螺旋驅動管內機器人自適應運動機理與機構設計
2017-1-20 來源：轉載 作（zuò）者：-
摘（zhāi）要：為了提高螺旋驅動（dòng）式管內機器人在直（zhí）管（guǎn）道和不同曲率（lǜ）半徑彎管道中的環（huán）境適（shì）應能力，對自適應運動機理這一問（wèn）題展開研究。考慮管道環境特點，在機器人運（yùn）動學（xué）和力（lì）學建（jiàn）模的基礎上，分別提出直行運動機理、轉向運動機理和負載（zǎi）能力調節（jiē）機理。調（diào）節螺旋輪傾角能夠使螺旋驅動（dòng）式管內（nèi）機器人具有環境（jìng）自（zì）適（shì）應性，並（bìng）能夠避免運動幹涉和滾輪打滑（huá）的問（wèn）題。基於自適應運動機理，提出一種基於自適應聯動機構的螺旋驅動式管內機器人。自適應（yīng）聯動機構通過偏心臂反饋（kuì）環境信息，並利用差動原理改變螺旋輪傾角。動力學仿真結果表明：該機器人能夠機械自適（shì）應（yīng）地通過直管和不同曲（qǔ）率半徑的彎管,同時能夠（gòu）通過自適應聯（lián）動機構（gòu）調節負載能（néng）力。
關鍵詞（cí）：螺（luó）旋驅動；管內機器人；自適應聯動機構；運動機理
0.前言
管道是石油、天然氣、工廠、城市供水係統（tǒng）的主要運（yùn）輸工具。隨著使用年限（xiàn）的增加，管道容（róng）易出現腐蝕、老（lǎo）化、裂縫等故障。近年來，管道事故頻發，造成了巨大的經濟（jì）損失和環境破（pò）壞。國（guó）內外學者（zhě）開發了各種（zhǒng）各樣（yàng）的管內機器人應用於管道的缺陷檢測和故障維護。相比於傳統的人工檢測方式，機器人檢測（cè）具有安（ān）全（quán）、效率高、成本低等優點。根據移動機構的不同，目前管內機器人主要（yào）可以分為9類：pig式[1]，內窺鏡式[2]，直接驅動輪式[3-4]，螺旋驅動式[5-7]，履帶（dài）式（shì）[8]，腿式[9]，尺蠖式[10]，彈力支撐式[11]，仿蛇（shé）式（shì）[12]。
在眾多移動機構中，螺旋驅動方（fāng）式具有易於（yú）微型化和能耗低的優點，在小管（guǎn）徑管道中具有很大應用潛力。國內外的研究學者（zhě）們對螺旋驅動式管（guǎn）內機器人已經進行了一定研究。IWASHINA等（děng）[13]開發的適用於20 mm管徑的（de）螺旋驅（qū）動原理的微小型管內機器人；錢晉武等[14]利用螺旋驅動原理開發了管道渦流（liú）檢測機器人。以上機器人主要麵向直管道環境，在彎管道中的運動能力很差。為了提高機器人的彎管運動能力，HORODINCA等[15]研製了適應40mm、70 mm及170 mm管徑的多（duō）款（kuǎn）具有萬向軸結構的螺旋驅動管內移（yí）動機器人。該機器（qì）人雖然能夠通過較大曲率半徑的彎管，但存（cún）在運動幹涉和滾輪打（dǎ）滑的問題NISHIMURA等[16]開發的基於路徑選擇機構的螺旋驅動式管內機器人雖然具有彎管和T型管（guǎn）道的通過能力，但麵對不同曲率半徑的管道需要施加控製，而且由於滾輪不具有單獨調（diào）速的能力，依然存（cún）在運動幹涉和滾輪打滑的（de）問題（tí）。以上機器（qì）人采（cǎi）用的是螺旋輪傾角固定的結構，機（jī）器人的負載能力由電動機性（xìng）能（néng）參數和機器人結構參數所確定。而直彎管內的環境阻力具有較大的變化範圍，固定的負載能力限製了機器人的環境適應性。為（wéi）了提高機器人對大範圍環境阻（zǔ）力的適應性和電動機的能量利用率，李特等[17]提出了基於螺旋輪傾角可調的管（guǎn）內機器人及相應的能量優化控製策略。
