杨彩霞，黎建军，许晓东

（中国计量大学，浙江 杭州 310018）

油气管道是运输石油、天然气的重要途径，由于介质的特殊性，对油气管道的安全性提出了较高的要求。随着管道使用年限的增加，因管道裂缝、腐蚀或人为破坏等原因造成石油、天然气泄漏而引发的事故危害极大，严重危害人们的生命、财产安全。由于地下空间情况非常复杂，天然气管道、石油管道、电力管道、自来水管、电缆、通讯管线等数量繁多，造成地下空间拥挤，各类管线铺设错综复杂，如果不清楚地下管线的分布情况，后续的施工会破坏原先的管道，其中，天然气管道一旦被破坏，轻则漏气，重则发生爆炸造成人员伤亡，后果不堪设想。

本文主要对管道机器人进行结构设计及运动控制研究，使其作为载体携带相关检测装置进行位置检测，以备工程施工作为数据参考，避免对管道的损伤和破坏。管道机器人现有的主动运动方式大致分为轮式、履带式、蠕动式、螺旋式等；还有多足行走式、蛇形机器人等，但由于其结构复杂，控制难度大或者不能携带检测装置等缺点，应用范围较小。通过以上的对比分析，我们选择轮式作为本研究油气管道机器人的运动方式，下面将针对轮式管道机器人的变径机构进行对比分析。

1 管道机器人工作原理与机构设计

1.1 工作原理

支撑式自适应结构主要由变径机构和传动机构两大部分组成，其中变径机构沿管道径向做伸缩运动，传动机构使得机器人沿管道轴向做前进后退运动。如图1.2 所示为支撑式自适应结构原理图（如图1）。

支撑式自适应管道机器人系统工作原理如下：

（1）机器人变径机构采用刚性和柔性调节相结合的方式实现变径功能。其中，刚性调节机构由步进电机1、齿轮传动机构2、螺母4、连杆机构5、正反牙丝杠6 组成，柔性调节机构由压缩弹簧3 组成。刚性调节机构和柔性调节机构分别代表主动调节以及被动调节两种方式。当机器人在行走过程中遇到障碍物引起冲击载荷时，弹簧起缓冲作用并实现微小变径。

（2）机器人传动机构由直流电机7、差速机构8、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动10、带传动11 构成。其中，差速机构原理如图2，关于差速机构的设计，我们借鉴汽车差速器原理，并结合整体结构在管道空间的周向支撑式特点，设计适合该结构的差速机构，并通过一系列传动机构将动力传递到位于下方120 度分布的行进轮，下面分析差速机构的动力传递过程。该差速机构的动力输入是由电机经直齿轮1 传递给直齿轮2，与直齿轮2 相连的支撑架实际上相当于行星架，当机器人在直管道运行时，行进轮12 转速相等，此时，齿轮2、3、4、5 可视为整体，当机器人在弯管中行走时，行进轮速度不相等，齿轮3 相当于行星齿轮，除绕本身轴线自转外，同时，绕齿轮4 所在的轴线公转，齿轮4 与齿轮5 发生相对运动，齿轮6 与齿轮8 获得不同的速度，并将动力传递到下一级。

假设输入转速为n1，可求得差速机构的输入转速n2为：

根据以上所述差速机构的结构特点得到：

其中：

因此得到：

同时，由图2 得到：

因此得到：

式 中：z1、z2为 直 齿 轮1、2 的 齿 数，z4、z5、z6、z7、z8、z9分别为锥齿轮4、5、6、7、8、9 的齿数。传递至齿轮7 和齿轮9 的动力，再由齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、带传动驱动行进轮。

控制系统9 完成对变径机构和传动机构的控制任务，分别控制两大机构的驱动元件，即步进电机1 和直流电机7。为了实现机器人的变径功能，在行进轮与轴之间安装压力传感器，当压力传感器的值大于或小于某一范围时，将信息反馈至控制系统，控制直流电机停止转动，改变步进电机的转向实现机器人的变径功能。需要说明的是，由于管道的特殊性，机器人除了本身的前进和伸缩自由度外，不可避免地会沿着管道周向发生旋转，引起机器人姿态角的变化。

1.3 机构设计

管道机器人模型如图3 所示，其中钣金件7 起支撑和定位作用，变径机构中的齿轮传动机构由中心齿轮1 和呈120度周向均匀分布的三个变径周向齿轮3 组成，通过前定位板4 定位，其中，中心齿轮1 共两个，其一传动变径周向齿轮3，另一个与同步传动齿轮2 啮合，两组齿轮传动比相同，变径周向齿轮3 和同步传动齿轮2 分别与双旋向丝杠连接，双旋向丝杠由中间分别至两端固定块处螺纹旋向相反。与变径周向齿轮3 连接的双旋向丝杠上的固定块至前后定位板4、8处丝杠为光滑面，与丝杠平行的定向轴6 约束微调滑块5 和螺母的旋转自由度，使其随着丝杠的转动而平动，固定块对微调滑块5 起限位作用，微调滑块5 与后定位板8 之间安装压缩弹簧。同步传动齿轮2 传动的双旋向丝杠与钣金件7 通过螺母连接，保证了传动机构与变径过程中螺母运动的同步性；差速机构将动力传递至锥齿轮，直齿轮，并通过蜗轮蜗杆将动力传递至下方两组120 分布的行进机构，最终通过带传动将动力传递给行进轮。

