自適應支撐式管道檢測機器人的通過性設計

陳瀟，吳志鵬，何思宇，肖曉暉

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自適應支撐式管道檢測機器人的通過性設計

陳瀟，吳志鵬，何思宇，肖曉暉

(武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢，430072)

針對電力和石油天然氣領域中直徑為250~350 mm管道的檢測需求，設計自適應支撐式管道檢測機器人，研究其在無障礙彎管與環形臺階障礙管環境下的管道通過性。首先分析管道特點，結合絲杠螺母和彈簧機構設計具有變徑自適應能力的機器人行走機構；其次，建立機器人彎管運動學模型及環形臺階障礙動力學模型，進行管內運動的幾何約束分析、速度協調分析和動力學分析；然后，在ADAMS中建立虛擬樣機仿真平臺，對機器人在彎管和環形臺階處的通過性進行仿真研究；最后，搭建機器人管道通過性試驗平臺進行實驗驗證。研究結果表明：在無障礙管和障礙管環境下，機器人運行平穩，能順利通過；在通過彎管時，采用速度協調模型，可減少電機力矩和降低能量消耗；在跨越環形臺階障礙時，機器人電機力矩隨臺階高度增大而增加，可通過不高于15 mm的環形臺階障礙。

管道機器人；通過性；ADAMS模擬；原型實驗

目前，在電力、石油天然氣等行業中，在役管道腐蝕、裂紋或凹陷等缺陷的檢測中多采用人工檢測方式，存在檢測效率低、有檢測盲區等問題。管道機器人替代人工對管道進行定期檢測，能進入人所不及、復雜多變的管道環境，從而提高檢測效率，降低人工作業的危險性[1]。國外對管道機器人的研究較多，如：ROH等[2?9]研制的天然氣管道機器人MRINSPECT系列，采用差速驅動控制，能通過“T”型管道接頭，但適應管徑范圍小，越障能力有限；KAKOGAWA等[10?11]研制的平行四邊形機構管道檢測機器人可通過變徑接頭及垂直管，但機器人轉彎能力不足，適用于內徑范圍為136~226 mm的管道。國內對管道機器人的研究始于20世紀60年代，例如ZHANG等[12?13]研制了煤氣管道檢測機器人，該機器人能在上升傾斜角度為10°左右及轉折角度較小的“Z”字形地下煤氣管道運行平穩；唐德威等[14?16]研制的三軸差動式管道機器人，其驅動輪轉速可隨管道形狀自動調節，并可沿彎管自主差速運行，但其越障高度有限，最大越障高度為 3.7 mm。在國內外管道機器人設計中，由于對彎道和管內障礙等限制性因素的考慮不足，機器人彎管轉彎能力和越障能力較差。本文作者結合多種因素分析，針對電力和石油天然氣領域中直徑為250~350 mm的無障礙管和障礙管管道環境，提出了一種結合絲桿螺母和彈簧機構的自適應支撐式結構，以實現對復雜管道的適應性，同時利用ADAMS仿真并結合實驗研究對機器人結構設計的合理性和管道通過性進行分析。

1 機器人自適應結構設計

1.1 運動需求分析

電力、石油天然氣領域中直徑為250~350 mm的管道環境可分為無障礙管和障礙管。無障礙管主要空間狀態為彎管，彎管包括45°和90°彎管。障礙管常見狀態為臺階、凸起和凹槽共3種，其中，臺階障礙為管道中最為常見的障礙[17?18]，而環形臺階為臺階障礙的典型代表。

1.2 總體方案

采用模塊化的設計思想，將機器人整體按功能劃分為4個模塊：自適應變徑機構、行走機構、機身和支撐機構，如圖1所示。

機器人機身主體軸線的周向120°均布3個履帶足，每個履帶足內置獨立驅動電機，履帶足通過鉸鏈與支撐機構相連。自適應機構也內置1個預緊驅動電機，電機通過絲桿螺母機構作用于自適應機構中的預緊彈簧，實現履帶足壓緊管壁，從而使履帶足和管壁間有足夠的正壓力，機器人能順利前行。