彎（wān）管（guǎn）內的運動幹涉和打滑（huá）問題會（huì）加劇機器人傳（chuán）動部件的（de）磨損，而且不利於機（jī）器人的管內（nèi）定位和能（néng）量優化（huà）。負載能力可調能增強機器人對大範圍（wéi）環境阻力的適應性，有利於（yú）提高驅動電動機的能（néng）量（liàng）利（lì）用率。因此，為了提高螺旋驅動式管內機器（qì）人對直管和多曲率半徑（jìng）彎管的環（huán）境適應性，需要首先（xiān）對機器（qì）人的自適應運（yùn）動（dòng）機（jī）理這一問題（tí）進行深入研究，以指導機器人的機構設（shè）計。
本文在對螺旋驅動式管內機器人直彎管內（nèi）建模分析的基（jī）礎上，提出了（le）自適應運動機理（lǐ）。自適應運動機理主要包（bāo）括直行運動機理、轉（zhuǎn）向運動（dòng）機理和負載能力調節機理。基於自適應運動機（jī）理，提出了一種基（jī）於自適應聯（lián）動機構的（de）螺旋驅動式管內機（jī）器人。通過機構（gòu）的設計與分析，該機器人能夠滿足自適（shì）應（yīng）運動機理，並具有通過直管和不同曲率半徑彎管的能力。最後通過動力學仿真（zhēn）試驗（yàn）驗證（zhèng）了機器人（rén）運動的有效性。
1.自適應運動機理分析
直（zhí）彎道和各種曲率半徑的彎管道是工程管道係統的基本（běn）結構。由於管道安裝位姿的不同和管內障礙物等（děng），作用於機器人（rén）的管內環境阻力具有（yǒu）較（jiào）大（dà）的波（bō）動範圍。因此，需（xū）要（yào）考慮管道的幾（jǐ）何結構和環境阻力因素，對直行運動機理、轉向（xiàng）運動（dòng）機理和負載能力調節機理展開研究。
1.1 直行（háng）運動機理
直管道是最基本的（de）管道類（lèi）型，將機器人在直管（guǎn）道內的運動機理（lǐ）稱為（wéi）直行運動機理。忽（hū）略重力對運動的影響，機器人（rén）的合速度（dù）方向始終（zhōng）與管道軸線方向一致。下（xià）麵建立機器人運動模型，以研究直行運動機理。
圖1 直管內機器人運動關係示意圖
1.2 轉向運動機理
彎管是管道係統最常用的（de）換向連接部件。彎管中，機器人的（de）轉向運動類似於（yú）汽車轉彎的過程。由於各個滾輪在相同時間內的路徑和行（háng）程不一致（zhì），滾輪速度必須滿足一定的比例關係才能柔順（shùn）轉向，以避免運動（dòng）幹涉和打滑現象。為了研究彎管轉向運動機理，首先分析機（jī）器人轉向時滾輪速度與管道幾何結構參數的關係（xì）。
如圖所示（shì） 2，在全局坐（zuò）標（biāo）係{O}中，彎管（guǎn）幾何約束方程可（kě）表示如（rú）下（xià）
式中，R 表示彎管（guǎn）曲率半徑，φ表示轉向（xiàng）角，β 表（biǎo）示管道徑向截麵上的偏轉角。
在（zài）圖 2 中，Ri(i=1,2,3)是各（gè）滾輪的轉向半徑，vi(i=1,2,3)是各滾輪（lún）的速度分量。隻有當（dāng）滿（mǎn）足式(11)時，機器人才能柔順轉向
圖2 彎管內（nèi）機器人轉向運動原理圖
圖3 彎管內機器人運動關係示意圖
從圖 4 可（kě）以看出，彎管轉（zhuǎn）向（xiàng）運動（dòng）機理主要有以下關係。
(1) 螺（luó）旋輪（lún）傾角αi按照（zhào）一定（dìng）規律（lǜ）變化可以實現機器人的彎管轉向。
(2) αi的調製規律與（yǔ）彎管曲率半徑有關，曲率半徑越小，αi調整的幅值越大。
(3) αi始終滿足式(18)。當α0是（shì）常數，即螺旋輪傾（qīng）角初值不變時，對等（děng）式兩邊進行時間求導， iα.滿足
1.3 負載能力調節機理
管道（dào）安裝時位姿各異，受重力、摩擦（cā）阻力及纜繩阻（zǔ）力等的影響，管內環境阻力變化範圍較大。因此，為（wéi）了增強（qiáng）大範圍環境阻力的適應性，需要對（duì）負載（zǎi）能力調節機理進行研究。
