论文部分内容阅读
摘 要：本文给出了一种自适应管道爬行机器人的设计方案。对机器人的结构、原理和运动特点做了介绍。针对不同环境对机器人做了适应性实验。实验表明：该系统具有很强的管道适应能力，运动平稳可靠。
关键词：管道机器人 自适应行走机构 适应性分析 控制系统
Design of an adaptive crawling pipeline robot research
Li Yao Peng Sanhe DengYue
（College of Mechanical Engineering Yangtze University， Hu Bei 434023，China）
Abstract： This paper presents a design scheme of adaptive crawling in-pipe robot. The structure， principle and motion characteristics of robot is presented. According to different environment adaptability for robots to do the experiments show that this system has a strong ability to adapt， in-pipe movement is stable and reliable.
Key words： In-pipe robot Adaptive motion mechanism Adaptability analysis Control system
近年来，随着现代工业的快速发展，各种管道应用的越来越广泛。如，自来水管道、煤气管道、化工管道、石油管道、地下电缆管道等等。这些管道在使用过程都会出现泄漏、堵塞、沉淀物积累等问题，这就需要对管道进行检测、维护、清扫，然而空间狭小或环境恶劣等因素使这项工作既繁重又危险，而且很多管道人无法进入，这些场合就必须用到管道机器人。
目前，一些管道机器人已经在投入使用，但他们的行走机构都不能适应在变管径的管道中作业，对非圆管道不兼容，越障能力差是他们普遍存在的不足。故此人们对高性能、多功能、灵活、适应性强的管道机器人的研究和需求日益增加。
管道机器人研究的意义在于可以改善工作人员的作业环境，提高作业效率。为此，我们提出了一种一种自适应管道爬行机器人。这种机器人可以适应不同管径的管道，可以拐弯和适应复杂的管道环境，可以携带各种传感器和操作工具，在操作人员的遥控下完成探伤（腐蚀程度、裂纹，焊接缺陷等）、补口（对接焊缝防腐处理、防腐层缺陷处理等）等机—电—仪一体化作业。
一、自适应管道爬行机器人的结构（The structure of the adaptive crawling pipeline robot）
自适应管道爬行机器人的行走机构包括：带有滑槽的前机体1和后机体15、带有可调铰接18且固连有驱动电机5的前大滑块4、与前大滑块铰接的前右足滑杆2和前左足滑杆17、与前机体铰接的前右足3和前左足16、带有可调铰接13的后大滑块14、与后大滑块铰接的后右足滑杆9和后左足滑杆12、与后机体铰接的后右足10和后左足11、驱动电机上的转盘5、连接转盘和后大滑块的连杆7、支撑电缆连接前后机体的拖链8。
图1 一种自適应管道爬行机器人的结构示意图
Fig. 1 An adaptive crawling pipeline robot structure diagram
1.前机体 2.前右足滑杆 3.前右足 4.前大滑块 5.电机 6.转盘 7.连杆 8.电缆拖链 9.后右足滑杆 10.后右足 11.后左足 12.后左足滑杆 13.后大滑块销 14.后大滑块 15.后机体 16.前左足 17.前左足滑杆 18.前大滑块销 19.支撑轮 20.支撑杆
二、自适应管道爬行机器人的工作原理（Working principle of adaptive crawling pipeline robot）
应用了仿生学原理。充分利用仿尺蠖昆虫的爬行原理，利用曲柄滑块机构实现管道机器人的前行。
实际作业时，工艺过程如下：将机器人放在管道中，使前大滑块处于前机体滑槽的后部，后大滑块处于后机体滑槽的前部，通过控制系统开启电机，转盘转动，连杆随动受拉力，带动后大滑块向前，后大滑块通过两个后滑杆带动两足收拢，脱离管道侧壁，后大滑块通过滑槽前壁推动后机体往前移动，此时，转盘受到阻力通过电机整体传力至前机体，由于前大滑块已处于滑槽最后面，两个前滑杆带动两个前足向管道两侧撑开，足够大的摩擦力抵抗前机体向后移动，结果只能是后机体往前运动。
当转盘转过一定角度时，连杆开始受压力，后大滑块向后移动贴紧后机体滑槽后壁，后两足撑开与管道两侧接触产生摩擦力，后机体不能向后移动，此时，连杆通过转盘、电机带动前大滑块向前，当前大滑块向前消除滑槽中的间隙贴紧滑槽前壁，推动前机体向前运动。前后机体如此交替向前运动，实现在管道中的移动。
当遇到一定曲率半径的弯管时，由于弯道左右曲率半径不一样，撑开的左右足受力不一样，转向侧受力大，相对侧受力小，通过滑杆使大滑块受到一定的侧向力，此侧向力使机体向转向侧移动，实现机体有一定的转向能力。当进行具体作业时，关闭电机，机器人不移动，通过控制系统开启装在前机体上的专业设备，完成机器人所要进行的工作。
三、结论（Conclusion）
本文所设计的机器人运用了仿生学原理，仿尺蠖的爬行，采用曲柄滑块机构实现了机器人在管道中的爬行。能够实现在微型管道中爬行，并且能够在一定曲率半径的弯管中随管道转向；通过改变铰接点的位置和足上弹簧的预压量可以实现在不同管径的管道
中行走和转向。该机器人的爬行原理新颖、结构简单、可靠性高、可调性好、拆装方便、成本低廉、能适应不同口径管道作业。因此，本文设计的管道爬行机器人具有很好的市场前景和广阔的发展空间。
参考文献（References）
[1] 邓宗全，毕德学.管道机器人.机器人技术与应用，1996，（6）：12.14.
[2] 龚振邦等编著.机器人机械设计.北京：电子工业出版社，1995 .
