陳瀟，吳志鵬，何思宇，肖曉暉

?

自適應(yīng)支撐式管道檢測機器人的通過性設(shè)計

陳瀟，吳志鵬，何思宇，肖曉暉

(武漢大學(xué) 動力與機械學(xué)院，湖北 武漢，430072)

針對電力和石油天然氣領(lǐng)域中直徑為250~350 mm管道的檢測需求，設(shè)計自適應(yīng)支撐式管道檢測機器人，研究其在無障礙彎管與環(huán)形臺階障礙管環(huán)境下的管道通過性。首先分析管道特點，結(jié)合絲杠螺母和彈簧機構(gòu)設(shè)計具有變徑自適應(yīng)能力的機器人行走機構(gòu)；其次，建立機器人彎管運動學(xué)模型及環(huán)形臺階障礙動力學(xué)模型，進行管內(nèi)運動的幾何約束分析、速度協(xié)調(diào)分析和動力學(xué)分析；然后，在ADAMS中建立虛擬樣機仿真平臺，對機器人在彎管和環(huán)形臺階處的通過性進行仿真研究；最后，搭建機器人管道通過性試驗平臺進行實驗驗證。研究結(jié)果表明：在無障礙管和障礙管環(huán)境下，機器人運行平穩(wěn)，能順利通過；在通過彎管時，采用速度協(xié)調(diào)模型，可減少電機力矩和降低能量消耗；在跨越環(huán)形臺階障礙時，機器人電機力矩隨臺階高度增大而增加，可通過不高于15 mm的環(huán)形臺階障礙。

管道機器人；通過性；ADAMS模擬；原型實驗

目前，在電力、石油天然氣等行業(yè)中，在役管道腐蝕、裂紋或凹陷等缺陷的檢測中多采用人工檢測方式，存在檢測效率低、有檢測盲區(qū)等問題。管道機器人替代人工對管道進行定期檢測，能進入人所不及、復(fù)雜多變的管道環(huán)境，從而提高檢測效率，降低人工作業(yè)的危險性[1]。國外對管道機器人的研究較多，如：ROH等[2?9]研制的天然氣管道機器人MRINSPECT系列，采用差速驅(qū)動控制，能通過“T”型管道接頭，但適應(yīng)管徑范圍小，越障能力有限；KAKOGAWA等[10?11]研制的平行四邊形機構(gòu)管道檢測機器人可通過變徑接頭及垂直管，但機器人轉(zhuǎn)彎能力不足，適用于內(nèi)徑范圍為136~226 mm的管道。國內(nèi)對管道機器人的研究始于20世紀(jì)60年代，例如ZHANG等[12?13]研制了煤氣管道檢測機器人，該機器人能在上升傾斜角度為10°左右及轉(zhuǎn)折角度較小的“Z”字形地下煤氣管道運行平穩(wěn)；唐德威等[14?16]研制的三軸差動式管道機器人，其驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速可隨管道形狀自動調(diào)節(jié)，并可沿彎管自主差速運行，但其越障高度有限，最大越障高度為 3.7 mm。在國內(nèi)外管道機器人設(shè)計中，由于對彎道和管內(nèi)障礙等限制性因素的考慮不足，機器人彎管轉(zhuǎn)彎能力和越障能力較差。本文作者結(jié)合多種因素分析，針對電力和石油天然氣領(lǐng)域中直徑為250~350 mm的無障礙管和障礙管管道環(huán)境，提出了一種結(jié)合絲桿螺母和彈簧機構(gòu)的自適應(yīng)支撐式結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)對復(fù)雜管道的適應(yīng)性，同時利用ADAMS仿真并結(jié)合實驗研究對機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和管道通過性進行分析。

1 機器人自適應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 運動需求分析

電力、石油天然氣領(lǐng)域中直徑為250~350 mm的管道環(huán)境可分為無障礙管和障礙管。無障礙管主要空間狀態(tài)為彎管，彎管包括45°和90°彎管。障礙管常見狀態(tài)為臺階、凸起和凹槽共3種，其中，臺階障礙為管道中最為常見的障礙[17?18]，而環(huán)形臺階為臺階障礙的典型代表。

