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1、基于 Solidworks 的履带式管道机器人构造设计与实现张保真; 王战中; 杨晨霞【期刊名称】承德石油高等专科学校学报【年(卷),期】2023(021)004【总页数】7 页(P29-35)【关键词】履带式管道机器人; 行走机构; 变径机构; Solidworks; 试验平台【作 者】张保真; 王战中; 杨晨霞【作者单位】石家庄铁道大学 机械工程学院 河北 石家庄 050043【正文语种】中 文【中图分类】TP391近几十年来，随着我国科技的进步，工业的进展和经济水平的提高，我国管道运输建设取得了巨大的成果。到目前，中国建成油气管道总里程已超过 13 万 km，建成初具规模的跨国、跨区域油
2、气管网1。油气输送管道腐蚀、穿孔或者裂开，都会造成油气泄漏，进而影响四周环境，甚至发生火灾、爆炸等严峻后果。为了保障人民的生命财产安全，社会环境的安定和自然环境不受到破坏，定期对油气输送管道进展检测是格外必要的，管道机器人作为有效的检测设备，可以代替人类执行检测任务2。争论并设计具有实际工程化应用价值的管道机器人能够极大地提高管内检测和管内作业的准确性和牢靠性，提高工作效率，使得人们可以对各类管线承受非挖掘和拆分的方式来进展探测及修复。美国 GE 公司、瑞士 ROSEN 公司等生产了流体驱动式管道机器人 PIG 3，利用机器人两端的管道内流体压力差来供给动力，构造简洁，使用性好。美国卡内基梅隆
3、大学和美国国家能源部共同研发了Explorer 系列模块化轮式燃气管道检测机器人，其承受视觉和漏磁双重检测手段4。邓宗全等5针对海底管道研发出六轮驱动的轮式管道机器人。上海交通大学张云伟等6设计了一种基于丝杠螺母传动，平行四边形轮腿支撑漏磁管道检测机器人。1 管道机器人总体构造与工作原理1.1 设计目标与要求设计一辆管道机器人牵引机构，其能够搭载管道检测模块、管道修复模块和管道清理模块，分别对管道进展检测、修复和清理。设计的管道机器人平台能够适应肯定的管径变化，能够通过垂直管道和大曲率弯管，能够自动的适应管道直径的变化并进展位姿调整，同时也具备定位导航系统和人机交互界面，能够有效的掌握机器人和
4、准确地定位管道有缺陷的位置。机器人变径范围为 340 mm450 mm；牵引力 F200 N；机器人管内平均行进速度为 8 m/min 左右；机器人能在曲率半径 R 大于两倍管径 D 的弯管中平稳运行；机体轴向长度在 650 mm 以内；多电机供给动力；机器人的机构要便利安装和拆解。1.2 基于 Solidworks 的履带式管道机器人总体构造设计从国内外管道机器人的争论现状动身，依据管道机器人的功能与要求，首先提出总体设计方案，进展构造设计；再设计管道机器人的掌握系统，最终进展仿真争论与分析，对管道机器人的体性能进展评估，并提出改进方案。争论内容安排流程如图1 所示：1.3 管道机器人工作原
5、理管道机器人的变径机构在变径过程中既要能顺当通过障碍，又要保证其驱动轮对内管壁有足够的压力来提摩擦力。管道机器人的模型如图 2 所示，其主要由履带足和变径机构组成。变径机构由升降机式变径机构和丝杠螺母式变径机构组合创而来，整个变径机构主要有步进电机、传动齿轮与双旋向滚珠丝杠副组成的主动调整机构和弹簧组等组成的被动调整机构两局部。主动调整机构和被动调整机构最终都需通过调整三组沿管道机器人轴线间隔 120均布的支撑杆系来掌握管道机器人径向大小的变化。滚珠丝杠副沿管道机器人中心轴线布置，同步盘在导向杆的约束下与滚珠丝杠螺母固连。步进电机驱动滚珠丝杠旋转，带动滚珠丝杠螺母及与其固连的同步盘沿导向杆向前
6、、向后滑动。铰接在同步盘上的三组支撑杆系伴同步盘做往复运动，使支撑杆系张开或者收缩以适应管径的变化。被动调整机构可以在不驱动主动调整机构的状况下帮助机器人顺当通过较小的障碍，并关心实现驱动轮紧压在管壁上。压力传感器通过检测弹簧组预紧力，间接实现变径机构压力信号检测，检测到的压力信号作为反响信号实现变径机构的闭环掌握。2 行走机构与变径支撑机构选型设计2.1 行走机构选型设计市场上与高校中争论最成熟且应用最为广泛的管道机器人行走机构有支撑轮式、履 带式与螺旋驱动式。为了保证管道机器人在简单的管道环境中可以持续稳定的工作， 行走机构需要有良好的牢靠性与稳定性。对常见 3 种管道机器人进展综合性能比
