管道射线探伤机器人结构设计
图1-3仿蝎管道机器人机构模型
Fig.1-3 Model for imitation robot scorpion pipe
1.2典型的管道机器人
1） 蠕动式管道机器人
1988年，Ikuta等引用蚯蚓运动的原理开发出了蠕动机器人，后来随着蠕动机器人技术的不断完善，其开始向大型化发展，目前已可在200～300 mm的管道内应用。蠕动式管道机器人主要由蠕动部分、头部、尾部组成，如图1-4所示，1—头部，2—蠕动部分，3—尾部。前部和尾部支撑分别装有超越离合锁死装置，实现单向运动自锁。中问蠕动部分提供机器人运动的动力。对于蠕动动力机构，目前有很多实现形式：如上海大学利用气压伸缩驱动；上海交通大学利用形状记忆合金伸缩驱动；昆明理工大学利用电磁吸合驱动如图1-5，1—磁铁，2—弹簧，3—线圈等?8?10?。
下面以电磁驱动的蠕动式管道机器人为例，分析蠕动式管道机器人的运动机理。蠕动式管道机器人的运动原理如图1-6所示，1—头部，2—蠕动部分，3—尾部，一个动作循环分为3个步骤：
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青岛科技大学本科毕业设计（论文）
(1)当初始状态时，电磁铁失电，弹簧处于自由状态，故头部与尾部分离； (2)当电磁铁通电时，磁铁与线圈吸合，安装在头部上的超越单向行走方式使头部原位不动，尾部由于电磁吸力的作用向前移动；
(3)断开电源，电磁力作用消失，弹簧促使磁铁与线圈分开，安装在尾部上的超越单向行走方式使尾部原位不动，头部由于弹簧力的作用向前移动。
至此，机器人回到了初始状态，机器人前进了一步。
蠕动机器人优点是可在细小的微型管道中行走。但由于速度的间断性和缓慢性阻碍了它的发展。
图1-4 蠕动式机器人总体结构图
Fig.1-4 The overall structure of Figure creeping robot
图1-5 蠕动驱动电磁铁图 图1-6 蠕动机器人运动原理图 Fig.1-5 Peristaltic drive solenoid map Fig.1-6 Creeping robot schematics
2） 轮式管道机器人
目前，轮式管道机器人是实际工程中应用最多的一种。轮式管内移动机器人行走的基本原理是驱动轮靠弹簧力、液压、气动力，磁性力等压紧在管道内壁上以支承机器人本体并产生一定的正压力，由驱动轮与管壁之间的附着力产生机器人前后行走的驱动力，以实现机器人的移动。轮式管道机器人的行走方式有2种?11?12?：直进式和螺旋运动方式。
如果驱动轮轴线与管道轴线垂直，驱动轮沿管道母线滚动，机器人在管内做平移运动，此为轮式直进式管内移动机器人，它的优点是机器人行走时，不产生姿态旋转。下面以上海交通大学研制的轮式管道机器人(图1-7，1—蜗杆，
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2—驱动电机，3—驱动电机安装座，4—调整电机，5—铰链，6—推杆，7—丝杠螺母，8—丝杠，9—蜗杆，10—蜗轮，11—链条，12—车轮)为例说明其工作原理。驱动电机通过轴驱动与之相连接的蜗杆，蜗杆驱动沿圆周方向成120度均匀分布的3个蜗轮，蜗轮又通过链轮和链条带动机器人本体的车轮转动，实现机器人本体在管道内的前进或后退。车轮与管道壁面之间的正压力由调节部分提供，调节电机驱动滚珠丝杠转动，丝杠螺母将在丝杠上来回轴向移动，并带动推杆通过铰链使摇杆转动，从而实现预紧力的调节。
图1-7轮式直进式管道机器人的动作原理
Fig.1-7 Wheel Straight pipe robot action principle
如果驱动轮轴线不与管道轴线垂直，驱动轮实际上沿着管道中某一螺旋线行走，机器人在管中一边向前移动，一边绕管道轴线转动。螺旋运动沿管轴上的速度分量即为机器人本体的移动速度，降低速度来提高驱动力，其行走机理如图1-8所示，1—旋转体，2—驱动轮，3—支撑轮，4—支撑体，5—电机，它由驱动电机、旋转体和支撑体组成。3组驱动轮均匀分布于旋转体上，且与管壁呈一定的倾斜角θ．随着电机的转动，驱动电机带动旋转体转动，使驱动轮沿管壁作螺旋运动，保持机构沿管道中心轴线移动。改变施加于电机的电流极性，可改变机器人的移动方向，从而使机器人在管内进退自如。
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图1-8螺旋行走方式的管道机器人 Fig.1-8 Walking the way of spiral pipe robot
上述2种轮式管道机器人的主要难点是机器人的能源供应问题，即对于几百千米的油气管道，不能采取拖电缆的方式。此外。螺旋管道机器人对于检测信号的处理及空间定位也是一个难点。
3） 无缆管道机器人
20世纪50年代，由于电子技术，计算机技术等还很落后，美、德、日等国开发了无动力管内检测设备。此种设备依靠首尾两端管内流体的压力差产生驱动力，随管内流体的流动向前移动。这就是所说的无缆管道机器人?13?。随着科学技术的进步，此类机器人也有了很大发展，下面介绍广州工业大学杨宜民等的研究成果?14?。
无缆管道机器人由3部分组成，如图1-9所示，1—姿态调节机构，2—制动机构，3—发电机，4—机器人本体，5—调速机构，包括调速机构，机器人本体及姿态调节机构，发电机及制动机构，不同部件之间用柔性连轴器连接，以对各个部分起到缓冲的作用。
调速机构如图1-10所示，前面部分如能向前张开的雨伞，可按需要收放，柔性面料蒙在伞的骨架上，当伞架张开时，伞面能有效地封闭管道，增加承受流体速度压力的横截面积，推动管道机器人快速前进。伞的骨架由电磁铁元件驱动，这样通过伞面的受力面积即可调整管道机器人的运动速度。
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图1-9 管道机器人结构图 图1-10 调速机构示意图
Fig.1-9 Pipeline robot Chart Fig.1-10 Speed body diagram
当机器人在接到指令要通过某个三岔管时，控制指令输出信号给电磁元件，电磁元件拉动张紧丝，使在它前面的引导机构围绕支撑弹簧发生偏摆，如图1-11所示，1—姿态调节机构，2—机器人本体，从而实现转弯导向。
当机器人内部检测设备需要补充电能时，管道机器人上的制动机构将管道机器人稳稳地固定在管道的某个位置，如图1-12所示，1—电磁驱动，2—制动机构，3—发电机，这时管内介质冲击发电机的螺旋桨叶使之平稳转动，实现管道机器人的电能补充。
图1-11 本体与姿态调节机构示意图
Fig.1-11 Schematic diagram of body and posture adjusting mechanism
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