1.2 總體方案

采用模塊化的設(shè)計思想，將機器人整體按功能劃分為4個模塊：自適應(yīng)變徑機構(gòu)、行走機構(gòu)、機身和支撐機構(gòu)，如圖1所示。

機器人機身主體軸線的周向120°均布3個履帶足，每個履帶足內(nèi)置獨立驅(qū)動電機，履帶足通過鉸鏈與支撐機構(gòu)相連。自適應(yīng)機構(gòu)也內(nèi)置1個預(yù)緊驅(qū)動電機，電機通過絲桿螺母機構(gòu)作用于自適應(yīng)機構(gòu)中的預(yù)緊彈簧，實現(xiàn)履帶足壓緊管壁，從而使履帶足和管壁間有足夠的正壓力，機器人能順利前行。

1.3 自適應(yīng)結(jié)構(gòu)工作原理

自適應(yīng)結(jié)構(gòu)通過絲桿螺母機構(gòu)的主動適應(yīng)和彈簧的被動適應(yīng)來實現(xiàn)履帶足和管壁的正壓力調(diào)節(jié)。管道機器人自適應(yīng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其中，滑塊4內(nèi)側(cè)沒有螺紋，因此，它只沿著絲桿做滑動；絲桿螺母3內(nèi)側(cè)有螺紋，因此，絲桿轉(zhuǎn)動時將會帶動螺母沿著絲桿向前或向后移動一定距離。

(a) 軸測圖；(b) 后視圖

1—絲桿；2—彈簧；3—絲杠螺母；4—滑塊。

預(yù)緊驅(qū)動電機通過驅(qū)動絲桿螺母機構(gòu)壓縮預(yù)緊彈簧使其產(chǎn)生預(yù)緊力，預(yù)緊力通過滑塊4作用于支撐機構(gòu)，從而使履帶足和管壁間產(chǎn)生一定的正壓力。當(dāng)機器人通過障礙或者變徑管道時，通過緊貼在絲桿螺母上的環(huán)形壓力傳感器采集來自彈簧的壓力信號，通過閉環(huán)控制調(diào)節(jié)自適應(yīng)機構(gòu)，使得履帶足和管壁間的正壓力保持在一定的范圍內(nèi)，從而使得機器人不會因正壓力過小而脫離管壁或因正壓力過大而難以行進。

2 管道通過性分析

2.1 無障礙管通過性分析

2.1.1 幾何約束分析

在彎管中，將機器人簡化為圓柱體，設(shè)圓柱體直徑為，長度為，管道直徑為，彎管曲率半徑為，曲率中心為，在豎直投影方向，分析機器人在彎管中的幾何約束條件，見圖3。約束條件包括以下2種情況。

(a) 0＜d＜D/2；(b) D/2＜d＜D

1) 當(dāng)0＜＜/2，即機器人的直徑小于管道半徑時，直徑應(yīng)滿足

式中，若=/2，如圖3(a)所示，則有以下2種情況：

①當(dāng)/=1.21時，機器人兩端正好位于彎管與直管的交匯處，由幾何關(guān)系可得max=2，其中，max表示管道機器人單元體能通過彎道的最大長度。

②當(dāng)/＜1.21時，機器人兩端位于直管中，則

2) 當(dāng)/2＜＜時，如圖3(b)所示，

2.1.2 運動速度分析

從直管運動到彎管再到直管的過程中，管道機器人要經(jīng)歷過渡階段和旋轉(zhuǎn)階段2種不同的運動狀 態(tài)[19?20]。

1) 過渡階段。機器人過渡階段的速度特征可用剛體平面運動來分析。機器人管道運動狀態(tài)如圖4(a)所示。機器人的空間坐標(biāo)系為r?′′′。

(a) 過渡階段；(b) 旋轉(zhuǎn)階段

履帶模塊前后輪與管道內(nèi)壁接觸點坐標(biāo)在機器人坐標(biāo)系下的矩陣表示為：

式中：1為履帶模塊前輪和后輪之間的長度；為進入彎管時的姿態(tài)角；為機器人前端面中心在彎管中轉(zhuǎn)過的角度，即機器人的入彎角；為機器人坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角度。

