崔向贵 张继忠 姜锦华

摘要：针对现有管道机器人变径方式单一、越障能力不足等问题，设计了一种具有自适应和主动适应功能的履带式管道机器人。选择丝杠螺母副变径和碟形弹簧组合作为变径机构，动力学仿真验证了碟形弹簧提供的力及其压缩量均能满足越障要求，并对变径机构进行了优化设计。优化结果表明，管道机器人步进电机的输出力矩相同时，机器人传力性能提升了22.3%，能够跨越更大的障碍。

关键词：管道机器人；变径机构；碟形弹簧；动力学仿真；优化设计

中图分类号：TP242

文献标志码：A

文章编号：1006-1037（2023）02-0079-05

doi：10.3969/j.issn.1006-1037.2023.02.13

通信作者：

张继忠，男，教授，主要研究方向为机械系统动力学及数字化设计。

管道运输作为中国五大运输方式之一，因其运量大、费用低、环境效益高、安全可靠等优点而得到快速发展，截至2021年底，中国油气管道的总里程已经达到15.0万千米[1]，且油气管道的建设长期保持增长态势。但随着地下空间的开发和服役年限的增长，管道会出现腐蚀、裂纹甚至斷裂[2-3]，若不及时修复，可能产生爆炸等重大安全事故。人工检修管道成本高、效率低，检测劳动强度大，因此研制管道机器人替代人工检修具有现实意义[4]。履带式管道机器人因具有与管道接触面积大，附着能力强、所需驱动力小等优点而得到广泛应用。加拿大INUKTUN公司研发了双履带式管道机器人，通过调节两履带的夹角使机器人适应不同的管道内径，当履带水平放置时，可在矩形管道内工作，但两履带夹角在工作中不可调节，自适应能力差[5-6]；韩国大邱庆北科技学院研发了一种三履带式管道机器人，由气缸驱动带动两杆件发生一定角度的转动从而带动履带伸缩实现变径，越障能力和负载能力较佳，但气源供给要求严格，机器人的稳定性和灵活性得不到保障[7-8]；PackBot机器人的前后两端安装有鳍状肢结构，可辅助跨越障碍，携带的多种传感器可在未知环境中实现全范围搜索，但被动适应环境的能力较弱[9-10]； 基于圆柱螺旋弹簧的三履带管道机器人具备一定柔性，解决了管道变化时的干涉问题，但变径方式单一，适应内径管径范围有限[11]；关节履带式管道机器人越障能力强，但缺乏一定柔性，只适用于坡度平缓变化的管道[12]；基于行星轮系原理研制的管道机器人移动机构和径向尺寸调节均采用三组行星轮系，能够自动适应管道变化，但适应管径变化的范围较小[13-14]。现有管道尺寸不同、内部存在缺陷等原因，对管道机器人的变径能力提出了更高的要求。传统履带式管道机器人虽然一定程度上能够实现管道的检测、维护等功能，但普遍存在变径方式单一、越障能力差等缺陷。本文利用碟形弹簧和丝杠螺母副变径方式设计了一种具有自适应和主动适应的履带式管道机器人，通过动力学仿真验证了结构设计的合理性，对变径机构优化设计，使得机器人能够越过更大的障碍。

1 管道机器人变径机构的设计及工作原理

1.1 变径机构的设计

变径机构不仅能使管道机器人适应不同的管径变化，还能使其具有一定的柔性，避免干涉与冲击。比较常见的变径方式有蜗轮蜗杆变径、剪叉升降变径、滚珠丝杠螺母副变径、弹簧支撑变径等，每种变径方式都有优缺点及适用范围[15-17]。

本文设计一种具有自适应和主动适应功能的履带式管道机器人，综合考虑所需驱动力的大小、适应管径的范围、越障能力等，变径方式选择丝杠螺母副变径机构，此种变径方式结构简单、驱动力适中，搭载弹簧可使机器人具备一定柔性，能解决过弯或者越障时的干涉问题，达到增强机器人稳定性的目的，采用三履带支撑式来提高机器人的爬坡和越障能力，所设计的变径机构如图1所示。

1.2 机器人的工作原理

根据变径机构类型、所需适应管道内径范围、弯管通过性等，在原有变径机构的基础上设计履带行走模块、检测模块、驱动模块和辅助模块等，利用SolidWorks创建完成履带式管道机器人的模型，如图2所示。

机器人装配三条履带轮，工作时依靠步进电机的保持力矩使三条履带轮紧贴管道内壁而产生足够大的附着力，最终产生与机器人运动方向相一致的摩擦力并带动机器人移动[18]；每个履带轮都装有一个驱动电机，通过调节驱动电机的转速实现转向等功能；机器人的前端搭载了检测模块用于记录管道内壁的实际情况，传送到上位机后经图像识别与处理技术即可判断管道缺陷；后端留有一定的扩展接口，搭载相应的障碍清理装置或者喷涂装置从而完成特定的工作。所设计的管道机器人能够在235～280 mm的管道中工作，可跨越2.5 mm的同心垂直台阶[19]，适应管径变化范围广、爬坡和越障性能更优。

