趙華成，潘聰華，何理瑞，李增芳

(浙江水利水電學(xué)院 工程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心，浙江 杭州 310018)

新型水庫涵管隱患檢測(cè)機(jī)器人的研制

趙華成，潘聰華，何理瑞，李增芳

(浙江水利水電學(xué)院 工程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心，浙江 杭州 310018)

目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的管道機(jī)器人在管內(nèi)調(diào)整姿態(tài)實(shí)現(xiàn)避障的功能較差.根據(jù)水庫涵管的內(nèi)部環(huán)境，設(shè)計(jì)了新型的伸縮式帶轉(zhuǎn)向功能的涵管隱患檢測(cè)機(jī)器人，分析了機(jī)器人的變徑機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，并對(duì)管內(nèi)拖動(dòng)力進(jìn)行了計(jì)算.檢測(cè)機(jī)器人采用攝像頭觀測(cè)涵管內(nèi)的缺陷，通過圖像分析實(shí)現(xiàn)管內(nèi)導(dǎo)航，通過可轉(zhuǎn)向的驅(qū)動(dòng)輪，調(diào)整檢測(cè)機(jī)器人在管道中的姿態(tài).控制系統(tǒng)采用攝像頭成像，可實(shí)現(xiàn)管內(nèi)圖像記錄和避障檢測(cè)，為水庫的安全運(yùn)行提供了技術(shù)支持.

水庫涵管;檢測(cè)機(jī)器人；伸縮式；自行避障

目前，我國存在大量應(yīng)用壩下埋涵小型水庫，壩下埋涵易出現(xiàn)滲漏導(dǎo)致管涌或埋涵斷裂引起潰壩等風(fēng)險(xiǎn)，水庫運(yùn)行期間工作人員需要定期檢查監(jiān)測(cè)工作.工作人員對(duì)水庫涵管的檢測(cè)主要采取人工觀察測(cè)量、局部破損檢測(cè)等辦法，此類檢測(cè)方法對(duì)于涵管距離稍遠(yuǎn)或遇到障礙物時(shí)，難以繼續(xù)檢測(cè)[1-2].

市場(chǎng)已有的管道機(jī)器人主要針對(duì)工業(yè)管道和細(xì)小的輸送管道而設(shè)計(jì)，主要結(jié)構(gòu)形式有PIG、螺旋驅(qū)動(dòng)式、車輪式、足式和履帶式的管道機(jī)器人[3-6].這些管道機(jī)器人或本質(zhì)上無法實(shí)現(xiàn)避障，或未針對(duì)管內(nèi)調(diào)整姿態(tài)實(shí)現(xiàn)避障進(jìn)行研究.因此，本文設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)部調(diào)整運(yùn)行姿態(tài)而完成避障的水庫涵管隱患檢測(cè)機(jī)器人，并對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì).水庫涵管隱患檢測(cè)機(jī)器人可以方便檢測(cè)水庫涵管的運(yùn)行情況，為水庫的安全運(yùn)行提供了技術(shù)支持.

1 涵管隱患檢測(cè)機(jī)器人的工作原理

水庫涵管隱患檢測(cè)機(jī)器人總體示意圖(見圖1).檢測(cè)機(jī)器人在涵管內(nèi)通過電纜取得動(dòng)力能源并與外界通訊，上位機(jī)負(fù)責(zé)圖像采集與數(shù)據(jù)處理，下位機(jī)負(fù)責(zé)接收與解析運(yùn)行指令，并驅(qū)動(dòng)運(yùn)行電機(jī).同時(shí)，下位機(jī)還可以接受人工輸入的指令，實(shí)現(xiàn)人工控制，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航及檢測(cè)，又可脫離上位機(jī)由人工控制.為滿足檢測(cè)攝像頭在圓形截面的涵管中保持居中，則要求檢測(cè)機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)自定心功能，因此采用三支撐輪式結(jié)構(gòu)，由一組相隔120°夾角的三個(gè)支撐輪支撐機(jī)器人本體[7].水庫涵管隱患檢測(cè)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖(見圖2)，其工作原理為：

圖1 水庫涵管檢測(cè)機(jī)器人總體示意圖

①—驅(qū)動(dòng)輪組；②—轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；③—輪腿機(jī)構(gòu)；④—分動(dòng)系統(tǒng)；⑤—連接桿；⑥—從動(dòng)輪組；⑦—同步帶；⑧—控制系統(tǒng)圖2 水庫涵管檢測(cè)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)檢測(cè)機(jī)器人采用雙電機(jī)控制，其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，另一個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)向.當(dāng)控制系統(tǒng)8根據(jù)攝像頭采集的圖像判斷前方?jīng)]有障礙時(shí)，轉(zhuǎn)向電機(jī)不工作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開啟；驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)分動(dòng)系統(tǒng)4中的三根驅(qū)動(dòng)軸傳輸給驅(qū)動(dòng)輪組1的三個(gè)輪腿機(jī)構(gòu)3；輪腿機(jī)構(gòu)3通過內(nèi)部齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)輪腿機(jī)構(gòu)上的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，從而驅(qū)動(dòng)該檢測(cè)機(jī)器人在水庫涵管內(nèi)直行.當(dāng)水庫涵管直徑發(fā)生變化時(shí)，輪腿機(jī)構(gòu)3在伸縮彈簧的作用下沿徑向做伸縮運(yùn)動(dòng)，使得驅(qū)動(dòng)輪始終緊貼水庫涵管內(nèi)壁.從動(dòng)輪組6的三個(gè)輪腿機(jī)構(gòu)3用于支承檢測(cè)機(jī)器人的前部，并在驅(qū)動(dòng)輪組1驅(qū)動(dòng)下前進(jìn).