根據(jù)幾何關(guān)系有

則機器人在過渡階段的平移量為

機器人履帶模塊前后輪與管道內(nèi)壁接觸點的坐標(biāo)在管道坐標(biāo)系下可表示為

式中：矩陣第1行表示前后輪與管道內(nèi)壁接觸點沿軸的速度分量，第2行表示前后輪與管道內(nèi)壁接觸點沿軸的速度分量。前后輪與管道內(nèi)壁接觸點的絕對速度為該點處軸與軸速度分量的合成，即

因此，為減少機器人在過渡階段的內(nèi)耗，應(yīng)協(xié)調(diào)控制機器人前后輪間的速度，使其轉(zhuǎn)速比為

本文機器人為履帶式，前后輪速度相同，而前后輪與管壁接觸點的速度差不為0[10]，因此，會產(chǎn)生內(nèi)耗。為減少內(nèi)耗增加平穩(wěn)度，機器人在過渡階段應(yīng)減速通過。

2) 旋轉(zhuǎn)階段。如圖4(b)所示，機器人從過渡階段進入旋轉(zhuǎn)階段后，履帶模塊前后輪的速度是相同的，機器人在此過程中不產(chǎn)生內(nèi)耗。在旋轉(zhuǎn)階段，履帶模塊前后輪與彎管內(nèi)壁接觸點的坐標(biāo)如下：

由于機器人繞軸轉(zhuǎn)動，各個履帶模塊與彎管接觸點的速度與對應(yīng)的曲率半徑成正比，因此，使各履帶模塊的轉(zhuǎn)速之比等于對應(yīng)曲率半徑之比，就可以使機器人順利通過。故機器人在旋轉(zhuǎn)階段的速度協(xié)調(diào)模型為

式中，1，2和3分別為3組履帶模塊的轉(zhuǎn)速；1，2和3分別為3組履帶模塊與彎管接觸點的旋轉(zhuǎn)曲率半徑。因履帶為模塊化結(jié)構(gòu)，其傳動機構(gòu)的傳動比相同，則按式(14)來協(xié)調(diào)控制3組履帶模塊的速度，機器人便能平穩(wěn)、無內(nèi)耗地通過旋轉(zhuǎn)階段。

2.2 障礙管通過性分析

針對以環(huán)形臺階為主的障礙管，選取機器人履帶足前端剛剛碰到臺階邊緣，即針對攀越臺階的時刻進行研究。

圖5(a)所示為機器人在管道中的縱面受力，其中，機器人質(zhì)心點位于管道的中心軸線，受到的重力為，3個履帶足，和受到來自管壁的壓力分別為N，N和N。圖5(b)中，履帶足前端為1，履帶足后端為2。

由方向上受力平衡可知

對履帶足前端點1，由力矩平衡可知

其中：1為臺階對履帶足前端的反作用力；為管壁與履帶足前端之間的滾動阻力系數(shù)；1為履帶足前端受到的滾動阻力；2為管壁對履帶足后端的反作用力；為滑動摩擦因數(shù)；2為履帶足后端的摩擦力；b為履帶足重力和機器人主體壓緊力的合力；1為履帶輪直徑；為滾動阻力與豎直方向的夾角；a為履帶前輪與機器人的質(zhì)心距離。

(a) 縱面受力圖；(b) 攀越臺階受力圖

聯(lián)立式(15)和(16)，將b，1，2消去得

由幾何關(guān)系可得

因履帶足履帶均采用硬質(zhì)的橡膠材料，故可設(shè)滾動阻力系數(shù)≈0，可得

式中：為機器人能夠越過的臺階高度。

3 通過性仿真研究

通過虛擬樣機仿真軟件ADAMS，對機器人在管道中的運動進行分析。采用Belt模塊創(chuàng)建機器人履帶，結(jié)合宏命令添加履帶和管壁間接觸力[21]。其中，機器人的主要參數(shù)如表1所示。