1.3 自適應結構工作原理

自適應結構通過絲桿螺母機構的主動適應和彈簧的被動適應來實現履帶足和管壁的正壓力調節。管道機器人自適應結構示意圖如圖2所示，其中，滑塊4內側沒有螺紋，因此，它只沿著絲桿做滑動；絲桿螺母3內側有螺紋，因此，絲桿轉動時將會帶動螺母沿著絲桿向前或向后移動一定距離。

(a) 軸測圖；(b) 后視圖

1—絲桿；2—彈簧；3—絲杠螺母；4—滑塊。

預緊驅動電機通過驅動絲桿螺母機構壓縮預緊彈簧使其產生預緊力，預緊力通過滑塊4作用于支撐機構，從而使履帶足和管壁間產生一定的正壓力。當機器人通過障礙或者變徑管道時，通過緊貼在絲桿螺母上的環形壓力傳感器采集來自彈簧的壓力信號，通過閉環控制調節自適應機構，使得履帶足和管壁間的正壓力保持在一定的范圍內，從而使得機器人不會因正壓力過小而脫離管壁或因正壓力過大而難以行進。

2 管道通過性分析

2.1 無障礙管通過性分析

2.1.1 幾何約束分析

在彎管中，將機器人簡化為圓柱體，設圓柱體直徑為，長度為，管道直徑為，彎管曲率半徑為，曲率中心為，在豎直投影方向，分析機器人在彎管中的幾何約束條件，見圖3。約束條件包括以下2種情況。

(a) 0＜d＜D/2；(b) D/2＜d＜D

1) 當0＜＜/2，即機器人的直徑小于管道半徑時，直徑應滿足

式中，若=/2，如圖3(a)所示，則有以下2種情況：

①當/=1.21時，機器人兩端正好位于彎管與直管的交匯處，由幾何關系可得max=2，其中，max表示管道機器人單元體能通過彎道的最大長度。

②當/＜1.21時，機器人兩端位于直管中，則

2) 當/2＜＜時，如圖3(b)所示，

2.1.2 運動速度分析

從直管運動到彎管再到直管的過程中，管道機器人要經歷過渡階段和旋轉階段2種不同的運動狀 態[19?20]。

1) 過渡階段。機器人過渡階段的速度特征可用剛體平面運動來分析。機器人管道運動狀態如圖4(a)所示。機器人的空間坐標系為r?′′′。

(a) 過渡階段；(b) 旋轉階段

履帶模塊前后輪與管道內壁接觸點坐標在機器人坐標系下的矩陣表示為：

式中：1為履帶模塊前輪和后輪之間的長度；為進入彎管時的姿態角；為機器人前端面中心在彎管中轉過的角度，即機器人的入彎角；為機器人坐標系旋轉角度。

根據幾何關系有

則機器人在過渡階段的平移量為

機器人履帶模塊前后輪與管道內壁接觸點的坐標在管道坐標系下可表示為

式中：矩陣第1行表示前后輪與管道內壁接觸點沿軸的速度分量，第2行表示前后輪與管道內壁接觸點沿軸的速度分量。前后輪與管道內壁接觸點的絕對速度為該點處軸與軸速度分量的合成，即

因此，為減少機器人在過渡階段的內耗，應協調控制機器人前后輪間的速度，使其轉速比為

本文機器人為履帶式，前后輪速度相同，而前后輪與管壁接觸點的速度差不為0[10]，因此，會產生內耗。為減少內耗增加平穩度，機器人在過渡階段應減速通過。

2) 旋轉階段。如圖4(b)所示，機器人從過渡階段進入旋轉階段后，履帶模塊前后輪的速度是相同的，機器人在此過程中不產生內耗。在旋轉階段，履帶模塊前后輪與彎管內壁接觸點的坐標如下：

