支撐式油氣管道機器人機構(gòu)牽引設(shè)計與仿真研究

楊彩霞，黎建軍，許曉東

（中國計量大學(xué)，浙江 杭州 310018）

油氣管道是運輸石油、天然氣的重要途徑，由于介質(zhì)的特殊性，對油氣管道的安全性提出了較高的要求。隨著管道使用年限的增加，因管道裂縫、腐蝕或人為破壞等原因造成石油、天然氣泄漏而引發(fā)的事故危害極大，嚴重危害人們的生命、財產(chǎn)安全。由于地下空間情況非常復(fù)雜，天然氣管道、石油管道、電力管道、自來水管、電纜、通訊管線等數(shù)量繁多，造成地下空間擁擠，各類管線鋪設(shè)錯綜復(fù)雜，如果不清楚地下管線的分布情況，后續(xù)的施工會破壞原先的管道，其中，天然氣管道一旦被破壞，輕則漏氣，重則發(fā)生爆炸造成人員傷亡，后果不堪設(shè)想。

本文主要對管道機器人進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動控制研究，使其作為載體攜帶相關(guān)檢測裝置進行位置檢測，以備工程施工作為數(shù)據(jù)參考，避免對管道的損傷和破壞。管道機器人現(xiàn)有的主動運動方式大致分為輪式、履帶式、蠕動式、螺旋式等；還有多足行走式、蛇形機器人等，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大或者不能攜帶檢測裝置等缺點，應(yīng)用范圍較小。通過以上的對比分析，我們選擇輪式作為本研究油氣管道機器人的運動方式，下面將針對輪式管道機器人的變徑機構(gòu)進行對比分析。

1 管道機器人工作原理與機構(gòu)設(shè)計

1.1 工作原理

支撐式自適應(yīng)結(jié)構(gòu)主要由變徑機構(gòu)和傳動機構(gòu)兩大部分組成，其中變徑機構(gòu)沿管道徑向做伸縮運動，傳動機構(gòu)使得機器人沿管道軸向做前進后退運動。如圖1.2 所示為支撐式自適應(yīng)結(jié)構(gòu)原理圖（如圖1）。

支撐式自適應(yīng)管道機器人系統(tǒng)工作原理如下：

（1）機器人變徑機構(gòu)采用剛性和柔性調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式實現(xiàn)變徑功能。其中，剛性調(diào)節(jié)機構(gòu)由步進電機1、齒輪傳動機構(gòu)2、螺母4、連桿機構(gòu)5、正反牙絲杠6 組成，柔性調(diào)節(jié)機構(gòu)由壓縮彈簧3 組成。剛性調(diào)節(jié)機構(gòu)和柔性調(diào)節(jié)機構(gòu)分別代表主動調(diào)節(jié)以及被動調(diào)節(jié)兩種方式。當(dāng)機器人在行走過程中遇到障礙物引起沖擊載荷時，彈簧起緩沖作用并實現(xiàn)微小變徑。

（2）機器人傳動機構(gòu)由直流電機7、差速機構(gòu)8、齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動10、帶傳動11 構(gòu)成。其中，差速機構(gòu)原理如圖2，關(guān)于差速機構(gòu)的設(shè)計，我們借鑒汽車差速器原理，并結(jié)合整體結(jié)構(gòu)在管道空間的周向支撐式特點，設(shè)計適合該結(jié)構(gòu)的差速機構(gòu)，并通過一系列傳動機構(gòu)將動力傳遞到位于下方120 度分布的行進輪，下面分析差速機構(gòu)的動力傳遞過程。該差速機構(gòu)的動力輸入是由電機經(jīng)直齒輪1 傳遞給直齒輪2，與直齒輪2 相連的支撐架實際上相當(dāng)于行星架，當(dāng)機器人在直管道運行時，行進輪12 轉(zhuǎn)速相等，此時，齒輪2、3、4、5 可視為整體，當(dāng)機器人在彎管中行走時，行進輪速度不相等，齒輪3 相當(dāng)于行星齒輪，除繞本身軸線自轉(zhuǎn)外，同時，繞齒輪4 所在的軸線公轉(zhuǎn)，齒輪4 與齒輪5 發(fā)生相對運動，齒輪6 與齒輪8 獲得不同的速度，并將動力傳遞到下一級。

