伸缩式管道机器人的研究与设计（1）
作者：宋华
管道机器人的总体分析与设计
引言
本章为管道机器人的总体分析与设计部分，旨在为论文其余章节提供必要的设计方案和理论支撑。首先依据机器人的设计要求和性能指标，对比管道机器人典型驱动机构的特点，给出了合理的机器人总体结构方案，并在此基础上明确了机器人主要机构的设计方案；之后针对机器人器件选型的要求，建立了机器人主要机构的力学模型并进行了详细的受力分析，为器件选型提供了依据；最后，利用遗传算法对机器人的主要结构参数进行了优化，该优化结果可作为机器人机械设计的理论依据。
总体方案
管道机器人的总体方案是本文其余部分的基石，确定一个合理可行的总体方案有利于机器人的器件选型，并能简化机器人的机械设计。管道机器人的总体方案包括机器人的设计要求及性能指标、主体结构和行走原理三个部分。
管道机器人的设计要求及性能指标
本文研究的管道机器人适用于非开挖技术（特别是水平定向钻技术）铺设的各类中小口径地下管线。参照1.2节管道机器人的研究现状，结合非开挖技术铺设的地下管线的特点，本文研究的管道机器人基本设计要求如下：
1. 机器人在上位机的控制下可沿管道内壁进行双向行走；
2. 机器人可适应多种口径、不同材质的管道；
3. 上下位机通讯应具有较强的抗干扰能力，数据传输稳定可靠；
4. 极好的防水密封性能，可在复杂的环境中正常工作。
管道机器人具体性能指标如下：
1. 最大行走速度：1.2m/min；
2. 待测管道内径：140mm~300mm；
3. 待测管道最小曲率半径：400D（D为管道外径）；
4. 最大爬坡能力：35°；
5. 单次最大行走距离：200m；
6. 防水密封性能：IP68。
管道机器人的主体结构
管道机器人的主体结构主要由机器人驱动机构的特点决定，因此首先需要根据设计指标选定确机器人的驱动方案。针对管道机器人承担任务的特点，国内外研究机构设计了多种形式的驱动机构[[i]]，几种典型驱动机构的对比如表1所示。
表1 几种管道机器人典型驱动机构的对比
| 驱动机构 | 速度 | 管径适应范围 | 弯曲管道通过能力 | 牵引力 | 其他 |
| 轮式 | 快 | 大、中口径 | 好 | 差 | 环境适应性差 |
| 履带式 | 中速 | 大、中口径 | 较好 | 较好 | 重量较大 |
| 伸缩式 | 较慢 | 中、小口径 | 较差 | 好 | 密封性能好 |
| 多足式 | 慢 | 中、小口径 | 较好 | 差 | 可靠性差 |
本文设计的管道机器人要求具有良好的防水密封性能、较大的牵引力和爬坡性能力，对行走速度和弯曲管道通过能力要求不高，根据表1中各驱动机构的对比，本文设计的管道机器人采用伸缩式的驱动机构。
采用伸缩式驱动机构的管道机器人其典型结构通常包括伸缩驱动机构和锁止机构，其中伸缩驱动机构为机器人的核心机构；锁止机构实现机器人与管道内壁的相对锁定，配合伸缩驱动机构实现机器人的行走功能。参照上述典型结构并结合实际情况，本文研究的管道机器人主体结构如图6所示，图中各机构的功能如下：
1. 伸缩机构：伸缩机构作为机器人的主驱动机构，执行伸展和收缩动作，实现管道机器人的前进或后退。
2. 锁止机构：分为结构相同的前后两套锁止机构。当机器人一端的锁止机构紧压管道内壁时，机器人此端被锁定，不能自由运动；当锁止机构远离管道内壁时，机器人此端被解锁，可以在伸缩机构的带动下前后移动。
3. 主舱体：内部安装有机器人的控制电路和必要的功能扩展模块，具有良好的防水密封性能，保护控制电路不受外部伤害。
4. 支撑轮系：分为结构相似的前后两套支撑轮系。当锁止机构解锁时，支撑轮系支撑机器人，使机器人运动平稳，并减小摩擦阻力。
管道机器人的主体结构
管道机器人的行走原理
伸缩式管道机器人在管道内的运动具有间歇式的特点，机器人的长距离单向行走由多个基本的伸缩动作组成，机器人沿管道向左行走，一个基本的伸缩动作由以下几个状态组成：
初始状态A：前后两套锁止机构均锁止，防止机器人自由移动；
状态B：后锁止机构保持锁止状态，前锁止机构解锁，伸缩机构伸展，推动机器人前端向左移动，机器人向左移动ΔL；
状态C：前锁止机构锁止，后锁止机构解锁，伸缩机构收缩，带动机器人后端向左移动；
