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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，制动模式会使机器人停止运行并且可以返回到原点。
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。
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。
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。
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。
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。
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，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
重量
电机直径
机器人模块长度
机器人总长
直径变化范围
直线速度
串行通信
Tbot-100 189g 6mm 80mm 122mm 90-110mm 14cm/s 15M
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