表1 機器人主要參數(shù)

3.1 無障礙管運行仿真

無障礙管主要由45°和90°彎管組成，彎管有水平和傾斜2種空間狀態(tài)，因此，對水平45°和90°彎管及傾斜45°和90°彎管這4種情況進行仿真分析。在差速過彎時，過渡階段減速通過，旋轉(zhuǎn)階段履帶速度按式(14)所示的速度協(xié)調(diào)模型進行設(shè)置。

3.1.1 水平無障礙管

以水平90°彎管為例，機器人行走仿真如圖6所示，以0°姿態(tài)角為起始狀態(tài)進行仿真。

(a) 直管運動；(b) 彎管運動；(c) 直管運動

仿真過程中，對3個時間段中的3組履帶T1，T2，T3通過step函數(shù)設(shè)置不同的速度。其中，在0~0.3 s，履帶足撐緊管壁，施加給各個履帶速度函數(shù)如表2 所示。

在水平45°彎管和90°彎管以速度協(xié)調(diào)模型進行差速仿真外，同時仿真機器人3個履帶足以相同速度等速通過管道的情況，并進行對比分析。仿真中，機器人均可順利通過彎管。如圖7(a)所示，水平90°模型中，0~1.5 s和4.5~5 s為直管階段，1.5~4.5 s為過彎階段；水平45°模型中，0~1.5 s和3.2~5.0 s為直管階段，1.5~3.2 s為過彎階段。電機最大力矩均出現(xiàn)于過彎階段，且隨著彎管角度的增大而變大。由圖7(b)和(c)可知：機器人等速過彎時，由于過渡階段未減速，因此，最大力矩出現(xiàn)時間均比差速模型出現(xiàn)的時間早，最大力矩和能量消耗相對于差速模型顯著增大。水平無障礙管機器人及力矩如表3所示?？梢姡核?0°差速模型相對于其等速模型最大力矩降低22.6%，能量消耗降低25.9%；水平45°差速模型相對于其等速模型最大力矩降低22.8%，能量消耗降低44.1%。

表2 水平90°彎管step速度

(a) 水平90°差速和45°差速；(b) 水平90°差速和90°等速；(c) 水平45°差速和45°等速

表3 水平無障礙管機器人力矩及能耗

3.1.2 傾斜無障礙管

以傾斜90°彎管為例，其行走仿真如圖8所示。機器人起始狀態(tài)為0°姿態(tài)角。

(a) 直管運動；(b) 彎管運動；(c) 直管運動

與水平無障礙管類似，通過設(shè)置step函數(shù)，仿真機器人在傾斜45°和90°彎管時差速與等速的不同工況，得到圖9所示的傾斜無障礙管仿真曲線。

傾斜90°模型中，0~1.5 s和4.0~5.0 s分別為水平直管和豎直管階段，1.5~4.0 s為過彎階段；傾斜45°模型中，0~1.5 s和3.2~5.0 s分別為水平直管階段與傾斜管階段，1.5~3.2 s為過彎階段。與水平障礙管相同，電機最大力矩均出現(xiàn)于彎管階段，且隨著彎管角度的增大而變大。傾斜無障礙管機器人力矩及能耗如表4所示。從表4可見：相對于傾斜90°等速模型，差速模型最大力矩降低32.9%，能量消耗降低70.4%；相對于傾斜45°等速模型差速模型最大力矩降低24%，能量消耗降低62.2%。

3.2 障礙管運行仿真

不同臺階高度的力矩曲線如圖10所示。在機器人前進的路徑處，建立一定高度的環(huán)形障礙，不斷增加障礙物的高度，直到機器人無法越過障礙為止，此時，障礙高度即為機器人的最大越障高度。

履帶輪直徑1=60 mm，滑動摩擦因數(shù)=0.85，履帶前輪與機器人質(zhì)心距離a=277.5 mm，代入式(19)可得理論最大跨越臺階高度=15.1 mm。如圖10所示，10，15和20 mm高臺階下電機的最大力矩分別為1.49，2.16和4.35 kN?mm，均出現(xiàn)在2.7 s處，此時刻為履帶足攀爬臺階的瞬間。仿真中，機器人可順利通過10 mm和15 mm高臺階，電機力矩隨臺階高度的增大而增加。20 mm高臺階環(huán)境下，機器人在3 s后力矩出現(xiàn)往復(fù)波動，機器人無法通過臺階障礙，與理論預(yù)期結(jié)果一致。

