基于Solidworks的履帶式管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張保真,王戰(zhàn)中,楊晨霞

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

近幾十年來，隨著我國科技的進(jìn)步，工業(yè)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平的提高，我國管道運(yùn)輸建設(shè)取得了巨大的成果。到目前，中國建成油氣管道總里程已超過13萬km，建成初具規(guī)模的跨國、跨區(qū)域油氣管網(wǎng)[1]。油氣輸送管道腐蝕、穿孔或者破裂，都會造成油氣泄漏，進(jìn)而影響周圍環(huán)境，甚至發(fā)生火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重后果。為了保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，社會環(huán)境的安定和自然環(huán)境不受到破壞，定期對油氣輸送管道進(jìn)行檢測是十分必要的，管道機(jī)器人作為有效的檢測設(shè)備，可以代替人類執(zhí)行檢測任務(wù)[2]。研究并設(shè)計(jì)具有實(shí)際工程化應(yīng)用價值的管道機(jī)器人能夠極大地提高管內(nèi)檢測和管內(nèi)作業(yè)的準(zhǔn)確性和可靠性，提高工作效率，使得人們可以對各類管線采用非挖掘和拆分的方式來進(jìn)行探測及修復(fù)。美國GE公司、瑞士ROSEN公司等生產(chǎn)了流體驅(qū)動式管道機(jī)器人PIG[3]，利用機(jī)器人兩端的管道內(nèi)流體壓力差來提供動力，結(jié)構(gòu)簡單，使用性好。美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和美國國家能源部共同研發(fā)了Explorer系列模塊化輪式燃?xì)夤艿罊z測機(jī)器人，其采用視覺和漏磁雙重檢測手段[4]。鄧宗全等[5]針對海底管道研發(fā)出六輪驅(qū)動的輪式管道機(jī)器人。上海交通大學(xué)張?jiān)苽サ萚6]設(shè)計(jì)了一種基于絲杠螺母傳動，平行四邊形輪腿支撐漏磁管道檢測機(jī)器人。

1 管道機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與要求

設(shè)計(jì)一輛管道機(jī)器人牽引機(jī)構(gòu)，其能夠搭載管道檢測模塊、管道修復(fù)模塊和管道清理模塊，分別對管道進(jìn)行檢測、修復(fù)和清理。設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人平臺能夠適應(yīng)一定的管徑變化，能夠通過垂直管道和大曲率彎管，能夠自動的適應(yīng)管道直徑的變化并進(jìn)行位姿調(diào)整，同時也具備定位導(dǎo)航系統(tǒng)和人機(jī)交互界面，能夠有效的控制機(jī)器人和精確地定位管道有缺陷的位置。

機(jī)器人變徑范圍為Ф340 mm～Ф450 mm；牽引力F≥200 N；機(jī)器人管內(nèi)平均行進(jìn)速度為8 m/min左右；機(jī)器人能在曲率半徑R大于兩倍管徑D的彎管中平穩(wěn)運(yùn)行；機(jī)體軸向長度在650 mm以內(nèi)；多電機(jī)提供動力；機(jī)器人的機(jī)構(gòu)要方便安裝和拆解。

1.2 基于Solidworks的履帶式管道機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從國內(nèi)外管道機(jī)器人的研究現(xiàn)狀出發(fā)，根據(jù)管道機(jī)器人的功能與要求，首先提出總體設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；再設(shè)計(jì)管道機(jī)器人的控制系統(tǒng)，最后進(jìn)行仿真研究與分析，對管道機(jī)器人的體性能進(jìn)行評估，并提出改進(jìn)方案。研究內(nèi)容安排流程如圖1所示：

1.3 管道機(jī)器人工作原理

管道機(jī)器人的變徑機(jī)構(gòu)在變徑過程中既要能順利通過障礙，又要保證其驅(qū)動輪對內(nèi)管壁有足夠的壓力來提摩擦力。管道機(jī)器人的模型如圖2所示，其主要由履帶足和變徑機(jī)構(gòu)組成。