由于機器人繞軸轉動，各個履帶模塊與彎管接觸點的速度與對應的曲率半徑成正比，因此，使各履帶模塊的轉速之比等于對應曲率半徑之比，就可以使機器人順利通過。故機器人在旋轉階段的速度協調模型為

式中，1，2和3分別為3組履帶模塊的轉速；1，2和3分別為3組履帶模塊與彎管接觸點的旋轉曲率半徑。因履帶為模塊化結構，其傳動機構的傳動比相同，則按式(14)來協調控制3組履帶模塊的速度，機器人便能平穩、無內耗地通過旋轉階段。

2.2 障礙管通過性分析

針對以環形臺階為主的障礙管，選取機器人履帶足前端剛剛碰到臺階邊緣，即針對攀越臺階的時刻進行研究。

圖5(a)所示為機器人在管道中的縱面受力，其中，機器人質心點位于管道的中心軸線，受到的重力為，3個履帶足，和受到來自管壁的壓力分別為N，N和N。圖5(b)中，履帶足前端為1，履帶足后端為2。

由方向上受力平衡可知

對履帶足前端點1，由力矩平衡可知

其中：1為臺階對履帶足前端的反作用力；為管壁與履帶足前端之間的滾動阻力系數；1為履帶足前端受到的滾動阻力；2為管壁對履帶足后端的反作用力；為滑動摩擦因數；2為履帶足后端的摩擦力；b為履帶足重力和機器人主體壓緊力的合力；1為履帶輪直徑；為滾動阻力與豎直方向的夾角；a為履帶前輪與機器人的質心距離。

(a) 縱面受力圖；(b) 攀越臺階受力圖

聯立式(15)和(16)，將b，1，2消去得

由幾何關系可得

因履帶足履帶均采用硬質的橡膠材料，故可設滾動阻力系數≈0，可得

式中：為機器人能夠越過的臺階高度。

3 通過性仿真研究

通過虛擬樣機仿真軟件ADAMS，對機器人在管道中的運動進行分析。采用Belt模塊創建機器人履帶，結合宏命令添加履帶和管壁間接觸力[21]。其中，機器人的主要參數如表1所示。

表1 機器人主要參數

3.1 無障礙管運行仿真

無障礙管主要由45°和90°彎管組成，彎管有水平和傾斜2種空間狀態，因此，對水平45°和90°彎管及傾斜45°和90°彎管這4種情況進行仿真分析。在差速過彎時，過渡階段減速通過，旋轉階段履帶速度按式(14)所示的速度協調模型進行設置。

3.1.1 水平無障礙管

以水平90°彎管為例，機器人行走仿真如圖6所示，以0°姿態角為起始狀態進行仿真。

(a) 直管運動；(b) 彎管運動；(c) 直管運動

仿真過程中，對3個時間段中的3組履帶T1，T2，T3通過step函數設置不同的速度。其中，在0~0.3 s，履帶足撐緊管壁，施加給各個履帶速度函數如表2 所示。

在水平45°彎管和90°彎管以速度協調模型進行差速仿真外，同時仿真機器人3個履帶足以相同速度等速通過管道的情況，并進行對比分析。仿真中，機器人均可順利通過彎管。如圖7(a)所示，水平90°模型中，0~1.5 s和4.5~5 s為直管階段，1.5~4.5 s為過彎階段；水平45°模型中，0~1.5 s和3.2~5.0 s為直管階段，1.5~3.2 s為過彎階段。電機最大力矩均出現于過彎階段，且隨著彎管角度的增大而變大。由圖7(b)和(c)可知：機器人等速過彎時，由于過渡階段未減速，因此，最大力矩出現時間均比差速模型出現的時間早，最大力矩和能量消耗相對于差速模型顯著增大。水平無障礙管機器人及力矩如表3所示?？梢姡核?0°差速模型相對于其等速模型最大力矩降低22.6%，能量消耗降低25.9%；水平45°差速模型相對于其等速模型最大力矩降低22.8%，能量消耗降低44.1%。

