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1、一款使用离合器连接类型的内窥管道机器人 摘要-这篇论文展示了一款使用离合器的新型内窥管道机器人， 用于直径小于或等于 100mmde 管道内窥。这款机器人拥有三条 驱动轴，且每条驱动轴各有一个离合器，离合器的设计依据平行 联动原理。内窥管道机器人牢固的模型机构已经过驱动，原型机 也被制作出来。机器人系统已经过一系列的仿真软件模拟和实验 验证。1.简介管内机器人经过漫长的发展，根据运动模型可分为几种基本 类型，比如轮驱动、蠕动、自动足、螺旋驱动、爬行、PIG和惰 性运行等类型。在这些类型之中，轮式驱动应用最为广泛。在过 去的十年时间间，机器人各式各样的驱动类型研究呈现井喷式增 长。不同的驱动类型
2、的机器人一般会有三个驱动轴，依靠单独控 制各轴的速度，可以让机器人实现通过关节或者T型管道。而且 这种类型机器人与轮式驱动、螺旋驱动和 PIG 等类型比较起来会 有较大的可折叠区域，比较节省空间。近来，随着小型化管道机器人市场的扩大，对直径小于 100mm 的管道机器人的关注同时愈来愈热。因为室内管道的清 洁程度会直接影响到人的健康，因此，对室内管道的清洁与监测 变得愈加重要，同时直径小于 100mm 的机器人也将主要用于室 内管道清洁。机械装置使用的是平行连杆机构，有助于实现装置 减速功能。减速器与其他使用两个底板的典型减速器不同，第二 部分将会详细介绍机器人系统的特征。第三部分将会讲解机构
3、的 运动学分析。机构的有效性将会通过软件仿真与实验验证，这些 会在第四部分展示出来。最后，同时也是至关重要的是总结。2.机器人特征A机器人硬件设备及系统如例1所示，机器人系统包括控制盒与机器人装备。根据模块化 设置，控制盒与机器人硬件设备室分开的。机器人硬件设备包含主体，三条链轮和如例2显示的三个离合轮 部分。机器人长80mm,外扩至100mm。机械联动装置可确保制 动功能的实现，这是因为装置有效避免了电磁制动器的缺点，比 如滑移、电力不足以及规格限制。例1.装备有机械离合装置的管道检测机器人系统机器人装置可实现两种不同的操作模式：驱动模式与制动模式。驱动模式下的机器人会运行，制动模式会使机器
4、人停止运行并且可以返回到原点。Wi蛇凶 tliaiin二fain驭訂dnt niOlDECltneh lAiied pmvvhoxlI Id k whtcA.t Live wlicc:lMain ujcimI Driving motor匚imcri and lighting device1讪啊母曲 -产Mzinaxitii：?rr-. c :!unr例2管道机器人检测系统整体结构：a,3D模型，b,机器人实体为了确保驱动与制动两种模式的实现，可通过为机器人三个驱动 轮分别安装电机，并且主轴也有一个电机，如例2所示，这样我 们就可以控制机器人的前进与后退以及在弯头的转向运动。从一 种模式到另一种
5、模式的转换可以通过驱动主轴电机实现。B机器人主体如例3所示，机身包含两个螺母、两个滑块、两个弹簧和一个主 轴电机。螺母的作用是往主轴的两面传递力，滑块与离合器部分 相连接并且沿着螺母的凹槽滑移。弹簧起到缓冲的作用，与链轮 的直径变化相适应。这种设计允许了机器人身体的可折叠性。主 轴包括齿轮、左旋螺杆、右旋螺杆。电机通过齿轮传递力至主轴, 并且运动模式可以通过控制主轴电机来切换。主轴螺旋运动取决 于螺杆的平移运动，这也将同时导致螺母的位移以及滑块的运 动。Spur gear Rihthanded screwMain ixlsFikjnt lay sLidfrFront springLctVhan
