履帶式管道機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

崔向貴 張繼忠 姜錦華

摘要：針對(duì)現(xiàn)有管道機(jī)器人變徑方式單一、越障能力不足等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種具有自適應(yīng)和主動(dòng)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(dòng)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(duì)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(shí)，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(dòng)力學(xué)仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP242

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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(dòng)力學(xué)及數(shù)字化設(shè)計(jì)。

管道運(yùn)輸作為中國(guó)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(guó)油氣管道的總里程已經(jīng)達(dá)到15.0萬(wàn)千米[1]，且油氣管道的建設(shè)長(zhǎng)期保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。但隨著地下空間的開(kāi)發(fā)和服役年限的增長(zhǎng)，管道會(huì)出現(xiàn)腐蝕、裂紋甚至斷裂[2-3]，若不及時(shí)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(cè)勞動(dòng)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(dòng)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(guò)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(shí)，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(guó)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(dòng)帶動(dòng)兩桿件發(fā)生一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)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(dòng)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(shí)的干涉問(wèn)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(cè)、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(dòng)適應(yīng)的履帶式管道機(jī)器人，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)變徑機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得機(jī)器人能夠越過(guò)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(jiàn)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(dòng)適應(yīng)功能的履帶式管道機(jī)器人，綜合考慮所需驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)力適中，搭載彈簧可使機(jī)器人具備一定柔性，能解決過(guò)彎或者越障時(shí)的干涉問(wèn)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(lái)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(guò)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(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)方向相一致的摩擦力并帶動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)[18]；每個(gè)履帶輪都裝有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)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(cè)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(shí)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(tái)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(dòng)力學(xué)仿真

2.1 仿真模型的創(chuàng)建

機(jī)器人主動(dòng)變徑時(shí)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠一起轉(zhuǎn)動(dòng)即可驅(qū)動(dòng)螺母實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)，隨著螺母移動(dòng)同步盤等構(gòu)件帶動(dòng)桿件產(chǎn)生一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)即可帶動(dòng)履帶行走模塊發(fā)生平動(dòng)實(shí)現(xiàn)變徑；自動(dòng)適應(yīng)管徑時(shí)，通過(guò)碟形彈簧的壓縮或伸長(zhǎng)帶動(dòng)同步盤移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)變徑。為探求機(jī)器人的越障性能，本文對(duì)機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)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(dòng)力學(xué)仿真。利用SolidWorks建立三維模型，簡(jiǎn)化后導(dǎo)入ADAMS中，創(chuàng)建動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖3所示。在機(jī)器人管徑的變化過(guò)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(hào)為C20 GB/T 1972—2005的碟形彈簧對(duì)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(shí)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(guò)程中，組合碟形彈簧壓縮量的變化、主動(dòng)曲柄和從動(dòng)曲柄對(duì)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(dòng)副處X方向力的變化以及主動(dòng)曲柄與小連桿之間轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)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(dòng)曲柄和從動(dòng)曲柄對(duì)大連桿在Y方向的合力從209 N增加至243 N，即經(jīng)過(guò)傳遞后機(jī)器人對(duì)管道內(nèi)壁的壓力由209 N增加至243 N；主動(dòng)曲柄與小連桿之間的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)曲柄和小連桿之間添加的轉(zhuǎn)動(dòng)副處合力由262 N增加至296 N，達(dá)到變徑過(guò)程此轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)曲柄、從動(dòng)曲柄和連桿的長(zhǎng)度以及前后支架的鉸點(diǎn)的位置對(duì)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(dòng)曲柄和從動(dòng)曲柄的長(zhǎng)度、小連桿的長(zhǎng)度以及主動(dòng)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(dòng)曲柄中間鉸點(diǎn)的橫坐標(biāo)和主動(dòng)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(duì)管道內(nèi)壁的正壓力作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電機(jī)輸出的保持力矩一定時(shí)，機(jī)器人對(duì)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(dòng)曲柄和從動(dòng)曲柄對(duì)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(shí)，若壓力太大，碟形彈簧會(huì)被壓平甚至發(fā)生倒翻，優(yōu)化時(shí)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(shí)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(guò)對(duì)設(shè)計(jì)變量的約束和自動(dòng)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(guò)多次迭代，得到迭代前后各參數(shù)對(duì)比情況，見(jiàn)表1。

管道機(jī)器人的步進(jìn)電機(jī)提供相同保持力矩時(shí)，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(dòng)曲柄和從動(dòng)曲柄的長(zhǎng)度l1由原來(lái)的77 mm縮短為74.6 mm，縮短了3.12%；主動(dòng)曲柄中間鉸點(diǎn)的位置向大連桿端移動(dòng)了5.3 mm，小連桿的長(zhǎng)度l2由原來(lái)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(dòng)適應(yīng)管徑從240 mm變化到235 mm時(shí)，主動(dòng)曲柄和從動(dòng)曲柄對(duì)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(guò)程中，管道機(jī)器人對(duì)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(dòng)適應(yīng)能力，由動(dòng)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(duì)管道內(nèi)壁的最大正壓力為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)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。

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