一種大型貨輪管道系統(tǒng)探測機(jī)器人的研制

蔣夢(mèng)龍，孫雯，金志鵬，溫慧瀅，王義斌，陳姣

(河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213000)

0 引言

目前，我國船舶行業(yè)飛速發(fā)展，管路系統(tǒng)在船舶的燃油輸送和排水排氣方面發(fā)揮著不可替代的作用。這些管道在長期使用的過程中常常會(huì)受管內(nèi)輸送物質(zhì)和管外環(huán)境的雙重影響，從而發(fā)生腐蝕、漏孔、老化等一系列的問題[1]。管道問題一旦出現(xiàn)沒有及時(shí)修護(hù)將會(huì)發(fā)生難以預(yù)料的后果。因此，設(shè)計(jì)一種適用于船舶行業(yè)的管道探測機(jī)器人能夠提高檢查效率、掃除安全隱患。

20世紀(jì)50年代管道機(jī)器人技術(shù)逐漸興起，美國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)的國家已經(jīng)開始對(duì)管道機(jī)器人進(jìn)行研究。到20世紀(jì)80年代后期，計(jì)算機(jī)技術(shù)、先進(jìn)傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)等基礎(chǔ)技術(shù)蓬勃發(fā)展，這些技術(shù)為管道機(jī)器人的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。然而目前還沒有適用于船舶行業(yè)中高度復(fù)雜的管道系統(tǒng)的機(jī)器人。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式的不同，可以將管道機(jī)器人分為6類：1) 壓差式管道機(jī)器人；2) 輪式管道機(jī)器人[2]；3) 履帶式管道機(jī)器人[3]；4) 足腿式管道機(jī)器人[4-5]；5) 蠕動(dòng)式管道機(jī)器人[6-7]；6) 螺旋推進(jìn)式管道機(jī)器人[8-9]。6種管道機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

通過分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有機(jī)器人可以在特定的場合滿足工作需求，但是難以適應(yīng)例如貨輪管道這種復(fù)雜多變的環(huán)

境。本文將結(jié)合貨輪管道的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)、分析并制作出一種用于貨輪管道的探測機(jī)器人，幫助船舶行業(yè)工人提高管道內(nèi)壁檢測效率、保證檢測準(zhǔn)確性。

表1 各種管道機(jī)器人優(yōu)缺點(diǎn)

1 管道探測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

由于大型貨輪管道系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，管道結(jié)構(gòu)與形狀多變，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人必須能夠轉(zhuǎn)彎、變徑、通過豎直管道。通過在合作企業(yè)建造的大型貨輪上實(shí)地考察以及與船舶行業(yè)內(nèi)相關(guān)技術(shù)人員的交流，分析得出表2所示機(jī)器人的一系列性能指標(biāo)。

表2 管道機(jī)器人設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

1.2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與選擇

根據(jù)上述性能指標(biāo)，機(jī)器人主要分為以下各部分：變徑機(jī)構(gòu)、彎道適應(yīng)裝置、驅(qū)動(dòng)輪、機(jī)架、攝像頭云臺(tái)。機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

1)變徑機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

通過實(shí)地調(diào)查與測算，船舶行業(yè)中制造的大型貨輪大部分物料傳輸管道采用300mm～600mm管道，因此變徑機(jī)構(gòu)需要能夠使機(jī)器人適用于管徑處于該范圍內(nèi)的所有管道。本設(shè)計(jì)采用搖桿滑塊這一連桿機(jī)構(gòu)，搖桿末端安裝驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪，滑塊配合在絲桿上，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿使滑塊運(yùn)動(dòng)，最終使搖桿擺動(dòng)，改變徑向展開幅度，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變徑機(jī)構(gòu)

根據(jù)以上的局部機(jī)器人模型進(jìn)行測算，進(jìn)行靜力學(xué)分析，已知整體機(jī)器人質(zhì)量M=8kg，一組變徑機(jī)構(gòu)所在的部分本體質(zhì)量m=4kg。驅(qū)動(dòng)輪外側(cè)包裹橡膠套，貨輪管道材質(zhì)一般為碳鋼或不銹鋼，查閱相關(guān)資料，橡膠驅(qū)動(dòng)輪與鋼鐵材料之間的摩擦系數(shù)μ=0.5。在豎直管道中時(shí)，必須全部依靠驅(qū)動(dòng)輪與管道內(nèi)壁的摩擦力來平衡機(jī)器人本體，避免下滑或摔落。因此，著重分析機(jī)器人在豎直管道中的受力狀況。

