细小变半径管道修补机器人设计

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摘要：采用直流电机驱动蜗轮蜗杆机构作为动力源，弹簧被动适应管壁，设计出一种适用于内径50-70mm变半径细小管道的修补机器人，机器人具有机构灵活度高，机构紧凑，控制简单等优点。

关键词：机器人；变半径管道；修补；蜗轮蜗杆

1 前言

目前细小型管道已广泛应用在电力，制冷，航空航天等领域。而随之而来的细小的查漏、排障、修补等问题也日益引起业界的广泛关注。本文所研制的机器人主要应用于内径50-70mm的管道中的查漏和修补，通过机器人携带的超声波传感器及红外线传感器可排查阻塞管道的障碍和检测管道缝隙，机器人上安装有修补剂涂抹机构，通过CCD成像技术可使机器人准确的修补管道缝隙。

2 总体结构设计

本研究中机器人主要由行走机构，变径机构，涂胶及检测机构组成；总体结构示意图，如图1所示：

图1 总体结构图

1.变径机构 2.行走机构 3.涂胶及检测机构

2.1 行走机构

机器人的行走机构由四个行走单元组成，每个单元固定在变径滑道上，由此组成机器人的行走机构。行走单元机构示意图如图2所示：

图2 行走机构

1.支架 2.从动轮 3.驱动电机 4.从动轮连杆

5.从动轮扭簧 6.从动轴 7.主动轮

8.主动轴 9.蜗轮 10.蜗杆

机器人行走时由3驱动10带动9和8旋转，主动轮7带动机器人在管壁内行走，从动轮2通过扭簧5及从动轮连杆的被动的适应在管壁上，由于机器人的行进从动轮2从动旋转以增加机器人和管道壁的接触长度。

2.2 变径机构

变径机构部分主要有滑道、滑块、连杆及拉簧组成。机器人进入管道时拉簧要有一定的预紧力，以增加机器人行进的驱动力，机器人行进至变半径管道时，由于管道半径发生了变化，导致机器人行走单元上相对主动轮间的距离变化，连接各单元的拉簧长度变化致使滑块在滑道上滑动，从而适应变化后的新半径。具体结构如图3所示：

图3 变半径机构

1.单元固定块 2.拉簧 3.变径连杆 4.滑块

5.行走单元 6.滑道 7.主动轮

8.支架 9.扭簧 10.从动轮

机器人行走在变半径管道内，当管道半径发生变化时，3、4、7可视为的摇杆机构，由扭簧2的伸缩带动滑块4在滑道6上滑动，滑块4通过变径连杆3拉动支架8沿管壁半径方向摆动，使主动轮7适应管内半径的变化，从动轮10通过扭簧9的作用也在管道半径方向上摆动，从而适应管道半径的变化。

2.3 涂胶及检测机构

图4 涂胶及检测部分

1.推出电机 2.检测摄像机 3.推出丝杠

4.行进摄像机 5.浇池 6.注胶电机

机器人在管道里行进时通过行进摄像头4实时监控管道内的情况，摄像机前端安装有一周LED发光体，通过手持终端来调整机器人的速度和姿态，通过检测摄像机2反馈回的图像信号检测管壁的情况，当发现管壁有需要作业的区域，通过手持终端的控制，驱动电机3带动浇池5沿管壁半径方向调整，当对准作业区域时，电机6旋转通过丝杠螺母机构挤压浇池5，使胶涂抹在作业区域，完成一次作业任务。

2.4 机器人的转弯

机器人的转弯是通过控制行进电机的差速实现的，通过控制行进电机的速度及旋转方向可以使机器人在狭小管道内灵活的转弯。

5 总结

基于直流电机驱动蜗轮蜗杆机构、扭簧和连杆机构被动适应的细小管道机器人，采用这种机构可以提高机器人的爬行牵引力，结构简单、紧凑，能适应不同的管道半径，转弯灵活，控制简单，其力学特性分析证明，保持较小的姿态角能提高机器人的牵引力，管道被动适应机构的张开过程是一个复杂的受力过程，在设计中应给予着重考虑。

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