自適應管道缺陷檢測爬行器結構設計*

王美奇，劉泓愷，陳均峰，黃裕寶，盧桂萍

（北京理工大學珠海學院工業(yè)自動化學院，廣東珠海 519088）

0 引言

隨著中國科學技術的快速發(fā)展，管道運輸廣泛應用于石油、化工、能源、食品加工、城市供排水、農(nóng)業(yè)灌溉等領域。目前針對細小管道、輸送有毒介質(zhì)和海底石油天然氣等管道方面的研究還很少，理論與技術等方面還不是很成熟。自適應管道爬行機器人的研發(fā)涉及到機械學、電子學、計算機、單片機、電機學等多學科，設計難度大[1]。印度NITTTR學院研制了一臺螺旋驅動型輪式管道機器人，可應用于垂直管道內(nèi)檢測工作[2]。該機器人采用螺旋驅動原理，包括轉子和定子兩個主要機械結構。如果有不同的行進速度要求，調(diào)整轉子輪的傾斜角度即可滿足。由于車輪與管道壁接觸面積小，在不平坦的管道內(nèi)表面行走時，有可能會發(fā)生堵轉、停機現(xiàn)象。

基于模糊控制算法的“自適應管道缺陷檢測爬行機器人”可以實現(xiàn)爬行器在管道中的爬行與檢測，解決現(xiàn)有技術中不能適應管道直徑變化，帶電纜工作，行程受到限制，轉彎能力差，管道附著能力差，通融能力差，檢測強度高，檢測效率低，不能縱向方向行走等問題，其結構簡單，檢測可靠，效率高，適用于天然氣管道、城市管道。

1 設計方案

方案流程如圖1所示，自適應管道缺陷檢測爬行器在管道中前進后，利用控制器，將機械臂長調(diào)到需要的高度，爬行器在爬行過程中會不斷發(fā)出和接收檢測信號；信號傳回后，控制單元處理接收到的檢測信號，并判斷是否存在缺陷；當判斷存在缺陷時，控制端會發(fā)出聲音，提醒檢測人員管道疑存在缺陷，控制端人為控制云臺旋轉（全方位旋轉），使缺陷檢測裝置對準缺陷位置；當判斷不存在缺陷時，爬行器繼續(xù)前進，當遇到直徑不同的管道時，如果管徑變化幅度不大，利用自身機械結構進行調(diào)節(jié)，遇到轉彎、管道內(nèi)有障礙物等情況時，爬行器會利用其自身機械結構，繼續(xù)前進并檢測。

圖1 方案流程圖

2 結構設計及工作原理

2.1 整體結構設計及工作原理

整體的結構設計應用了齒輪傳動機構帶動紅外傳感器旋轉實現(xiàn)檢測，電機帶動履帶傳動實現(xiàn)檢測器移動，應用連桿機構以實現(xiàn)機身大小的尺寸變化。

2.2 整體結構設計

圖2所示為管道缺陷檢測爬行器整體結構圖，由云臺檢測裝置、移動及越障裝置、機身調(diào)節(jié)裝置、外觀殼體、用于組裝的零部件、連桿、傳感器和各個裝置的電機構成。其結構簡單，檢測可靠，效率高。

圖2 管道爬行器立體結構圖

2.2.1 云臺檢測裝置結構設計

圖3所示為云臺檢測裝置結構圖，主要由紅外線傳感器與攝像機相結合，紅外線傳感器與攝像機都設置在云臺上。自適應管道缺陷檢測爬行器在管道中爬行中，電機帶動行星輪的轉動，云臺的紅外線傳感器對管道中的各個位置發(fā)出紅外線信號，實現(xiàn)全面性的檢測。信號傳回后，控制單元處理接收到的檢測信號，并判斷是否存在缺陷。當判斷存在缺陷時，云臺的控制單元控制云臺旋轉，使紅外線對準缺陷位置，并通過攝像機將圖像傳回。