7、较，为管道机器人的争论开发供给参考与借鉴。比较结果见表 1 所示，支撑轮式管道机器人在各方面性能较优，但是履带式管道机器人在越障方面更胜一筹。 表 1 管道机器人综合性能比照运动方式驱动力量携带检测仪器越障性弯道通过性运动牢靠性管径适应力量构造螺旋驱动式强一般一般较好一般一般一般履带式强好好较好好较强较好支撑轮式强好较好好好强较好1) 选择履带式行走机构考虑到自主变位三履带足管道机器人的转动阻力相对于爬坡阻力和拖线阻力较小， 而管道机器人在爬坡时阻力显著增大，尤其是在垂直管道中阻力是摩擦阻力与管道机器人自重及所携带负载的和。这里承受通过计算垂直方向的行走阻力并乘以修正系数的方法来进展分析。管道
8、机器人主要应用于硬质管道环境，考虑到履带与管壁为面接触，认为管道在此压力下变形很小，从而直线行走时的地面变形阻力可以无视不计，故直线行走阻力只考虑履带装置运行内阻力和外部行使阻力。履带机构驱动力主要表现为履带与地面之间的摩擦力，即附着力。外部行驶阻力主要是履带与地面的滚动阻力，橡胶与铁皮管道间的滚动阻力系数约0.0147。履带装置运行内阻力是由同步带和带轮、传动齿轮之间的摩擦阻力形成，一般可用阅历公式计算，内阻力系数可取 0.03 0.078。对于加工精度高，热处理要求高，润滑条件好的可取较低值，本机构内阻力系数取 0.06。假设机器人净重为 G1，所能携带的负载为 G2，取 g=10，则可近
9、似估量该管道机器人在水平管道内的直线行走阻力 F1 为： F1=0.014G1+0.06G1+G2=0.074G1+G2(1)近似估量该管道机器人在垂直管道内的直线行走阻力 F2 为： F2=0.014G1+0.06G1+G1+G2=1.074G1+G2(2)2) 总阻力估算设管道机器人总阻力修正系数为 K=1.2，可得管道机器人的行走总阻力为F0=KF2(3)3) 电动机的选择计算假设机器人重 G1=10 kg、可以携带负载 G2=10 kg，垂直行走阻力 F2 为： F2=1.074G1+G2=207.4 N(4)则机器人的总阻力为： F0=KF2=1.2207.4=248.88 N (5
10、)每只履带足的阻力为：(6)设带轮节径 d=40 mm，可知，每只履带足所受阻力矩为：(7)假设机器人行进速度为 7 m/min，则电机输出转速为：(8)履带足电机输出功率 P，可以通过下式求出： (9)(10)虑到管内可能遇到比较恶劣的状况，而且为越障预留一些功率，取足够的安全系数， 并考虑电机的性价比和安装尺寸，最终选择额定功率为 20 W 的瑞士 maxonRE-25 直流空心杯电机驱动移动机构，电机编号是 118746。在软件 Solidworks 中设计装配好的履带式行走机构如图 3 所示，实物样机如图 4 所示。2.2 变径支撑机构选型设计为提高管道机器人的通用性，降低本钱，所设计
11、的管道机器人可以适应不同的管道直径是格外必要的。现如今常用的主要变径调整机构有弹簧支撑杆式、涡轮蜗杆支撑连杆式、升降台式、丝杠螺母支撑杆式。弹簧支撑杆式变径构造优点是构造紧凑、简洁，可以与其他形式的变径构造组合使用，也可以单独使用；缺点是被动变径机构，不能主动变径，并且变径范围小，封闭力也不行控。涡轮蜗杆支撑杆式变径机构优点是可以主动变径，变径掌握简洁，封闭力可以掌握，且变径范围较大；缺点是构造不紧凑，所需驱动转矩较大， 需要大功率电机驱动，且效率低，一般很少使用。丝杠螺母支撑杆式变径机构优点是所取驱动力矩较小，传动平稳，可以主动调整，封闭力也可以调控，和弹簧组合使用也可以实现被动调整，使用范
12、围较为广泛；缺点是构造简单，不紧凑，在轴向所需空间比较大。升降台式变径机构优点是轴向和径向安装尺寸紧凑，变径范围较大，适用于大直径管道；缺点是在大管径管道中使用时，所取驱动力矩较大， 一般较少使用。通过比照上述 4 种变径调整机构的优点与缺点，承受丝杠螺母三角支撑杆式变径机构，其基于丝杠螺母变径调整机构与弹簧变径机构。丝杠螺母三角支撑杆式变径机构的原理构造简图如图 5 所示。由管道机器人支撑机构的机构形式和传动方式可以得到支撑机构在高度调整时的受力状况如 6 图所示。图中省略了支撑杆系中的弹簧，弹簧的受力为杆件的内部受力可以无视。其中 N 为管壁对支撑履带足的压力，F 为两侧丝杆螺母对滑动支座
13、的力， 为支撑臂与其支座的夹角，T 为电机传到丝杆上的作用力矩，T 电机为电机输出扭矩， 为丝杠螺母副的传动效率。由图可以得到：(11)又有(12)(13)机器人有三个支撑臂，所以由丝杠螺母副的传动效率 为：(14)由上节可知每只履带足的输出牵引力为 82.96 N，驱动轮和管道内壁之间的摩擦系数 取 0.5，则管道内壁作用在车轮上的压力为：(15)设滚珠丝杠螺母副的丝杆导程为： Ph=4 mm(16)滚珠丝杠螺母副的传动效率为：=0.95(17)当机器人支撑臂与支座夹角为 25时，F 最大，T 丝杠和 T 电机最大，此时：(18)T 电机0.358 Nm (19)设丝杆电机的转速 n=40(