假設(shè)輸入轉(zhuǎn)速為n1，可求得差速機構(gòu)的輸入轉(zhuǎn)速n2為：

根據(jù)以上所述差速機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點得到：

其中：

因此得到：

同時，由圖2 得到：

因此得到：

式 中：z1、z2為 直 齒 輪1、2 的 齒 數(shù)，z4、z5、z6、z7、z8、z9分別為錐齒輪4、5、6、7、8、9 的齒數(shù)。傳遞至齒輪7 和齒輪9 的動力，再由齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、帶傳動驅(qū)動行進輪。

控制系統(tǒng)9 完成對變徑機構(gòu)和傳動機構(gòu)的控制任務(wù)，分別控制兩大機構(gòu)的驅(qū)動元件，即步進電機1 和直流電機7。為了實現(xiàn)機器人的變徑功能，在行進輪與軸之間安裝壓力傳感器，當(dāng)壓力傳感器的值大于或小于某一范圍時，將信息反饋至控制系統(tǒng)，控制直流電機停止轉(zhuǎn)動，改變步進電機的轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)機器人的變徑功能。需要說明的是，由于管道的特殊性，機器人除了本身的前進和伸縮自由度外，不可避免地會沿著管道周向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，引起機器人姿態(tài)角的變化。

1.3 機構(gòu)設(shè)計

管道機器人模型如圖3 所示，其中鈑金件7 起支撐和定位作用，變徑機構(gòu)中的齒輪傳動機構(gòu)由中心齒輪1 和呈120度周向均勻分布的三個變徑周向齒輪3 組成，通過前定位板4 定位，其中，中心齒輪1 共兩個，其一傳動變徑周向齒輪3，另一個與同步傳動齒輪2 嚙合，兩組齒輪傳動比相同，變徑周向齒輪3 和同步傳動齒輪2 分別與雙旋向絲杠連接，雙旋向絲杠由中間分別至兩端固定塊處螺紋旋向相反。與變徑周向齒輪3 連接的雙旋向絲杠上的固定塊至前后定位板4、8處絲杠為光滑面，與絲杠平行的定向軸6 約束微調(diào)滑塊5 和螺母的旋轉(zhuǎn)自由度，使其隨著絲杠的轉(zhuǎn)動而平動，固定塊對微調(diào)滑塊5 起限位作用，微調(diào)滑塊5 與后定位板8 之間安裝壓縮彈簧。同步傳動齒輪2 傳動的雙旋向絲杠與鈑金件7 通過螺母連接，保證了傳動機構(gòu)與變徑過程中螺母運動的同步性；差速機構(gòu)將動力傳遞至錐齒輪，直齒輪，并通過蝸輪蝸桿將動力傳遞至下方兩組120 分布的行進機構(gòu)，最終通過帶傳動將動力傳遞給行進輪。

圖3 機器人結(jié)構(gòu)圖

2 油氣管道機器人仿真分析

為縮短開發(fā)周期、降低成本，在制造實物樣機之前，采用虛擬樣機技術(shù)對機器人系統(tǒng)進行分析評估。ADAMS（Autom atic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）虛擬樣機技術(shù)利用計算機軟件建立機械系統(tǒng)的三維模型和運動學(xué)模型，通過對系統(tǒng)進行仿真分析，得到各部件的運動情況以及相關(guān)零件的受力情況，從而對機器人模型進行修改、不斷改進系統(tǒng)，獲得最佳的設(shè)計方案，再制造物理樣機。

2.1 傳動機構(gòu)仿真分析

本文中行進輪半徑為50.75mm。至此，可以根據(jù)行進輪的最小速度要求，推算出電機的最小輸出轉(zhuǎn)速。

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中機器人的行進速度不小于1m/min，因此可以得到行進輪所需的最小轉(zhuǎn)速：

由于各級傳動比分別為4:3、1:1、7:10 和1:30，則電機的最小輸出速度如下:

根據(jù)式（3-2）的計算結(jié)果，電機輸入轉(zhuǎn)速至少為87.8r/min，我們選擇添加驅(qū)動Motion 的轉(zhuǎn)速大小設(shè)置為100r/min，即600°/s。得到機器人行進輪的輸出轉(zhuǎn)速，如圖4 所示。

