(shè)計(jì)及仿真研究[D].青島：青島大學(xué)， 2018.

[12] 樸春日，顏國正，王志武，等.一種履帶式機(jī)器人設(shè)計(jì)及其越障分析[J].現(xiàn)代制造工程，2013（3）：24-27.

[13] 陸麒，章亞男，沈林勇，等.適應(yīng)管徑變化的管道機(jī)器人[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2007（1）：16-19.

[14] 費(fèi)振佳，張繼忠，張磊，等.履帶式管道機(jī)器人設(shè)計(jì)及仿真研究[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2016，31（2）：37-42.

[15] 徐小云，顏國正，丁國清，等.管道機(jī)器人適應(yīng)不同管徑的三種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的比較[J].光學(xué)精密工程，2004（1）：60-65.

[16] 韓小秋.無纜鏈?zhǔn)焦軆?nèi)機(jī)器人驅(qū)動單元特性分析與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[17] 陸宇捷.基于模塊化自適應(yīng)管道機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[J].甘肅科技，2021，37（24）：10-14+18.

[18] 薛耀勇，張繼忠，張磊.管道機(jī)器人自動適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與越障分析[J].制造業(yè)自動化，2018，40（6）：23-26.

[19] 莊皓嵐，顏國正，王志武，等.多節(jié)履帶式機(jī)器人系統(tǒng)組成和越障性能研究[J].測控技術(shù)，2013，32（8）：59-62+66.

[20] 張英會，劉輝航，王德成.彈簧手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版，1997：330-361.