假設(shè)機(jī)器人在大型貨輪豎直管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，將管道視為理想中空?qǐng)A柱體，并且機(jī)器人僅僅憑借驅(qū)動(dòng)輪與管道內(nèi)壁的摩擦力維持姿態(tài)，拖拽的電纜上不受力，管道內(nèi)徑D=300mm～600mm，驅(qū)動(dòng)輪半徑r=30mm，連桿機(jī)構(gòu)中絲桿直徑d=10mm，導(dǎo)程p=1.5mm，絲桿軸心至滑塊與絲桿鉸接處的徑向距離s= 12mm,搖桿長度L1=200mm，近絲桿段長度l=100mm,推動(dòng)桿長度L2=100mm。下面對(duì)管道機(jī)器人在豎直管道中以速度v=0.3m/s勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行受力分析，如圖3-圖4所示。

圖3 尺寸圖

圖4 受力圖

在豎直管道中，為了維持姿態(tài)，管道機(jī)器人的每一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上所受摩擦力為：

(1)

在豎直管道中，摩擦力來自于驅(qū)動(dòng)輪與管壁的壓力，其壓力為：

(2)

在豎直管道中，搖桿與絲桿夾角α為：

(3)

在豎直的管道中，推動(dòng)桿與絲桿夾角β為：

(4)

在豎直管道中，機(jī)器人做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，作用在推動(dòng)桿上的壓力為：

(5)

此時(shí)滑塊作用在絲桿上的軸向壓力為：

Fx=F×cosβ≈15.586N

(6)

此時(shí)滑塊作用在絲桿上的徑向壓力為：

Fy=F×sinβ≈10.000N

(7)

為了提供足夠的軸向推力，絲桿需要提供的轉(zhuǎn)矩為：

(8)

考慮到梯形螺紋絲桿傳動(dòng)損耗較大，輸出效率約為40%，所以實(shí)際轉(zhuǎn)矩為：

(9)

2)攝像頭云臺(tái)設(shè)計(jì)

為了輔助攝像頭采集機(jī)器人前方各方位的圖像，設(shè)計(jì)如圖5所示的舵機(jī)云臺(tái)來調(diào)整攝像頭的角度。舵機(jī)1后端合金架固定在機(jī)器人本體上，舵機(jī)2后端合金架使用螺釘固定在舵機(jī)1的舵盤上，攝像頭模塊通過滑槽卡裝在舵機(jī)2的舵盤上。

圖5 攝像頭云臺(tái)

3)多段機(jī)器人連接方式

為了保證機(jī)器人能夠維持姿態(tài)的穩(wěn)定，并且靈活地在管道中運(yùn)動(dòng)，所研制的機(jī)器人采用二段結(jié)構(gòu)。機(jī)器人分為前后兩段，在其中一段由于打滑等情況失去平衡時(shí)，另外一段能夠保持機(jī)器人本體的穩(wěn)定。此外，二段結(jié)構(gòu)能夠很好地克服軸向扭轉(zhuǎn)力矩，在變徑管道、彎曲管道處，機(jī)器人的前后兩端相互配合，保證順利通過。

所研制的機(jī)器人兩段之間采用大剛度彈簧連接，既能夠在直線管道中維持機(jī)器人兩段軸心在同一直線上，又能使機(jī)器人在彎曲管道中具有一定的柔性。

2 管道探測機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式說明

2.1 在平直管道中

在水平直線管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，無需將機(jī)器人的所有驅(qū)動(dòng)輪均支撐在管道內(nèi)壁，變徑機(jī)構(gòu)適當(dāng)收縮，使機(jī)器人的徑向尺寸略小于管道內(nèi)徑，此時(shí)機(jī)器人類似一輛四輪小車在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)。如圖6所示。

圖6 機(jī)器人在平直管道中工作

該形態(tài)下機(jī)器人可以具有較快的運(yùn)動(dòng)速度，可提高在長直管道中的檢查效率。同時(shí)此形態(tài)下的機(jī)器人具有一定的爬坡能力，當(dāng)斜坡角度低于一定值時(shí)，機(jī)器人無需切換工作形態(tài)，就能順利通過。以下對(duì)此時(shí)機(jī)器人的爬坡能力進(jìn)行分析。機(jī)器人總體質(zhì)量為8kg,驅(qū)動(dòng)輪與管道內(nèi)壁摩擦系數(shù)為0.5，斜坡傾角為θ，已知機(jī)器人不會(huì)從斜坡上滑下的條件為：tanθ≤μ，即：θ≤26.56°，因此上述機(jī)器人形態(tài)適用于平直管道以及坡度不超過26.56°的傾斜管道。

2.2 在豎直管道中

在豎直管道中，機(jī)器人前后兩段的變徑機(jī)構(gòu)均徑向展開，使8個(gè)驅(qū)動(dòng)輪均支撐于管道內(nèi)壁，通過壓力產(chǎn)生的摩擦力來保證機(jī)器人的姿態(tài)穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)輪同速轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人可以上下運(yùn)動(dòng)。具體力學(xué)分析已在上文中闡明。