14、rpm)，则(20)考虑到管内越障时可能遇到比较恶劣的状况，而且预留一些功率，以使其在压力较大的状况下仍旧可以比较轻松的调整支撑系统高度，取足够的安全系数，并考虑电机的性价比、安装尺寸，最终选择额定功率为 4.5 W 的瑞士 maxonRE-16 的直流空心杯电机支撑履带足，编号是 118705。3 管道机器人物理样机的制作与试验为了验证管道机器人构造设计的合理性，进展了零件制作、样机组装并进展一系列的验证试验。3.1 物理样机的制作与装配除直流电机、电源、同步带、同步带轮、螺钉、螺母等标准件选购外，定制了螺母丝杠及掌握硬件，其余零件零部件承受 3D 打印技术制作。机器人物理样机实物图如图 7
15、 所示。购置两段一般黑白铁通风管道与一段 90的大曲率弯管用于试验平台搭建。两直管道直径分别为 400 mm 和 500 mm。弯管直径为 460 mm，曲率半径为 920 mm。管道工作环境如图 8 所示。3.2 管道机器人物理样机试验1) 物理样机在水平直管中的行走试验管道机器人样机在直径为 400 mm，长度为 1 600 mm 的水平直管中行走试验如图 9 所示，该试验分为两个过程，分别为变径过程和行走过程。变径过程就是调整管道机器人的变径调整机构使其适应管道直径的大小。觉察管道机器人在自主变径过程中，由于履带足没有接触到管道内壁，机器人会发生翻转，所以设计的管道机器人在履带足没有接触
16、到管道内壁时不能自主完成变径过程，需要人工的参与才可以顺当完成变径过程。当履带足接触到管道内壁时，机器人可以自主完成变径过程。在变径过程完成后，履带足贴合在管道内壁上。履带足与管道内壁之间产生封闭力与摩擦力。管道机器人可以顺当的在水平直管中行走，期间管道机器人行走平稳。2) 物理样机在竖直管道中的行走试验将管道机器人在水平直管中的行走试验中的管道缓慢直立，在此过程中机器人在大坡度管道中行走时存在打滑状况。在管道坡度大于 45时通过调整管道机器人的变径机构来增大机器人与管道内壁之间的封闭力，机器人可以顺当的在大坡度与竖直管道中平稳行走。通过试验可以知道承受履带式行走机构可以供给更大的附着力， 可
17、以使机器人在大坡度与竖直管道中爬行。4 结论依据管道机器人的设计要求，并比照分析螺旋驱动式、履带式、支撑轮式管道机器人综合性能的强弱，提出了可自主变径的履带式管道机器人。利用 Solidworks 软件进展了建模与组装，分析其工作原理。管道机器人的行走机构选型为履带式行走机构，并选取额定功率为 20 W 的瑞士 maxonRE-25 直流空心杯电机作为驱动电机。通过比照 4 种变径调整机构的优点与缺点，提出了丝杠螺母三角支撑杆式变径机构，该机构基于丝杠螺母变径调整机构与弹簧变径机构，并选取额定功率为4.5 W 的瑞士 maxonRE-16 直流空心杯电机作为驱动电机。通过组装试验样机，搭建试验
18、平台进展试验，设计的管道机器人可以顺当的在管道中通行。但是也觉察机器人的稳定性较差，需要对履带式管道机器人的机构做进一步的改进优化设计。【相关文献】1 顾虹,林培军.将来的管道什么样中国管道进展趋势探析N.报,2023-10-15,3 版.2 杨彩霞,黎建军,孙卫红,等.支撑式油气管道机器人变径机构优化设计与仿真J.机械传动,2023,42 (03)：38-44.3 刘清友.油气管道机器人技术现状及进展趋势J.西华大学学报(自然科学版),2023,35 (1)：1-6.4 Tsai L W.Mechanism Design:Enumeration of Kinematic Structures
19、 According to FunctionM.Boca Raton.Florida:The Chemical Rubber Company Press,2023.5 Chen Jun,Zong Quan Deng,Sheng Yuan Jiang.Study of Locomotion Control Characteristics for Six Wheels Driven In-Pipe RobotC/Proceedings of the 2023 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics.Shenyang,China,August 22 - 26,2023,119-124.6 张云伟.煤气管道检测机器人系统及其运动掌握技术争论D.上海：上海交通大学.2023.7 王治国.非等径垂直管道机器人机械系统争论D.上海：东华大学,2023.8 兰凤崇,陈吉清,王望玉.汽车垂直越障力量的计算及试验J.汽车工程,1997,19(2):116-120.