管道三足爬行机器人的设计

第34卷 第4期Vo. l 34 No . 4河南科技学院学报(自然科学版)

Journal ofH enan Institute o f Sc i e nce and Techno logy 2006年12月D ec . 2006

管道三足爬行机器人的设计

丛晓霞, 秦冬冬, 秦永康

(河南科技学院机电学院, 河南新乡453003)

障碍物清除、引线等问题, 设计了一种管道三足爬行机器人。本文分析摘要:针对各种口径的管道内的移动监视、了管道三足爬行机器人的结构、功能。

关键词:管道三足爬行机器人; 螺旋机构; 平面四杆机构; 履带机构

中图分类号:TP242. 6 文献标识码:A 文章编号:1673-6060(2006) 04-0098-03

Pipi ng Three Foots Cra w l A l ong The R obot

CONG X iao -x ia , et al .

(Henan I nstitute of Science and Techno l o gy , X i n x iang , H enan , 453003, Ch i n a)

m at every ki nd Abst ract :Am bu l a tion i n t he p i ping surve illance , st u m bli ng bl o ck c l earance , fuse .. . etc . proble m tha t a i o f cali ber , design a k i nd o f p i p i ng t hree foots craw l a l ong t he robot . Th is tex t analyzed t he pipi ng three f oo ts cra w l a long the constructi on , f uncti on of t he robo t .

, Spiral org an izati on , F l a t surface f our po l e organ izati on , T rack orga -K ey w ords :P i p i ng t hree foots craw l a l ong t he robot n i zati onl

各种地下管道、空中管道及建筑物内的通风、制

冷、线路、燃气管道作为一种有效的物料运输手段在我们的生活中起着重要作用, 得到了广泛的应用。为提高管道的寿命、防止泄露等事故的发生就必须对管道进行有效的检测维护, 但是大部分管道的环境是人们不方便进入或者不允许人们进入的, 管道机器人就是为了满足这种需要而发展起来的。为了适应不同直径的管道, 管道机器人通常需要具备管径适应调整机构, 即主要有两个作用:1) 在不同直径的管道中能张开或收缩, 改机器人的外径尺寸, 使机器人能在各种直径的管道中行走作业; 2) 可以提供附加正压力增加机器人的驱动轮与管道内壁间的压力, 改善机器人的牵引性能, 提高管内移动距离。为此, 我们设计了管道三足爬行机器人。管道三足爬行机器人是一种可在管道内自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械, 在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下进行一系列管内作业的机器人系统。管道机器人发展研究已经引起了世界上很多

收稿日期:2006-05-06.

作者简介:丛晓霞(1957-), 女, 山东蓬莱人, 副教授。

学者和科研机构的重视。到目前为止, 研究开发的

管道机器人主要是轮式的和履带式的。河南科技学院研究设计的管道三足爬行机器人综合采用轮式机构和履带机构, 并结合平行四边形机构, 大大提高了机器人的整体效能。本文主要研究了管道三足爬行机器人的行走原理, 介绍了管道三足爬行机器人的主要结构, 并进行了管道三足爬行机器人的功能分析。

1 管道机器人的总体设计

我们设计的管道三足爬行机器人主要采用齿轮履带、螺杆滑块、平行四边形机构等。机器人的主体部分为一个正三棱柱, 在三棱柱的每一个面上都安装有螺杆滑块, 螺杆的外伸部分由齿轮履带连接在一起。机器人的三个支撑足分别装在三棱柱的三个侧面上, 互成120b 夹角, 支撑足的结构为平行四边形机构, 在平行四边形的铰接处安装齿轮, 两个齿轮通过履带连接。用连杆将螺杆上的滑块和平行四边

丛晓霞等:管道三足爬行机器人的设计 第4期形的铰接处连起来, 这样当滑块左右移动时, 带动连杆运动, 根据平行四边形的特性, 连杆的运动就可以改变平行四边形结构的状态, 从而可以调节机器人的整体尺寸, 以适应不同口径的管道。我们采用的齿轮履带结构加大了机器人与管道内壁的摩擦力,

使机器人可以很好的在管道内行走如下图所示。

要采用的是丝杠螺母、平行机构等。我们设计的管道机器人综合采用了螺杆滑块和平行四边形机构, 具有调节范围大、结构简单等特点。1. 4 动力和驱动方式

驱动方式主要有电气驱动、气压驱动、液压驱动和机械驱动4种。当前采用的主要是电驱动和气压驱动。气压驱动具有重量轻、结构简单等特点, 但是, 气压驱动准确性不高、冲击大。电驱动具有控制准确、位置移动精确等特点。因此, 我们设计的管道机器人采用了电驱动的方式。机器人的动力由电机提供。

2 管道机器人主要功能的实现

管道三足爬行机器人主要的功能就是实现行走和尺寸调节。

2. 1 直线移动

机器人的轮足为履带, 和管道内壁有较大的摩

图1

管道三足爬行机器人模型

擦力, 并且由于有三个支撑足的强力支撑, 使机器人不仅可以在水平管道内实现进退运动而且可以在垂直管道内实现上下运动。2. 2 尺寸调节

机器人可以调节尺寸的大小, 以适应不同的口径, 机器人尺寸调节系统示意图2如下

:

管道机器人的主要部分有:

1. 1 管道机器人的管内支撑方式

管道机器人的管内支撑方式主要有两足式、三足式、两足吸盘式、三足吸盘式和轮式等。我们设计的管道机器人采用了三足式支撑的方式, 并且三个支撑足互成120b 夹角, 可以强有力的支撑在管道内, 使机器人平稳行走。1. 2 移动方式

目前管道机器人的移动方式主要有轮式、蠕动式、吸盘式等。蠕动式机器人在水平管道内可以很好的进行行走, 却在垂直管道中受到了很大的限制。我们设计的管道机器人综合采用了轮式和履带式, 并且采用了三足支撑, 使机器人不仅可以在水平管道内移动, 而且可以在垂直管道内行走。1. 3 尺寸调节方式

当前管道机器人在适应不同口径的管道方面主

图2 管道三足爬行机器人结构图

机构调节电动机为步进电动机, 丝杠直接安装在调节电动机的输出轴上, 丝杠螺母和筒状压力传感器以及轴套之间用螺栓固定在一起, 连杆4的一

端C 和轮轴铰接在一起, 另一端D 铰接在固定支点上, 推杆3与连杆4铰接在C 点, 另一端铰接在轴套上的D 点, 连杆4、2和3构成了平行四边形机构, 机器人的驱动轮子安装在轮轴B 、C 上, 轴套在圆周方向相对固定。其工作原理为:调节电动机驱动滚珠丝杠转动, 由于丝杠螺母在圆周方向上相对固定,

2006年 河南科技学院学报(自然科学版) 因此滚珠丝杠的转动将带动丝杠螺母沿轴线方向在滚珠丝杠上来回滑动, 从而带动推杆3运动, 进而推动连杆4绕支点D 转动, 连杆4的转动又带动了平行四边形机构ABCD 平动, 从而使管道检测机器人的平行四边形轮腿机构张开或者收缩, 并且使布置在平行四边形机构B 、C 两点上的驱动轮始终撑紧在不同管径的管道内壁上, 达到适应不同管径的目的。调节电动机驱动滚珠丝杠转动时, 也同时推动其余对称的2组同步工作。筒状压力传感器可以间接地检测各组驱动轮和管道内壁之间的压力和, 保证管道检测机器人以稳定的压紧力撑紧在管道内壁上, 使管道检测机器人具有充足且稳定的牵引力。与蜗轮蜗杆调节方式、升降机调节方式及弹簧调节方式相比, 这种机构具有结构简单、管径适应范围大的特点, 同时, 机器人还可以具有一定的越障的能力。2. 3 转弯

根据机器人的支撑足的平行四边形机构的特点, 机器人可以在弯度较小的弯道内实现转弯。

图3 控制系统图

用了模块化设计。机器人的程序模块图如下图3所示

:

4 结论

基于平行四边形轮腿机构、采用丝杠螺母调节方式的管径适应调整机构适合轮式驱动管道机器人, 采用这种机构可以提高管道机器人的牵引能力,

适应不同直径的管道检测。其力学特性分析表明:管道机器人行走时, 保持较小的姿态角有利于提高牵引能力; 通过管径适应调整机构提供附加正压力可以改善机器人的牵引能力, 而且在大管径时机构负荷小, 效率高; 管径适应机构的张开过程中是一个复杂的受力过程, 管径较小时张开费力, 机构负荷较大, 在设计中应给予考虑。

我们设计的管道三足爬行机器人是综合了目前管道机器人的各种合理因素以及最新研究成果, 提出了自己的观点和设计思路, 并进行了研究实践, 本设计参加世界工程师大会为展现青年人在工程技术方面的科技探索精神和创新能力而特别设置的/未来工程师联展0。

3 控制系统

管道机器人的控制系统是机器人的神经中枢, 机器人的行走、转弯、进退、上下和尺寸调节都是由控制系统进行控制调节的。控制系统主要有手动控制和自动控制两种。我们设计的机器人采用双层控制, 包括上位机控制系统和下位机PLC 控制系统。上位机控制系统主要是发送指令, 进行信息汇总, 图象分析以及数据显示。下位机系统主要是接受指令, 进行指令传送。管道三足爬行机器人的控制系统主要有:

3. 1 行走控制

管道机器人的行走控制主要由安装在每个支撑足上的电机控制, 三台电机由同一按钮控制, 以保证机器人的步伐统一。3. 2 尺寸调节控制

在机器人主体部分安装的三根带滑块的螺杆的外伸部分用齿轮和履带连接在一起, 由一台电机控制。通过改变这台电机的正反转和转速就可以调节机器人的尺寸大小。为了便于程序的修改、阅读, 采

参考文献:

[1] 张云伟, 颜国正, 丁国清, 等. 煤气管道机器人管径适

应调整机构分析[J].上海交通大学学报, 2005, 39(6):950-954, 959.

[2] 刘元峰. 多故障转子系统非线性特性及转子故障信号

分析方法的研究[D ].上海:上海交通大学机械与动力工程学院, 2003.

[3] 刘大维, 彭商贤, 龚进峰. 地下管道检测移动机器人的

发展现状[J].吉林工业大学学报(自然科学), 1998, 28(1) :109-113.

[4] 余浩然, 吴斌, 陈丽萍. 漏磁通法油气管道在役检测技

术[J].实用测试技术, 1997, 9(5) :1-9.