圖4 轉向運動αi自適應調製關係
負載能力是指機器人所能克服的最大環境阻（zǔ）力。當機（jī）器（qì）人的結構參數（shù）、電動機等選定後，負載能力一般是不變的。因此，需要對機器人（rén）受（shòu）力模型進行研究，以分析負載能力調節機理。如圖 5 所示（shì），環境阻力Fa等效地作用在機（jī）器人軸線（xiàn）方向，即Xs軸方向（xiàng）。fni和fti分別代（dài）表作用滾輪上的法向摩擦力和切向摩擦（cā）力。理想情況下滾輪不打滑，因此fni屬於靜摩擦力，fti屬於滾動摩擦（cā）力。滾（gǔn）動摩擦力（lì）相對很小，在下文分（fèn）析中忽略不計。螺旋驅動電動機1 輸出轉矩τ，其在（zài）滾輪上的等效作用力用Fτ表示。根據Xs軸上的力平衡關（guān）係可以得到負載阻力Fa的（de）關係式
圖5 機器人受力關係示意圖
假（jiǎ）設τ足夠大，fni,max由結構參數（shù）設定，機（jī）器人所能承受的最大環境阻力，即負載能力(記（jì）為Fd)僅與αi有關。因此，負載能力調節機理有如下關係。
通過以上分析，自適應運動機理對螺旋驅動（dòng）式管內機器人的螺旋輪傾角具有以下約束：① 1 個輸入控製3 個螺旋輪傾（qīng）角輸出；② 3 個角速度之和等於輸入角速度的3 倍；③ 3 個螺旋輪傾（qīng）角之和等於輸（shū）入角度的3 倍；④ 3 個角速度可以成任意比例。這些特性與三軸差速機構的特性相符。0 α. 看作三軸差速機構的輸入，αi看作輸出。通過合理的傳動比設計，可以滿足（zú）自適（shì）應運動機（jī）理（lǐ）的要求。因此，融合自適（shì）應運（yùn）動機理約束，可以得（dé）到如圖6 所示的機器人整體設計結構圖。該（gāi）機器人主要由保持體單元、旋轉體單元（yuán）兩大部分組成。
圖6 基於自適應聯動機構的機器人結（jié）構圖
保持體單元主要包含保持架、螺旋驅動電動機1、三組（zǔ）120°對稱分布的彈性支撐臂和彈性臂末（mò）端（duān）的被動滾輪。彈（dàn）性支撐機構保證末端被動滾輪實時地與管道內壁緊密接觸，而不受管道（dào）安裝位姿的影響。電動機1 固定在保持架上，經過減速器後通（tōng）過聯（lián）軸器將動（dòng）力傳遞給旋轉體的旋轉架。旋轉體在（zài）電動機1 的驅動下整體旋轉運動。
旋（xuán）轉（zhuǎn）體單（dān）元主要包括（kuò）旋轉架、自適（shì）應聯動機構和（hé）三組（zǔ）120°對（duì）稱分布的彈（dàn）性支撐臂。彈（dàn）性臂末端的螺旋輪傾角由（yóu）自適應聯動機構控製。旋轉體單元旋轉，使被動滾輪對管道內壁產生作用力（lì），該作用反力推動機器（qì）人（rén）前進。
以上就（jiù）是融合（hé）自適應運動機理約束，提出的一種基（jī）於自適應聯動機構（gòu）的螺旋驅動式管（guǎn）內機器人。
2.2 彈（dàn）性支撐機構
保持體單元和旋轉體單元各有3 組彈性支撐機構，兩者稍有不同。如圖7a 所示的是安裝在保持（chí）體上的彈性（xìng）支撐機構。它主要由滑杆、套管、滑塊和被動滾輪組成。滑塊在（zài）滑（huá）槽中的移動能夠（gòu）改變彈性支撐機構的整體長度。而（ér）裝在套管內的壓縮彈簧使彈性臂具（jù）有一定的柔性，增加了機器人對台階、彎管等不規（guī）則結構環境的適應性。
如圖（tú） 7b 所示，旋轉體單元的彈性（xìng）支撐機構增加（jiā）了軸承和傘齒輪。軸承使彈性臂具有一個旋轉自由度。傘齒輪與彈性（xìng）臂末端固連，並與自適應（yīng）聯動機構（gòu）的輸出（chū）齒輪相（xiàng）配（pèi）合。這樣，彈性（xìng）支撐機構能夠在（zài）自適應聯動機構的控（kòng）製下改變螺旋輪傾角的角度，從而增加了機器人對管道環境的適應性。