(a) 傾斜90°差速和45°差速；(b) 傾斜90°差速和90°等速；(c) 傾斜45°差速和45°等速

表4 傾斜無障礙管機器人力矩及能耗

臺階高度/mm：1—20；2—15；3—10。

4 實驗驗證

4.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

自適應(yīng)支撐式管道檢測機器人的控制系統(tǒng)主要由上位機、中央控制單元、傳感器和驅(qū)動器組成。圖11所示為機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中，上位機模塊通過TCP/IP協(xié)議與Single-Board RIO9637進行通信連接完成初始化等控制指令的傳輸，Single-Board RIO9637通過CAN總線輸出控制指令控制驅(qū)動器執(zhí)行電機驅(qū)動，同時，傳感器感知機器人運行狀態(tài)和周圍環(huán)境，通過RS-232總線接收傳感器模塊返回的傳感器信息，再通過RS-232總線轉(zhuǎn)CAN模塊將信息通過CAN總線整體反饋給控制系統(tǒng)，進行相應(yīng)處理并調(diào)節(jié)電機輸出，從而實現(xiàn)機器人在管內(nèi)的有效運動控制。

圖11 管道機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

配合控制系統(tǒng)的設(shè)計，開發(fā)了機器人的控制軟件，如圖12所示，機器人控制軟件系統(tǒng)采用LabVIEW開發(fā)環(huán)境，分為控制面板和顯示面板2個部分?？刂泼姘逵糜谙驒C器人發(fā)送速度電流等控制指令；顯示面板用于顯示機器人狀態(tài)信息，如編碼器反饋的電機的速度、陀螺儀反饋的姿態(tài)信息、攝像頭反饋的視頻信息等。

圖12 管道機器人控制軟件界面

4.2 無障礙管實驗

本文將選用無障礙管中的典型水平90°彎管，驗證機器人的管道通過性能。圖13所示為機器人在水平90°彎管的行走過程。

(a) 直管階段；(b) 過渡階段；(c)，(d) 旋轉(zhuǎn)階段；(e) 過渡階段；(f) 直管階段

在試驗過程中，機器人各個階段速度設(shè)置如表5所示。

試驗中機器人順利通過彎管。機器人履帶足電機電流如圖14所示，圖中，0~0.5 s，2.5~5.0 s為直管階段，0.5~2.5 s為彎管階段。其中電機輸出扭矩與電流成正比，由圖14可知：機器人從直管進入彎管管道后，電流逐漸增加；在彎管中間階段，電流達到峰值，對應(yīng)電機扭矩達到峰值，與仿真結(jié)果相符。

4.3 障礙管實驗

本文選用障礙管中的典型環(huán)形臺階障礙，驗證管內(nèi)機器人的管道通過性能。圖15所示為機器人越障試驗過程。

表5 機器人速度配置

圖14 機器人履帶足電機電流

(a) 試驗管道；(b) 機器人接近障礙；(c)~(e) 機器人穿越障礙；(f) 機器人遠離障礙

由圖15可知，2~4 s為越障過程，此間電機電流在=3 s處達到峰值，對應(yīng)電機扭矩達到峰值，與仿真結(jié)果相符。機器人跨越障礙的能力如表6所示。

由表6可知，機器人可通過10 mm和15 mm高環(huán)形臺階，無法通過20 mm高臺階，與仿真結(jié)果相符。

圖16 15 mm高臺階電機電流

表6 機器人越障能力

5 結(jié)論

1) 針對電力和石油天然氣領(lǐng)域中常見的內(nèi)徑為250~350 mm的管道，提出了一種適應(yīng)管道內(nèi)徑變化、具有良好的彎管通過性和越障能力的自適應(yīng)支撐履帶式管道機器人。

