水下管道智能清潔機器人的研究*

陳天樂，胡江誠，于福一，王昊宇，李 贏，楊 影

（沈陽化工大學 機械與動力工程學院，遼寧 沈陽110142）

在工業生產中，管道作為一種傳輸工具必不可少。管道中總是含有各種雜質，且難以去除。基于這種現狀，決定自主創新設計一款管道清潔機器人，主要是清掃管道內壁、起到去污作用，是一種能夠沿著管道內壁按照螺旋軌跡行走的機器人，其裝置附帶多種傳感器以及相關的操作裝置（CCD傳感器、位置與姿態控制傳感器、超神波傳感器、渦流傳感器、管道清潔的毛刷裝置、管道裂紋及管道接口焊接裝置、防腐與防潮噴漆裝置以及簡單的機械手裝置等），通過技術人員的遠程控制來進行一系列的操作。

我們自主設計機器人主要由電機、后輪、前輪、萬向節、毛刷等組成。基于毛刷的彈性與自適應性，利用電機帶動毛刷離心運動，使其貼附管壁進行清掃，并且行走部分和毛刷部分通過萬向聯軸器聯結使其完成轉向動作，可實現水平大角度轉彎、變徑管道清掃等功能，克服了機器人在管道中卡死、打滑等缺點。并且我們調查研究了市場上現有的管道清掃機器人，對其進行研究分析最后得出結論，我們所設計的機器人具有很高的轉化價值與發展前景。

1 國內外對管道內雜質的處理方法

國外一些國家在清理管道方面已經進行了一系列積極的探索，采用了不少措施。管道運輸一直是國家最重要的運輸方式之一，其重要地位體現在石油、天然氣的運輸是最為明顯的，但是因為石油、天然氣等運輸時出現雜質是不可避免的，這也是困擾著科學家們如何解決管道清理的重要問題之一，并且管道清理也漸漸地成為重要的工程技術之一，也是逐漸興起的科學技術領域之一。以石油運輸為例，管道使用時間過久便會造成堵塞問題，為了解決這一問題達到管道使用壽命增加的目的，目前針對此類問題有了三大類清理技術：物理清洗法、化學清洗法、物理與化學結合清洗法。

2 裝置的原理功能及創新點

2.1 機械結構方案設計

作者設計的管道清掃機器人主要由兩個部分組成：行走部分和工作部分。由圖1可見后面三塊亞克力板組成的結構為行走部分，前面的毛刷以及電機組成了工作部分。這兩個部分之間通過一個萬向聯軸器來進行連接，最終便可實現機器人在管道內壁彎道的變向功能。

圖1 管道機器人整體設計圖

2.2 驅動方案選擇

水下智能管道機器人的行走方式是多樣的，有車輪式、履帶式、腿式等，腿式機器人雖然可以轉過曲率半徑較小的障礙，但相比較之下其他形式的機器人行走速度更快，即腿式機器人行走更慢；其中車輪式的移動速度較快，并且控制靈活方便，但是吸附在管道內壁的能力較弱，車輪的直徑會使機器人相對于管壁的扭矩增大，使機器人工作和運行時的穩定性和安全性相應降低；履帶式著地面積大，機器人運行平穩，但其相對于腿式的不易避開障礙，不易轉彎。這三種行走方式的跨越障礙能力都很弱。因為車輪式的行走方式的技術已經非常成熟，控制起來也比其他的方式更簡單，所以最終選用車輪式的行走結構。一般來說，采用三輪、四輪、六輪來驅動是最為常見的，根據機器人的大小以及經濟角度出發，水下智能機器人選用三輪行走結構是最為合理的。

行走部分是在末端的三個輪子上安裝馬達驅動整個機器人在管道中行走，其中為了適應不同的管道內徑，我們設計了一個絲杠用于調節三個輪子的收縮與伸張（見圖2）。

圖2 行走部分

結構組成：整個行走部分由步進電機控制的滾珠絲杠、絲杠螺母、三塊亞克力板、三條驅動腿、三個由直流電機驅動的馬達、三根光軸和直線軸承組成。

工作原理：由步進電機驅動的絲杠通過軟件控制可以實現絲杠螺母上下移動的距離，同時絲杠螺母固定在中間的亞克力板上面帶動板來回移動。三根光軸與直線軸承配套可以起到一個穩定的作用，使中間的亞克力板能夠平穩的上下移動，這樣就可以實現三條腿的向外擴張與收縮，使其能夠緊貼管道內壁以適應不同的管徑。在貼緊內壁之后，腿部末端裝有三個直流電機驅動的輪子，通過軟件可以控制電機轉動，最終就可以實現整個機構在管道中的前進和后退。

2.3 工作部分方案選擇

通過學習國內外先進的管道機器人結構，作者發現現如今產品的工作部分都是固定外徑結構的，在清掃不同的管道時不能自身調節工作外徑，需要不斷地更換毛刷。為此作者自行創新設計了一個能夠自行調節外徑用以適應不同管道內徑的工作結構，這樣會使產品的使用更加方便與快捷。具體結構見圖3。