變徑機(jī)構(gòu)由升降機(jī)式變徑機(jī)構(gòu)和絲杠螺母式變徑機(jī)構(gòu)組合創(chuàng)新而來，整個變徑機(jī)構(gòu)主要有步進(jìn)電機(jī)、傳動齒輪與雙旋向滾珠絲杠副組成的主動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和彈簧組等組成的被動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分。主動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和被動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)最終都需通過調(diào)節(jié)三組沿管道機(jī)器人軸線間隔120°均布的支撐桿系來控制管道機(jī)器人徑向大小的變化。滾珠絲杠副沿管道機(jī)器人中心軸線布置，同步盤在導(dǎo)向桿的約束下與滾珠絲杠螺母固連。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動滾珠絲杠螺母及與其固連的同步盤沿導(dǎo)向桿向前、向后滑動。鉸接在同步盤上的三組支撐桿系隨同步盤做往復(fù)運(yùn)動，使支撐桿系張開或者收縮以適應(yīng)管徑的變化。被動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以在不驅(qū)動主動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的情況下幫助機(jī)器人順利通過較小的障礙，并輔助實(shí)現(xiàn)驅(qū)動輪緊壓在管壁上。壓力傳感器通過檢測彈簧組預(yù)緊力，間接實(shí)現(xiàn)變徑機(jī)構(gòu)壓力信號檢測，檢測到的壓力信號作為反饋信號實(shí)現(xiàn)變徑機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制。

2 行走機(jī)構(gòu)與變徑支撐機(jī)構(gòu)選型設(shè)計(jì)

2.1 行走機(jī)構(gòu)選型設(shè)計(jì)

市場上與高校中研究最成熟且應(yīng)用最為廣泛的管道機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)有支撐輪式、履帶式與螺旋驅(qū)動式。為了保證管道機(jī)器人在復(fù)雜的管道環(huán)境中可以持續(xù)穩(wěn)定的工作，行走機(jī)構(gòu)需要有良好的可靠性與穩(wěn)定性。對常見3種管道機(jī)器人進(jìn)行綜合性能比較，為管道機(jī)器人的研究開發(fā)提供參考與借鑒。比較結(jié)果見表1所示，支撐輪式管道機(jī)器人在各方面性能較優(yōu)，但是履帶式管道機(jī)器人在越障方面更勝一籌。

表1 管道機(jī)器人綜合性能對比

1)選擇履帶式行走機(jī)構(gòu)

考慮到自主變位三履帶足管道機(jī)器人的轉(zhuǎn)動阻力相對于爬坡阻力和拖線阻力較小，而管道機(jī)器人在爬坡時阻力顯著增大，尤其是在垂直管道中阻力是摩擦阻力與管道機(jī)器人自重及所攜帶負(fù)載的和。這里采用通過計(jì)算垂直方向的行走阻力并乘以修正系數(shù)的方法來進(jìn)行分析。

管道機(jī)器人主要應(yīng)用于硬質(zhì)管道環(huán)境，考慮到履帶與管壁為面接觸，認(rèn)為管道在此壓力下變形很小，從而直線行走時的地面變形阻力可以忽略不計(jì)，故直線行走阻力只考慮履帶裝置運(yùn)行內(nèi)阻力和外部行使阻力。履帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動力主要表現(xiàn)為履帶與地面之間的摩擦力，即附著力。外部行駛阻力主要是履帶與地面的滾動阻力，橡膠與鐵皮管道間的滾動阻力系數(shù)約0.014[7]。履帶裝置運(yùn)行內(nèi)阻力是由同步帶和帶輪、傳動齒輪之間的摩擦阻力形成，一般可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，內(nèi)阻力系數(shù)可取0.03～0.07[8]。對于加工精度高，熱處理要求高，潤滑條件好的可取較低值，本機(jī)構(gòu)內(nèi)阻力系數(shù)取0.06。

假設(shè)機(jī)器人凈重為G1，所能攜帶的負(fù)載為G2，取g=10，則可近似估計(jì)該管道機(jī)器人在水平管道內(nèi)的直線行走阻力F1為：

F1=0.014G1+0.06G1+G2=0.074G1+G2

(1)

近似估計(jì)該管道機(jī)器人在垂直管道內(nèi)的直線行走阻力F2為：

F2=0.014G1+0.06G1+G1+G2=1.074G1+G2

(2)

2)總阻力估算

設(shè)管道機(jī)器人總阻力修正系數(shù)為K=1.2，可得管道機(jī)器人的行走總阻力為

F0=KF2

(3)

3)電動機(jī)的選擇計(jì)算

假設(shè)機(jī)器人重G1=10 kg、可以攜帶負(fù)載G2=10 kg，垂直行走阻力F2為：

F2=1.074G1+G2=207.4 N

(4)