圖5 質(zhì)心運動位移 速度曲線

其中，曲線1 ～4 所示的是由傳動機構(gòu)驅(qū)動的四個具有主動行走能力的行進輪，角速度大約為22.5°/s，與最上方兩個輪無自主行走能力，由曲線5 ～6 表示，波動較大。但基本也維持在與其他輪速相等的狀態(tài)。

2.2 模擬管內(nèi)運行

設(shè)管道機器人傳動機構(gòu)的驅(qū)動轉(zhuǎn)速為100r/min，鑒于管道長度的限制，仿真時間不能太長，否則，機器人走過的位移以及超出管道范圍。此處仿真時間設(shè)置為8s，步數(shù)50，將前擋板的中心位移視為整個管道機器人的位移，隨時間的變化關(guān)系如圖5 所示。

曲線圖中，左側(cè)縱坐標(biāo)表示機器人的位置，右側(cè)縱坐標(biāo)表示機器人的運動速度。由曲線可以看出機器人在8s 內(nèi)位移量大約150mm，平均速度在18 ～20mm/s 內(nèi)波動，即1.08～1.2m/min，基本維持穩(wěn)定。也可結(jié)合圖3.3 的仿真結(jié)果，角速度為22.5°/s，可以計算出行進輪的前進速度為：

與圖3.4 仿真結(jié)果近似，且滿足速度要求：

2.3 牽引力仿真測試

通過仿真來測試管道機器人的牽引力，由于無法直接測量牽引力，因此彈簧力來測量。具體方法如下：

（1）新建MARKER 點，選擇在管道上建立一點，為了方便，我們將該點的位置放置在管道中心線的末端；

（2）新建彈簧，選擇彈簧的彈性系數(shù)K=5N/mm，選擇新建點與機器人后定位板的中心點作為彈簧兩端的連接點；

（3）點擊仿真按鈕，并測量彈簧力，如果彈簧力隨著機器人在管內(nèi)的前進而增大，并且還沒有達到穩(wěn)定值時，則將仿真時間延長，直至輸出的力曲線為平穩(wěn)狀態(tài)。經(jīng)過多次仿真試驗，選擇仿真時間為20s。如圖6 所示。

圖6 牽引力測試曲線

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，管道機器人在管內(nèi)運行約0 ～4s，機器人保持前進狀態(tài)，且彈簧力也在增大，當(dāng)運行時間大于4s 后，機器人的位移基本保持不變，彈簧力也維持在基本穩(wěn)定狀態(tài)，此時，趨于穩(wěn)定狀態(tài)下的彈簧力即為所測得的機器人最大牽引力，大小為109N。

3 結(jié)語

本文的主要研究內(nèi)容包括：對機器人的機械結(jié)構(gòu)進行方案設(shè)計與選擇，對比分析了支撐式可變徑獨立控制機構(gòu)、車載升降式機構(gòu)以及支撐式自適應(yīng)管徑機構(gòu)各自的優(yōu)缺點，確定支撐式自適應(yīng)管徑機構(gòu)作為最終的結(jié)構(gòu)方案，并對其做了進一步的分析；結(jié)合管道的特點對機器人在管內(nèi)空間的姿態(tài)偏轉(zhuǎn)問題進行分析，并依次建立運動學(xué)方程，靜力學(xué)模型，分析了機器人行進輪的速度。根據(jù)機器人的結(jié)構(gòu)特點，對機器人的變徑機構(gòu)進行參數(shù)化建模，優(yōu)化了變徑機構(gòu)的尺寸，并通過ADAMS 仿真得到機器人在直徑為φ600～φ700mm 時各個量的變化情況，模擬了管道機器人受到?jīng)_擊載荷時對機器人變徑機構(gòu)受到的最大水平推力的影響，為控制系統(tǒng)中電機的選型提供了理論依據(jù)；此外，建立了機器人管內(nèi)運動的模型，通過仿真得到機器人各個行進輪輸出的速度曲線、機器人整體位移曲線和平均速度曲線、機器人的牽引力曲線，得到機器人的行進速度大約為1.196m/min，牽引力約109N。