2008年第27卷10月第10期机械科学与技术
Mechanical Science and Technol ogy for Aer os pace Engineering Oct ober Vol .272008No .10
收稿日期:2007210219
基金项目:863计划项目(2007AA04Z256
)和部委预研项目(51318020310)
资助
作者简介：徐从启(1981-)，博士研究生，研究方向为精密工程与计
算机控制,xcqnudt@126
徐从启
徐从启，解旭辉，戴一帆，李圣怡
(国防科技大学机电工程与自动化学院机电系，长沙 410073)
摘 要：针对内径为15mm ～20mm 的微小管道，设计了3种适应不同管径的常用调节机构。分析了凸轮推杆和丝杠螺母副调节机构的力学特性，并给出了计算结果，比较分析了各自的优缺点。根据实际需要，最终选用了丝杠螺母副调节机构，设计了能适应管径为15mm ～20mm 管道的机器人。利用机械系统动力学仿真软件ADAMS 建立了机器人虚拟样机牵引力测试模型，仿真表明：该调节机构具有15N 左右的牵引力输出，且该调节机构的适应管径能力很好地满足设计需要。关 键 词：微小管道机器人；凸轮推杆；蜗轮蜗杆；丝杠螺母副；虚拟样机中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:100328728(2008)1021145204
Dynam i c Analysis of Three Regul ati n g M echan is m s for a
M i cro I n 2pi pe Robot Adapt able to D i fferent Pi pe D i a meters
Xu Congqi,Xie Xuhui,Dai Yifan,L i Shengyi
(College of M echatr onics Engineering and Aut omati on,Nati onal University of Defense Technol ogy,Changsha 410073)
Abstract:For m icr o p i pes whose dia meters range fr om 15t o 20mm ,three commonly used regulating mechanis m s are p r oposed by analyzing the mechanical p r operties of each type,comp
aring their advantages and disadvantages and giving the computing result .According t o the actual engineering needs,a lead scre w and nut pair regulating mechanis m is chosen and a novel in 2p i pe r obot is designed,which can adap t t o m icr o p i pes with dia meters in the range of 15mm ～20mm.The mechanical dyna m ics s oft w are ADAMS is adop ted t o establish the virtual p r ot otype testing model,which is used t o test the tracti on force of the r obot .Si m ulati on result shows that this regulating mechanis m has a tracti on f orce out put of 15N ,and it can meet the require ments very well .
Key words:m icr o in 2p i pe r obot;lead scre w and nut pair;virtual p r ot otype;Ca m carrier;Wor m and wor mwheel
管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作
人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列
管道作业的机、电、仪一体化系统[1]
。自上世纪80年代以来，国内外管道机器人的研究成果已经很多，但针对内径尺寸在20mm 以下的细小管道、特殊管道(如变径管道、U 形管、T 形管等)的微小型管道机器人研究尚处于探索阶段，离实际应用还有一定的
差距，但是由于该类管道在各个领域的广泛应用，因此研发该类机器人极具吸引力。
