可變徑管道機器人結構及控制系統設計

劉勇

（200093 上海市 上海理工大學 機械工程學院）

0 引言

當今，管道運輸在現代工農業以及人們日常生活中發揮著巨大的作用，被廣泛應用在核工業、農業灌溉、天然氣、城市供水等多個領域,促進了工業和社會生活的發展[1]。管道運輸安全一直是當今社會所關注的話題，管道一旦發生泄露，會嚴重影響工業發展和人們的正常生活，因此對管道的檢測與維護意義重大。

但是在現實情況下，由于管道的長期使用和外部環境的影響，產生了一些安全隱患，這些管道安全問題極易引起管道的腐蝕、磨損變薄和破裂現象，造成生命和財產損失。但大多數管道安裝在水下或者地下等人力不易到達的場所，檢修難度很大導致成效甚微，因此管道一旦發生問題，通常只能提前報廢，造成巨大的經濟損失，因此設計一種能夠適應管道內部環境的機器人對管道進行檢測和維護是很有必要的。本文提出一種自適應管徑的管道機器人，通過模塊化功能集成，實現集多功能于一體。

1 管道機器人結構及控制簡述

管道機器人系統應用在管道內部檢測與維護工作中，代替工作人員進入一些人們不便直接到達的管道。通常情況下，管道機器人由機械本體、管道外監控、圖像采集3 個部分組成。其中，管道機器人機械本體主要承擔著支撐機器人行走的工作，同時作為系統云臺輔助圖像采集、地面監控完成工作任務；圖像采集系統中除了攝像設備之外，還需要安裝照明燈、傳感器、掃描設備等部件[2]；管道外監控系統是由外部的計算機組成，對機器人在管道內的工作情況進行實時監控，判斷管道內的實際情況，明確管道內出現缺陷的位置、缺陷的嚴重程度等[3]。

2 管道機器人機械結構設計

2.1 總體方案設計

如圖1 所示，設計采用了模塊化的設計思想，將管道機器人的本體機構按功能化分為可變徑調節機構、機身、行走腿輪、支撐腿輪4 個模塊。

圖1 可變徑管道機器人結構示意圖Fig.1 Structure diagram of variable-diameter pipeline robot

由于履帶式機器人體積較大，不能在較小的管道內通行，因此本文設計的管道機器人采用輪式驅動，能夠適應120～220 mm 管徑的變化。機器人為對稱式結構，半邊機身主體軸向120°均布3 個腿桿：下面的兩個腿桿由直流電機驅動，上面的腿桿為支撐桿。車輪為橡膠車輪，保證有足夠的摩擦力。可變徑機構內置2 個預緊步進電機，步進電機通過絲桿螺母機構作用于可變管徑調節機構中的預緊彈簧，從而將管道機器人輪子壓緊管道內壁，使輪子和管壁間產生摩擦力，確保機器人能夠平穩行進。

2.2 可變徑結構工作原理

管道機器人可變徑結構示意圖如圖2 所示。其中，絲桿1 和螺母2 組成了絲桿螺母機構，車輪和管壁的壓力調節依靠對絲桿螺母機構的控制。連接件5 內側光滑，只能在絲桿上做滑動；步進電機工作，絲杠轉動帶動螺母沿著絲桿移動一定的距離。

圖2 管道機器人可變徑機構示意圖Fig.2 Schematic diagram of variable-diameter structure of pipeline robot

為了使管道機器人能夠平穩運行在不同的管徑里，步進電機通過驅動絲桿螺母機構壓縮預緊彈簧使其產生支撐力，支撐力通過連接件5 作用于行走腿輪和支撐腿輪，使輪子壓緊管道內壁。當管徑變化時，緊貼在連接件5 上的環形壓力傳感器4 采集來自彈簧的壓力信號，通過反饋調節改變步進電機的行程，從而使輪子和管壁間的壓力保持在一定的范圍內，使管道機器人不會因壓力過小而脫離管壁或因壓力過大而行進困難[4]。

3 管道機器人控制系統設計

可變徑管道機器人的控制系統主要由上位機、供電裝置、中央控制單元、攝像頭和傳感器組成[5]。其中，由于無線信號在金屬管道內嚴重衰弱，系統穩定性差，因此上位機和下位機采用RS-485 總線方式進行通信連接，完成初始化等控制命令的傳輸；電源線負責管道機器人的電力供應；中央控制器單元通過CAN 總線輸出控制指令，控制電機驅動器驅動電機運行；壓力傳感器將測得的壓力變化通過CAN 總線反饋給中央控制單元，中央控制單元進行相應處理并調節步進電機的轉動量，從而使機器人在管內能夠得到變徑控制；攝像頭通過視頻數據線直接傳輸到上位機。圖3 所示為機器人控制系統結構圖。

圖3 管道機器人控制系統結構Fig.3 Control system structure of pipeline robot

3.1 管道機器人下位機控制

管道機器人控制系統部分下位機是以Arduino 單片機為主控制器，主要包括Arduino mega2560、L298N 直流電機控制器、步進電機控制器、壓力傳感器，經過軟硬件的組合完成了傳感器控制反饋，機器人速度信號的反應，攝像頭視頻信號的傳輸，同時控制著管道機器人行走整體驅動，如向速度調節、前進，后退，停止等。Arduino 單片機通過串口通訊，接收上位機傳來的命令，并將管道內的數據傳輸到上位機等。

下位機主程序流程圖如圖4 所示。首先初始化上位機和下位機的串行接口以及與下位機相連的硬件設備。下位機等待上位機發出的命令，接收命令后對其進行校驗，如果命令校驗成功，則下位機執行命令，若校驗失敗，則返回等待上位機再次發送命令。下位機執行命令并對攝像頭、直流電機、步進電機、傳感器等硬件進行控制，當接收到結束命令時，下位機停止工作，關機結束，否則備份上一次接收的數據并等待接收下一條上位機傳來的指令。

圖4 下位機主程序流程圖Fig.4 Main program flow chart of lower computer

3.2 上位機控制界面搭建

上位機控制界面如圖5 所示。機器人上位機控制軟件系統采用LabVIEW 開發，上位機界面分為控制面板和顯示面板2 個部分，控制面板包括串口配置模塊、驅動模塊、變徑模塊，顯示面板包括攝像頭視頻顯示模塊。上位機主程序結構為順序結構+while 循環+事件結構，首先通過設置的串口號來初始化串口通信，波特率為9 600 Baud、數據位8、奇偶校驗無、停止位1，然后程序進入While 循環和事件循環，不斷檢測是否有事件得到響應并執行[6]。最后關閉串口通信。在程序框圖中，需要對串口進行配置，并根據不同的按鍵通過串口發出不同的命令，Arduino 單片機收到串口數據，然后解析命令代碼執行相應的命令。

圖5 上位機控制界面Fig.5 Upper computer control interface

4 結語

管道機器人在工業和社會領域具有較大的應用和研究價值，本文提出一種適應管徑變化、具有良好操控性的可變徑支撐輪式管道機器人。該管道機器人通過RS-485 總線和CAN 總線發送并接收數據信號，通過上位機操作界面可以對管道機器人進行控制并實現視頻信號的傳輸，操作簡單可靠，減小管道內部檢測的難度，有較廣闊的發展前景。