仿生足式管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭霆 王毅 王策 劉帥克 劉書豪

摘要：隨著城市不斷發(fā)展，原始管道與新增管道組成了規(guī)模龐大復(fù)雜的管網(wǎng)，使得管道管理、養(yǎng)護(hù)等方面問題突出。對于長期布置在地下的管道存在大量對人體有害氣體，若出現(xiàn)斷裂損壞不僅不利于人工進(jìn)行排查，還會對環(huán)境造成污染?；谏鲜鲈?，本文擬設(shè)計(jì)一仿生足式管道機(jī)器人，用于地下管道破壞點(diǎn)的檢測與排查，利用紅外線攝像頭或者聲波盤查管道損壞處。對機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并校核機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使得機(jī)器人能夠獨(dú)立行走進(jìn)行勘測。

關(guān)鍵詞：仿生足管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)強(qiáng)度環(huán)境勘測

Pipeline Robot’s Structural Design of Bionic Foot

GUO Ting1WANGYi2WANGCe1LIUShuaike1LIU Shuhao1

（1. Heilongjiang Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang Province， 150050China; 2. Alibaba local life， Harbin， Heilongjiang Province， 150001， China）

Abstract：The original pipeline and the new pipeline have formed a large and complex pipe network， which makes the pipeline management， maintenance and other issues prominent with the city continuous development. There are a lot of harmful gases to human body in the pipeline that is arranged underground for a long time. If some of pipelines are fracture damaged， it is not convenient for manual investigation and will also cause environment pollution. This paper intends to design a bionic foot pipeline robot， which is used for the detection and investigation of underground pipeline damage points， and the pipeline damage inspection by infrared camera or acoustic wave. Each joint size of the robot is designed， and the mechanical structure strength is checked， so that the robot can walk independently for survey.

Keywords? The bionic foot; Pipeline robot; The structural strength; The environmental survey

近些年，我國諸多城市均出現(xiàn)了內(nèi)澇、路面塌陷等問題，給社會帶來了很大的干擾，基于此，國家頒布了相關(guān)文件以應(yīng)對這一問題，加速了地下管道工程的研究進(jìn)展。目前，我國的地下管道維護(hù)60%都依賴人工，30%都運(yùn)用進(jìn)口設(shè)備，現(xiàn)在我國自己產(chǎn)的設(shè)備只能達(dá)到10%。故仿生足式管道機(jī)器人的研究被提上日程[1-4]，讓機(jī)器人來幫助人們進(jìn)行工作，在管道里面進(jìn)行勘測管道的一些破損和疲勞損壞，這樣就有著很大的意義。機(jī)器人自己需要承載很多的檢測設(shè)備等設(shè)施，要保證機(jī)器人有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)管道機(jī)器人的時(shí)候一定要考慮到外部環(huán)境的因素。

目前，常用于可以輔助人類進(jìn)行管道檢測的機(jī)器人有輪式管道機(jī)器人和多足爬行的管道機(jī)器人。輪式機(jī)器人缺點(diǎn)是輪子會對管道的內(nèi)壁有摩擦且受到環(huán)境的阻礙;仿生足式機(jī)器人可在相對復(fù)雜的環(huán)境下進(jìn)行檢測;多足機(jī)器人一般是兩足、四足、六足，研究表明，六足機(jī)器人由于肢體冗余優(yōu)勢使得其步姿更平穩(wěn)，使多足機(jī)器人更容易適應(yīng)空間探索等工作?，F(xiàn)在研究的六足機(jī)器人大概有70多種，由于六足機(jī)器人都工作在比較復(fù)雜或者地下的環(huán)境內(nèi)，人們希望其控制系統(tǒng)能夠更加靈活，并且具有更大的自主性，仿生足式機(jī)器人的足與足之間需要特別好的配合，行走的時(shí)候需要進(jìn)行步態(tài)的規(guī)劃，所以機(jī)械足之間的配合也是需要進(jìn)行研究的。

仿生足式管道機(jī)器人的機(jī)械足相對離散，在地面支撐面積較小，因此無論機(jī)器人所在環(huán)境地形多么復(fù)雜，只要選擇好機(jī)器人的支撐點(diǎn)，仿生足式機(jī)器人就可以正常行走。因此，本文擬對仿生足式管道器人進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)其仿生足的機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動力，并對仿生足式機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。