6、ded nutitcar key iderrear spring例3主体结构C部分主轴螺杆左末端与减速器结构连接。链轮部分包括平行连杆机 构、驱动电机与驱动轮、惰轮。如同例4所示，每一条链轮都与 减速器结构相连接。Clutch whe己】Actave wh&eLDriving trios torIdle wheel 5-bar uiti liamim:) 4-bar mechcii :VImi例4链轮及减速器机构电机通过斜齿轮减速器驱动。减速器机构包括离合轮，以及离合 轮与主轴相连接部分。如同例4所示，离合轮是惰轮，链轮与主 轴通过4连杆与5连杆机构连接。平行四边形机构保证链轮的水 平状态。链
7、轮的运动与离合轮相关联，离合轮通过四连杆机构连接主轴与 链轮。D机器人设备运行与制动模式当机器人插入到管道中，机器人通过控制主轴电机改变机构直径 以适应管道。例5标示机器人驱动模式下进入管道的状态，两个 螺母靠近中间。当机器人通过不规则表面，外力将作用在链轮上， 从而导致与链轮相连接的滑块作出例6所示动作。主轴两面的压 缩弹簧起到减震的作用。当机器人通过不规则表面，弹簧力将使 滑块恢复到例5所示状态。* External farce : u二、 Spring force : i例5运行模式例6展示了制动模式，通过驱动主轴电机，主轴将重置成两个螺 母远离中心的模式。这将导致链轮中的驱动轮远离管道
8、内壁，且 链轮中的惰轮与内壁接触。于是，可以通过拉机器人尾部的电缆 来实现后退。例7与例8详细解释了此动作。-External Icmtcc :匚二二 Spring force : i 、Input fij-roc：: 口何何Fig, 6- The rciricval mode.例6制动模式链轮中的驱动轮如图例7所示那样在减速轮外，机器人将会进入 运行模式。机器人可通过电机驱动轮子与管道内表面接触，来实 现前进。与此相反的是，当驱动轮改变到减速轮内的时候，即减 速轮与管道内表面相接触的时候，机器人转变为制动模式。在这 种模式下运行，减速轮与管道内表面相接触，同时，两惰轮连成 一条线运行，这将保
9、证机器人的制动模式的成功。除此之外，当 机器人突然断电时，机器人将会因电机转轴减弱的转矩导致支持 轮子的外部力减弱，从而实现机器人自动转变到制动模式。从上 述所看，机器人可轻松实现制动。* Cuntscl line :* Pipeline eutface :诃 -例7装有减速装置的管道检测机器人系统A,运行模式B，制动模式4运动机构在这一部分，为了根据主轴电机驱动所引起的d变化表示减速轮的动作，将会推导出离合轮、驱动轮和惰轮的位置。例8展示了链轮与减速结构。每一链轮均包含两个4连杆机构、一个5连杆机构，4连杆机构包含四个转动关节，5连杆机构包含四个转动关节和一个移动关节。当外力作用在轮子上面时
10、，链轮的高度d随之改变。c例8工作模式原理图A，驱动模式B，制动模式例9中的注释，余弦可表达为机器人设备： 电机嵌入车轮机构的马达箱体中，最大扭矩为 17.5mNm, 电机选MAXRON RE 6型号，减速器选择GP 6A型号。表1详细介绍 了电机和减速器规格。MAXRON RE 6 规格说明书直径 6mm额定电压 6v 额定转速 5320 rpm最大连续扭矩 0.321mNm最大持续性电流：0.118A减速器说明书减速比： 221： 1 减速器最大连续扭矩： 30mNm表 2 为机器人规格说明书，机器人模块长 80mm 至 100mm 之间， 机器人机身直径变换在 90mm 至 110mm 之间。机器人包括摄像 机、照明设备在内的总长是122mm，机器人中189g .在测试环节中 使用的管道直径为 100mm.表2机器人规格说明书规格Tbot-100重量189g电机直径6mm机器人模块长度80mm机器人总长122mm直径变化范围90-110mm直线速度14cm/s串行通信15M
