油氣管道爬行機器人的設計及仿真實驗*

彭 鶴，王路路，王 勇，趙翰學，貢軍民

(1. 中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249；2. 英特爾(中國)研究中心有限公司，北京 100190；3. 新疆石油管理局有限公司 工程技術公司，新疆 克拉瑪依 834000)

管道運輸作為全球五大運輸方式之一，在國民經濟中占有重要地位，帶來巨大的經濟效益和社會效益，已然成為國之大計，民之根本.中國油氣管道建設方興未艾，未來十年，油氣管道將迎來新一輪建設高峰期，目前我國正在完善四大能源戰略通道和國內骨干油氣管網建設，已基本形成聯通海外、覆蓋全國、橫跨東西、縱貫南北、區域管網緊密跟進的油氣運輸體系[1-2].油氣管網倍增式發展，近年來管道泄漏造成的環境問題和安全問題又屢見不鮮，這對管道運輸的本質安全提出了更高要求[3-4].因此，對管道進行檢測顯得尤為重要，而目前依靠介質推動的傳統管道機器人已經無法適應特殊工況，比如新建未投產管道的運營檢測、非常規流體管道檢測、逆流體流向管道檢測.油氣管道爬行機器人研究的意義在于能完成特殊工況的管道檢測作業，而對于在役油氣管道，常年運行產生的雜質和地質環境造成的缺陷使得未知環境下管道機器人避障成為難題，國內學者提出在未知環境下成功避障的新人工勢場法，得到一條最優平滑避障路徑，成功實現了移動機器人的動態避障，提高了機器人避障的靈活性和對惡劣環境的自適應能力[5-6].此外采用壓縮空氣作為爬行機器人的動力源，機器人在油氣管道作業時無電線和電子元件進入管道，避開了常規電機驅動機器人運行過程中產生電火花的弊端，也就避開石油石化行業的危險源，再者以壓縮空氣作為動力源符合綠色、環保、健康的工業發展理念[7-9].

二十世紀中葉，伴隨著大口徑油氣管道的快速發展，世界各國開始把視野轉向管道機器人的研究.日本對管道機器人的研究處于金字塔的尖端，最具代表性的是秀隆大野和廣瀨茂男等研制的Thes系列管道機器人.美國卡梅隆大學的Hagen Schempf專家和一家相關公司的Daphne Zurko研制出世界上第一臺長距離的主要用于燃氣管線巡檢的管道機器人——EXLORER.德國弗勞恩霍夫學院研發出了名為MAKRO的多關節蠕蟲型機器人，也是世界上第一臺蠕動式污水管道檢測機器人.韓國ASIA PROTECH公司研制的具有簡單管道清潔功能機器人已經在多個領域普及.2011韓國大邱慶北科學技術學院研發了一種用于管道檢測、清理作業的履帶式管道機器人.我國對管道機器人的研究起步較晚，但隨著國家863計劃的提出，我國各大科研院所和高校先后投入到管道機器人的研究工作中.哈爾濱工業大學、清華大學、上海交通大學等先后研制了樣機，哈工大在大管徑管道機器人方面已處于世界先進水平.清華大學研制出了一款四輪獨立驅動的管道自動清淤機器人.上海大學針對微型垂直管道的檢測問題，研制了一種具有螺旋驅動功能的管道機器人[10].縱觀國內外，管道機器人的主要研究方向是管道內檢測機器人，而仿生類爬行機器人又似乎是獨立于管道機器人之外的研究領域.目前許多油氣管道檢測處于特殊工況，而對于能適用于特殊管道工況且能完成檢測任務的多功能交互的油氣管道內爬行檢測機器人的研究較少.為此，本文開展了能夠適應特殊油氣管道工況的管內爬行機器人的研究工作.

1 機器人結構和控制系統設計

1.1 機器人方案設計

針對管道爬行機器人的特點和要求的設計功能，決定采用蠕動式運動方式進行結構設計，爬行機器人主要由伸縮模塊(氣缸驅動模塊)、轉向模塊、行走模塊和支撐模塊等部分組成，如圖1所示.

圖1 爬行機器人機械結構原理示意圖Fig.1 Schematic principle of mechanical structure of crawling robot

1.2 機器人結構設計

1.2.1 機器人支撐模塊結構設計

選擇小型氣缸作為支撐結構的動力源，在機器人的前后部分別布置三個呈120°周向均布的氣缸作為機器人的支撐結構，如圖2所示(單位：mm).由于支撐結構對緊湊性要求高，因此，選擇體積較小的固定式安裝氣缸.

圖2 支撐模塊氣缸在管道內部的分布Fig.2 Distribution of support module cylinder inside pipeline

1.2.2 機器人伸縮模塊結構設計

氣缸活塞桿和機器人前半部分連接，氣缸尾端選擇帶有注銷孔的氣缸，采用柱銷連接的方式，轉向機構采用桿端軸承方案，如圖3所示.若驅動氣缸在機器人運動過程中缸筒和活塞桿發生相對轉動，就會形成一個角度且不利于機器人繼續前進，所以需要加裝導向裝置，如圖4所示.

