【文章內(nèi)容簡介】 管道)行走中要有足夠的摩擦力來克服重力的影響，另一方面需要提供足夠大的驅(qū)動力來克服各種阻力。驅(qū)動器的選擇在很大程度上決定了管道機(jī)器人的體積、重量和性能指標(biāo)?，F(xiàn)在使用的驅(qū)動方式主要有：（1）電磁驅(qū)動。最常用的是微電機(jī)，微電機(jī)又分為有刷直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)等。步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)的主要區(qū)別在于它們的驅(qū)動方式。步進(jìn)電機(jī)采用直接控制方式，它的主要命令和控制變量都是步階位置（step position）；直流電機(jī)則是以電機(jī)電壓或電流作為控制變量，以位置或速度作為命令變量，小尺寸可以產(chǎn)生較大的扭矩。直流電機(jī)需要反饋控制系統(tǒng)，它會以間接方式控制電機(jī)位置，步進(jìn)電機(jī)可以產(chǎn)生精確控制，一般采用開環(huán)方式。無刷直流電機(jī)以電子組件和傳感器取代電刷，不但延長電機(jī)壽命和減少維護(hù)成本，而且也沒有電刷產(chǎn)生的噪音，因此無刷直流電機(jī)可以達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速。對電機(jī)的控制比較成熟，目前小型電機(jī)常采用 PWM 控制方法，控制方法比較簡單，精度比較高。（2）壓電驅(qū)動。壓電材料是一種受力即產(chǎn)生應(yīng)變，在其表面出現(xiàn)與外力成比例電荷的材料，又稱壓電陶瓷。反過來，把一電場加到壓電元件上，則壓電元件產(chǎn)生應(yīng)變，輸出力或變位。通常壓電元件的能量變換率高（約50%），驅(qū)動力大（3500N/cm2），響應(yīng)速度快（幾十毫秒），穩(wěn)定性好，驅(qū)動精度高。故通常壓電元件有兩種驅(qū)動方式：一種是利用動態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)，作高頻振動，把振動作為動力源；另一種是利用驅(qū)動力大、精度高的特點(diǎn)，驅(qū)動位移或力作為驅(qū)動源。（3）形狀記憶合金。形狀記憶合金是一種特殊的合金，其形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因是相變，其相變是由可逆的熱彈性馬氏體的相變產(chǎn)生，一旦使他記憶了任意形狀，當(dāng)加熱到某一適當(dāng)?shù)臏囟葧r(shí)，則恢復(fù)為變形前的形狀。它的特點(diǎn)：一是變化率大，是普通金屬的近十倍，達(dá)到 4mm 每100C；二是變位方向的自由度大，由兩種金屬片貼合而成的雙金屬片的變位方向只能是垂直于貼合面的方向，形狀記憶合金是單一材料，沒有方向的依賴性，可向任何方向變位，如做成線圈狀擴(kuò)大動作行程；三是在特定的溫度下，變位急劇發(fā)生，并且具有溫度的遲滯性，適合于開關(guān)動作。（4）超聲波驅(qū)動是利用超聲波振動作為驅(qū)動力，即由振動部分和移動部分組成，靠振動部分和移動部分之間的摩擦力來驅(qū)動的一種驅(qū)動器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、響應(yīng)快、力矩大，不需要減速就可以低速運(yùn)行，常用于照相機(jī)快門的動作等。超聲波驅(qū)動由三種驅(qū)動方式：振動方向變換型、行進(jìn)波型和復(fù)合振動型，這兩種驅(qū)動方式一般應(yīng)用在微機(jī)器人上。（5）氣動驅(qū)動。利用壓縮空氣驅(qū)動氣動馬達(dá)或氣缸運(yùn)動，適合潮濕惡劣的環(huán)境，不需要電源，但運(yùn)動精度比較低。（6）人工肌肉是一種新型的氣動橡膠驅(qū)動器（仿生物肌肉驅(qū)動），結(jié)構(gòu)是由內(nèi)部橡膠筒套及外部纖維編織網(wǎng)構(gòu)成，當(dāng)對橡膠筒套充氣時(shí)，橡膠筒套因彈性變形壓迫外部編織網(wǎng)，由于編織網(wǎng)剛度很大，限制其只能徑向變形，直徑變大，長度縮短。此時(shí)，如果將氣動人工肌肉與負(fù)載相聯(lián)，就會產(chǎn)生收縮力；反之，當(dāng)放氣時(shí)氣動人工肌肉彈性回縮，直徑變細(xì)，長度增加，收縮力減小，因此氣動人工肌肉具有重量輕、輸出力大、柔順性好等特點(diǎn)。如圖21所示，1—橡膠筒套，2—纖維層，3—螺絲口部，其缺點(diǎn)是：（1）氣動人工肌肉與傳統(tǒng)氣動執(zhí)行元件相比行程?。