1仿生足式機(jī)器人研究現(xiàn)狀

相比于常用的輪式機(jī)器人，仿生足式機(jī)器人具有與地面接觸面積小，行動靈活的特點(diǎn)，對于管道的壓迫損傷相對較小。美國通用電氣公司設(shè)計(jì)制作了首臺四足電控步行車[5]。日本早稻田大學(xué)開發(fā)了一系列雙足機(jī)器人[6-9]。目前在多足機(jī)器人研發(fā)相對成功的有美國波士頓動力公司開發(fā)的大狗（如圖1）、獵豹、野貓等一系列機(jī)器人，主要用于美軍方。麻省理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)90年代初期研制出實(shí)驗(yàn)室第一個(gè)用來替代人們進(jìn)行行星勘測的六足機(jī)器人;2001年波士頓的東北海洋大學(xué)自主研制一用于管道勘測的六足機(jī)器人蝎子（如圖2）。

與發(fā)達(dá)國家相比我國機(jī)器人研究起步相對較晚。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了一系列的雙足仿人步行機(jī)器人;國防科技大學(xué)研制的仿人機(jī)器人;北京理工大學(xué)的雙足機(jī)器人，能夠進(jìn)行太極等武術(shù)表演。在多足機(jī)器人研究方面，國內(nèi)主要是哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)（如圖3）、國防快科技大學(xué)和山東大學(xué)共同參與的研制項(xiàng)目，主要用于核電救災(zāi)。

對于多足式機(jī)器人而言，主要研究方向是基于仿生學(xué)的步態(tài)軌跡規(guī)劃、基于能量的步態(tài)軌跡規(guī)劃、基于零力矩點(diǎn)的軌跡規(guī)劃，機(jī)器人的運(yùn)動穩(wěn)定性及機(jī)器人的運(yùn)動控制策略和方案。目前的研究難點(diǎn)在于管道機(jī)器人都是帶著電纜進(jìn)入管道，管道內(nèi)環(huán)境比較惡劣，像石油和天然氣管道電纜的存在對機(jī)器人的運(yùn)動有較大的影響。管道或管道壁對信號具有屏蔽作用，反饋信號會影響管道機(jī)器人的工作，管道里是非平坦路面，這就要求機(jī)器人具有跨越障礙能力。

2 仿生足式管道機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于表面極其不規(guī)則的情況，要選擇合適的支撐點(diǎn)來支撐仿生足式機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)，使得仿生足式管道機(jī)器人能夠平穩(wěn)行進(jìn)，同時(shí)需要機(jī)器人具有良好的重心位置，重心過低會影響機(jī)器人的通過能力。因此本文選用多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)來提升仿生足式機(jī)器人的運(yùn)動能力及柔韌性，該機(jī)構(gòu)不具有明顯奇異點(diǎn)并且相對簡單的結(jié)構(gòu)能夠保證后續(xù)的擴(kuò)展性，關(guān)節(jié)與連接件固定，關(guān)節(jié)均由電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，這樣可以管道內(nèi)靈活行走。運(yùn)用STM32單片機(jī)來進(jìn)行機(jī)器人及傳感器的控制。

2.1 仿生足式管道機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

根據(jù)仿生學(xué)的知識，這種仿生足式管道機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)分為底座部、股部和小腿三個(gè)部分，初步設(shè)定基節(jié)長為48mm，股節(jié)長為75mm，脛節(jié)長為142mm。本文通過多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人的直線行進(jìn)以及轉(zhuǎn)向功能。管道機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)均由單獨(dú)的舵機(jī)進(jìn)行控制，這大大拓展了機(jī)器人的運(yùn)動自由度，使得管道機(jī)器人具有更靈活的運(yùn)動性能，適應(yīng)更復(fù)雜的工作，同時(shí)也大大提升了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡易型和通用性，關(guān)節(jié)的活動范圍為-90～90°，設(shè)計(jì)時(shí)加入一個(gè)減速器來提升電機(jī)的輸出功率。管道機(jī)器人的本體部分采用近似正圓的結(jié)構(gòu)，能夠避免機(jī)器人相鄰機(jī)械足的碰撞，并且有效提升管道機(jī)器人的穩(wěn)定性，如圖4所示。

管道機(jī)器人的本體選擇直徑為200mm的圓形結(jié)構(gòu)，仿生足式機(jī)器人站立時(shí)高約為67mm，機(jī)器人相鄰兩足間距為60°，并且具有3個(gè)自由度，分別由3個(gè)獨(dú)立的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，機(jī)器人與機(jī)械腿相連的位置由一個(gè)電機(jī)提供繞Z軸轉(zhuǎn)動的自由度，機(jī)器人小腿位置自由度采用電機(jī)相連剛性相連的方式，最后在關(guān)節(jié)內(nèi)加上一個(gè)伸縮機(jī)構(gòu)，使得機(jī)器人能夠進(jìn)行末端伸長運(yùn)動，同時(shí)為了提供更穩(wěn)定的支撐能力，在仿生足底裝配有吸盤裝置，能夠?yàn)闄C(jī)器人工作提供穩(wěn)定性。