圖3 桿端軸承連接方案圖Fig.3 Rod end bearing connection scheme

圖4 驅動氣缸導向裝置Fig.4 Drive cylinder guiding device

1.2.3 機器人行走模塊結構設計

行走模塊采用搖桿滑塊機構，滑桿傾斜安裝在機器人主體上，由兩塊相同結構的滑塊對稱安裝在滑桿上，搖桿的一端與橫桿鉸接，另一端安裝滾輪，在滑桿上安裝彈簧，行走機構能保持滾輪時刻與管道內壁接觸，如圖5所示.

圖5 行走機構設計示意圖Fig.5 Schematic design of travel mechanism

1.2.4 油氣管道爬行機器人三維圖

在SolidWorks軟件中繪制管道爬行機器人的三維圖，如圖6所示.

圖6 管道爬行機器人三維圖Fig.6 3D diagram of pipeline crawling robot

1.3 機器人控制系統設計

1.3.1 控制器選擇

氣動機器人的運動控制采用Arduino單片機作為主控制器，選擇性能穩定且使用范圍廣的Arduino Uno.

1.3.2 控制電路搭建

氣缸只有兩個動作，且機器人中的氣缸可以分為三組，所以對氣缸的控制只需要三個兩位電磁閥即可.由于選擇的電磁閥驅動電壓是直流24 V，而Arduino單片機的輸出最大電壓為5 V，故需要設計驅動電路進行電壓放大.使用電磁繼電器作為電流放大元件，本設計中電磁閥工作頻率要求不高，因此選擇了輸入電壓為5 V，輸出電壓為24 V的電磁繼電器.搭建完成的電路原理圖主要由一個Arduino單片機、一個24 V直流電源、3個繼電器、3個電磁閥組成，如圖7所示.

圖7 電磁閥控制電路原理圖Fig.7 Schematic principle of solenoid valve control circuit

1.3.3 機器人控制邏輯時序

機器人運動速度可以通過調節單片機數字I/O口的輸出周期對機器人進行調速，在物理樣機測試的過程中對機器人進行速度調節實驗，以找到最佳運行速度等參數.

1.3.4 程序設計

機器人運動控制時序由Arduino單片機進行控制，其程序控制流程決定著機器人的運動性能，可以通過軟件調節的方式控制機器人運動的方向和速度[11]，如圖8所示.

圖8 機器人程序流程圖Fig.8 Flow chart of robot program

圖8中，P1、P2和P3分別代表機器人前部支撐氣缸、中間驅動氣缸和后部支撐氣缸，機器人的程序流程中包括前進和后退兩種運動形態，可以方便控制機器人的運動方向.

2 機器人虛擬樣機仿真

2.1 油氣管道爬行機器人虛擬樣機建模

虛擬樣機技術是以計算機支持的仿真技術和生命周期建模技術為前提，以多體系統運動學、動力學和控制理論為核心，從外觀和功能等各方面對產品進行模擬.ADAMS軟件具有兩種虛擬樣機建模方式，利用其一將SolidWorks建模后導入到ADAMS軟件，如圖9所示.

圖9 機器人虛擬樣機模型Fig.9 Virtual prototype model of robot

模型導入ADAMS中后，各個零件是獨立的，必須給它們之間添加運動副，使零件之間的相對運動確定，這樣才能構成一個具有確定運動的完整機械系統，如圖10所示.

圖10 添加約束后樣機模型Fig.10 Prototype model with added constraints

機器人的12個滾輪和管道內壁之間存在接觸力，采用ADAMS/View提供的Solid to Solid給滾輪和管道內壁之間添加接觸力，約束機器人的運動副和作用力添加情況，如表1所示.

表1 ADAMS軟件中機器人運動副和作用力統計Tab.1 Statistics of motion pairs and acting forces of robot in ADAMS software

2.2 機器人運動仿真

2.2.1 機器人直管運動仿真

機器人在ADAMS中添加完約束和驅動后進行仿真模擬，對在水平直管道中的運動過程進行虛擬樣機分析，如圖11所示.

圖11 機器人直管運動模擬仿真Fig.11 Simulation for straight pipeline motion of robot

仿真模擬了機器人5 s內的運動過程，在仿真過程中做了如下假設：機器人一次動作用時0.5 s，每次向前運動50 mm.ADAMS測量機器人前半部分機架質心沿Z軸質心位移如圖12所示，機器人前半部分質心速度如圖13所示.

圖12 機器人前半部分機架質心位移Fig.12 Centroid displacement of first half frame of robot

圖13 機器人前半部分質心速度Fig.13 Centroid velocity of first half of robot

由于給機器人施加脈沖式的驅動，機器人質心的速度變化具有準確的周期性，而且加減速過程等長.在實際實驗中，由于氣缸加速過程和減速過程不對稱，實際的速度圖像加速過程比減速過程長，減速過程由于存在撞擊，其加速度要大于加速過程的加速度.由圖12～13可以看到，機器人結構具有穩定性，在整個運動過程中速度保持周期性變化.

