管内爬行机器人行走机构的设计
【摘要】随着管内检测爬行机器人技术的不断成熟，它在工业中的应用也越来越广，本文所设计的管内爬行机器人驱动机构，即管内步伐式行走机构，是在分析以往的轮式和履带式机器人的基础上设计的一种新型的管内爬行机器人行走机构。
【关键词】管内爬行机器人；步伐式；驱动机构
0.引言
目前工业管道系统已广泛应用于冶金、石油、化工及城市水暖供应等领域,因其工作环境非常恶劣,容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部潜在缺陷发展成破损而引起泄漏事故等，必须定期地对这些管道进行检修和维护，然而管道所处的环境往往是人力所限或人手不及,检修难度很大, 所以燃气管道管内探测是一项十分重要的实用化工程,关系到燃气的安全、合理地应用和管理。管道检测机器人（管内爬行机器人驱动机构）就是为满足该需要而产生的。
根据管内步伐式行走机器人的运动模仿人在井筒中四肢扶壁上下运动的模式，设计了机器人的行走机构，有效的解决了机器人在管道内的行走。
1.管内爬行机构总体设计
管内爬行机构主要由撑脚机构及其传动，牵引机构及传动，转向机构3部分组成：见图1所示：
该管内爬行机构的运动控制过程大致为：主、副电机不同时工作，分别控制其牵引机构和撑脚机构，并且镜面对称的两单元，其支撑脚同一时间径向所处状态相反，即前脚踩在管壁上时，后脚处在抬起状态；反之亦然。具体过程为通过副电机16带动齿轮与齿圈啮合旋转，齿圈背面的平面螺纹驱动滑杆沿滑道径向移动，从而实现支撑脚的转换。主电机1通过联轴器与丝杠连接，带动丝杠旋转，将丝杠的旋转运动转换为螺母的轴向移动，从而通过连杆机构拖动身躯和前后单元向前移动，另一部分的控制过程相同。上述动作是管内爬行机构的一个步进过程，循环执行步进过程机器人继续前进，实现管内的均匀连续行走。
2.撑脚机构及其传动
撑脚机构的作用是使管道机器人被支承在管道中心线上。其机构及传动(见图1)由电机16、小齿轮15、齿圈及平面螺纹14、滑杆13、脚靴12组成。当电机16带动小齿轮15和齿圈14旋转时,齿圈背面的平面螺纹驱动滑杆13在筒体10的径向轨道内外伸推动脚靴踩在管壁上,电机反向旋转时,滑杆内缩带动脚靴径向抬起离开管壁。脚靴三套在圆周上间隔120°布置,三套脚靴同步伸缩,其动作与车床三爪卡盘的动作类同。三套脚靴伸出踩在管壁上时,使机器人处在管道的中心线上。为了使机器人在脚靴缩回时,仍能维持在中心线上,安装4组辅助支承轮18,每组三套,在圆周上间隔120°安装,支承轮通过支承柱19、弹簧20分别与支架3和筒体10固连。当撑脚缩回时支承轮使机器人基本上维持在管道中心线上。当机器人行走过程中支承轮遇到障碍时弹簧被压缩通过障碍。
3.牵引机构及传动
牵引机构的作用是拖动机器人前进.牵引机构(见图1)由电机1、螺杆2、螺母5拨销4、拨杆7和支承杆9组成。当电机1带动螺杆转动时,螺母受拨杆的约束不能转动而沿螺杆轴向移动,固连其上的拨销4拨动拨杆7顺时针方向转动,由于脚靴12锁死在管壁上,支承杆9不能向后运动,拨杆7通过销6带动支架3及其
固连在3上的套筒11在筒体10内向前滑动,同时通过万向节21拖动机器人的后单元(此时后单元的脚靴在抬起状态)向前运动,整个机器人前进.当脚靴12处在抬起位置时,拨杆7通过支承杆9推动筒体在套筒11上向万向节方向滑动、改变了腿的姿势。
4.转向机构
转向机构的作用是使机器人能随管道的弯曲自动转向通过弯曲管道(见图1)。管道行走机器人由两个镜面对称的单元组成,两个单元的套筒间由万向节21连接,这是一个十字万向节机构,可使前后两单元在任意方向上转动。当管道弯曲时万向节可自动转向适应弯曲管道,这样机器人通过弯曲管道时无需专门进行检测和控制。
5.撑脚防滑机构的工作原理
撑脚防滑机构如图2所示，其中长销2靠过盈配合固连在脚靴3上,当滑杆1与脚靴3相对移动时,长销2在滑杆1的长槽中滑动,在脚靴踩上管壁前,由于弹簧6的作用使滑杆1相对于脚靴上移,固联在滑杆1上的短销5迫使两摆杆4的夹角增大,使两摆杆4的端部缩回到脚靴底面以上。当滑杆外伸时首先脚靴底与管壁接触，脚靴底接触管壁后,滑杆压缩弹簧6继续下移,短销也随滑杆下移,放松了两摆杆4,在弹簧7的作用下,两摆杆4的夹角减小,两摆杆的端部从脚靴底面上伸出压在管壁上,摆杆长度设计保证摆杆此时与中心线的夹角小于摆杆材料与管壁摩擦角,脚靴向右滑动时右摆杆起作用,向左滑动时左摆杆起作用,被锁死在管壁上不能左右滑动,起防滑作用。
6.支撑腿的设计
支撑腿的作用是使机器人在脚靴缩回时，仍能维持在中心线上。管道行走机器人由两个镜面对称的单元组成，在每个单元里安装两组支撑腿，每组三套，在圆周上间隔120度安装。支撑腿主要是由支撑柱、支撑轮和弹簧三部分组成（如图3所示）图中1为支撑杆，2为弹簧，3为支撑轮，支撑轮通过弹簧、支撑柱以及支撑柱上的螺纹分别固连在支架的前端与筒体上。在此，为方便连接，在支撑柱上设置一凹槽，以便利用扳手将支撑腿固连在支架和筒体上。
当撑脚缩回时，支撑轮使机器人基本上维持在管道中心线上；机器人在行走过程中，当支撑轮遇到障碍，弹簧在机器人牵引力的作用下被迫压缩，以此通过障碍。
7.结论
步伐式行走机构，脚锁死在管壁上，在大牵引力情况下不打滑。并且安装了4组辅助支撑轮，当撑脚缩回时支撑轮使机器人基本上维持在管道中心线上；当机器人行走过程中，支撑轮遇到障碍时，支撑轮上的弹簧被压缩，可以自主通过障碍；机器人通过弯曲管道时无需专门进行检测和控制。这种机器人是可以双向运动、自动转弯的步伐式行走机构，此设计解决了机器人在管内爬行的行走需要。[科]
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