圖3 云臺檢測裝置結構圖

2.2.2 移動及越障裝置結構設計

圖4所示為移動及越障裝置結構圖，主要由驅動輪、導向輪、皮帶、電機組成。在電機的驅動下，第一驅動輪和第二驅動輪轉動并帶動履帶繞轉，實現(xiàn)自適應管道缺陷檢測爬行器在管道中移動。當遇到小型障礙物時，第一導向輪與梯形結構的協(xié)調(diào)配合下，引導履帶繞轉上障礙物，防止跑偏或越軌；第二導向輪順勢推進越過障礙物。在第一、第二導向輪越過障礙物的時候，梯形結構與第一驅動輪協(xié)調(diào)配合，使其帶動履帶繞轉到障礙物之上，進而帶動驅動輪繞過障礙物。導向輪與驅動輪的設置作用在于可以縮短履帶驅動區(qū)段的長度，減少因驅動力造成履帶銷處的摩擦損失，延長了履帶的使用壽命，且不易造成履帶下部拱起，避免了轉向時履帶脫落的危險，有利于提高行走系統(tǒng)效率。履帶輪和梯形機構的協(xié)調(diào)配合也可以支撐其在水平、縱向方向的爬行，多個方向的支撐使得爬行器在管道中更加穩(wěn)固，使得其在水平以及縱向方向上平穩(wěn)爬行；在過彎道時，履帶的自然過渡也使得爬行器的轉彎能力大大增強。

圖4 移動及越障裝置結構圖

2.2.3 機身調(diào)節(jié)裝置結構設計

圖5所示為機身調(diào)節(jié)裝置結構圖，主要由連桿以及絲桿組成。自適應管道缺陷檢測爬行器在管道中爬行中，遇到管道尺寸由小變大的情況下，可通過控制電機使得絲桿傳動，從而推動支架向后移動，從而使固定在支架上的連桿一端也向后移動，連桿的另一端在力的作用下向上移動，從而使爬行器的直徑變大，從而可以順利在大管道中前進。相同道理，如若要從大直徑的管道向小直徑管道前進，只需使連桿向前推移即可實現(xiàn)。

圖5 機身調(diào)節(jié)裝置結構圖

2.3 電機選型

2.3.1 驅動電機的選擇：

根據(jù)管道摩擦因數(shù)經(jīng)驗公式的分析，管道摩擦因數(shù)一般都為0.5。該機器的質(zhì)量為1.83 kg，機器的靜阻力根據(jù)公式最終算得為945 N=0.945 G，在管道中機器的運行速度為0.27 m/s，傳動裝置的傳動效率為0.9。

根據(jù)負載功率公式：

圖6 自適應模塊結構簡圖

得PL=（0.945× 0.27）/（102× 0.9） ≈2.78(W)，選用空轉為100 r/min的減速電機。

根據(jù)電機的最低扭矩根據(jù)公式：

2.3 .2調(diào)節(jié)裝置電機的選擇

該裝置由行星輪驅動絲桿桿從而推動固定塊組成，齒輪與齒輪之間的傳動比為負載重量WA=0.8 kg；螺桿螺距PB=2 mm；螺桿直徑DB=8 mm；螺桿長LB=0.228 m；機械效率η=0.9；摩擦因數(shù)μ=0.1；滾珠絲桿的質(zhì)量WB=0.3 kg。

所以電機的額定扭矩為TF/i=0.075，因為市面上電機都大于這個參數(shù)，所以選擇了合適尺寸的步進電機，進行更加精準的調(diào)控。

3 整體模型仿真及驗證

圖6所示為自適應模塊結構簡圖，根據(jù)連桿機構和齒輪嚙合傳動的運動特點，將建立好的管道缺陷檢測爬行器模型導入Solidworks軟件中進行運動仿真，設定好各個連桿約束和驅動，給定運動規(guī)律。

可以看出，各個裝置運動的初始位置及最終位置合理，不存在運動干涉，驗證了管道缺陷檢測爬行器設備整體結構設計的正確性和合理性。

4 結束語

本文分析了管道缺陷檢測爬行器的設計方案，建立了管道缺陷檢測爬行器的云臺檢測裝置、移動及越障裝置和機身尺寸調(diào)整裝置的結構模型，并進行虛擬裝配。通過整體模型的仿真動畫工作，驗證了結構和運作上的合理性。