圖7 彈性支撐（chēng）機構
2.3 自適應（yīng）聯動機構工作原理
自適應聯（lián）動機構利用差動原理和（hé）管（guǎn）道環境約束（shù）力調節螺旋輪傾角，以滿足螺旋驅動式管內機器人的自適應運動機理需求。
如圖 8 所示，自適應聯動機構以小功率電動機2 作為輸入，三個與螺旋輪（lún）傾角固連的傘齒（chǐ）輪作（zuò）為輸出。電動機2 外（wài）殼固定（dìng）在（zài）旋轉架上，並通過蝸輪蝸杆機構將動力傳遞給行（háng）星輪係1 的行星架H1。蝸輪蝸杆機構使動力傳遞具有單向（xiàng）性，在電動機2 掉電的情況下也能使行星架H1 保持（chí）不動（dòng）。三個120°對稱放置的行星輪2 通過軸承與（yǔ）行星架H1 相連（lián）。太陽輪1 作為輪係的一（yī）個（gè）輸出端。環齒輪3 與行星輪係2 的行（háng）星架H2 同軸且相連。行星輪（lún）4 和4′共軸（zhóu）並通過（guò）軸承與行星架H2 相（xiàng）連。太陽輪6 和環齒輪（lún）5 是輪係的另外兩個輸出。兩組行星輪係組成一個（gè）三（sān）軸差速機構。行星架H1 是三軸差速輪係的輸入，太（tài）陽輪1、太陽輪6 和（hé）環齒輪5 是差速輪係的（de）三個（gè）輸出。輪係輸出分別通過齒輪傳動機構控製彈性（xìng）臂上（shàng）的螺（luó）旋輪（lún）傾斜角。以太陽輪6 為例：直齒輪6′與直齒輪7 咬合，並通過傘齒輪7′和8 變換旋轉方向，傘齒輪8 與彈性臂杆相連，從而控製螺旋輪傾角。
圖（tú）8 自適應聯動（dòng）機（jī）構原（yuán）理圖
圖9 直管內環境（jìng）阻力反饋示意圖
從機器人進入彎管開始，由於（yú）結構變化（huà），各滾輪受到不（bú）同的附（fù）加力。在偏心臂機構的反饋下，作用於彈性臂軸向的附（fù）加阻力矩也不同（tóng），導致阻力矩Mr1≠Mr2≠Mr3，為了使受力重新平衡，避（bì）免運動幹涉（shè）和打滑，自適應聯動機構開始工作。根據最小能耗原理，行星輪2、行星輪4 和行星輪4′開始自（zì）轉，調節iα. ，使αi在α0附近變化，從而使滾輪速度滿足（zú）式（shì）(11)。由於旋轉體（tǐ）是始終旋轉的（de），各滾輪的移動路徑也在實時改變，因此自適應聯動機構一直工作以滿（mǎn）足轉向速度需求（qiú）。
2.4 自適（shì）應（yīng）聯動機構的有效性分析
自（zì）適應聯動機構輸（shū）入與輸出特性與其機構配合關係和齒（chǐ）輪傳動比有關。為了驗證自（zì）適應聯動（dòng）機構的（de）有效（xiào）性，即（jí）能否滿足自適應運動機理的要求，需要對自（zì）適應（yīng）聯動機構的運動關（guān）係和受力（lì）關係進行分析。
自適應聯動機構的（de）爆（bào）炸視圖如圖10 所示。電動機2 是該機構的動力輸入，其與行（háng）星架H1 的角速度關係如下
圖10 自適應聯動機構爆炸視圖
3 仿真驗證
為了驗證（zhèng）基（jī）於自適應（yīng）聯動機構的螺旋驅動式管內機器人在直管和各種曲（qǔ）率彎管中運動的有效性，在動力學仿真軟件中做（zuò）了3 組試驗。分別是直行運動機（jī）理、轉（zhuǎn）向運動機理和（hé）負載能力調節機理（lǐ）驗證試驗。表1 中是機器人的設計參數。
表 1 機器人參數
3.1 直行運動機（jī）理仿真（zhēn）驗證
