小口徑管道自適應(yīng)內(nèi)檢測機器人研究

毛柳偉，王國慶

（中國人民解放軍92578部隊，北京100071）

1 引言

作為介質(zhì)輸送的重要方法和途徑，小口徑管道在船舶、石油化工等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。因管道內(nèi)部長期與流動海水、石油、天然氣等各種介質(zhì)接觸，在運行一定時期后，其內(nèi)部會發(fā)生腐蝕、破損、泄漏甚至開裂，嚴(yán)重影響設(shè)備的運行安全，給裝備的安全服役帶來很大的風(fēng)險隱患［1］。通過一定檢測技術(shù)手段對管路進(jìn)行定期檢測，及時發(fā)現(xiàn)管路缺陷、排除安全隱患，對于保障裝備安全運行具有重要意義［2］。因管路外部空間的可達(dá)性及技術(shù)方法的局限性等，外部檢測手段很難全面檢測管路內(nèi)部存在的問題。小口徑管道自適應(yīng)內(nèi)檢測機器人是指可在直徑30mm到200mm的管道內(nèi)自主行走，且通過傳感器對管道內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行檢測的自動化裝置［3-4］。內(nèi)檢測機器人不受外部空間限制，可實現(xiàn)管道內(nèi)部360度的全覆蓋檢測，檢測能力強，效率高，可全面掌握管道內(nèi)部缺陷狀態(tài)。管道內(nèi)檢測機器人的結(jié)構(gòu)主要包括腿式、履帶式、輪式等［5-8］。小口徑管道內(nèi)部空間小，轉(zhuǎn)彎半徑小，對內(nèi)檢測機器人的變徑、轉(zhuǎn)彎等自適應(yīng)能力要求高［9-10］。針對現(xiàn)有管道機器人在小口徑管道中的變徑能力、過彎能力不足的問題，設(shè)計了一種小口徑管道內(nèi)檢測機器人，采用Solidworks及ADAMS軟件進(jìn)行仿真計算，研究了其在管道內(nèi)的運動特性，為小口徑管道的內(nèi)檢測機器人研制提供理論支撐。

2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

管道機器人原理設(shè)計，如圖1所示。機器人整體由行走機構(gòu)與變形機構(gòu)構(gòu)成。行走機構(gòu)包括直流電機，錐齒輪，軸，行走輪，外架等。變形機構(gòu)包括變徑架，中間軸，變徑座以及彈簧等。

圖1 機器人原理設(shè)計圖Fig.1 Schematic Design of Internal Testing Robot

直流電機通過一對錐齒輪驅(qū)動主動軸上的行走輪（前輪）轉(zhuǎn)動，使機器人能夠在管道內(nèi)行進(jìn)。兩個變徑座之間安裝有彈簧，最初進(jìn)入管道時，彈簧的預(yù)緊力將變徑座撐開，使履帶輪緊貼管道內(nèi)壁。當(dāng)管道內(nèi)徑變大或變小時，彈簧會自動伸長或縮短，來調(diào)節(jié)兩個變徑座之間的距離。

3 變徑及過彎能力分析

3.1 變徑能力分析

機器人運動原理，如圖2所示。

圖2 機器人運動原理圖Fig.2 Schematic Diagram of Robot Movement

機器人長度約為100mm，搭配不同規(guī)格的彈簧將具有不同的變徑能力。前后兩個變徑座中心分別到前后行走輪的距離均為L1為45mm，前后兩個輪之間的距離L2為75mm，變徑座長為15mm，L為彈簧長度與變徑座長度之和，此時從機器人中心到輪中心的距離為H。通過計算可以得出：

輪子的直徑d為20mm，所以機器人適應(yīng)的管子直徑為2H+20。所設(shè)計的機器人模型適應(yīng)的管子半徑與變徑座中心之間的距離L的關(guān)系，如圖3所示。由圖3可見，機器人變徑范圍與變徑座中心之間距離呈線性關(guān)系，機器人適應(yīng)的管徑隨著變徑座之間距離的變大而變大，變徑范圍約為（95～105）mm之間。

