【文章內容簡介】 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動力來克服各種阻力。驅動器的選擇在很大程度上決定了管道機器人的體積、重量和性能指標。現在使用的驅動方式主要有：（1）電磁驅動。最常用的是微電機，微電機又分為有刷直流電機、無刷直流電機、步進電機和舵機等。步進電機、直流電機和無刷直流電機的主要區(qū)別在于它們的驅動方式。步進電機采用直接控制方式，它的主要命令和控制變量都是步階位置（step position）；直流電機則是以電機電壓或電流作為控制變量，以位置或速度作為命令變量，小尺寸可以產生較大的扭矩。直流電機需要反饋控制系統(tǒng)，它會以間接方式控制電機位置，步進電機可以產生精確控制，一般采用開環(huán)方式。無刷直流電機以電子組件和傳感器取代電刷，不但延長電機壽命和減少維護成本，而且也沒有電刷產生的噪音，因此無刷直流電機可以達到更高的轉速。對電機的控制比較成熟，目前小型電機常采用 PWM 控制方法，控制方法比較簡單，精度比較高。（2）壓電驅動。壓電材料是一種受力即產生應變，在其表面出現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，則壓電元件產生應變，輸出力或變位。通常壓電元件的能量變換率高（約50%），驅動力大（3500N/cm2），響應速度快（幾十毫秒），穩(wěn)定性好，驅動精度高。故通常壓電元件有兩種驅動方式：一種是利用動態(tài)響應快的特點，作高頻振動，把振動作為動力源；另一種是利用驅動力大、精度高的特點，驅動位移或力作為驅動源。（3）形狀記憶合金。形狀記憶合金是一種特殊的合金，其形狀記憶效應產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生，一旦使他記憶了任意形狀，當加熱到某一適當的溫度時，則恢復為變形前的形狀。它的特點：一是變化率大，是普通金屬的近十倍，達到 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，適合于開關動作。（4）超聲波驅動是利用超聲波振動作為驅動力，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動的一種驅動器，它具有結構簡單、體積小、響應快、力矩大，不需要減速就可以低速運行，常用于照相機快門的動作等。超聲波驅動由三種驅動方式：振動方向變換型、行進波型和復合振動型，這兩種驅動方式一般應用在微機器人上。（5）氣動驅動。利用壓縮空氣驅動氣動馬達或氣缸運動，適合潮濕惡劣的環(huán)境，不需要電源，但運動精度比較低。（6）人工肌肉是一種新型的氣動橡膠驅動器（仿生物肌肉驅動），結構是由內部橡膠筒套及外部纖維編織網構成，當對橡膠筒套充氣時，橡膠筒套因彈性變形壓迫外部編織網，由于編織網剛度很大，限制其只能徑向變形，直徑變大，長度縮短。此時，如果將氣動人工肌肉與負載相聯(lián)，就會產生收縮力；反之，當放氣時氣動人工肌肉彈性回縮，直徑變細，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。如圖21所示，1—橡膠筒套，2—纖維層，3—螺絲口部，其缺點是：（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時可達20%，有載時只可達到10%，而有的傳統(tǒng)氣缸可達到40%）；（2）氣動人工肌肉的變形為非線性環(huán)節(jié)，具有時變性，使準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 人工肌肉結構簡圖 structure diagram of manmade muscle本課題的管道機器人選用電磁驅動的驅動方式，采用微型直流電動機進行驅動，選用充電電池作為電源，即可避免機器人拖纜線，減輕機器人的重量，減輕機器人在管道內部運動的阻力。 驅動電機的選擇步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。本機構兩個履帶足由獨立的步進電機驅動，目的是為了簡化傳動機構，使機構更加緊湊。設機器人直線行走阻力、爬坡阻力和拖線阻力分別為FFF3。本課題研究的管道機器入主要應用于硬質管道環(huán)境，直線行走時的地面變形阻力和外部行駛阻力可以忽略不計，故直線行走阻力只考慮履帶裝置運行內阻力。履帶機構驅動力主要表現為履帶與地面之間的摩擦力，即附著力。履帶裝置運行內阻力是由同步帶和帶輪，傳動齒輪之間的摩擦阻力形成，一般可用以下經驗公式計算：F1=kGg (21)式中： k—內阻力系數； G—機器人重； g—重力加速度；，考慮到本機構的實際情況。設機器人機重G=15kg，則直線行走阻力：F1=9N。 其爬坡阻力為： （22）式中：G—機器人重—機器人爬坡坡度 則 F=設爬坡坡度為30，線纜重8kg，線長25m。