機（jī）器人在內（nèi）徑為 150 mm的水平直管（guǎn）道中運動。螺旋輪傾角αi在初始時刻都等於15°。電動機1 以3rad/s的轉速驅動機器人前（qián）進。如圖11 所示，αi的值（zhí）有微小波動（dòng），但基本保持在15°附近，而（ér）且αi之和始終滿足式(18)。在重力作用下彈性（xìng）支撐機構不等長，結構非完全對（duì）稱，各滾輪移動速度（dù）不嚴格相（xiàng）等。因此αi自適應（yīng）地微調角度，以保持各滾輪（lún）具有一致的前進速度。
圖11 直管內螺旋輪傾角調製關係
由此可以看（kàn）出，本文提出的機器人能夠滿足（zú）直管內的運（yùn）動需求。
3.2 轉向運動（dòng）機理仿真驗證
為（wéi）了驗證機（jī）器人在不同曲率半徑的彎管道中運動的有（yǒu）效性，在仿真中選擇了225 mm和300 mm兩種曲（qǔ）率半徑的彎管。初始角α0都是（shì）15°。圖12 顯示了曲率半徑為225 mm時的運動結果。機器人在2s處（chù）開始進入彎管，αi在自適應聯動機構的自（zì）動調（diào）節下開始隨管道結構變化被動改變。在4 s時，機器（qì）人完全進入彎管，αi的曲線幅值達到最（zuì）大±19°，並在4 s到6 s之間變化規律穩定。從第6 s開始，機器人開始駛出彎管，進入直管。αi逐（zhú）漸回歸到15°附（fù）近（jìn），以適應直管的（de）管道結構。結果表明（míng）：基於自適應聯動機構的機器人能夠（gòu）機械自適應地通過彎管道環境。
為進一步驗證機器人對不同曲率半徑彎管的（de）適應能力，圖13 給出了曲率半徑為300 mm時（shí）的仿真結果。可以（yǐ）看出，αi的曲線與圖中曲線變化規律基本一（yī）致。唯一（yī）不同的是αi的曲線幅（fú）值在最大處隻有將（jiāng）近±17°。這是因為曲率半徑（jìng）增大（dà），彎管（guǎn）結構變化相對較小，因（yīn）此機器人各滾輪的（de）速度分量vi相差較小，導（dǎo）致αi的調節幅度也比較小。
圖13 R=300 mm 彎管內螺旋輪傾角調製關係
因此兩個仿真結果表明機器人可以自適應地通（tōng）過不同曲率半徑的彎管。
3.3 負載能力調節機理仿（fǎng）真驗（yàn）證
如圖 14 所示，機器人在一個豎直放置的直管道中運動，並在機器人軸向上作用一個20 N的阻（zǔ）力。如圖14a所示，首先讓機（jī）器人以α0等（děng）於（yú）40°開始運動，可以（yǐ）發現（xiàn）機器人在阻力作用下無法前進（jìn）。這說明機器人在α0等於40°的情況下無法提供足夠大的負載能力以克（kè）服（fú）包含重力和摩（mó）擦阻力在（zài）內的環境阻力。圖14b所示，通過控製電動機2 減小（xiǎo）α0，可以發現當α0等於30°的時候機器人能夠前進，但運動不夠穩（wěn）定，依然伴隨打滑現象。如圖14c所示，當α0等於15°時，機器人能夠穩定的前進。仿真結果說明：通過改（gǎi）變α0的（de）大小，能夠有效地改變機器人的最大負載能力。
4.結（jié）論
(1) 本文提出了螺（luó）旋驅動式管內機器人在直管、多種曲率（lǜ）半徑（jìng）彎管和大範圍環境阻力管道內的自適應運動機理，主要包括直行運動機理、轉向運動機理和負載能力調（diào）節機理。基於自適應運動機理，本文（wén）提出了一種（zhǒng）基於自適應聯動機構的螺旋（xuán）驅動（dòng）式管（guǎn）內機器人。該機器人通過自適應聯動（dòng）機（jī）構能夠以主動控製和被動自適應兩種方（fāng）式改（gǎi）變螺旋（xuán）輪傾角，從而（ér）適應管道環境。
圖14 機器人在相同負載外力以不同α0運動示意（yì）圖
(2) 動力學仿真結果表明：基於自適應聯動機構的機器人能夠順利通過直管道和不同曲率（lǜ）半徑的彎管道；通過自適應聯動機構的（de）輸入電動機調（diào）整螺旋輪傾角能夠有效改變機器人的負載能力。wen 5
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