陈清扬常鹤轩
武汉理工大学物流工程学院湖北武汉430063
摘要：针对现存的集中管道机器人存在的不能够很好的转向，机构复杂可靠性较低，以及不能适应多种管径的缺点，本文利用交替互锁原理提出了一种新型的单驱动式的蠕动型管道机器人设计方案，介绍了该型机器人的基本结构和原理以及设计思路，完成了前后支撑结构，行进机构，以及转向机构的基本设计，并基于ADAMS进行了动力学仿真和设计。该型机器人仅由一个电机驱动，结构简单可靠，可以进行自适应性转向，互锁性能良好，本文着重于方案的设计，其中的研究结果可以为相关管道机器人的设计提供参考。
关键词：交替互锁；单驱动；蠕动式；管道；机器人
近几年来，随着我国石油天然气化工工业的发展，基础设施不断完善，管道作为一种高效的物料运输设施得到了广泛应用。而随着一些管道设备受损老化，给我们的工作人员和生产设备带来了一定的威胁，定期对这些管道进行检测和维护就显得尤为重要。特别是2017年7月2日，贵州晴隆天然气管道燃烧爆炸事故，更是将人们的焦点引回到管道的安装检测上面来。但由于管道设备自身的局限性和安装地点的复杂性，工人通常很难方便地接触到管道设备，并进行设备的检测与维护，人的操作能动性大大受限。为了应对这一工程问题管道机器人应运而生。管道机器人的研究始于20世纪50年代国外，在众多学者的共同努力下取得了许多令人瞩目的科研成果，中国这方面起步较晚，但成果显著。清华大学，上海交通大学，中国科院都相继研发了自己的管道机器人，一些已经进人实际的生活工作中。
为了能够使机器人能够在复杂多样的管道内平稳的前进需要做到以下几点①机器人能够根据管道情况进行自适应转向②机器人结构应简单可靠，并小型化③能够根据需要调整以提供足够功率携带设备④具有一定的管径适应性。近几年，随着不同的工程实际需要，众多学者研发出多种多样驱动方式的管道机器人可供参考，最基本的有8种：管道猪、轮式、履带式、支撑式、行走式、蠕动式、螺旋式和蛇形式。但各自有许多不足之处，比如机械结构过于复杂，无法进行自适应转向，成本过高，可靠性不高，多电机难以实现协同的缺陷，适应管径过于单一。针对以上问题以及设计要求，本文提出了一种新型蠕动式单驱动管道机器人，具有良好的自适应转向能力，结构简单，可靠性高，具有一定的管径适应能力。
1管道机器人基本结构及其工作原理
图一为所设计的管道机器人结构，该机器人可以分成三部分，即前后支撑部分和连杆推动部分，前后支撑结构采用由滑槽旋转盘，三个伸缩杆以及弹性足实现机器人的支撑与制动功能；连杆推动部分由电机，曲柄连杆机构，滑块连杆机构等组成，在电机的带动下实现前后支撑机构的交替伸缩，同时带动连杆推动部分实现机器人的前进动作。机器人的前后支撑部分的旋转盘由一个传动轴联接，仅需一个电机即可带动传动轴实现前后支撑机构中的滑槽旋转盘差位同步转动。传动轴中间由两个万向联轴器相连，使其在能够满足传递扭矩的前提下实现转弯的功能。同时机器人能够在转弯过后，在导向轮的作用下恢复到原始状态下。
如图二为蠕动式单驱动机器人的一个运动循环，其在滑槽转动盘转过120度完成一个周期：前后两支撑机构同时制动状态，前后支撑机构分别放松制动，前支撑机构伸出，在两支撑机构制动状态，前后支撑机构分别制动放松，后支撑机构收缩，前后两支撑机构同时制动状态，从而实现机器人的行进动作。其动作幅度大小，可根据需要通过滑块机构和连杆尺寸参数的修改进行调整。
2管道机器人的参数设计
2.1支撑结构设计