微小管道机器人技术是近年来兴起的一种将精密机械、机器人学、新材料、控制理论等相结合的一种新型技术。由于现代工农业生产及日常生活中使用着众多内径为15mm ～20mm 的微小管道，如核电厂的蒸汽发生器传热管、冶金、化工、制冷行业的细小管道等，这些管道系统的工作环境非常恶劣，容易发生腐蚀、疲劳破坏或存在使管道内部潜在的缺陷发展成破损而引起泄漏事故等。因此管道的监测、诊断、清理和维护就成为保障管道系统安全、畅通和高效运营的关键。然而管道所处的环境往往受人力或人手不及所限，且多数管道的安装环境是人不能直接到达或不允许人直接介入，检修难度很大。
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因此开发一种能适应该类微小管道的机器人势在必行，也是机器人发展的一个方向。
目前国内外研制的微小管道机器人通常只适用
于单一管道。如日本Toshiba 公司K .Suzu mori [2,3]
等人研制成功适用于 20mm 管道的直进轮式管道机器人；东京工业大学的I w ao Hayashi [4]
等人根据蚯蚓蠕动原理开发出一种蠕动式微管道机器人，但仅适用于内径为20mm 的管道，且牵引力较小只
有0122N；日本Dens o 公司[5,6]
研制的无线双压电晶片执行器微机器人适用于内径为10mm 的管道；法国Besancon 自动化实验室[7,8]
研制了一种可以在直径为10mm 管道内移动的微型管内机器人，但牵
引力较低；上海大学罗怡[9]
等人研制的适用于管径为20mm 管道的双压电薄膜细小管道机器人；国防
科技大学郭瑜[10]
等人研制的螺旋轮式管道机器人，适用于管径为15mm ～18mm 的管道；广东工业大
学程良伦[11]
等研制一种电磁力驱动的蠕动式微小管道机器人，适合在直径为15mm ～20mm 的管道内运动，但牵
引力只有1N 左右。
为了克服现有微小管道机器人只适用于单一管道以及管径适应范围小的不足，针对内径为15mm ～20mm 的微小管道，本文设计了3种适应不同管径的常用调节机构，比较了各自的优缺点，并根据需要最终选用了丝杠螺母副调节机构。该调节机构具有充裕并且稳定的牵引力，且能适应 15mm ～ 20mm 的管径。
文献[12]同样设计了3种适应不同管径的调节机构：蜗轮蜗杆调节方式、升降机调节方式以及滚
珠丝杠螺母副调节方式[12]
，但此3种调节机构是针对管径为400mm ～650mm 的大管道，根本不适合内径为15mm ～20mm 的微小管道。而本文设计的蜗轮蜗杆和丝杠螺母副调节机构是针对 15mm ～ 20mm 管径的微小管道，并且与文献[12]中提出的结构是有区别的。1 凸轮推杆调节机构
如图1所示是凸轮推杆调节机构示意简图，凸
轮凸缘半径为R，圆心为凸轮中心O；凹陷处半径为
R 1，圆心为O 1，且|OO 1———
|=R 2。调节电机输出轴与凸
轮轴相连接，当电机工作时，带动凸轮旋转，这样推杆就沿轨道方向来回滑动，从而带动管道机器人的
支撑轮撑开或收缩，以便有一定的正压力撑紧在不同管径的管道内壁上。由于图示凸轮推杆调节机构为一对称结构，故只分析凸轮和推杆AD 的运动关系即可。假设凸轮从图示位置逆时针旋转α角时，推杆
汽车投影
AD 从最低处运动至图中的A ′D ′处，上升距离为h,
则由几何知识可知
h =|OG ———
-OA ———
|
(1)
根据正弦定理解△OO ′G，如图2所示，可解得
|OG ———
测试探针
|=R 2co s
α+R 2
1-R 2
2sin 2
α
(2)
图1 凸轮推杆调节机构
根据式(1)有:
h =|OG ———-OA ———
|=
(R 2cos α+
R 2
1-R 2
2sin 2
α)-(R 2-R 1)(3)
对上式两边取微分，整理得
d h =-R 2sin
α1+R 2co s
αR 2
1
-R 22
sin 2
α
d α(4)
假设三根推杆都遵循上述运动规律，支撑轮与管壁间的正压力均为N ，凸轮推杆间的传动效率为
η，则根据虚位移原理有:
ηT d α+3N d h =0(5)
将式(4)代入式(5)整理得
T =3N R 2sin
αη1+R 2cos αR
21
-R 22
sin 2α
(6) 实际设计,R 1=415mm ,R 2=615mm ，输出牵
图2 △OO ′G 示意图
引力F =10N ，支撑轮与管道内壁摩擦系数μ=015，则管道内壁作用在支撑轮上的正压力
N =F /3μ=6167N ,α随
适应管径的变化而变化，当机器人行走在 15mm 管道中时,α
=29163°，当机器人行
走在 20mm 管道中
平板电脑支撑架时,α=43169°，凸轮推杆间的传动效率η=80%,
6
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第10期徐从启等：微小管道机器人适应不同管径的3种调节机构的力学分析
则根据式(6)可计算出当机器人行走在 15mm 管道中时,T =224155N ・mm ，当机器人行走在 20mm 管道中时,T =1865135N ・mm 。
可见采用凸轮推杆调节机构时，电机轴所受的扭矩非常大，接近1900N ・mm ，远远超出了目前微型直流减速电机的额定转矩，故该调节机构不可取。2 蜗轮蜗杆调节机构
图3所示为蜗轮蜗杆调节机构示意图，其工作
