一種伸縮支撐式雙目無線管道探測機器人的設計與實現

徐海欽 張宏偉 梅學雪 李嘯云 張麗

摘? 要：在管道運輸中，管道的管壁常常會因為各異的介質侵蝕，導致管道漏孔、裂紋，發生泄漏事故，由于管道所埋設的位置和周遭環境的特殊性，傳統的機器人難以滿足探測需求。該文設計了一種新型管道探測機器人，利用特有的伸縮支撐式機械機構，實現在水平、豎直和彎道管道中的運行。此外，還設計了雙目立體視覺系統，實現在復雜惡劣的管道環境中的三維立體識別和檢測。實驗結果表明，該機器人可以在管徑為300～800mm的運輸油、氣、水或纜線的管道中實現故障檢測和定位，具有適應各種管道環境且準確定位的優點。

關鍵詞：管道探測? 機器人? 伸縮支撐式? 視覺系統

中圖分類號：TP242 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（b）-0018-03

Abstract： In pipeline transportation， the pipe wall often leaks due to various media， causing leakage， cracks and leakage accidents. Due to the location of the pipeline and the special environment around it， traditional robots are difficult to meet the detection requirements. Therefore， this paper studies and designs a new type of pipeline detection robot， which uses a unique telescopic support mechanism to achieve operation in horizontal， vertical and curved pipelines. In addition， a binocular stereo vision system is designed to achieve three-dimensional stereo recognition and detection in complex and harsh pipeline environments. The experimental results show that the robot can realize fault detection and positioning in the pipeline of transportation oil， gas， water or cable with the diameter of 300mm-800mm， which has the advantages of adapting to various pipeline environments and accurately positioning.

Key Words： Pipeline detection; Robot; Telescopic support; Vision system

管道運輸[1-2]是一種重要的運輸方式，為了提升管道使用的安全性，需要定期對管道進行有效的檢測、探查和維護，故檢測管道內部的探測機器人隨之應運而生。目前，國內外都研制出了各種各樣的管道機器人[3]，比如：日本東芝公司研制的輪式管道機器人，該輪式機器人具有穩定性強便于控制等優點，但由于其結構呈車型，故對于豎直管道的探測無法實現;但是，由于地下管道數量大、錯綜交織，作業難度大，目前現有的機器人并不能完全滿足管道檢測的需求。

針對上述問題和需求，該文設計并開發一款經濟可靠的管道探查機器人，將機械結構設計為一種伸縮支撐式的四驅行走機構[4-5]，該結構能夠適應300～800mm的任意運輸管道。由于其4個運動結構均能夠貼壁行進[6]，所以在豎直的管道中也可以自如行走。針對管道環境屬于惡劣環境的問題，該文設計了雙目立體視覺系統[7-8]，有效解決了復雜環境的目標識別與環境感知問題，提高了管道探查效率。

1? 機械結構設計

1.1 整體結構設計

管道探測機器人需要在管道類惡劣環境中進行探查，故本體的機械結構設計至關重要。該文對機械結構進行設計時，首先采用SolidWorks軟件建模，然后對各重要結構部件進行仿真。在軟件仿真可以正常運行后，再購買相應器件搭建出實物。

管道探測機器人機械結構主要由一個腔體、4個運動機構以及其他各種傳感器組成，其結構圖如圖1所示。

在圖1中，管道機器人的主要結構部件有行走機構、伸縮結構、視覺系統以及腔體。該文設計的管道機器人共有4個行走機構，每個行走機構有2個輪子，采用2個獨立的減速電機控制，驅動力強，控制精確。機器人腔體由4塊側板、下底板和上蓋組成，下底板部分固定有用于驅動行走機構伸縮的絲桿步進電機。在機器人腔體上方，放置有用于檢測的雙目攝像頭以及其他各種傳感器。

1.2 伸縮結構設計

管道探測機器人采用特有的伸縮支撐式結構[9]，伸縮支撐式結構的工作原理是依靠中心絲桿步進電機的旋轉，帶動法蘭螺母上下移動，從而帶動固定在法蘭螺母上的4個運動機構的連桿發生位移，根據杠桿原理，實現運動機構的伸縮，具體結構如圖2所示。每側運動機構都裝有用來測量壓力的傳感器，經過計算使得壓力總是穩定在一個定值N，保證管道壁能提供充足的摩擦力f來抵消重力。

管道探測機器人在管道中行進時，機器人本體最大重量為7.5kg，在豎直管道中運動時，該重量由管壁與輪子間的摩擦力來抵消，摩擦力計算方程如式（1）。

f=μN? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，μ為摩擦因數;N為管壁對輪子的正壓力[10-11]，考慮到機器人共有8個相同的輪子，故每個輪子最少需要提供10N的摩擦力，才能保證機器人正常行進。

2? 實物測試

根據對管道探測機器人的機械結構仿真、硬件電路設計以及復用式雙目視覺系統的設計，完成了對管道探測機器人的仿真，整個系統運行效果良好。故實現實物搭建與測試，搭建完成的外觀如圖3所示。

為了模擬真實管道，該文在PE波紋管中進行目標物體的定位測試，測試選取的目標物的真實長寬高為：55.3mm、55.8mm、150.8mm，放置在距離管道探測機器人540mm處。

上位機測試界面我們觀察到雙目攝像頭的左右目采集的圖像以及視差圖。計算后的物體三維坐標X=31，Y=150，Z=540。經雙目視覺系統檢測到深度Z=540mm，與實際的距離540mm一致，測量結果準確。

3? 結語

該文研究的管道探測機器人針對兩個問題進行了深入探究：一是針對傳統管道機器人只能在水平管道作業的問題，提出了伸縮支撐式的新式機械結構，該結構不僅簡化了傳統管道機器人的復雜結構，而且豐富了作業環境，使機器人可以在各種符合尺寸的管道中工作。二是為了解決在管道這類惡劣環境中的目標識別問題，采用雙目視覺系統，有效解決了管道中的目標物三維定位問題。

該文研究的管道探測機器人解決了可以在豎直、彎道[15]以及更多管道環境中運動，并且利用雙目立體視覺系統實現目標物體的準確三維空間定位，做到在管道這類惡劣環境中，也能準確識別出安全隱患，達到檢測目的。

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