支撑结构的主要设计要求主要有以下几个方面①支撑腿与管壁有足够的摩擦力，以提供向前的推动力②应具有导向滑轮，帮助机构平稳的通过拐弯处③能够具有一定的调整能力使其适应不同的管径，根据以上要求设计了如图三所示的支撑机构：整体结构由如图三所示零件构成，三个伸缩杆在三向套筒中120度布置，伸缩杆可在三向套筒内上下滑动，其中伸缩杆上方固定弹性足，下方的突出轴卡在滑槽旋转盘内部，滑槽旋转盘在三向套筒内部，可在其内部旋转，滑槽旋转盘上滑槽的分布如图所示，每120度的滑槽形状相同，以保证在滑槽旋转盘旋转时，三个伸缩杆的伸缩状态一致。转向功能可通过传动轴上的联轴器实现，其一端连接前支撑机构，另一端连接后支撑机构，中间设置两个万向节联轴器，可实现将前支撑机构的扭矩传递到后支撑机构，在机器人推进过程中，遇到转角可自适应调整角度，以实现机器人转弯的功能。
支撑机构的交替制动作用：其通过两个滑槽旋转盘的角度差设计实现，当一个支撑机构放松并被驱动机构拉动或推出时，另一支撑机构的的弹性足压紧管道内壁，提供足够的牵引力。以此交替前进。
其交替制动原理图如图四所示，图中左边五个图自上而下依次为一个前进工作循环中后支撑结构的滑槽旋转盘和三个伸缩杆的末端的五个状态，对应右边前支撑结构滑槽旋转盘的五个状态。前转动盘滞后于后转动盘60度，两盘同速转动。此处以滑槽旋转盘顺时针转动为例，当后旋转盘处于第一个状态时，伸缩杆处于最高点，因此后支撑结构处于制动状态，对应前滑槽旋转盘位置，其三个伸缩杆也处于伸缩最高点，前支撑结构也处于制动状态。当后转动盘处于第二个状态时，后支撑机构的三个伸缩杆依然处于最高状态，同时前支撑结构伸缩杆处于伸缩最低点。之后三个状态依次通过两滑槽旋转盘和伸缩杆的相互配合可以实现：两支撑机构同时制动，前后支撑机构分别制动放松，两支撑机构同时制动。
2.2行进机构设计
行进机构的结构设计图如图五所示，其由电机，皮带传动机构，曲柄连杆机构，滑块机构，推力传导环，以及连杆组成。当电机转动时，通过皮带机构带动曲柄连杆机构，进而通过曲柄连杆机构带动滑块上下运动，从而使与滑块相连的连杆带动推力传导环，实现前后支撑机构的伸缩。其动作幅度大小，可根据需要通过滑块机构和连杆尺寸参数的修改进行调整。
3设计计算
3.1运动学设计计算
在机器人的一个运动周期内，若要实现机器人的前进，则要在滑槽旋转盘旋转一个120度内，机器人的推动机构要往复推拉一次，即曲柄机构旋转一圈360度。所以为了实现机器人的协调运动，皮带轮机构的传动比应为1：3.
设该机器人要以10米每分钟的运动速度V行进，根据模型零件的尺寸参数（其中一些结构参数以实现运动为主并非最优解），可以得到推动一次前进的距离X=4.67cm，一个运动周期内前进2X，则电机的转速，可以得到电机的转速为35.7转每分钟。
图六为滑槽旋转盘旋转盘完成一个周期的运动所需要的扭矩变化，每秒代表四分之一周期，可发现3.5S左右所需扭矩最大，大约为2N.M。
图七为推进机构完成一次推进与收缩，曲柄所需要的扭矩变化，可发现所需最大扭矩为0.75N.M。根据1：3的传动比，电机需要提供2.25N.M的扭矩。
所选电机额定扭矩应大于以上两部分的最大值之和，结合电机的转速可以确定确定电机的额定功率即。
4应用前景
本文针对现有的管道及其的存在的不足，提供了一种全新的蠕动式管道机器人设计方案该。机器人结构简单可靠，成本相对较低，一定的管径适应能力，同时具有自适应转向能力，可以实现近90度的弯曲管道转向。不需要提供额外的压力，理论上根据不同工况调整弹簧以及伸缩杆的伸缩量，能够适应竖直的管道的爬行。
5结语
随着机器人研究的不断进步和发展，对机器人工作环境的适应性和其自动控制的智能性提出越来越高的要求，因此，在机器人研究过程中，需要综合考虑其机械结构的离散性设计和整体控制的完整性。本文通过对机器人的设计平台进行研究分析，综合其姿态解算和自动控制姿态算法的研究，使机器人很好的适应了复杂的工作环境，实现了自动容错控制功能。该平台的成功设计和姿态控制算法研究适应了机器人发展和进步的需求，通过该平台体现了智能控制机器人在实际应用中的优越性。
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