楊雄 閆宏偉 侯相榮 王璐 李鵬程 魏秀業(yè)

(中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

0 引 言

管道已成為能源輸送、生活供水和生產(chǎn)化工等領(lǐng)域的主要運(yùn)輸方式[1-4]。但是，隨著使用時間的延長，管道會由于運(yùn)輸物質(zhì)的腐蝕、自身材料的老化以及施工質(zhì)量等原因，出現(xiàn)泄漏或破損等情況，這會給國家?guī)聿豢晒懒康慕?jīng)濟(jì)損失，造成環(huán)境污染，甚至嚴(yán)重威脅人類生活安全，所以對管道進(jìn)行檢測很有必要[5-7]。

現(xiàn)有管道檢測技術(shù)多為人工檢測，例如人工實地檢測法和量泥斗法等，但由于環(huán)境限制及工作效率低等收效甚微[8-11]。因此，管道檢測機(jī)器人便應(yīng)運(yùn)而生。目前的管道檢測機(jī)器人以無損檢測技術(shù)為主，使用管道機(jī)器人搭載合適的作業(yè)設(shè)備可對管道進(jìn)行檢測。但大多數(shù)管道檢測機(jī)器人都只適應(yīng)直徑200 mm及以上的管線，而且尺寸長，過彎性能差，難以在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行檢測[12-15]。

針對這種特殊工況，本文研究了一種新型直輪式管道泄漏檢測機(jī)器人。該機(jī)器人采用驅(qū)動輪直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，輸出穩(wěn)定。改進(jìn)后的管道檢測機(jī)器人不僅能在內(nèi)徑160～180 mm的管道中爬行，而且可以在曲率半徑450 mm的彎管中完成檢測任務(wù)。這對管道檢測機(jī)器人的工程應(yīng)用具有極其重要的參考價值。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

直輪式管道泄漏檢測機(jī)器人主要由檢測系統(tǒng)、連接系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和后置檢測系統(tǒng)等4部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。檢測系統(tǒng)與驅(qū)動系統(tǒng)由舵機(jī)連接。檢測系統(tǒng)主要起檢測、支撐和方向?qū)虻茸饔?，?qū)動系統(tǒng)給整個機(jī)器人提供足夠的動力。

1—檢測系統(tǒng)；2—連接系統(tǒng)；3—驅(qū)動系統(tǒng)；4—底盤骨架；5—后置檢測系統(tǒng)。

1.1 驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)主要由行走輪系統(tǒng)和調(diào)角舵機(jī)兩大部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—驅(qū)動輪；2—電機(jī)；3—輪架；4—支架；5—舵盤；6—調(diào)角舵機(jī)；7—舵機(jī)保護(hù)件；8—L形支座；9—短彈簧；10—六角頭螺栓；11—六角頭螺母。

行走輪系統(tǒng)由驅(qū)動輪、減速電機(jī)和輪架組成，每個行走輪系統(tǒng)有兩個減速電機(jī)。驅(qū)動輪連接在輪架中間的輪槽中，在輪架兩邊各安裝一個減速電機(jī)，行走輪系統(tǒng)通過調(diào)角舵機(jī)連接在機(jī)器人上，兩個調(diào)角舵機(jī)可以調(diào)整兩個行走輪系統(tǒng)之間的夾角以適應(yīng)不同內(nèi)徑的管道。將六角頭螺栓穿上一個短彈簧連接在機(jī)器人上并擰上兩個螺母，留出一節(jié)距離與短彈簧配合可以達(dá)到變徑的目的。左右兩邊行走輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相同。因為舵機(jī)與底盤骨架之間使用六角頭螺栓與短彈簧連接，所以驅(qū)動機(jī)構(gòu)具有一定的自適應(yīng)能力，提高了整個機(jī)器人在復(fù)雜管道中的通過性和穩(wěn)定性。

1.2 檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)主要由支撐輪系統(tǒng)、前攝像頭、行走盤和傳感器組成，如圖3所示。行走盤安放攝像頭和檢測傳感器，對管道內(nèi)的溫度和濕度等指標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)測。檢測系統(tǒng)的四對彈簧套筒連接萬向珠并與管道內(nèi)壁接觸，自由度較大，轉(zhuǎn)動靈活，在遇到障礙時可以自由伸縮，與彈簧套筒配合可適應(yīng)內(nèi)徑160～180 mm的管道。當(dāng)管徑較小(160 mm)時，先使萬向珠進(jìn)入管道，其余系統(tǒng)再依次進(jìn)入。

萬向珠連接在轉(zhuǎn)換螺栓上，轉(zhuǎn)換螺栓再與連接螺栓連接，最后在連接螺栓中心裝上長彈簧連接在行走盤上，長彈簧起變徑作用。支撐輪系統(tǒng)只起到支撐與變徑作用，當(dāng)機(jī)器人被放進(jìn)管道后，三對支撐輪系統(tǒng)一直彈開，萬向輪壓緊至管壁。

1—前攝像頭；2—轉(zhuǎn)換螺栓；3—萬向珠；4—連接螺栓；5—長彈簧；6—行走盤；7—傳感器。

1.3 連接系統(tǒng)