机器人反复执行状态B与状态C，从而实现长距离行走。
主要机构设计方案
机器人总体结构确定之后，还需要给出机器人主要机构的设计方案，具体包括伸缩机构、锁止机构和支撑轮系，下面依次对各机构的设计思路进行阐述。
锁止机构
为配合伸缩机构实现机器人在管道内的伸缩行走，机器人两端分别安装结构相同的锁止机构。管道机器人的典型锁止结构可归类为弹性腿锁止、支撑面锁止和凸轮锁止等锁止方式。本文要求管道机器人具有双向行走能力的同时，还应具有一定的牵引力，综合比较各锁止机构的特点，机器人采用支撑面锁止的结构。
典型锁止机构的对比
| 锁止方式 | 优点 | 缺点 |
| 支撑腿锁止 | 结构简单、尺寸小 | 提供的牵引力较小、可靠性差 |
| 支撑面锁止 | 易于双向锁止 | 尺寸较大、提供的牵引力有限 |
| 凸轮锁止 | 尺寸小、能提供较大牵引力 | 单向锁止、与管壁接触面小 |
为使管道机器人适应不同口径的待测管道，机器人锁止机构应具有较好的管径适应能力。锁止机构设有3对活动支撑臂，它们圆周对称分布，相互间隔120°。每对支撑臂中部安装有支撑体，用于向管道内壁施加压力，实现机器人与管道之间的相对锁定。锁止机构主体为电机—丝杠结构，3对支撑臂两端分别连接滚珠螺母与电机座，丝杠将电机轴的旋转运动转化为滚珠螺母的轴向移动，带动支撑臂张开与收缩，使锁止机构适应不同内径的管道。
锁止机构设计方案
支撑轮系
当锁止机构解锁时，为保证使管道机器运动平稳，机器人两端设有弹性支撑轮系。与锁止机构类似，支撑轮系设计有3个圆周对称分布的支撑轮，相互间隔120°。支撑轮系同样应具有较好的管径适应能力，如图9所示，支撑轮安装在活动支撑臂的连接处，直线轴承可沿轮系中轴轴向移动，带动支撑臂张开或收缩，支撑轮系即可适应不同内径的待测管道。直线轴承与轮系座之间设有3根弹簧，在弹簧作用下，支撑轮系可紧贴管道内壁，并在一定程度上减小机构的震动，进一步保证了机器人运动的平稳性。
支撑轮系设计方案
受力分析
受力分析是管道机器人器件选型和机械设计的基础。机器人的电机选型需要计算电机的输出力矩，丝杠选型需要分析其轴向负载，上述内容均以机器人的受力分析为基础。为了便于叙述，首先做如下定义：
1. 前后锁止机构各支撑体对管壁的压力为Ni，与管壁间的最大静摩擦力为fi （i=1~6），与管道内壁间的静摩擦因数均为μ。
2. 锁止机构各支撑体圆周对称分布，因此假设锁止机构在滚珠螺母的轴向推力作用下各支撑体对管壁的作用力均为N。
3. 前后支撑轮系各轮子对管壁的压力为Nwj，与管壁间的滚动摩擦力为fwj（j=1~6）；与管道内壁间的滚动摩擦因数均为μw。
4. 两套支撑轮系在弹簧作用下每个轮子对管壁的作用力均为Nw。
在倾角为θ的管道中，机器人前锁止机构各支撑体向管壁施加压力Ni，从而增大了支撑体与管壁间的摩擦力fi，保证锁止机构的可靠锁定；为带动机器人后端沿管壁向左运动，伸缩机构需克服线缆的拖曳阻力fc和机器人重力Mg的分力，上述机构的动作与各机构丝杠的轴向负载有关。本节对机器人建立了力学模型并进行了较详细的受力分析，具体包括线缆拖曳阻力的估算、锁止机构锁止条件的分析、丝杠轴向负载分析等内容。
管道机器人的主要受力情况
结构参数优化
管道机器人的结构参数直接影响其器件选型和机械设计。机器人的最大行走速度、电机所需的输出力矩等指标与机器人结构参数有密切关系。在机械设计时，如何选取机器人的结构参数，使其行走速度最快，电机所需的输出力矩最小，值得深入研究。通常情况下，机器人的上述指标是其结构参数的函数，且结构参数在这些函数中常存在耦合关系，单一的改变某一参数往往导致行走速度和电机输出力矩向着不同的方向改变，为了使机器人总体性能达到最优，可将上述问题归结为多目标优化问题。
小结
本章为管道机器人的总体论述部分，依据机器人的设计要求和性能指标，经过对现有管道机器人典型驱动机构的比较，机器人采用了伸缩式的总体方案。在此基础上，本章分别给出了机器人的行走原理和主要机构的设计方案。之后，文章有针对性的对机器人进行了受力分析，并对机器人的主要结构参数进行了优化，上述工作为机器人的器件选型和机械设计提供了理论依据。