一种可调式管道爬行机器人

帅青文 帅青武

摘要 ：针对石油、化工、天然气及核工业等产业迅速发展，各种管道作为一种重要的物料输送设施，得到了广泛应用。由于腐蚀、重压等作用，管道不可避免地会出现裂纹、漏孔等现象。而管道所处的环境往往是人们不易或不能直接接触的，因此，对于管道的检测和维护成了工业生产中的一道难题 ，管道机器人有巨大需求，本文提出了管道机器人中的一种。

关键词：石油，化工，管道，机器人

1.爬行原理的设计

充分利用仿尺蠖昆虫的爬行原理，利用曲柄滑块机构实现管道机器人[19]的前行，具体实施过程如下：启动电机，转盘转动，连杆随动受拉力，带动后大滑块向前，后大滑块通过两个后滑杆带动两足收拢，脱离管道侧壁，后大滑块通过滑槽前壁推动后机体往前移动，此时，转盘受到阻力通过电机整体传力至前机体，由于前大滑块已处于滑槽最后面，两个前滑杆带动两个前足向管道两侧撑开，足够大的摩擦力抵抗前机体向后移动，结果只能是后机体往前运动，从而解决了前行问题。

2.结构及原理

图1为可调式管道爬行机器人的结构示意图，其由三部分組成，前体部分、后体部分及前后体连接部分。

前体部分包括带有封闭滑槽的前机体1、固连有驱动电机5的前大滑块4、与前大滑块铰接且带有小滑槽的前滑杆、与前机体铰接且带有小滑块的前足。

后体部分包括带有封闭滑槽的后机体15、后大滑块14、与后大滑块铰接且带有小滑槽的后滑杆、与后机体铰接且带有小滑块的后足。

后机体连接部分包括连接转盘和后大滑块的连杆7、连接前后机体承托电缆的拖链8。

这种可调式管道爬行机器人的工作原理是：

工作前，前大滑块处于前机体滑槽的后部，后大滑块处于后机体滑槽的前部，启动电机，转盘转动，连杆随动受拉力，带动后大滑块向前，后大滑块通过两个后滑杆带动两足收拢，脱离管道侧壁，后大滑块通过滑槽前壁推动后机体往前移动，此时，转盘受到阻力通过电机整体传力至前机体，由于前大滑块已处于滑槽最后面，两个前滑杆带动两个前足向管道两侧撑开，足够大的摩擦力抵抗前机体向后移动，结果只能是后机体往前运动。

当转盘转过一定角度时，连杆开始受压力，后大滑块向后移动贴紧后机体滑槽后壁，后两足撑开与管道两侧接触产生摩擦力，后机体不能向后移动，此时，连杆通过转盘、电机带动前大滑块向前，当前大滑块向前消除滑槽中的间隙贴紧滑槽前壁，推动前机体向前运动。前后机体如此交替向前运动，实现在管道中的移动。

由于前后足是靠弹簧力压在管壁上，这样如果管径直径变小，则前后足将迫使弹簧压缩;如果井眼直径变大，则弹簧的弹力将迫使前后足继续向外张开，从而使前后足始终与管壁壁接触。这样，在弹簧力许可的范围之内，爬行器就可以在不同直径的管径内爬行。如果爬行器所要进入的管径过大或过小，仅靠弹簧力原有的伸缩范围无法保证提供合适的压缩力。这时需根据管径的尺寸范围，在下管前预先调节弹簧的预压量，从而保证弹簧力在合适的范围之内———既保证能够将整个爬行器支撑在管壁上，又保证前后足与管壁壁之间具有合适的正压力，从而确保驱前后足与管壁之间保持较好的摩擦力。

当遇到一定曲率半径的弯管时，由于弯道左右曲率半径不一样，撑开的左右足受力不一样，转向侧受力大，相对侧受力小，通过滑杆使大滑块受到一定的侧向力，此侧向力使机体向转向侧移动，实现机体有一定的转向能力。

当进行具体作业时，停止电机，机器人不移动，开启装在前机体上的专业设备，完成机器人所要进行的工作。

3.可调式管道爬行机器人的先进性

3.1可调式管道爬行机器人继承了现有爬行机器人的优点，克服了其不足点

该可调式管道爬行机器人包括前机体和后机体，前后机身通过连杆相连，前机体上固连有驱动电机，前后机体分别铰接有两足，通过改变弹簧的预压量和两足的铰接点，可以获得两足的不同张开距离，达到适应不同口径管道的爬行需要。本机器人爬行速度快，可调性好，适应一定曲率半径的弯管道，适用于多种工作环境下的管道作业，成本低，拆装方便，实用价值高。

3.2可调式管道爬行机器人能克服现有一些爬行机器人的不足

到目前为止，经过各国学者努力，虽然也出现了各种形式的管道机器人，类似装置驱动方案主要有轮式驱动、履带式驱动、蠕动式驱动及液力(气动)驱动等。但都存在一些不足，如适应能力不够、结构复杂、移动速度慢、成本高、可靠性低等一些问题，给实际生产作业带来了困难。

可调式管道爬行机器人能很好的克服以上缺点，主要原因是：1）前后机体正下方设计有支撑万向滚轮，滚轮高度可调，以适应不同口径的管道；2）该可调式管道爬行机器人提供一种了仿生学原理、结构简单、可靠性高、可调性好、拆装方便、成本低廉。这些特点现有的爬行器都不易具备。

4.综述

4.1通过上面的研究我们得出可调式管道爬行机器人的优点：

(1）通过改变弹簧的预压量和两足的铰接点，可以获得两足的不同张开距离，达到适应不同口径管道的爬行需要，使其适应性较好；

(2）充分利用曲柄滑块机构，结构简单，可靠性好，可调性好、拆装方便；

(3）依靠行走部分相对滑动和转动使两侧行走的距离发生改变，从而达到在管道中具有一定的转弯能力；

因此，该可调式管道爬行机器人技术具有非常重大的实用价值和经济价值。

5.前景展望

该管道机器人的适应范围及推广前景

基于管道机器人具有以下优点：1）适用于各种管内作业; 2）适用于管道的无损检测；3）适用于各种管道的清理等。提高了管道机器人的可靠性和效率以及降低了使用成本，能满足各种管道作业的需求，因此可调式管道爬行机器人具有很好的应用前景。

6.参考文献

[1] 邓宗全，毕德学．管道机器人．机器人技术与应用，1996，(6)：12．14

[2] 龚振邦等编著．机器人机械设计．北京：电子工业出版社，1995

[3] 毛利民，蒯东宝，陈曼等．高度可调的自主变位履带式管道机器人的行走机构．中国专利ZL2003 10108577．6

[4] 邓宗全，王永福，徐伟等．管内移动机器人拖线力计算方法研究．机械设计，1995，(9)．46-49