圖3 管子半徑與變徑座中心間距的關(guān)系Fig.3 The Relationship Between the Pipe Radius and the Center Distance of Reducer

3.2 轉(zhuǎn)彎能力分析

依據(jù)實際工況條件，設(shè)定管道彎頭角度為90°。機器人在內(nèi)部行走過程中輪子緊貼管壁，運動狀態(tài)示意圖，如圖4所示。

圖4 機器人彎道通過能力示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Robot Turning Ability

機器人適應(yīng)的最小管徑為2H，其在管道彎頭中間的部分最難通過，因此能夠通過彎頭中部就能通過整個管段。能夠通過的彎管尺寸應(yīng)滿足［11］：

式中：R-管子彎曲半徑；D/2-管道半徑。

管道機器人采用的彈簧受壓縮后最短長度是10mm，爬行的管道半徑為50mm時，可得管道彎曲半徑大于200mm，滿足公式（2）的彎管通過要求。結(jié)果表明設(shè)計的機器人可以通過彎曲半徑在200mm以上的管子。

4 ADAMS仿真分析

4.1 模型建立

ADAMS在三維建模方面建模類型比較單一，因此選擇在SolidWorks環(huán)境中建立機器人的零件模型并完成裝配，裝配完成后，通過接口將樣機模型導(dǎo)入到ADAMS中來進(jìn)行仿真分析。建立機器人仿真模型，如圖5所示。

圖5 機器人樣機模型Fig.5 The Robot Prototype Model

導(dǎo)入完成后，添加約束條件。在ADAMS/View環(huán)境下可以添加零件間的所有約束［12］。按實際情況添加約束后，開始仿真計算。

4.2 仿真結(jié)果與分析

機器人在管道中行走時，會受到管子對機器人的作用力，并且作用力的大小受到彈簧預(yù)緊力的影響，彈簧的預(yù)緊力越大則作用力也就越大。摩擦力的存在能使機器人行走的更加平穩(wěn)，在通過管徑變化的部位時不容易發(fā)生打滑的現(xiàn)象，但是摩擦力過大也會對電機的牽引力造成負(fù)擔(dān)，因此選擇合適的預(yù)緊力很有必要。

機器人在給定速度與預(yù)緊力5N的情況下在不同管徑的直管行走時行走輪受到壓力隨時間的變化，如圖6所示。圖中輪子受到的力會出現(xiàn)振動是因為管子與輪面不能充分接觸的緣故，由圖6可見，管徑在105mm時輪子受到的壓力為4.4N左右；管徑在100mm時輪子受到的壓力為5.1N左右；管徑在95mm時輪子受到的壓力為5.8N左右；可以看出輪子與管壁的接觸力隨著管徑變小而增大。

圖6 在給定速度與預(yù)緊力下行走輪受到的壓力Fig.6 The Pressure on the Walking Wheel at a Given Speed and Preload

在給定速度下，在管徑100mm的直管中，機器人行走輪在不同預(yù)緊力下受到的壓力隨時間變，如圖7所示。由圖可見，預(yù)緊力為5N時輪子受到的壓力為5N左右；預(yù)緊力為6N時輪子受到的壓力為6.1N左右；預(yù)緊力為7N時輪子受到的壓力為6.9N左右；由結(jié)果可知，輪子與管壁的作用力隨著預(yù)緊力的增大而逐漸增大。圖中輪子受到的力會出現(xiàn)振動是因為管子與輪面不能充分接觸的緣故。

圖7 不同預(yù)緊力下行走輪受到的壓力Fig.7 The Pressure on the Walking Wheel at Different Preload

