管道机器人运动学分析与变径机构仿真

track variable-diameter pipeline inspection robot is developed. The four different motions of the robot are analyzed, and
the angular velocity of the robot crawler wheel and the rotation speed of the robot in the pipeline and the traveling linear
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道机器人具有三组履带轮，这样
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能为机器人在垂直方向上提供
很好的夹紧力。每组履带轮由独 图1 管道机器人
针对目前国内外传统机器人在面对垂直、微小、复杂管 时，存在通行性能差、稳定性弱、牵引力不足等缺点。本项目 所研制的多履带可变径式管道检查机器人，在机器人的机 械结构、移动方式等方面做出改进，能适应150耀160 mm管 径的管道内部运动，分析了其管道内部运动的运动学模型
基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金（11805112）；湖 北 省 教 育 厅 科学技术研究计划重点项目（D20181206）；湖北省水电机械 设 备 设 计 与 维 护 重 点 实 验 室 开 放 基 金 项 目 (2016KJX15、 2017KJX04)
和变径机构的力学模型，并针对变径机构进行了仿真分
析，验证设计的合理性。
1 管道检查机器人整体结构设计
为了满足核电厂管道内部检查的需要，机器人必须具
备三项基本能力：1）机器人的速度调节能力；2）机器人的
转向能力；3）机器人的管径适应
能力。通过对机器人工况的分
析，对管道检查机器人进行了结
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构设计，如图1所示。所设计的管
0引言 随着核电厂运行时间的增加，各种规格管道内表面可
能会出现一些问题需要实施检查与维修。因这些部位处于 强辐射区，人员无法直接实施这些工作，必须开发具有行走 功能的管道机器人携带摄像头完成核电厂管道检查工作。 目前，发达国家对于管道机器人的研究处于领先地位[1]：德 国ECA公司研制出一系列管道爬行机器人，在满足多尺寸 规格管道的前提下，能搭载多种检测工具，其检查的管道 范围从150耀2000 mm；日本东京工业大学研制出Thes系列 管道机器人[2]；韩国汉城汉阳大学研制出双模块协作管道 检测机器人[3]。中国在管道检查机器人领域起步较晚，北京 德朗检视科技有限公司研发的DNC100、DNC150等管道爬 行器，已在核电领域中得到运用；东华大学研制除了自主 变位履带足管道机器人[4]；上海交通大学针对煤气管道的 检测，研制出煤气管道检测机器人样机[5]。
Power Engineering, Yichang 443002, China;2.China Nuclear Power Operation Technology Co., Ltd., Wuhan 430223, China)
Abstract院Based on the need for internal inspection of nuclear power plant pressure vessels and main pipelines, a multi-
术股份有限公司，武汉 430223）
摘 要：基于对核电站压力容器和主管道接管内部检查的需要，研发了一种多履带可变径式管道检查机器人。分析机器人
四种不同的运动情况，得出机器人履带轮角速度和机器人在管道内旋转速度及行走线速度的函数，建立了机器人在管道内
的运动学模型。针对机器人可变径机构，建立力学模型，得出变径机构中弹簧的理论数据，并运用Inventor运动仿真分析验
calculated, and the rationality is verified by Inventor motion simulation analysis.
Keywords: pipeline robot; kinematics model; variable diameter mechanism; Inventor motion simulation
SHI Jixin1a，1b, LIU Furong1a，1b, HU Xiao2, YUAN Xianbao1a，1b, CHEN Baojia1a，1b, LI Xiang1a，1b
(1. China Three Gorges University a. Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design & Maintenance; b. College of Mechanical and
机械工程师
MECHANICAL ENGINEER
管道机器人运动学分析与变径机构仿真
史继新1a，1b， 刘芙蓉1a，1b， 胡啸2， 袁显宝1a，1b， 陈保家1a，1b， 李响1a，1b （1. 三峡大学 a.湖北省水电机械设备设计与维护重点实验室；b.机械与动力学院，湖北 宜昌 443002；2.中核武汉核电运行技
证了其合理性。
关键词：管道机器人；运动学模型；变径机构；Inventor运动仿真
中图分类号:TP 242.3;TH 122
文献标志码:粤
文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园员9）04原园014原园3
Kinematics Analysis and Variable Diameter Mechanism Simulation of Pipeline Robot
velocity are obtained. The kinematics model of the robot in the pipeline is established. For the robot variable diameter
mechanism, the mechanical model is established, the theoretical data of the spring in the variable diameter mechanism is