图3 机器人结构图

2 油气管道机器人仿真分析

为缩短开发周期、降低成本，在制造实物样机之前，采用虚拟样机技术对机器人系统进行分析评估。ADAMS（Autom atic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）虚拟样机技术利用计算机软件建立机械系统的三维模型和运动学模型，通过对系统进行仿真分析，得到各部件的运动情况以及相关零件的受力情况，从而对机器人模型进行修改、不断改进系统，获得最佳的设计方案，再制造物理样机。

2.1 传动机构仿真分析

本文中行进轮半径为50.75mm。至此，可以根据行进轮的最小速度要求，推算出电机的最小输出转速。

根据技术指标中机器人的行进速度不小于1m/min，因此可以得到行进轮所需的最小转速：

由于各级传动比分别为4:3、1:1、7:10 和1:30，则电机的最小输出速度如下:

根据式（3-2）的计算结果，电机输入转速至少为87.8r/min，我们选择添加驱动Motion 的转速大小设置为100r/min，即600°/s。得到机器人行进轮的输出转速，如图4 所示。

图5 质心运动位移 速度曲线

其中，曲线1 ～4 所示的是由传动机构驱动的四个具有主动行走能力的行进轮，角速度大约为22.5°/s，与最上方两个轮无自主行走能力，由曲线5 ～6 表示，波动较大。但基本也维持在与其他轮速相等的状态。

2.2 模拟管内运行

设管道机器人传动机构的驱动转速为100r/min，鉴于管道长度的限制，仿真时间不能太长，否则，机器人走过的位移以及超出管道范围。此处仿真时间设置为8s，步数50，将前挡板的中心位移视为整个管道机器人的位移，随时间的变化关系如图5 所示。

曲线图中，左侧纵坐标表示机器人的位置，右侧纵坐标表示机器人的运动速度。由曲线可以看出机器人在8s 内位移量大约150mm，平均速度在18 ～20mm/s 内波动，即1.08～1.2m/min，基本维持稳定。也可结合图3.3 的仿真结果，角速度为22.5°/s，可以计算出行进轮的前进速度为：

与图3.4 仿真结果近似，且满足速度要求：

2.3 牵引力仿真测试

通过仿真来测试管道机器人的牵引力，由于无法直接测量牵引力，因此弹簧力来测量。具体方法如下：

（1）新建MARKER 点，选择在管道上建立一点，为了方便，我们将该点的位置放置在管道中心线的末端；

（2）新建弹簧，选择弹簧的弹性系数K=5N/mm，选择新建点与机器人后定位板的中心点作为弹簧两端的连接点；

（3）点击仿真按钮，并测量弹簧力，如果弹簧力随着机器人在管内的前进而增大，并且还没有达到稳定值时，则将仿真时间延长，直至输出的力曲线为平稳状态。经过多次仿真试验，选择仿真时间为20s。如图6 所示。

图6 牵引力测试曲线

根据仿真结果可以看出，管道机器人在管内运行约0 ～4s，机器人保持前进状态，且弹簧力也在增大，当运行时间大于4s 后，机器人的位移基本保持不变，弹簧力也维持在基本稳定状态，此时，趋于稳定状态下的弹簧力即为所测得的机器人最大牵引力，大小为109N。

3 结语

本文的主要研究内容包括：对机器人的机械结构进行方案设计与选择，对比分析了支撑式可变径独立控制机构、车载升降式机构以及支撑式自适应管径机构各自的优缺点，确定支撑式自适应管径机构作为最终的结构方案，并对其做了进一步的分析；结合管道的特点对机器人在管内空间的姿态偏转问题进行分析，并依次建立运动学方程，静力学模型，分析了机器人行进轮的速度。根据机器人的结构特点，对机器人的变径机构进行参数化建模，优化了变径机构的尺寸，并通过ADAMS 仿真得到机器人在直径为φ600～φ700mm 时各个量的变化情况，模拟了管道机器人受到冲击载荷时对机器人变径机构受到的最大水平推力的影响，为控制系统中电机的选型提供了理论依据；此外，建立了机器人管内运动的模型，通过仿真得到机器人各个行进轮输出的速度曲线、机器人整体位移曲线和平均速度曲线、机器人的牵引力曲线，得到机器人的行进速度大约为1.196m/min，牵引力约109N。