基于模块化自适应管道机器人机构设计与研究

陆宇捷

（兰州交通大学，甘肃 兰州 730070）

1 管道机器人结构方案总体设计

本研究旨在通过设计一种单电机驱动，具有自适应高效驱动机构的无缆式管道机器人，该管道机器人能够在直径250～350 mm 的管道中自适应管径变化运动，在管道中快速通过（5～6 m/min），通过弯管时不产生运动干涉，牵引力不小于240 N，采用锂电池供电，能连续工作8 h。根据设计要求，提出分体式和整体式两个总体方案。

1.1 分体式

分体式管道机器人由前后机体和中间软轴三部分组成。前机体为驱动模块，通过单电机驱动，锂电池供电，转速和转矩经三轴差速机构实时自动分配，经三个输出轴输出，通过锥齿轮转向，经外部直齿轮传动系统传给三组驱动轮。后机体携带检测设备，前后机体各有3 组周向120° 均匀分布行走支撑机构，支撑机构上采用被动变径机构实现机器人对管径的自适应。前后体采用弹簧软轴连接，弹簧软轴起到碰撞缓冲、提高过弯能力的作用。前后机体靠近软轴一侧设计为球面，防止其在过弯过程中前后机体发生碰撞[1-3]，其结构如图1 所示。

图1 分体式管道机器人

1.2 整体式

整体式系统与分体式区别在于为整体式无中间软轴连接，机器人由一个单元体组成，前后轮采用共同变径方式，通过同步带进行连接，其结构如图2 所示。

图2 整体式管道机器人

两种总体方案性能对比见表1。

表1 总体方案对比表

两种方案均采用模块化设计，具有互换性高、稳定性好等优点。通过对比，分体式在过弯性能、碰撞缓冲、控制难度、轴向尺寸、弹簧力转换率、运动干涉等方面均优于整体式，因此本研究设计采用分体式。……