當(dāng)控制系統(tǒng)8根據(jù)攝像頭采集的圖像判斷前方遇到障礙時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止工作，轉(zhuǎn)向電機(jī)開啟，并計(jì)算出檢測(cè)機(jī)器人避開障礙物需旋轉(zhuǎn)的角度，即調(diào)整姿態(tài)角，轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)2使輪腿機(jī)構(gòu)3轉(zhuǎn)過90°，同時(shí)同步帶7帶動(dòng)從動(dòng)輪組6的輪腿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)過90°.此時(shí)控制系統(tǒng)8啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使檢測(cè)機(jī)器人繞水庫涵管的中心軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)姿態(tài)角能保證涵管檢測(cè)機(jī)器人避開障礙物時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)均停轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)2在復(fù)位彈簧的作用下使輪腿機(jī)構(gòu)3復(fù)位，同時(shí)同步帶7驅(qū)動(dòng)從動(dòng)輪組6的輪腿機(jī)構(gòu)復(fù)位.此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，檢測(cè)機(jī)器人在水庫涵管內(nèi)沿軸向繼續(xù)直行.

2 涵管隱患檢測(cè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 變徑方案

為了適應(yīng)不同直徑的水庫涵管管道，需要檢測(cè)機(jī)器人具有變徑功能.結(jié)合調(diào)整運(yùn)行姿態(tài)的功能要求，本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)機(jī)器人采用伸縮式變徑機(jī)構(gòu)，在滿足驅(qū)動(dòng)輪伸縮過程中傳遞動(dòng)力.伸縮變徑機(jī)構(gòu)示意圖(見圖3).在輪架與轉(zhuǎn)向筒之間裝置伸縮彈簧，且輪架與轉(zhuǎn)向筒通過滑動(dòng)副連接，從而保證檢測(cè)機(jī)器人始終緊壓管道內(nèi)壁，使管壁與驅(qū)動(dòng)輪間的摩擦力可以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，并可以適應(yīng)管道內(nèi)徑的變化.

2.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案

本文設(shè)計(jì)的水庫涵管隱患檢測(cè)機(jī)器人采用錐齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)向，其核心部件是由一個(gè)主動(dòng)錐齒輪與三個(gè)從動(dòng)錐齒輪組成的錐齒輪組，主動(dòng)錐齒輪由步進(jìn)電機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪在0°～90°之間轉(zhuǎn)向角度，這種轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)可以滿足檢測(cè)機(jī)器人在管道內(nèi)自行調(diào)整運(yùn)行姿態(tài)并實(shí)現(xiàn)螺旋式前進(jìn).錐齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡圖(見圖4)，動(dòng)作原理為：轉(zhuǎn)向電機(jī)1通過聯(lián)軸器與主動(dòng)錐齒輪3連接，從動(dòng)錐齒輪4與輪腿機(jī)構(gòu)固結(jié)，通過錐齒輪嚙合傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪，兩組轉(zhuǎn)向輪通過同步帶5實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)向.

①—伸縮彈簧；②—轉(zhuǎn)向筒；③—輪架圖3 伸縮變徑機(jī)構(gòu)示意圖

①—轉(zhuǎn)向電機(jī)；②—聯(lián)軸器；③—主動(dòng)錐齒輪；④—從動(dòng)錐齒輪；⑤—同步帶；⑥—驅(qū)動(dòng)輪圖4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡圖

2.3 拖動(dòng)力的分析計(jì)算

涵管隱患檢測(cè)機(jī)器人在涵管內(nèi)爬行所需的拖動(dòng)力與整機(jī)質(zhì)量和纜線與管壁的摩擦力有關(guān).考慮到水庫涵管為直管，因此僅分析直線涵管內(nèi)纜線的拖動(dòng)力情況.假設(shè)涵管為水平布置且纜線與管壁之間完全接觸，建立直纜線拖動(dòng)力的數(shù)學(xué)模型(見圖5).其中，f為纜線與管壁之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，ρ為纜線的線密度，υ為纜線的運(yùn)動(dòng)方向，F(xiàn)0為纜線自由端拉力，F(xiàn)1為涵管纜線拖動(dòng)力，L為纜線學(xué)長，F(xiàn)為纜線瞬時(shí)受力[8].