在給定速度下，機器人由直徑105mm的管爬行至直徑95mm的管道時，行走輪在不同預(yù)緊力下受到的壓力，如圖8所示。由圖可見，當(dāng)彈簧預(yù)緊力5N時，行走輪受到壓力約6N，摩擦系數(shù)約0.3，需要提供的扭矩約為0.18NM，當(dāng)彈簧預(yù)緊力為6N時，行走輪受到的平均圧力約為7N，需要提供的扭矩約為0.22NM，設(shè)計的機器人選用電機扭矩為0.4NM，取安全系數(shù)為1.5，因此預(yù)緊力在6N以下的彈簧滿足電機的要求。當(dāng)預(yù)緊力為7N時，可以看出輪子受到的力出現(xiàn)波動，這是因為預(yù)緊力過大電機不能驅(qū)動機器人通過95mm的管，行進(jìn)到中途便退回原來的105mm管，在電機驅(qū)動下繼續(xù)前進(jìn)然后再退出來，因此7N預(yù)緊力不能滿足電機的要求?？紤]到摩擦力會使機器人運動平穩(wěn)因此選擇預(yù)緊力為6N的彈簧。圖中輪子受到的力會出現(xiàn)振動是因為管子與輪面不能充分接觸，可以看出在經(jīng)過一段時間后輪子受到的力有一個明顯的提升，這是因為結(jié)果表明彈簧被壓縮，提供的力也變大，因此輪子受到的力也變大。彈簧預(yù)緊力確定時，通過理論計算可以校核電機驅(qū)動力能否滿足需要。

圖8 不同預(yù)緊力下通過變徑時行走輪受到的壓力Fig.8 The Pressure on the Walking Wheel through Reducing at Different Preload

在給定速度、預(yù)緊力為6N的情況下，機器人通過直徑為105mm的彎管（管子彎曲角度為90°，彎曲半徑為200mm）時，行走輪受到壓力隨時間變化，如圖9所示。由圖可見，機器人具有彎曲半徑為200mm的管道的通過能力。圖中曲線出現(xiàn)較大波動是因為機器人通過管道彎曲部位，輪子受到的力比在直管中受到的力更大所導(dǎo)致。

圖9 轉(zhuǎn)彎時行走輪所受壓力變化圖Fig.9 The Pressure on the Walking Wheel through Pipeline Elbow

在預(yù)緊力為6N，電機扭矩為0.4NM的情況下，機器人由直徑105mm的管爬到了直徑95mm的管，然后通過直徑105mm的彎管（管道彎頭角度90°，轉(zhuǎn)彎半徑200mm），在此過程中，機器人的速度變化，如圖10所示。由結(jié)果可見，機器人速度先增加后降低然后又增加然后又降低。這是因為機器人首先在105mm的管子中行走，受到的阻力較小，速度升高，然后進(jìn)入到95mm的管子中，阻力變大，速度降低，然后進(jìn)入105mm彎管，彎管頭部阻力小速度升高，進(jìn)入彎曲部分后，機器人受管道壓迫加劇，速度降低，通過彎曲部分后，壓迫變小，速度升高。結(jié)果表明，驅(qū)動力矩為0.4NM時，機器人可以順利通過同時包含變徑及彎管的管道。

圖10 機器人在含變徑及彎頭的管道內(nèi)速度變化Fig.10 Robot Speed Change in Pipeline with Reducing and Elbow

5 結(jié)論

理論計算結(jié)合SolidWorks與ADAMS仿真實現(xiàn)對小口徑管道內(nèi)檢測機器人的設(shè)計及運動能力分析。小口徑管道內(nèi)檢測機器人變徑范圍與變徑座中心之間距離呈線性關(guān)系，機器人適應(yīng)的管徑隨著變徑座之間距離的變大而變大，變徑范圍約為95mm-106mm。機器人彈簧最短長度在10mm以下、預(yù)緊力為6N時，可順利通過彎曲半徑在200mm以上的管道。仿真分析數(shù)據(jù)及計算結(jié)果，可作為小口徑管道內(nèi)檢測機器人物理樣機設(shè)計、研制的理論依據(jù)，同時為同類機器人研究提供借鑒和參考。