原理是电机驱动与之相连接的蜗杆，蜗杆驱动蜗轮转动，蜗轮带动其上的小齿轮1转动，同时摆臂的旋转角度由扭簧(图中未画出)控制实现支撑轮撑开或收缩以达到适应不同管径的目的。但是由于该结构较为复杂，并且其传动效率也不高，在此就不再深入分析
。
图3 蜗轮蜗杆调节机构
3
丝杠螺母副调节机构
图4 丝杠螺母副调节机构示意图
图4所示为丝杠螺母调节机构示意图，其工作
原理是调节电机输出轴与丝杠固连，调节电机驱动丝杠转动，螺母套和连杆CD 铰接于C，另一端与支撑轮铰接于D，连杆AB 铰接在B C 上于B 处，螺母套在周向相对固定，因此丝杠的转动将带动螺母套沿丝杠方向来回滑动，从而带动连杆CD 绕C 点转动，使支撑轮撑开或者紧缩以达到适应不同管径的目的。由于丝杠螺母副调节机构为周向均布结构，共有三组连杆和支撑轮结构沿周向120°排列，故只分析
其中一组的力学特性即可，以A 为坐标原点，建立如图所示的坐标系XA Y,l 、l 1、l 2分别为连杆CD 、B C 和
AB 的长度,r 为支撑轮的半径,β、γ分别为连杆AB 和
光固化打印机CD 与水平方向的夹角,N 为管壁作用在支撑轮上的
正压力,F 是丝杠螺母副作用在连杆上的轴向推力,
T 为电机的输出转矩。
在坐标系XA Y 中，有如下几何关系:y E =r +l sin
γl 1sin
γ=l 2sin βx C =l 1cos
γ+l 2cos
β(7)
对上式两边分别取微分并整理得
δx C =-l 1l
(tan β+tan γ)δy E
(8) 由虚位移原理得
N δy E +F δx C =0
(9)
导电布双面胶
将式(8)代入式(9)化简可得
F =
l
l 1(tan
β+tan γ)N
(10)
设丝杠导程为p，丝杠螺母副传动效率为η，则
T =
p
2
πη∑
F =
3pl
2
πηl 1(tan β+tan γ)N (11)
实际设计中,l =6mm ,l 1=315mm ，输出牵引
力F =10N ，支撑轮与管道内壁摩擦系数取μ=
015，则管道内壁作用在支撑轮上的正压力N =
F /3
μ
=6167N ,β、
γ随适应管径的变化而变化，当机器人行走在 15mm 管道中时,β=25°、γ=30°，当机器
人行走在 20mm 管道中时,β=51°、γ=621644°，丝杠螺母副间的传动效率取η=90%，则根据式
(11)可计算出当机器人行走在 15mm 管道中时,T =416475N ・mm ，当机器人行走在 20mm 管道中
时,T =1153N ・mm 。
可见，采用丝杠螺母副调节机构时，当管径在15mm ～20mm 范围内变化时，丝杠上的最大扭矩为
416475N ・mm 。因此选择额定转矩为5188N ・mm
的微型直流减速电机即可满足需要，并且该机构在空间布置上较为简单，便于安装。微型直流电机是从厂家直接定做的，在输出轴的末端加工有10mm 长的螺纹，这样就可能使得电机输出轴在轴向和径向不能承受较大的载荷。综合考虑以上几种调节机构的优缺点，最终选用了丝杠螺母副调节机构。
采用丝杠螺母副调节机构设计的微小管道机器人实物照片如图5所示，由3个单元组成：前后部分为支撑管壁的爪结构单元，中间部分为驱动单元，各单元之间用微型十字换向节连接起来，分别由不同的
7
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机械科学与技术第27卷
直流减速电机驱动，这样机器人就可以通过一定曲率半径的弯管。该机器人主要由前后螺母套、前后支撑腿、前后铰接架、前后换向节、前后保持机构、导向杆、丝杠以及直流电机等部件组成。为实现平衡和形封闭，采用前后三组支撑腿结构，沿螺母套周向呈120°对称分布。该微小管道机器人处于伸长状态时总长度约为180mm (收缩状态时总长度约为170mm )，总质量约150g，负载力不小于10N 。实验表明，该机器人可以很好地适应管径为15mm ～20mm 的微小管道，并能通过曲率半径不小于80mm 的弯管，可以双向移动，且具有竖直管道的爬坡能力，移动速度5mm /s ～8mm /s
。
易揭膜
图5 微小管道机器人在直管内的实验照片
4 虚拟样机仿真
利用ADAMS 软件建立机器人在水平直管内的
牵引力测试模型如图6所示，其仿真结果如图7所示
。
图7中曲线1表示机器人在水平直管爬行时的牵引力曲线，曲线2表示机器人在竖直直管向上爬行时的负载力曲线，曲线3则表示机器人在竖直直管向下爬行时的负载力曲线。从仿真结果可以看出，机器人在竖直直管向上爬行时的负载力最小，约
为14N；在竖直直管向下爬行时的负载力最大，约为1518N；机器人牵引力约为1419N，且较稳定。5 结束语
本文介绍了凸轮推杆、丝杠螺母副和蜗轮蜗杆3种适应不同管径的常用调节机构，详细分析了前两种机构的力学特性，并根据实际设计尺寸给出了计算结果。比较研究了各种机构的优缺点，根据实际需要，最终选用了丝杠螺母副调节机构，设计了能适应管径为15mm ～20mm 管道的机器人。虚拟样机仿真表明丝杠螺母副调节机构具有较大的牵引力输出，约为15N ，且较稳定，并能较好的适应内径为15mm ～20mm 的微小管道。
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