2.2 仿生足式機(jī)器人傳動齒輪設(shè)計(jì)

由于管道機(jī)器人質(zhì)量相對較小，因此齒輪選擇PVB材料即可，選擇7級齒輪精度，小齒輪的齒數(shù)Z1=16，傳動比i=1.5，大齒輪齒數(shù)Z2=24，壓力角 。

點(diǎn)蝕是導(dǎo)致傳動中齒輪損壞的重要原因，因此根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度及齒跟的彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核有：

（1）

式中：齒寬系數(shù) ， ，小齒輪傳遞的扭矩為 。

計(jì)算兩個(gè)齒輪并進(jìn)行對比，選擇最大值帶入公式（其中 ， ）有：

， （2）

按小齒輪進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，則：

（3）

圓周速度為：

（4）

設(shè)計(jì)傳動齒輪的幾何參數(shù)及計(jì)算公式如表1所示。

2.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)之前計(jì)算的舵機(jī)扭矩本文選擇45號鋼作為軸的制作材料。

（5）

式中， 表示軸上的傳遞扭矩，值為： 。許用切應(yīng)力 。代入式（5）得到軸的直徑為3mm。

2.4 管道機(jī)器人舵機(jī)選擇

舵機(jī)是殼體、核心板、電機(jī)、小齒輪的組合。以控制基板的信號傳輸?shù)睫D(zhuǎn)向齒輪，通過IC控制板判斷旋轉(zhuǎn)方向，啟動驅(qū)動電機(jī)核心并通過減速器驅(qū)動舵機(jī)。仿生足式管道機(jī)器人的六足利用電機(jī)驅(qū)動方式，采用微型直流角位移伺服電機(jī)、DC電機(jī)、減速齒輪、電位計(jì)以及控制電路。驅(qū)動信號為脈沖信號，轉(zhuǎn)角及其寬度之間呈線性關(guān)系，為了保證電機(jī)各個(gè)方向自由運(yùn)動則需保持舵機(jī)的初始位置時(shí)候?yàn)?0°，以便控制機(jī)器人腿部的前進(jìn)和后退。根據(jù)所需要的扭矩選擇FUTUBA系列S15轉(zhuǎn)向器。

3、仿生足式管道機(jī)器人三維建模

本文運(yùn)用三維實(shí)體建模軟件Unigraphics（UG）進(jìn)行仿生足式管道機(jī)器人的模型建立，并呈現(xiàn)出相關(guān)不見的連接關(guān)系。UG是常用機(jī)械自動化設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)過程中可以進(jìn)行特征尺寸和約束的建立，限制結(jié)構(gòu)的位移和轉(zhuǎn)角，完成整體模型的仿真工作。仿生足式管道機(jī)器人總體三維建模如圖4所示。選用18個(gè)電機(jī)裝置來控制整個(gè)管道機(jī)器人的總體運(yùn)動，包括轉(zhuǎn)動和伸長運(yùn)動，由于采用三角步態(tài)運(yùn)動，故機(jī)械足之間的運(yùn)動是相同的，為了使得管道機(jī)器人具有更高的靈活度須采用18個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制。

管道機(jī)器人機(jī)械足及機(jī)械足末端位置如圖5、圖6所示。管道機(jī)器人機(jī)械足第一個(gè)自由度通過轉(zhuǎn)向齒輪驅(qū)動前后擺動及旋轉(zhuǎn)，管道機(jī)器人機(jī)械腿第二個(gè)自由度，通過轉(zhuǎn)向齒輪的驅(qū)動實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)上下運(yùn)動，第三個(gè)自由度由轉(zhuǎn)向齒輪控制通過關(guān)節(jié)束縛來回移動。機(jī)械足末端可以實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動，能夠提升機(jī)器人重心并增加通過性，并且機(jī)械足末端采用吸盤裝置，提高適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

本文主要對仿生足式管道機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)管道機(jī)器人為六足可伸縮式，能夠?qū)崿F(xiàn)管道壞點(diǎn)勘測并通過加載模塊化設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，可伸縮的設(shè)計(jì)使得機(jī)器人能夠有效避免管道內(nèi)殘余液體對機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的損壞。仿生足式管道勘測機(jī)器人是一個(gè)新興的多學(xué)科領(lǐng)域，許多關(guān)鍵技術(shù)亟待解決和完善。

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