鈩尤斯ぜ∪饪蛰d時(shí)可達(dá)20%，有載時(shí)只可達(dá)到10%，而有的傳統(tǒng)氣缸可達(dá)到40%）；（2）氣動人工肌肉的變形為非線性環(huán)節(jié)，具有時(shí)變性，使準(zhǔn)確控制其位移十分困難；（3）在工作過程中，氣動人工肌肉自身溫度會發(fā)生變化，隨著溫度的變化，其性能也會改變，這給高精度控制帶來困難。圖21 人工肌肉結(jié)構(gòu)簡圖 structure diagram of manmade muscle本課題的管道機(jī)器人選用電磁驅(qū)動的驅(qū)動方式，采用微型直流電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，選用充電電池作為電源，即可避免機(jī)器人拖纜線，減輕機(jī)器人的重量，減輕機(jī)器人在管道內(nèi)部運(yùn)動的阻力。 驅(qū)動電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。本機(jī)構(gòu)兩個(gè)履帶足由獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，目的是為了簡化傳動機(jī)構(gòu)，使機(jī)構(gòu)更加緊湊。設(shè)機(jī)器人直線行走阻力、爬坡阻力和拖線阻力分別為FFF3。本課題研究的管道機(jī)器入主要應(yīng)用于硬質(zhì)管道環(huán)境，直線行走時(shí)的地面變形阻力和外部行駛阻力可以忽略不計(jì)，故直線行走阻力只考慮履帶裝置運(yùn)行內(nèi)阻力。履帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動力主要表現(xiàn)為履帶與地面之間的摩擦力，即附著力。履帶裝置運(yùn)行內(nèi)阻力是由同步帶和帶輪，傳動齒輪之間的摩擦阻力形成，一般可用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：F1=kGg (21)式中： k—內(nèi)阻力系數(shù)； G—機(jī)器人重； g—重力加速度；，考慮到本機(jī)構(gòu)的實(shí)際情況。設(shè)機(jī)器人機(jī)重G=15kg，則直線行走阻力：F1=9N。 其爬坡阻力為： （22）式中：G—機(jī)器人重—機(jī)器人爬坡坡度 則 F=設(shè)爬坡坡度為30，線纜重8kg，線長25m。則機(jī)器人的總阻力為： =F+F+F （23）式中： F—行走阻力 F—爬坡阻力 F—拖線所需的力則 F0=每只履帶上的阻力F為：F==57N。 （24）履帶足電機(jī)輸出功率：P= （25）式中：T—每支履帶所受阻力鉅n—電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速設(shè)帶輪節(jié)徑d=40mm。假設(shè)機(jī)器人行進(jìn)速度為6m/min，則電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n=48rpm。則 P=（KW）=（W）考慮到管內(nèi)可能碰到比較惡劣的情況，而且為越障預(yù)留一些功率，以使其在拖線30m的情況下仍然可以比較輕松的攀爬障礙，取足夠的安全系數(shù)，確定步進(jìn)電機(jī)的步距角，靜力矩和電流，并考慮電機(jī)的性價(jià)比和安裝尺寸，選取適當(dāng)?shù)牟竭M(jìn)電機(jī)。管道機(jī)器人的移動方式可以分為輪式、履帶式、足式、蠕動式、螺旋式和流體推動式等（如圖22）。A為輪式 ，B為履帶式 ，C為足式， D為螺旋式，E為張緊式， F為流體推動式 ，G為蠕動式。圖22 管道機(jī)器人的移動方式 Lootion mode of pipe robot輪式機(jī)器人以其運(yùn)動的連續(xù)性、平穩(wěn)性和車輛技術(shù)的成熟性而廣為應(yīng)用。然而對于輪式也還有限制：輪式越障礙能力比較差，牽引力相對履帶式要??；在不平整地面環(huán)境下，運(yùn)動不平穩(wěn)，易傾斜；微型化比較難。履帶式機(jī)器人具有牽引力大，抓地性好，適應(yīng)地面環(huán)境能力強(qiáng)的特點(diǎn)，同等條件下，可以跨越的障礙是所有驅(qū)動方式中最大的。足式是一種模仿昆蟲結(jié)構(gòu)功能的移動方式，地形適應(yīng)能力強(qiáng)，能越過較大的壕溝和臺階，其缺點(diǎn)是速度和效率低，轉(zhuǎn)向比較困難，控制系統(tǒng)復(fù)雜，因?yàn)橥群偷孛娴慕佑|面積小而使得單位的壓強(qiáng)太大，所以應(yīng)用起來比較困難。日本用壓電元件制成的足式步行機(jī)器人采用雙壓晶片型的壓電元件，利用它的振動直接蹬著地面前進(jìn)。如圖23所示，1—三叉支架，2—三叉支架二。螺旋式機(jī)器人是利用旋轉(zhuǎn)摩擦管壁產(chǎn)生推力。適合在管徑很小的管道中運(yùn)動，缺點(diǎn)是效率低，推力比較小。