圖5 直線涵管內(nèi)纜線受力分析圖

取纜線其中的一段微元dl分析力的平衡方程得：

F+dFN×f=F+dF

(1)

其中dFN為dl段纜線壓力，dFN=ρgdl，由此化簡得到：

ρgfdl=dF

(2)

對(duì)兩邊進(jìn)行積分可得：

(3)

由式(3)計(jì)算得到直線涵管內(nèi)纜線的拖動(dòng)力F1.

涵管檢測(cè)機(jī)器人在管內(nèi)受力分析簡圖(見圖6)，由于對(duì)稱關(guān)系將整機(jī)簡化到一個(gè)平面內(nèi)進(jìn)行分析，建立機(jī)器人本體的受力平衡方程式：

(4)

其中Fi(i=01，02，03)為涵管內(nèi)壁對(duì)機(jī)器人的反作用力，θ為姿態(tài)角.

圖6 涵管檢測(cè)機(jī)器人的管內(nèi)受力簡圖

考慮涵管檢測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，故只分析姿態(tài)角ρ在0°～120°范圍內(nèi)的變化.但式(4)中有三個(gè)未知數(shù)，僅兩個(gè)方程無法得到唯一解.假設(shè)涵管檢測(cè)機(jī)器人在重力作用下，其工作時(shí)處于最上方的輪子受到的正壓力為零，由此解出另外兩個(gè)正壓力.

可得檢測(cè)機(jī)器人本體的拖動(dòng)力：

F2=f(F02+F03)

(5)

或

F2=f(F01+F02)

(6)

綜上，總的拖動(dòng)力Ft計(jì)算公式為：

Ft=F1+F2

(7)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以選定驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào).

3 涵管隱患檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 電氣控制方案

為提高涵管檢測(cè)機(jī)器人的可靠性，本檢測(cè)機(jī)器人的管內(nèi)檢測(cè)圖像采集和避障導(dǎo)航均采用攝像頭實(shí)現(xiàn).由攝像頭采集管內(nèi)視頻信息供人工監(jiān)控，上位機(jī)間隔采集視頻流的幀圖像以供分析并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航.

電氣控制采用獨(dú)立的控制箱，接收上位機(jī)的控制指令.為提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力，將控制箱內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器和控制器分離，控制方案(見圖7).下位機(jī)位于控制箱，由下位機(jī)負(fù)責(zé)解析和執(zhí)行命令，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人在涵管內(nèi)進(jìn)行有效作業(yè)[9].

當(dāng)涵管內(nèi)出現(xiàn)障礙物時(shí)，檢測(cè)機(jī)器人根據(jù)圖像

分析得到的結(jié)果將障礙物的中心找出，計(jì)算出障礙物相對(duì)于攝像機(jī)的方位角和障礙距離，進(jìn)行調(diào)整姿態(tài).

圖7 涵管檢測(cè)機(jī)器人控制方案

3.2 控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由控制箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、串口電纜等組成.控制電路的工作原理是通過主控芯片的統(tǒng)一調(diào)度，由主控芯片負(fù)責(zé)傾角傳感器的數(shù)據(jù)讀取，并與上位機(jī)串口通訊發(fā)送數(shù)據(jù)與接收指令，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)的配合運(yùn)行，主控芯片也可通過人工按鈕指令控制[10].控制電路原理(見圖8).

圖8 控制電路原理圖

4 結(jié) 論

本文針對(duì)水庫直涵管檢測(cè)，設(shè)計(jì)了伸縮式涵管隱患檢測(cè)機(jī)器人，提出了管內(nèi)避障的新方法，通過可轉(zhuǎn)向的驅(qū)動(dòng)輪，調(diào)整檢測(cè)機(jī)器人在管道中的姿態(tài).控制系統(tǒng)采用攝像頭成像，可實(shí)現(xiàn)管內(nèi)圖像記錄和避障檢測(cè)，原理簡單，性能穩(wěn)定.

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Study on Novel Pipeline Detection Robot Used in Reservoir Culvert

ZHAO Hua-cheng, PAN Cong-hua, HE Li-rui, LI Zeng-fang

(Engineering Experimental Training Center, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

At present, the function of existing pipeline robots of adusting their posture to avoid obstacles. According to the interior environment of the reservoir culvert, the novel detection robot is designed. The robot uses telescopic support wheels and the drive wheels can be turned when the robot is walking. The telescopic and steering mechanism of pipeline detection robot is analyzed. And the drag force is calculated. The defects of the pipeline are observed by a camera, and the navigation in pipeline is done through the analysis of the image. The robot avoids the obstacle in the pipe by adjusting its attitude angle. The development of new detection robot provides technical support for the safe operation of the reservoir.

reservoir culvert; detection robot; telescopic; automatic avoidance

2016-10-26

2015年浙江省水利廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(RC1508)；浙江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目(JG2013204)

趙華成(1989-)，男，安徽合肥人，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程實(shí)訓(xùn).

TP242

A

1008-536X(2017)04-0071-05