作者介绍：李垚，长江大学，机械工程学院，湖北十堰，团员。
彭三河，长江大学，机械工程学院，副教授。
邓月，长江大学，机械工程学院，河南南阳，团员。
关键词：管道机器人 自适应行走机构 适应性分析 控制系统
Design of an adaptive crawling pipeline robot research
Li Yao Peng Sanhe DengYue
（College of Mechanical Engineering Yangtze University， Hu Bei 434023，China）
Abstract： This paper presents a design scheme of adaptive crawling in-pipe robot. The structure， principle and motion characteristics of robot is presented. According to different environment adaptability for robots to do the experiments show that this system has a strong ability to adapt， in-pipe movement is stable and reliable.
Key words： In-pipe robot Adaptive motion mechanism Adaptability analysis Control system
近年来，随着现代工业的快速发展，各种管道应用的越来越广泛。如，自来水管道、煤气管道、化工管道、石油管道、地下电缆管道等等。这些管道在使用过程都会出现泄漏、堵塞、沉淀物积累等问题，这就需要对管道进行检测、维护、清扫，然而空间狭小或环境恶劣等因素使这项工作既繁重又危险，而且很多管道人无法进入，这些场合就必须用到管道机器人。
目前，一些管道机器人已经在投入使用，但他们的行走机构都不能适应在变管径的管道中作业，对非圆管道不兼容，越障能力差是他们普遍存在的不足。故此人们对高性能、多功能、灵活、适应性强的管道机器人的研究和需求日益增加。
管道机器人研究的意义在于可以改善工作人员的作业环境，提高作业效率。为此，我们提出了一种一种自适应管道爬行机器人。这种机器人可以适应不同管径的管道，可以拐弯和适应复杂的管道环境，可以携带各种传感器和操作工具，在操作人员的遥控下完成探伤（腐蚀程度、裂纹，焊接缺陷等）、补口（对接焊缝防腐处理、防腐层缺陷处理等）等机—电—仪一体化作业。
一、自适应管道爬行机器人的结构（The structure of the adaptive crawling pipeline robot）
自适应管道爬行机器人的行走机构包括：带有滑槽的前机体1和后机体15、带有可调铰接18且固连有驱动电机5的前大滑块4、与前大滑块铰接的前右足滑杆2和前左足滑杆17、与前机体铰接的前右足3和前左足16、带有可调铰接13的后大滑块14、与后大滑块铰接的后右足滑杆9和后左足滑杆12、与后机体铰接的后右足10和后左足11、驱动电机上的转盘5、连接转盘和后大滑块的连杆7、支撑电缆连接前后机体的拖链8。
图1 一种自適应管道爬行机器人的结构示意图
Fig. 1 An adaptive crawling pipeline robot structure diagram
1.前机体 2.前右足滑杆 3.前右足 4.前大滑块 5.电机 6.转盘 7.连杆 8.电缆拖链 9.后右足滑杆 10.后右足 11.后左足 12.后左足滑杆 13.后大滑块销 14.后大滑块 15.后机体 16.前左足 17.前左足滑杆 18.前大滑块销 19.支撑轮 20.支撑杆
二、自适应管道爬行机器人的工作原理（Working principle of adaptive crawling pipeline robot）
应用了仿生学原理。充分利用仿尺蠖昆虫的爬行原理，利用曲柄滑块机构实现管道机器人的前行。
实际作业时，工艺过程如下：将机器人放在管道中，使前大滑块处于前机体滑槽的后部，后大滑块处于后机体滑槽的前部，通过控制系统开启电机，转盘转动，连杆随动受拉力，带动后大滑块向前，后大滑块通过两个后滑杆带动两足收拢，脱离管道侧壁，后大滑块通过滑槽前壁推动后机体往前移动，此时，转盘受到阻力通过电机整体传力至前机体，由于前大滑块已处于滑槽最后面，两个前滑杆带动两个前足向管道两侧撑开，足够大的摩擦力抵抗前机体向后移动，结果只能是后机体往前运动。
当转盘转过一定角度时，连杆开始受压力，后大滑块向后移动贴紧后机体滑槽后壁，后两足撑开与管道两侧接触产生摩擦力，后机体不能向后移动，此时，连杆通过转盘、电机带动前大滑块向前，当前大滑块向前消除滑槽中的间隙贴紧滑槽前壁，推动前机体向前运动。前后机体如此交替向前运动，实现在管道中的移动。
当遇到一定曲率半径的弯管时，由于弯道左右曲率半径不一样，撑开的左右足受力不一样，转向侧受力大，相对侧受力小，通过滑杆使大滑块受到一定的侧向力，此侧向力使机体向转向侧移动，实现机体有一定的转向能力。当进行具体作业时，关闭电机，机器人不移动，通过控制系统开启装在前机体上的专业设备，完成机器人所要进行的工作。
三、结论（Conclusion）
本文所设计的机器人运用了仿生学原理，仿尺蠖的爬行，采用曲柄滑块机构实现了机器人在管道中的爬行。能够实现在微型管道中爬行，并且能够在一定曲率半径的弯管中随管道转向；通过改变铰接点的位置和足上弹簧的预压量可以实现在不同管径的管道
中行走和转向。该机器人的爬行原理新颖、结构简单、可靠性高、可调性好、拆装方便、成本低廉、能适应不同口径管道作业。因此，本文设计的管道爬行机器人具有很好的市场前景和广阔的发展空间。
参考文献（References）
[1] 邓宗全，毕德学.管道机器人.机器人技术与应用，1996，（6）：12.14.
[2] 龚振邦等编著.机器人机械设计.北京：电子工业出版社，1995 .
作者介绍：李垚，长江大学，机械工程学院，湖北十堰，团员。
彭三河，长江大学，机械工程学院，副教授。
邓月，长江大学，机械工程学院，河南南阳，团员。