圖3 工作部分

結構組成：整個工作部分由毛刷、伸縮桿和管徑調整部件組成。

工作原理：工作部分如圖3所示，中間的管徑調整部件通過旋轉可以實現三個伸縮桿的向外拉伸與向里收縮，其實質上是構成了三個曲柄滑塊機構，通過這三個曲柄滑塊機構控制整個清掃毛刷調整外徑用于適應不同的管徑。旋轉中心連接直流電機馬達，通過軟件編程可以實現電機帶動整個工作部分運轉（在這個過程中管徑調整部件也隨著電機一起轉動，它只起一個控制毛刷外徑的作用），用毛刷清掃管道內壁達到預期目的。

2.4 結構的合理性及參數的合理性

作者自行設計的管道清掃機器人在結構的布置上較為合理，首先，整個機器人的重量集中在后面的驅動部分，這樣保證了機械結構的重量集中在后面，使整個機器人在管道中能夠保持平穩的狀態。其次，在設計工作部分時，為了適應不同的管徑，我們設計了旋轉控制零件，用于控制毛刷的工作半徑，使得工作更加方便。

2.5 機械系統總體方案

經過大家的努力，最后設計出來的機械系統總體方案的三維圖如圖4所示。

圖4 機械系統總體方案圖

3 關鍵零部件結構設計

為實現毛刷能夠根據管徑大小進行自我調整，作者在毛刷的工作部分設計了一個旋轉控制零件如圖5所示。

圖5 旋轉控制零件

這個旋轉控制零件通過與幾個連接桿組合形成了三個曲柄滑塊機構（圖6），同時在連接桿上加工了一個卡槽（圖7）以防止桿件脫離，這樣在毛刷轉動的過程中就可以利用轉動產生的離心力使得毛刷緊貼管道的內壁清掃，這樣就實現了毛刷對于不同大小管徑管道的自動調節。

圖6 曲柄滑塊機構

圖7 連接桿卡槽

結合管道的特點，發現連接旋轉控制的零件和聯軸器的連接結構使用了兩個舵機控制，舵機的主要功能是控制輸出軸的旋轉，其輸出信號是由單片機給定，并且控制機器人在90°范圍內旋轉，為了實現機器人的正反轉運動，所以用兩個舵機控制，讓其一個控制正轉、一個控制反轉即可，通過兩個舵機的聯合控制便可實現機器人的前進后退動作，配合旋轉結構，在彎管內也能實現前進與后退動作，使得管道機器人更加靈敏化。

運輸油液的管道內壁中油的粘附性強，并由于石油中的雜質導致其黏附在管道內壁，造成清理困難的現象，作者通過在校實驗發現可使用刮刀、鋼刷清理，并且結合各種化學試劑，如洗滌劑等可達到高效的清潔目的，因此在機器人中裝載了旋轉清理結構，使用單片機控制舵機旋轉速度，并且利用內置傳感器進行監測清理效率。為了適應各種工作環境，我們還在前者的基礎上添加了清潔機構便利拆卸結構，能更換鋼刷為其他形式的清潔工具，此外可通過離合器設定最大扭矩的參數值，其作用是當機器人在遇到障礙過于堅硬時，能保證清潔部分機構能夠及時停止運行，確保管道以及機器人的結構不被損壞。

4 運動軌跡分析

接下來，為了分析機器人的運動軌跡就必須先分析機器人在管道內運動狀況，經分析得出機器人通過彎道的運動狀態可分為以下兩種：

第一種稱為過渡階段，此時將管道機器人視為一個整體、簡化為一個單元體，其在彎管處的運動是二維平面運動，先假設該單元體進入指定彎道，其中心軸線與管道中心曲線相切，并沿著給定的彎管曲率半徑行走，如圖8所示，給定如下參數：機器人長為L=70mm，管道曲率半徑為R=120mm，管道直徑為D=80mm，取工程中常用的R/D=1.5，管道的環繞角度為90°。

圖8 運動轉跡分析

第二種稱為旋轉階段，此時單元體整體進入了彎管內，它的運動軌跡是圓弧，其曲率半徑已知，若假設單元體是以某種方式進入彎管的，而且假設行走輪是剛性的，如圖8所示。當行走輪處于過渡段的彎管處，則行走輪在這一段時間不會與管道的內壁接觸，此時稱行走輪的邊緣點為可能接觸點。此時，毛刷恰好可以清理內壁雜物，且轉彎不被卡死。而旋轉中心連接直流電機馬達，可以帶動整個毛刷旋轉起來，達到清潔管道內壁的目的。

5 結束語

20世紀70年代以來，石油化工天然氣及核工業等產業迅速發展，各種管道作為一種重要的物料輸送設施，得到了廣泛應用。灰塵、物料殘留物等雜質不可避免地會附著在長時間工作的管道中。同時，多數管道安裝環境，人們不能直接到達或不允許人們直接進入。管道清掃機器人是能夠在水平管道自由運動完成清掃的一種自動機械裝置，廣泛應用于工業、農業、餐飲服務業等，伴隨各種新能源的出現，管道清掃機器人有著很廣闊的市場發展。該裝置可以對管道內部進行清潔。該裝置成本低廉、工作精準高效、節省大量人力，可廣泛地應用于管道清潔的處理企業，對保護環境具有較好地推廣應用價值。