表2 水平90°彎管step速度

(a) 水平90°差速和45°差速；(b) 水平90°差速和90°等速；(c) 水平45°差速和45°等速

表3 水平無障礙管機器人力矩及能耗

3.1.2 傾斜無障礙管

以傾斜90°彎管為例，其行走仿真如圖8所示。機器人起始狀態為0°姿態角。

(a) 直管運動；(b) 彎管運動；(c) 直管運動

與水平無障礙管類似，通過設置step函數，仿真機器人在傾斜45°和90°彎管時差速與等速的不同工況，得到圖9所示的傾斜無障礙管仿真曲線。

傾斜90°模型中，0~1.5 s和4.0~5.0 s分別為水平直管和豎直管階段，1.5~4.0 s為過彎階段；傾斜45°模型中，0~1.5 s和3.2~5.0 s分別為水平直管階段與傾斜管階段，1.5~3.2 s為過彎階段。與水平障礙管相同，電機最大力矩均出現于彎管階段，且隨著彎管角度的增大而變大。傾斜無障礙管機器人力矩及能耗如表4所示。從表4可見：相對于傾斜90°等速模型，差速模型最大力矩降低32.9%，能量消耗降低70.4%；相對于傾斜45°等速模型差速模型最大力矩降低24%，能量消耗降低62.2%。

3.2 障礙管運行仿真

不同臺階高度的力矩曲線如圖10所示。在機器人前進的路徑處，建立一定高度的環形障礙，不斷增加障礙物的高度，直到機器人無法越過障礙為止，此時，障礙高度即為機器人的最大越障高度。

履帶輪直徑1=60 mm，滑動摩擦因數=0.85，履帶前輪與機器人質心距離a=277.5 mm，代入式(19)可得理論最大跨越臺階高度=15.1 mm。如圖10所示，10，15和20 mm高臺階下電機的最大力矩分別為1.49，2.16和4.35 kN?mm，均出現在2.7 s處，此時刻為履帶足攀爬臺階的瞬間。仿真中，機器人可順利通過10 mm和15 mm高臺階，電機力矩隨臺階高度的增大而增加。20 mm高臺階環境下，機器人在3 s后力矩出現往復波動，機器人無法通過臺階障礙，與理論預期結果一致。

(a) 傾斜90°差速和45°差速；(b) 傾斜90°差速和90°等速；(c) 傾斜45°差速和45°等速

表4 傾斜無障礙管機器人力矩及能耗

臺階高度/mm：1—20；2—15；3—10。

4 實驗驗證

4.1 控制系統設計

自適應支撐式管道檢測機器人的控制系統主要由上位機、中央控制單元、傳感器和驅動器組成。圖11所示為機器人控制系統結構圖。其中，上位機模塊通過TCP/IP協議與Single-Board RIO9637進行通信連接完成初始化等控制指令的傳輸，Single-Board RIO9637通過CAN總線輸出控制指令控制驅動器執行電機驅動，同時，傳感器感知機器人運行狀態和周圍環境，通過RS-232總線接收傳感器模塊返回的傳感器信息，再通過RS-232總線轉CAN模塊將信息通過CAN總線整體反饋給控制系統，進行相應處理并調節電機輸出，從而實現機器人在管內的有效運動控制。

圖11 管道機器人控制系統結構

配合控制系統的設計，開發了機器人的控制軟件，如圖12所示，機器人控制軟件系統采用LabVIEW開發環境，分為控制面板和顯示面板2個部分?？刂泼姘逵糜谙驒C器人發送速度電流等控制指令；顯示面板用于顯示機器人狀態信息，如編碼器反饋的電機的速度、陀螺儀反饋的姿態信息、攝像頭反饋的視頻信息等。