則機器人的總阻力為： =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）履帶足電機輸出功率：P= （25）式中：T—每支履帶所受阻力鉅n—電機輸出轉速設帶輪節(jié)徑d=40mm。假設機器人行進速度為6m/min，則電機輸出轉速n=48rpm。則 P=（KW）=（W）考慮到管內可能碰到比較惡劣的情況，而且為越障預留一些功率，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，確定步進電機的步距角，靜力矩和電流，并考慮電機的性價比和安裝尺寸，選取適當的步進電機。管道機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 管道機器人的移動方式 Lootion mode of pipe robot輪式機器人以其運動的連續(xù)性、平穩(wěn)性和車輛技術的成熟性而廣為應用。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小；在不平整地面環(huán)境下，運動不平穩(wěn)，易傾斜；微型化比較難。履帶式機器人具有牽引力大，抓地性好，適應地面環(huán)境能力強的特點，同等條件下，可以跨越的障礙是所有驅動方式中最大的。足式是一種模仿昆蟲結構功能的移動方式，地形適應能力強，能越過較大的壕溝和臺階，其缺點是速度和效率低，轉向比較困難，控制系統(tǒng)復雜，因為腿和地面的接觸面積小而使得單位的壓強太大，所以應用起來比較困難。日本用壓電元件制成的足式步行機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。如圖23所示，1—三叉支架，2—三叉支架二。螺旋式機器人是利用旋轉摩擦管壁產生推力。適合在管徑很小的管道中運動，缺點是效率低，推力比較小。張緊式移動機構主要是適合在垂直管道或大坡度管道中運動，它通過可變形的機構始終張緊管壁，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）結合使用，缺點是不能適合L型等沒有圓弧過渡的彎道，適應得管道直徑范圍比較小。如圖24所示，（適合直徑85105mm）。 圖23 微型六足機器人 Hexapode microrobot 圖24 Sungkyunwan University 的管道機器人 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，利用管道內的流動液體的動力運動，可以在管道不停止工作的狀態(tài)下進行管道的檢測，一般沒有纜繩，因此不受行走距離的限制，缺點是難以控制速度和方向。蠕動式機器人是依靠柔性形體的變形產生移動，具有較大的吸引力，運用的驅動元件不同，但蠕動原理大致相同，對于不同的蠕動機理，蠕動規(guī)律及控制尚需深入研究，缺點是轉向困難，速度和效率低，牽引力小。蠕動式有蛇行、仿蚯蚓等運動模型。由于管道內避的情況復雜，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器人的移動方式本課題的履帶式機器人具有以下特點：1）履帶式移動機器人支撐面積大，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；越野機動性能好，爬坡，越溝等性能均優(yōu)于輪式移動機器人。2）履帶式移動機器人轉向半徑極小，可以實現原地轉向，其轉向原理是靠兩條履帶之間的速度差即一側履帶減速或剎死而另一側履帶保持較高的速度來實現轉向。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）履帶式移動機器人具有良好的自復位和越障能力，帶有履帶臂的機器人可以像腿式機器人一樣實現行走。當然，履帶式移動機器人也存在一些不足之處，比如在機器人轉向時，為了實現轉大彎，往往要采用較大的牽引力，在轉彎時會產生側滑現象，所以在轉向時對地面有較大的剪切破壞作用。本課題設計的是利用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器人行走機構的設計。通過查閱相關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較長距離檢測及不同管徑范圍內作業(yè)的實用樣機。 在設計管道機器人時需要重點考慮的幾個關鍵性問題是：1）移動機構的設計問題。管道機器人在彎管、支岔管中的通過性問題是一個難點，又要考慮到適應不同管徑的問題。尋找一種既能夠提供較大牽引力，又快速靈活、可靠性高的機構是一個值得研究的問題，還要在動力系統(tǒng)、傳動機構的小型化方面下功夫。除了在機械機構上推陳出新之外，另外還應該盡可能結合控制方案來考慮。2）驅動方式的選擇問題。對于管道機器人的驅動器，常用的是微型直流電機或步進電機，其響應快，控制比較精確可靠，產生的扭矩比較大，成本相對低。因此本方案采用了步進電機作為驅動器，可以在管道中，尤其在彎管中產生足夠的驅動力來克