新型變徑管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)

常生，劉玉良，王忠超

（浙江海洋大學(xué) 海洋工程裝備學(xué)院，浙江 舟山 316000）

0 引言

油氣管道在各國(guó)的能源傳輸方面起著重要的作用[1-2]，尤其是我國(guó)有著復(fù)雜的油氣管網(wǎng)，隨著油氣管道的使用時(shí)間變長(zhǎng)，地底環(huán)境潮濕和地震等自然災(zāi)害會(huì)造成油氣管道的腐蝕、裂紋和斷裂[3]，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)油氣泄漏污染環(huán)境和安全的問(wèn)題。為了防止發(fā)生油氣泄漏，造成安全事故，就需要定期地對(duì)油氣管道進(jìn)行安全檢測(cè)。如果采用人工挖開(kāi)進(jìn)行檢測(cè)，不僅檢測(cè)效率低，而且成本高[4-5]。目前市面上存在的固定半徑的管道檢測(cè)機(jī)器人，只適應(yīng)同一管徑的管網(wǎng)檢測(cè)，對(duì)于不同管徑的管網(wǎng)卻無(wú)能為力。變徑油氣管道檢測(cè)機(jī)器人就可以自由過(guò)渡不同管徑，可以一次性檢測(cè)不同管徑管網(wǎng)，提高了操作的靈活性和檢測(cè)效率[6-7]。為了能夠使管道機(jī)器人適應(yīng)不同的管徑，國(guó)內(nèi)的管道機(jī)器人研究者設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的變徑管道機(jī)器人，例如：石家莊鐵道大學(xué)的張保真等[8]針對(duì)管道機(jī)器人對(duì)管道半徑的適應(yīng)性，基于升降機(jī)式與滾珠絲杠螺母副式變徑機(jī)構(gòu)，提出了一種滾珠絲杠螺母副三角升降式變徑機(jī)構(gòu)；上海交通大學(xué)的馬嘉翊[9]研發(fā)了一種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用周向三輪定位全驅(qū)機(jī)構(gòu)和雙絲桿曲柄滑塊叉式主動(dòng)變徑機(jī)構(gòu)相結(jié)合，通過(guò)對(duì)稱(chēng)式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)行走及變徑。

為了更好地實(shí)現(xiàn)油氣管道檢測(cè)機(jī)器人的變徑，本文設(shè)計(jì)了一種新型變徑機(jī)構(gòu)，可以靈活地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的變徑，以適應(yīng)不同工況下檢測(cè)作業(yè)。

1 機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人的設(shè)計(jì)原則

1）根據(jù)現(xiàn)有的變徑管道檢測(cè)機(jī)器人，設(shè)計(jì)一種新型連桿結(jié)構(gòu)的管道機(jī)器人的變徑機(jī)構(gòu)；2）采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，增大機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)性能和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，便于機(jī)器人在油氣管道內(nèi)穩(wěn)定地作業(yè)；3）采用傳統(tǒng)的同軸、不同向的齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)連桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變徑；4）節(jié)約成本，在實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人的各種功能的前提下，盡可能使機(jī)器人的體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。

1.2 機(jī)器人工作原理

機(jī)器人在水平管道中運(yùn)行時(shí)，履帶行走機(jī)構(gòu)的橡膠履帶與管道內(nèi)壁接觸，管道內(nèi)壁與橡膠履帶的摩擦力為機(jī)器人提供動(dòng)力。水平管中運(yùn)行的機(jī)器人，兩側(cè)履帶行走裝置不需要張開(kāi)太大角度，只需要履帶與管道內(nèi)壁接觸，就可以滿足機(jī)器人的正常行走。機(jī)器人在豎直管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，可以控制變徑機(jī)構(gòu)收放以適應(yīng)管道內(nèi)不同管徑的變化，保持變徑管道機(jī)器人本體中心線與油氣管道的中心軸線保持平行。就需要機(jī)器人的履帶行走機(jī)構(gòu)張開(kāi)180°以抵在油氣管道內(nèi)壁。機(jī)器人內(nèi)部的同軸、不同向的齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)工作，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，分布在機(jī)器人本體上的圓環(huán)隨著齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，左右兩邊的圓環(huán)轉(zhuǎn)向相反，帶著履帶固定架向上和向外運(yùn)動(dòng)，一方面，抬高了履帶行走機(jī)構(gòu)，使其與管道直徑平行；另一方面，擴(kuò)展了機(jī)器人的伸展寬度。使橡膠履帶緊緊地抵在管道內(nèi)壁，防止機(jī)器人滑落，為機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)提供足夠的摩擦力。

1.3 機(jī)器人的整體組成結(jié)構(gòu)

如圖1所示，通過(guò)三維制圖軟件SolidWorks建模零件和裝配變徑管道機(jī)器人的三維模型，主要包括機(jī)器人主體、圓環(huán)、連接架、履帶固定架、履帶行走機(jī)構(gòu)等。

圖1 變徑管道機(jī)器人的整體組成結(jié)構(gòu)

2 變徑管道機(jī)器人關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 履帶式行走機(jī)構(gòu)