2.3 通過彎曲管道

由于所研制的管道機(jī)器人采用了二段結(jié)構(gòu)且中間用彈簧連接，可以適應(yīng)彎道情況。當(dāng)機(jī)器人處于彎道中時(shí)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速各不相同，以下對(duì)于彎道中的機(jī)器人做幾何分析。由于機(jī)器人結(jié)構(gòu)前后兩段除了攝像頭云臺(tái)外完全相同，取一段分析。

設(shè)彎道軸線曲率半徑為D，圓管彎道半徑為d，驅(qū)動(dòng)輪直徑r= 30mm，機(jī)器人的4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪完全支撐在管道內(nèi)壁且不考慮打滑，其中有2個(gè)相對(duì)的驅(qū)動(dòng)輪所在平面與管道曲率半徑所在的平面重合。

內(nèi)側(cè)輪的運(yùn)動(dòng)軌跡曲率半徑為：

(10)

外側(cè)輪的運(yùn)動(dòng)軌跡曲率半徑為：

(11)

中間的2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)軌跡半徑為：

ρ3=D

(12)

因此，內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)速v1、外側(cè)輪轉(zhuǎn)速v2、中間輪轉(zhuǎn)速v3比值為：

v1∶v2∶v3=(2D-2d+r)∶(2D-r)∶2D

(13)

2.4 通過變徑管道

經(jīng)調(diào)查，大型貨輪上存在較多變徑管道，所研制的機(jī)器人通過前后兩段配合可以適應(yīng)這種情況。

當(dāng)機(jī)器人由大徑進(jìn)入小徑管道時(shí)，如圖7所示，前段變徑機(jī)構(gòu)的絲桿正轉(zhuǎn)，使前段機(jī)構(gòu)徑向收縮直至略小于小徑，后段驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)，在前段主體進(jìn)入小徑管道后，前段變徑機(jī)構(gòu)使輪子支撐于管道內(nèi)壁。相似的，后段機(jī)構(gòu)徑向收縮至小于前方管道的直徑，在后段主體進(jìn)入小徑管道后，再使后方的驅(qū)動(dòng)輪支撐于管道內(nèi)壁。由小徑進(jìn)入大徑管道時(shí)執(zhí)行上述過程的反向過程即可。

圖7 由大徑進(jìn)入小徑

3 控制界面與樣機(jī)制作

3.1 用戶交互控制界面的設(shè)計(jì)

為了使操作人員能夠更為直觀、便捷地控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，并仔細(xì)觀察管道內(nèi)壁情況，針對(duì)該機(jī)器人研究設(shè)計(jì)出一個(gè)GUI(graphical user interface)界面，如圖8所示。

圖8 交互界面

該GUI界面主要分為3個(gè)部分：返回圖像顯示框、串口信息顯示欄、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制區(qū)。返回圖像顯示框用于實(shí)時(shí)顯示攝像頭返回的圖像。串口信息顯示欄用于反饋串口信息。右上方的黑白圓用于控制攝像頭云臺(tái)的指向。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制區(qū)域，操作人員可以控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、停止、轉(zhuǎn)彎、變徑等操作。

3.2 樣機(jī)效果及反饋

在建立三維模型和理論分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了實(shí)物樣機(jī)的制作并且對(duì)實(shí)物與理論的差距進(jìn)行了數(shù)據(jù)的收集分析，圖9為實(shí)物樣機(jī)照片。

實(shí)物樣機(jī)能夠較好地在管道中維持穩(wěn)定的姿態(tài)，并且進(jìn)行圖像采集。在試驗(yàn)中，機(jī)器人性能滿足各項(xiàng)預(yù)設(shè)指標(biāo)，能夠適應(yīng)各種管道環(huán)境，但是缺少必要的傳感器，使得操作較為復(fù)雜，有待改進(jìn)。

4 結(jié)語

本論文研制出可以適應(yīng)復(fù)雜多變環(huán)境的大型貨輪管道系統(tǒng)探測機(jī)器人。為船舶行業(yè)檢查管道內(nèi)部情況、排除安全隱患提供了一種簡單高效的解決方案。本文對(duì)于各種管道環(huán)境下機(jī)器人的工作方式逐一進(jìn)行了分析，并成功制作出實(shí)物樣機(jī)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況，樣機(jī)能夠較好地實(shí)現(xiàn)在管內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)探測，為后續(xù)進(jìn)一步研究管道機(jī)器人奠定了基礎(chǔ)。

圖9 實(shí)物樣機(jī)照片