張緊式移動機(jī)構(gòu)主要是適合在垂直管道或大坡度管道中運(yùn)動，它通過可變形的機(jī)構(gòu)始終張緊管壁，保持與管壁的緊配合。一般與其他移動方式（如輪式和履帶式）結(jié)合使用，缺點(diǎn)是不能適合L型等沒有圓弧過渡的彎道，適應(yīng)得管道直徑范圍比較小。如圖24所示，（適合直徑85105mm）。 圖23 微型六足機(jī)器人 Hexapode microrobot 圖24 Sungkyunwan University 的管道機(jī)器人 Pipe robot of Sungkyunwan University流體推動式是一種無動力或被動式的移動方式，利用管道內(nèi)的流動液體的動力運(yùn)動，可以在管道不停止工作的狀態(tài)下進(jìn)行管道的檢測，一般沒有纜繩，因此不受行走距離的限制，缺點(diǎn)是難以控制速度和方向。蠕動式機(jī)器人是依靠柔性形體的變形產(chǎn)生移動，具有較大的吸引力，運(yùn)用的驅(qū)動元件不同，但蠕動原理大致相同，對于不同的蠕動機(jī)理，蠕動規(guī)律及控制尚需深入研究，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)向困難，速度和效率低，牽引力小。蠕動式有蛇行、仿蚯蚓等運(yùn)動模型。由于管道內(nèi)避的情況復(fù)雜，會有許多突起的障礙，管壁的環(huán)境也可能較泥濘，行走條件苛刻，因此選擇履帶式為管道機(jī)器人的移動方式本課題的履帶式機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：1）履帶式移動機(jī)器人支撐面積大，接地比壓小，適合于松軟或泥濘場地作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小，通過性能好；越野機(jī)動性能好，爬坡，越溝等性能均優(yōu)于輪式移動機(jī)器人。2）履帶式移動機(jī)器人轉(zhuǎn)向半徑極小，可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，其轉(zhuǎn)向原理是靠兩條履帶之間的速度差即一側(cè)履帶減速或剎死而另一側(cè)履帶保持較高的速度來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。3）履帶支撐面上有履齒，不易打滑牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。4）履帶式移動機(jī)器人具有良好的自復(fù)位和越障能力，帶有履帶臂的機(jī)器人可以像腿式機(jī)器人一樣實(shí)現(xiàn)行走。當(dāng)然，履帶式移動機(jī)器人也存在一些不足之處，比如在機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)大彎，往往要采用較大的牽引力，在轉(zhuǎn)彎時(shí)會產(chǎn)生側(cè)滑現(xiàn)象，所以在轉(zhuǎn)向時(shí)對地面有較大的剪切破壞作用。本課題設(shè)計(jì)的是利用X射線來完成對于油氣管道的檢測，其主要方面是對于管道機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過查閱相關(guān)資料和自身對知識的掌握，能夠研制一臺具有良好的彎道通過能力、越障礙能力、視覺定位能力并能適應(yīng)較長距離檢測及不同管徑范圍內(nèi)作業(yè)的實(shí)用樣機(jī)。 在設(shè)計(jì)管道機(jī)器人時(shí)需要重點(diǎn)考慮的幾個(gè)關(guān)鍵性問題是：1）移動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題。管道機(jī)器人在彎管、支岔管中的通過性問題是一個(gè)難點(diǎn)，又要考慮到適應(yīng)不同管徑的問題。尋找一種既能夠提供較大牽引力，又快速靈活、可靠性高的機(jī)構(gòu)是一個(gè)值得研究的問題，還要在動力系統(tǒng)、傳動機(jī)構(gòu)的小型化方面下功夫。除了在機(jī)械機(jī)構(gòu)上推陳出新之外，另外還應(yīng)該盡可能結(jié)合控制方案來考慮。2）驅(qū)動方式的選擇問題。對于管道機(jī)器人的驅(qū)動器，常用的是微型直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，其響應(yīng)快，控制比較精確可靠，產(chǎn)生的扭矩比較大，成本相對低。因此本方案采用了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動器，可以在管道中，尤其在彎管中產(chǎn)生足夠的驅(qū)動力來克