在機器人運動過程中，彈簧提供使滾輪壓緊管道內壁的力，從ADAMS中也可以得到彈簧力的曲線，分別取機器人上部的一個彈簧和下部的一個彈簧進行分析，如圖14～15所示.

圖14 機器人上部彈簧受力圖Fig.14 Force imposed on upper spring of robot

圖15 機器人下部彈簧受力圖Fig.15 Force imposed on lower spring of robot

為了使機器人在初始狀態時能夠壓緊管道內壁，給機器人每個彈簧初始化預定義了負載，上部彈簧預定義負載為6 N，下部彈簧由于受到機器人重力的影響，預定義負載為8 N.由圖14～15可以看出，在機器人還未出發時，彈簧的受力都在預定義的負載周圍，機器人運動之后，彈簧被壓緊，彈簧彈力均增大相應的數值.在機器人整個運動過程中，機器人彈簧的彈力基本保持穩定，說明機器人在運動過程中受力情況良好，結構較穩定，機器人質心始終在管道中心，沒有發生偏移.

2.2.2 機器人彎管運動仿真

在虛擬樣機仿真中，為了方便仿真，將U型管道和90°管道設計成一根管道，機器人在彎管仿真運動前的視圖如圖16所示.

圖16 機器人在彎管運動模型Fig.16 Motion model of robot in bending pipeline

由于無法確定機器人管道內壁的摩擦力和接觸力的大小，只能根據前人的設計經驗參數去試湊，但所得結果并不理想.由于機器人的運動學仿真和以上因素無關，可以通過給機器人施加力來仿真，由于給機器人添加了和真實環境相同的物理約束，因此，只要機器人能夠順利通過管道，即可認為機器人能夠適應該類型的管道.機器人在U型管道中的運動學仿真如圖17所示.

從圖17中的運動圖像可以看出，機器人可以很順利地通過半徑為250 mm的U型管道.機器人在90°管道中的運動學仿真如圖18所示.

圖17 機器人在U型管道運動學仿真Fig.17 Kinematics simulation of robot in U-shaped pipeline

圖18 機器人在90°彎管中運動學仿真Fig.18 Kinematics simulation of robot in 90° bending pipeline

3 機器人物理樣機實驗

通過3D打印零部件后組裝完成機器人物理樣機.利用實驗室的氣泵系統對機器人進行物理樣機實驗，主要測試以下三種管道中機器人的運動情況：1)機器人在水平直管道中的運動；2)機器人能否通過水平彎管；3)機器人在豎直管道中的運動.

通過實驗可以發現，機器人的運動速度可以通過調節間隔動作之間的延時長度進行控制，在水平直管中測試時通過不斷減少間隔動作之間的延時長度來增加機器人的運動速度，但當延時小于200 ms時機器人無法正常運動，如圖19所示.

圖19 氣動管道機器人在直管中運動測試Fig.19 Motion test of pneumatic pipeline robot in straight pipeline

在彎曲管道測試中，機器人以最大速度運動時遇到90°彎管可以順利通過，但是在多次觀察中發現機器在通過彎道時速度會明顯下降，如圖20所示.

圖20 氣動管道機器人在彎管中運動測試Fig.20 Motion test of pneumatic pipeline robot in bending pipeline

機器人在豎直管道中向上運動時，設置兩次動作間的延時長度為200 ms，機器人可以順利沿著豎直管道運動，但是其運動速度明顯比相同條件下在水平管道中運動小.

4 結 論

本文在調研大量國內外管道機器人的基礎上，自主設計了一款全氣動油氣管道爬行機器人，該機器人綜合了輪式管道機器人和壓壁式管道機器人的優點，提高了機器人在管道中運動的穩定性.通過本次設計和實驗得出以下結論：

1) 使用三維建模技術和仿真技術可以有效地提高機器人的設計效率和設計可靠性，型封閉結構能夠保證機器人在運動過程中的穩定性，具有很好的效果.虛擬樣機模型順利通過彎道，能保證機器人對復雜管道具有一定適應能力.

2) 利用單片機、繼電器、電磁閥搭建機器人控制系統，實現了通過編程對機器人運動速度和運動方向的控制，測試結果表明，所設計的控制系統具有良好控制效果，完全滿足控制要求.

3) 爬行機器人在水平直管測試中，間隔動作間的延時在200 ms附近時，機器人運行速度達到最快且能保證此時機器人的穩定性較好.當延時小于200 ms時，電磁閥換向頻率達到最高，換向受到影響，機器人將無法正常運動.

4) 爬行機器人在90°彎管中測試時速度明顯下降，分析得出兩個原因：其一是機器人過彎道時，機器人前半部分的主軸線和氣缸活塞的主軸線不共線，所以氣缸向前運動的一個行程，只能將機器人的前半部分推動一個小于氣缸行程的距離；其二是因為兩條主軸線不共線，機器人過彎道時結構沒有滿足型封閉，使得機器人與管道之間的摩擦力下降，機器人后半部分發生了打滑.

5) 爬行機器人在豎直管道測試時，應該保證管道內壁有足夠大的摩擦系數，否則機器人會出現打滑、速度下降等現象.