圖12 管道機器人控制軟件界面

4.2 無障礙管實驗

本文將選用無障礙管中的典型水平90°彎管，驗證機器人的管道通過性能。圖13所示為機器人在水平90°彎管的行走過程。

(a) 直管階段；(b) 過渡階段；(c)，(d) 旋轉階段；(e) 過渡階段；(f) 直管階段

在試驗過程中，機器人各個階段速度設置如表5所示。

試驗中機器人順利通過彎管。機器人履帶足電機電流如圖14所示，圖中，0~0.5 s，2.5~5.0 s為直管階段，0.5~2.5 s為彎管階段。其中電機輸出扭矩與電流成正比，由圖14可知：機器人從直管進入彎管管道后，電流逐漸增加；在彎管中間階段，電流達到峰值，對應電機扭矩達到峰值，與仿真結果相符。

4.3 障礙管實驗

本文選用障礙管中的典型環形臺階障礙，驗證管內機器人的管道通過性能。圖15所示為機器人越障試驗過程。

表5 機器人速度配置

圖14 機器人履帶足電機電流

(a) 試驗管道；(b) 機器人接近障礙；(c)~(e) 機器人穿越障礙；(f) 機器人遠離障礙

由圖15可知，2~4 s為越障過程，此間電機電流在=3 s處達到峰值，對應電機扭矩達到峰值，與仿真結果相符。機器人跨越障礙的能力如表6所示。

由表6可知，機器人可通過10 mm和15 mm高環形臺階，無法通過20 mm高臺階，與仿真結果相符。

圖16 15 mm高臺階電機電流

表6 機器人越障能力

5 結論

1) 針對電力和石油天然氣領域中常見的內徑為250~350 mm的管道，提出了一種適應管道內徑變化、具有良好的彎管通過性和越障能力的自適應支撐履帶式管道機器人。

2) 機器人通過彎管管道時，樣機速度按照速度協調模型設置，可順利通過彎管，同時可大幅度減少電機力矩，降低能量消耗。其中，水平90°彎管最大力矩降低22.6%，能量消耗降低25.9%；水平45°彎管最大力矩降低22.8%，能量消耗降低44.1%；傾斜90°最大力矩降低32.9%，能量消耗降低70.4%；傾斜45°最大力矩降低24%，能量消耗降低62.2%；過障礙管時，機器人能通過不高于15 mm的障礙高度，符合理論預期結果。

3) 在無障礙管和障礙管環境條件下，機器人實際轉矩小于電機最大轉矩，機器人運行平穩，能順利通過管道。

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Passing property design of adaptive support pipeline detection robot

CHEN Xiao, WU Zhipeng, HE Siyu, XIAO Xiaohui

(School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

In order to meet the detection requirements for pipelines with diameter of 250?350 mm in the field of power, oil and gas, an adaptive support pipeline inspection robot was designed to study the pipeline passing property in barrier free elbow and ring step obstacle pipe. Firstly, the characteristics of the pipeline were analyzed, and the robot walking mechanism with variable diameter adaptive ability was designed with the screw nut and spring mechanism. Secondly, the kinematic model in elbow and the dynamic model in the ring step obstacle of the robot were established. The geometric constraint analysis, velocity coordination analysis and dynamics analysis of the robot in-pipe motion were carried out. Then, the virtual prototype simulation platform was established in ADAMS, and the simulation of the robot’s passing property in the elbow and ring step pipe was carried out. Finally, the robot pipeline test platform was built and passing property was verified by experiments. The results show that the robot passes smoothly through the pipe with and without barrier. When the robot passes through the elbow, the motor torque and the energy consumption are reduced by speed coordination model. When the robot crosses a ring step obstacle, the torque of the robot increases with the increase of the step height, and robot can pass through the ring step obstacle of no more than 15 mm in height.

pipeline robot; passing property; ADAMS simulation; prototype experiment

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.12.008

TP242.2

A

1672?7207(2018)12?2953?10

2017?12?07；

2018?03?11

國家自然科學基金資助項目(51675385)(Project(51675385) supported by the National Natural Science Foundation of China)

肖曉暉，博士，教授，從事特種機器人與微操作機器人研究；E-mail：xhxiao@whu.edu.cn

(編輯 趙俊)