2 变径机构动力学仿真

2.1 仿真模型的创建

机器人主动变径时，步进电机带动丝杠一起转动即可驱动螺母实现左右移动，随着螺母移动同步盘等构件带动杆件产生一定角度的转动即可带动履带行走模块发生平动实现变径；自动适应管径时，通过碟形弹簧的压缩或伸长带动同步盘移动而实现变径。为探求机器人的越障性能，本文对机器人在运行过程中的最困难状态即在240 mm竖直管道中跨越2.5 mm的状态进行动力学仿真。利用SolidWorks建立三维模型，简化后导入ADAMS中，创建动力学仿真模型，如图3所示。在机器人管径的变化过程中碟形弹簧的压缩量的变化值为2.39 mm，完成越障所需的组合碟形弹簧由18片型号为C20 GB/T 1972—2005的碟形弹簧对合而成[20]，Matlab拟合得到组合碟形弹簧特性曲线

其中，x为碟形弹簧自适应管径时的压缩量，mm；y为碟形弹簧提供的弹力，N。

2.2 仿真结果及分析

管道机器人在越障过程中，组合碟形弹簧压缩量的变化、主动曲柄和从动曲柄对大连杆在Y方向合力的变化、小连杆和螺母之间添加的转动副处X方向力的变化以及主动曲柄与小连杆之间转动副处合力的变化如图4～7所示。

机器人在管径由240 mm到235 mm变化的过程中碟形弹簧的压缩量由5.35 mm增至7.74 mm，变化量为2.39 mm，满足越障要求，将碟形弹簧的最大压缩量带入式（1），得到碟形弹簧越障所需的力为223.2 N；主动曲柄和从动曲柄对大连杆在Y方向的合力从209 N增加至243 N，即经过传递后机器人对管道内壁的压力由209 N增加至243 N；主动曲柄与小连杆之间的转动副处X方向的力由206 N增加至223 N，与越障所需提供的223.2 N近似相等，满足越障的需求；主动曲柄和小连杆之间添加的转动副处合力由262 N增加至296 N，达到变径过程此转动副所受力的最大值，为后期探求其应力应变关系提供参考。

3 变径机构的优化设计

3.1 设计变量

变径机构中，大连杆、主动曲柄、从动曲柄和连杆的长度以及前后支架的铰点的位置对其力学性能的影响较大，但若将大连杆和前后支架均优化，则需修改相关装配部件的尺寸，工作量巨大，甚至达不到优化效果，故初选主动曲柄和从动曲柄的长度、小连杆的长度以及主动曲柄中间铰点的位置作为设计变量，本文的变径机构为平行四边形杆系，杆件的尺寸等存在诸多的相关性，最终将主动曲柄中间铰点的横坐标和主动曲柄与大连杆相连接处的铰点的横坐标作为设计变量，分别记作DV_1和DV_2

3.2 目标函数

变径机构的性能特性可用机器人对管道内壁的正压力作为评判标准，当电机输出的保持力矩一定时，机器人对管道内壁的正压力越大，机器人就能够跨越更大的障碍，故以主动曲柄和从动曲柄对大连杆的合力FN在垂直于管壁方向的最大值作为优化目标函数

3.3 约束条件

在自适应压缩碟形弹簧变径时，若压力太大，碟形弹簧会被压平甚至发生倒翻，优化时应考虑碟形弹簧的变形量，一般取碟形弹簧的最大变形量为压平时变形量的0.75倍。所选系列的单片碟形弹簧最大变形量为0.49 mm[20]，则组合碟形弹簧最大变形量为8.82 mm，綜合考虑丝杠螺母与右端的距离、碟形弹簧的安全余量等，确定组合碟形弹簧变形量的安全值为8.28 mm，并作为约束条件。

3.4 优化分析

优化分析是指机械结构在满足组期功能的前提下，通过对设计变量的约束和自动选择，使得目标函数取得最小值或最大值的方法。

参数化模型经过多次迭代，得到迭代前后各参数对比情况，见表1。

管道机器人的步进电机提供相同保持力矩时，机器人传力性能提升了22.3%，机器人能够实现更大障碍的跨越。主动曲柄和从动曲柄的长度l1由原来的77 mm缩短为74.6 mm，缩短了3.12%；主动曲柄中间铰点的位置向大连杆端移动了5.3 mm，小连杆的长度l2由原来的62 mm变化为60.2 mm，缩短了2.9%，在一定程度上达到了轻量化效果。优化后，机器人自动适应管径从240 mm变化到235 mm时，主动曲柄和从动曲柄对大连杆在Y方向的合力的变化情况如图8所示。在自适应过程中，管道机器人对管道内壁的压力从248.6 N变换到273.2 N，与优化前相比较，机器人的传力性能得到了提升。

4 结论

本文设计的管道机器人具有自适应和主动适应能力，由动力学仿真验证了其管径适应能力满足预期要求。以组合碟形弹簧变形量安全值为约束条件，以机器人对管道内壁的最大正压力为优化目标，对机器人变径机构进行了优化分析，得到一种质量更轻、越障能力更强的履带式管道机器人。

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