2) 機器人通過彎管管道時，樣機速度按照速度協(xié)調(diào)模型設(shè)置，可順利通過彎管，同時可大幅度減少電機力矩，降低能量消耗。其中，水平90°彎管最大力矩降低22.6%，能量消耗降低25.9%；水平45°彎管最大力矩降低22.8%，能量消耗降低44.1%；傾斜90°最大力矩降低32.9%，能量消耗降低70.4%；傾斜45°最大力矩降低24%，能量消耗降低62.2%；過障礙管時，機器人能通過不高于15 mm的障礙高度，符合理論預(yù)期結(jié)果。

3) 在無障礙管和障礙管環(huán)境條件下，機器人實際轉(zhuǎn)矩小于電機最大轉(zhuǎn)矩，機器人運行平穩(wěn)，能順利通過管道。

[1] 王永雄. 管道機器人控制、導(dǎo)航和管道檢測技術(shù)研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院, 2012: 1?10. WANG Yongxiong. Research on control, navigation and pipeline inspection technology of pipeline robot[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University. School of Electronics and Electric Engineering, 2012: 1?10.

[2] ROH S G, CHOI H R. Differential-drive in-pipe robot for moving inside urban gas pipelines[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2005, 21(1): 1?17.

[3] ROH S, KIM D W, LEE J S, et al. Modularized in-pipe robot capable of selective navigation inside of pipelines[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Piscataway: IEEE, 2008: 1724?1729.

[4] ROH S, LEE J S, MOON H, et al. In-pipe robot based on selective d rive mechanism[J]. International Journal of Control, Automation and Systems, 2009, 7(1): 105?112.

[5] YANG S U, KIM H M, SUH J S, et al. Novel robot mechanism capable of 3D differential driving inside pipelines[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Piscataway: IEEE, 2014: 1944?1949.

[6] KIM H M, YUN S C, LEE Y G, et al. Novel Mechanism for In-pipe Robot Based on Multi-axial Differential Gear Mechanism[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2016(99): 1.

[7] KIM H M, CHOI Y S, MUN H M, et al. 2-2D differential gear mechanism for robot moving inside pipelines[C]// IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots & Systems. Piscataway, NJ: IEEE, 2015:1152?1157.

[8] CHOI Y S, KIM H M, MUN H M, et al. Recognition of pipeline geometry by using monocular camera and PSD sensors[J]. Intelligent Service Robotics, 2017, 10(3): 213?227.

[9] KIM H M, SUH J S, CHOI Y S, et al. An In-pipe robot with multi-axial differential gear mechanism[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots & Systems. Piscataway, NJ: IEEE, 2013:252?257.

[10] KAKOGAWA A, MA S, HIROSE S. An in-pipe robot with underactuated parallelogram crawler modules[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Piscataway: IEEE, 2014: 1687?1692.

[11] KAKOGAWA A, MA S. Speed analysis for three driving modules of an in-pipe inspection robots for passing through bent pipes[C]//IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. Piscataway: IEEE, 2015: 1731?1736.

[12] ZHANG Y, YAN G. In-pipe inspection robot with active pipe-diameter adaptability and automatic tractive force adjusting[J]. Mechanism & Machine Theory, 2007, 42(12): 1618?1631.

[13] 張云偉. 煤氣管道檢測機器人系統(tǒng)及其運動控制技術(shù)研究[D].上海: 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院, 2007: 39?127. ZHANG Yunwei. Research on gas pipeline inspection robot system and its motion control technology[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University. School of Electronic and Electric Engineering, 2007: 39?127.

[14] 唐德威, 李慶凱, 梁濤, 等. 三軸差動式管道機器人機械自適應(yīng)驅(qū)動技術(shù)[J]. 機械工程學(xué)報, 2008(9): 128?133. TANG Dewei, LI Qingkai, LIANG Tao, et al. Mechanical adaptive driving technology of three axis differential pipe robot[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2008(9): 128?133.