則機(jī)器人的總阻力為：

F0=KF2=1.2×207.4=248.88 N

(5)

每只履帶足的阻力為：

(6)

設(shè)帶輪節(jié)徑d=40 mm，可知，每只履帶足所受阻力矩為：

(7)

假設(shè)機(jī)器人行進(jìn)速度為7 m/min，則電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為：

(8)

履帶足電機(jī)輸出功率P，可以通過下式求出：

(9)

(10)

慮到管內(nèi)可能碰到比較惡劣的情況，而且為越障預(yù)留一些功率，取足夠的安全系數(shù)，并考慮電機(jī)的性價比和安裝尺寸，最后選擇額定功率為20 W的瑞士maxonRE-25直流空心杯電機(jī)驅(qū)動移動機(jī)構(gòu)，電機(jī)編號是118746。

在軟件Solidworks中設(shè)計(jì)裝配好的履帶式行走機(jī)構(gòu)如圖3所示，實(shí)物樣機(jī)如圖4所示。

2.2 變徑支撐機(jī)構(gòu)選型設(shè)計(jì)

為提高管道機(jī)器人的通用性，降低成本，所設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人可以適應(yīng)不同的管道直徑是十分必要的?，F(xiàn)如今常用的主要變徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有彈簧支撐桿式、渦輪蝸桿—支撐連桿式、升降臺式、絲杠螺母—支撐桿式。

彈簧支撐桿式變徑結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，可以與其他形式的變徑結(jié)構(gòu)組合使用，也可以單獨(dú)使用；缺點(diǎn)是被動變徑機(jī)構(gòu)，不能主動變徑，并且變徑范圍小，封閉力也不可控。渦輪蝸桿—支撐桿式變徑機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是可以主動變徑，變徑控制簡單，封閉力可以控制，且變徑范圍較大；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)不緊湊，所需驅(qū)動轉(zhuǎn)矩較大，需要大功率電機(jī)驅(qū)動，且效率低，一般很少使用。絲杠螺母—支撐桿式變徑機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是所取驅(qū)動力矩較小，傳動平穩(wěn)，可以主動調(diào)節(jié)，封閉力也可以調(diào)控，和彈簧組合使用也可以實(shí)現(xiàn)被動調(diào)節(jié)，使用范圍較為廣泛；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不緊湊，在軸向所需空間比較大。升降臺式變徑機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是軸向和徑向安裝尺寸緊湊，變徑范圍較大，適用于大直徑管道；缺點(diǎn)是在大管徑管道中使用時，所取驅(qū)動力矩較大，一般較少使用。

通過對比上述4種變徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，采用絲杠螺母—三角支撐桿式變徑機(jī)構(gòu)，其基于絲杠螺母變徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與彈簧變徑機(jī)構(gòu)。絲杠螺母—三角支撐桿式變徑機(jī)構(gòu)的原理結(jié)構(gòu)簡圖如圖5 所示。

由管道機(jī)器人支撐機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)形式和傳動方式可以得到支撐機(jī)構(gòu)在高度調(diào)節(jié)時的受力情況如6圖所示。圖中省略了支撐桿系中的彈簧，彈簧的受力為桿件的內(nèi)部受力可以忽略。其中N為管壁對支撐履帶足的壓力，F(xiàn)為兩側(cè)絲桿螺母對滑動支座的力，β為支撐臂與其支座的夾角，T為電機(jī)傳到絲桿上的作用力矩，T電機(jī)為電機(jī)輸出扭矩，η為絲杠螺母副的傳動效率。

由圖可以得到：

(11)

又有

(12)

(13)

機(jī)器人有三個支撐臂，所以由絲杠螺母副的傳動效率η為：

(14)

由上節(jié)可知每只履帶足的輸出牽引力為82.96 N，驅(qū)動輪和管道內(nèi)壁之間的摩擦系數(shù)μ取0.5，則管道內(nèi)壁作用在車輪上的壓力為：

(15)

設(shè)滾珠絲杠螺母副的絲桿導(dǎo)程為：

Ph=4 mm

(16)

滾珠絲杠螺母副的傳動效率為：

η=0.95

(17)

當(dāng)機(jī)器人支撐臂與支座夾角為25°時，F(xiàn)最大，T絲杠和T電機(jī)最大，此時：

(18)