與傳統(tǒng)的履帶式行走機(jī)構(gòu)不同，該履帶式行走機(jī)構(gòu)沒(méi)有直接與機(jī)器人本體相連接，而是通過(guò)履帶固定結(jié)構(gòu)與本體間接相連，一方面是機(jī)器人變徑結(jié)構(gòu)的一部分，另一方面是管道機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)。使得管道機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)輕松變徑，讓機(jī)器人的變徑與行走變得更加靈活。

履帶式行走機(jī)構(gòu)中的履帶采用橡膠履帶，由于材質(zhì)的原因，在機(jī)器人行走過(guò)程中，橡膠履帶會(huì)產(chǎn)生比金屬履帶更大的摩擦力，特別是管道機(jī)器人運(yùn)行在有一定傾角或者豎直管道內(nèi)時(shí)，橡膠材質(zhì)的履帶的摩擦效果會(huì)更顯著。履帶式行走機(jī)構(gòu)與油氣管道壁面的接觸面積大，可以為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供足夠的摩擦力，增加機(jī)器人的負(fù)載能力。但履帶的整體結(jié)構(gòu)比較笨重，需要的轉(zhuǎn)彎半徑大，故在制作過(guò)程中要采用輕質(zhì)材料組裝履帶式行走機(jī)構(gòu)。履帶式行走機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 履帶式行走機(jī)構(gòu)

2.2 管道機(jī)器人變徑系統(tǒng)

機(jī)器人的整個(gè)變徑系統(tǒng)如圖3所示，包括機(jī)器人的變徑結(jié)構(gòu)和變徑驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。機(jī)器人的變徑機(jī)構(gòu)采用了傳統(tǒng)的連桿機(jī)構(gòu)，機(jī)器人主體上有4個(gè)帶有齒輪的圓環(huán)，這4個(gè)圓環(huán)是實(shí)現(xiàn)變徑的主要零件，可將4個(gè)圓環(huán)理解為連桿機(jī)構(gòu)的一部分。通過(guò)銷(xiāo)將圓環(huán)、連接架和履帶行走機(jī)構(gòu)的固定架聯(lián)接起來(lái)。履帶式行走機(jī)構(gòu)與履帶行走機(jī)構(gòu)固定架類(lèi)似于另一個(gè)連桿。前后各有2個(gè)這種連桿機(jī)構(gòu)，在同軸不同向的齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)變徑。前后2個(gè)連桿機(jī)構(gòu)分別與1個(gè)齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相連。在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，齒輪結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)左右4個(gè)圓環(huán)同時(shí)向上或向下運(yùn)動(dòng)，上面2個(gè)圓環(huán)的上下擺動(dòng)主要是用于調(diào)節(jié)履帶行走機(jī)構(gòu)的高度，下面2個(gè)圓環(huán)的上下擺動(dòng)主要是用于調(diào)節(jié)履帶行走機(jī)構(gòu)的角度，便于增大履帶與油氣管道內(nèi)壁的接觸面積。

圖3 機(jī)器人的變徑系統(tǒng)

3 管道機(jī)器人的整體裝配

在對(duì)新型變徑管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用的是以本體為中心向周?chē)鷶U(kuò)散的裝配方法，首先要對(duì)變徑機(jī)器人的各種機(jī)械零件和裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。使用SolidWorks 三維建模軟件完成機(jī)器人全部零件的設(shè)計(jì)和建模，并通過(guò)對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行合理的配合，組裝成整體機(jī)器人的裝配體，如圖4所示。

圖4 變徑管道機(jī)器人的整體裝配

4 結(jié)論

油氣管道是我國(guó)主要的能源輸送方式之一，油氣管道的好壞直接決定了油氣運(yùn)輸?shù)男?。油氣管道檢測(cè)變徑機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研發(fā)決定了油氣管道的檢測(cè)質(zhì)量?，F(xiàn)在市面上少有用于管道內(nèi)變徑的機(jī)器人，因此設(shè)計(jì)一種能適應(yīng)不同管徑的管道機(jī)器人是一種必要的途徑。對(duì)于變徑管道機(jī)器人，主要有以下幾個(gè)方面的研究：1）主要針對(duì)能夠適應(yīng)油氣變徑管道復(fù)雜情況的變徑管道機(jī)器人進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種新型變徑結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)直徑范圍為300～350 mm的油氣管道；2）一種新型的連桿結(jié)構(gòu)的機(jī)器人變徑結(jié)構(gòu)，連桿結(jié)構(gòu)變徑靈活，能夠完成一定范圍的變徑，并保證機(jī)器人的履帶機(jī)構(gòu)能夠很好地接觸到油氣管道內(nèi)壁；3）傳統(tǒng)的機(jī)械齒輪結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)同軸不同向的轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)靈活，并在一定程度上節(jié)省了空間，減少了機(jī)器人的制造成本；4）改造的履帶式行走機(jī)構(gòu)，兼顧管道機(jī)器人的變徑和行走功能，橡膠式履帶可以增大與油氣管的接觸面積，增大摩擦力，提高驅(qū)動(dòng)能力和負(fù)載能力；5）采用三維建模軟件SolidWorks對(duì)機(jī)器人的各個(gè)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模和裝配，直觀地體現(xiàn)出變徑管道機(jī)器人的整體情況，為搭建實(shí)物提供了依據(jù)。雖然本文設(shè)計(jì)的是針對(duì)油氣管道的變徑機(jī)器人，但是經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，該機(jī)器人在其他類(lèi)似的工程管道中也具有很好的實(shí)用性。