[15] 張學(xué)文, 鄧宗全, 賈亞洲, 等. 管道機器人三軸差動式驅(qū)動單元的設(shè)計研究[J]. 機器人, 2008, 30(1): 22?28. ZHANG Xuewen, DENG Zongquan, JIA Yazhou, et al. Design and study of three axis differential drive unit for pipeline robot[J]. Robot, 2008, 30(1): 22?28.

[16] 李慶凱. 三軸差速式管道機器人驅(qū)動單元的設(shè)計與研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院, 2008: 11?53. LI Qingkai. Design and research on driving unit of three axis differential pipeline robot[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology. School of Mechatronic Engineering, 2008: 11?53.

[17] 陳宗堯, 顏國正, 王坤東, 等. 關(guān)節(jié)履帶式管道檢測機器人越障性能優(yōu)化[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 2011, 45(7): 1017?1020. CHEN Zongyao, YAN Guozheng, WANG Kundong, et al. Optimization of obstacle performance for joint crawler pipeline detection robot[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2011, 45(7): 1017?1020.

[18] 莊皓嵐, 顏國正, 王志武, 等. 多節(jié)履帶式機器人系統(tǒng)組成和越障性能研究[J]. 測控技術(shù), 2013, 32(8): 59?62. ZHUANG Haolan, YAN Guozheng, WANG Zhiwu, et al. Research on the system composition and obstacle avoidance performance of multi section crawler robot[J]. Measurement and Control Technology, 2013, 32(8): 59?62.

[19] 胡文君, 李著信, 蘇毅, 等. 管道機器人在三通處的通過性分析[J]. 后勤工程學(xué)院學(xué)報, 2005, 21(3): 49?53. HU Wenjun, LI Zhuxin, SU Yi, et al. Analysis of pipeline robot passing through three links[J]. Journal of Logistical Engineering College, 2005, 21(3): 49?53.

[20] 許馮平, 鄧宗全. 管道機器人在彎道處通過性的研究[J]. 機器人, 2004, 26(2): 155?160. XU Fengping, DENG Zongquan. Research on pipeline robot passing through bend[J]. Robot, 2004, 26(2): 155?160.

[21] 劉晉霞, 胡仁喜, 康士廷, 等. ADAMS 2012 虛擬樣機從入門到精通[M]. 2版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2013. LIU Jinxia, HU Renxi, KANG Shiting, et al. ADAMS 2012 virtual prototyping, from entry to mastery[M]. 2nd ed. Beijing: Mechanical Industry Press, 2013.

Passing property design of adaptive support pipeline detection robot

CHEN Xiao, WU Zhipeng, HE Siyu, XIAO Xiaohui

(School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

In order to meet the detection requirements for pipelines with diameter of 250?350 mm in the field of power, oil and gas, an adaptive support pipeline inspection robot was designed to study the pipeline passing property in barrier free elbow and ring step obstacle pipe. Firstly, the characteristics of the pipeline were analyzed, and the robot walking mechanism with variable diameter adaptive ability was designed with the screw nut and spring mechanism. Secondly, the kinematic model in elbow and the dynamic model in the ring step obstacle of the robot were established. The geometric constraint analysis, velocity coordination analysis and dynamics analysis of the robot in-pipe motion were carried out. Then, the virtual prototype simulation platform was established in ADAMS, and the simulation of the robot’s passing property in the elbow and ring step pipe was carried out. Finally, the robot pipeline test platform was built and passing property was verified by experiments. The results show that the robot passes smoothly through the pipe with and without barrier. When the robot passes through the elbow, the motor torque and the energy consumption are reduced by speed coordination model. When the robot crosses a ring step obstacle, the torque of the robot increases with the increase of the step height, and robot can pass through the ring step obstacle of no more than 15 mm in height.

pipeline robot; passing property; ADAMS simulation; prototype experiment

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.12.008

TP242.2

A

1672?7207(2018)12?2953?10

2017?12?07；

2018?03?11

國家自然科學(xué)基金資助項目(51675385)(Project(51675385) supported by the National Natural Science Foundation of China)

肖曉暉，博士，教授，從事特種機器人與微操作機器人研究；E-mail：xhxiao@whu.edu.cn

(編輯 趙俊)