T電機(jī)≈0.358 N·m

(19)

設(shè)絲桿電機(jī)的轉(zhuǎn)速n=40(rpm)，則

(20)

考慮到管內(nèi)越障時可能碰到比較惡劣的情況，而且預(yù)留一些功率，以使其在壓力較大的情況下仍然可以比較輕松的調(diào)整支撐系統(tǒng)高度，取足夠的安全系數(shù)，并考慮電機(jī)的性價比、安裝尺寸，最后選擇額定功率為4.5 W的瑞士maxonRE-16的直流空心杯電機(jī)支撐履帶足，編號是118705。

3 管道機(jī)器人物理樣機(jī)的制作與試驗(yàn)

為了驗(yàn)證管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)行了零件制作、樣機(jī)組裝并進(jìn)行一系列的驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.1 物理樣機(jī)的制作與裝配

除直流電機(jī)、電源、同步帶、同步帶輪、螺釘、螺母等標(biāo)準(zhǔn)件采購?fù)?，定制了螺母絲杠及控制硬件，其余零件零部件采用3D打印技術(shù)制作。機(jī)器人物理樣機(jī)實(shí)物圖如圖7所示。

購買兩段普通黑白鐵通風(fēng)管道與一段90°的大曲率彎管用于實(shí)驗(yàn)平臺搭建。兩直管道直徑分別為400 mm和500 mm。彎管直徑為460 mm，曲率半徑為920 mm。管道工作環(huán)境如圖8所示。

3.2 管道機(jī)器人物理樣機(jī)試驗(yàn)

1)物理樣機(jī)在水平直管中的行走試驗(yàn)

管道機(jī)器人樣機(jī)在直徑為400 mm，長度為1 600 mm的水平直管中行走試驗(yàn)如圖9所示，該試驗(yàn)分為兩個過程，分別為變徑過程和行走過程。變徑過程就是調(diào)節(jié)管道機(jī)器人的變徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)使其適應(yīng)管道直徑的大小。發(fā)現(xiàn)管道機(jī)器人在自主變徑過程中，由于履帶足沒有接觸到管道內(nèi)壁，機(jī)器人會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，所以設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人在履帶足沒有接觸到管道內(nèi)壁時不能自主完成變徑過程，需要人工的參與才可以順利完成變徑過程。當(dāng)履帶足接觸到管道內(nèi)壁時，機(jī)器人可以自主完成變徑過程。

在變徑過程完成后，履帶足貼合在管道內(nèi)壁上。履帶足與管道內(nèi)壁之間產(chǎn)生封閉力與摩擦力。管道機(jī)器人可以順利的在水平直管中行走，期間管道機(jī)器人行走平穩(wěn)。

2)物理樣機(jī)在豎直管道中的行走試驗(yàn)

將管道機(jī)器人在水平直管中的行走試驗(yàn)中的管道緩慢豎立，在此過程中機(jī)器人在大坡度管道中行走時存在打滑情況。在管道坡度大于45°時通過調(diào)節(jié)管道機(jī)器人的變徑機(jī)構(gòu)來增大機(jī)器人與管道內(nèi)壁之間的封閉力，機(jī)器人可以順利的在大坡度與豎直管道中平穩(wěn)行走。通過試驗(yàn)可以知道采用履帶式行走機(jī)構(gòu)可以提供更大的附著力，可以使機(jī)器人在大坡度與豎直管道中爬行。

4 結(jié)論

根據(jù)管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，并對比分析螺旋驅(qū)動式、履帶式、支撐輪式管道機(jī)器人綜合性能的強(qiáng)弱，提出了可自主變徑的履帶式管道機(jī)器人。利用Solidworks軟件進(jìn)行了建模與組裝，分析其工作原理。管道機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)選型為履帶式行走機(jī)構(gòu)，并選取額定功率為20 W的瑞士maxonRE-25直流空心杯電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。通過對比4種變徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，提出了絲杠螺母—三角支撐桿式變徑機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)基于絲杠螺母變徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與彈簧變徑機(jī)構(gòu)，并選取額定功率為4.5 W的瑞士maxonRE-16直流空心杯電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。

通過組裝試驗(yàn)樣機(jī)，搭建試驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人可以順利的在管道中通行。但是也發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定性較差，需要對履帶式管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)做進(jìn)一步的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。