連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示?；_與導(dǎo)軌墊片通過螺栓連接在回轉(zhuǎn)舵機(jī)支架上，回轉(zhuǎn)舵機(jī)支架與回轉(zhuǎn)舵機(jī)通過舵盤連接，使回轉(zhuǎn)舵機(jī)支架轉(zhuǎn)動；將回轉(zhuǎn)舵機(jī)豎直連接在機(jī)器人上并用舵機(jī)殼固定，巡檢機(jī)構(gòu)通過滑塊連接到滑臺上，從而使整體向上或向下。

1—滑塊；2—滑臺；3—導(dǎo)軌墊片；4—回轉(zhuǎn)舵機(jī)支架；5—舵機(jī)殼；6—回轉(zhuǎn)舵機(jī)；7—舵盤。

2 機(jī)器人管內(nèi)運(yùn)動分析

為使機(jī)器人在管道中可靠通過，選擇難度較大的彎管進(jìn)行通過性分析，以評估機(jī)器人通過彎管的難易程度，若能通過，則表明機(jī)器人可在管道中爬行。

2.1 彎管通過性分析

用理想規(guī)劃的方法分析管道機(jī)器人并對整個機(jī)器人進(jìn)行簡化，如圖5所示，此狀態(tài)是機(jī)器人通過彎管過程中最危險的邊界位置。以O(shè)為原點建立坐標(biāo)系，r為管道中心到原點的距離。圖5中，f為機(jī)器人機(jī)構(gòu)的長度，e為機(jī)器人的最大直徑，D為管道內(nèi)徑。OT是從O到PQ的垂直線，OT與管道內(nèi)壁在S點相交。

圖5 機(jī)器人彎管通過性簡圖Fig.5 Elbow passing performance of robot

若要保證機(jī)器人順利通過彎管，應(yīng)該滿足：

(1)

即

(2)

其中，r=450 mm，D=170 mm，f=315 mm，將其帶入式(2)得e小于146.29 mm。

由此可知，本文設(shè)計的機(jī)器人基本尺寸為：r=450 mm，f=315 mm，寬度小于146.29 mm。該尺寸滿足彎管的通過性要求，即滿足彎管爬行的彎道幾何約束要求。

2.2 機(jī)器人運(yùn)動特性分析

將機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)作為研究對象，并對機(jī)器人通過彎管的運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析，繪制機(jī)器人經(jīng)過彎管的徑向截面圖，如圖6所示。

圖6中兩條虛線為機(jī)器人通過彎管時與管道內(nèi)壁接觸產(chǎn)生的軌跡曲線，W1與W2是驅(qū)動系統(tǒng)上兩驅(qū)動輪與管壁的接觸點。以O(shè)1為原點建立直角坐標(biāo)系，α為驅(qū)動輪P1與驅(qū)動輪P2的夾角，β為驅(qū)動輪P1與Y軸的夾角，R為管道曲率半徑，B為驅(qū)動輪到管道中心的垂直距離。驅(qū)動輪P1和P2的運(yùn)動軌跡相同，則接觸點W1和W2的表達(dá)式為：

(3)

圖6 機(jī)器人過彎運(yùn)動分析圖Fig.6 Elbow passing motion analysis of robot

過彎時，驅(qū)動輪P1靠近管道內(nèi)側(cè)(速度為v1)，驅(qū)動輪P2靠近管道外側(cè)(速度為v2)，即在彎管運(yùn)動時，兩個驅(qū)動輪之間存在速度差，速度比值為：

(4)

3 機(jī)器人彎管通過性仿真分析

Adams軟件主要功能是力學(xué)與動力學(xué)分析[16-17]。本文采用Adams軟件對機(jī)器人進(jìn)行彎管通過性仿真。用Solidworks軟件創(chuàng)建機(jī)器人模型后轉(zhuǎn)化為xt格式導(dǎo)入Adams軟件中，將攝像頭、行走盤、底盤骨架、螺栓和舵機(jī)等無相對運(yùn)動的零部件進(jìn)行布爾求和，再對模型添加運(yùn)動副并定義材料屬性，設(shè)置仿真時間為110 s。機(jī)器人可以通過直徑為170 mm、曲率半徑為450 mm彎度的管道，其在管道中的仿真情況如圖7所示。

圖7 機(jī)器人彎管通過性仿真圖Fig.7 Simulation diagram for elbow passing performance of robot

對機(jī)器人爬行過程進(jìn)行仿真，得到機(jī)器人中心部件質(zhì)心沿X、Y、Z3個方向的位移曲線，如圖8所示。

圖8 骨架質(zhì)心的X、Y、Z軸方向位移仿真曲線Fig.8 X, Y, Z-direction displacement simulation curve of skeleton centroid

從圖8可見，直管爬行與彎管爬行的運(yùn)動軌跡有很明顯的區(qū)別。以機(jī)器人中心部件骨架的質(zhì)心為例，0～10 s在水平直管中爬行，X軸方向有向下位移，由于Y軸和Z軸是非運(yùn)動方向，所以沒有明顯位移；10～30 s為彎管中爬行，隨著彎道的轉(zhuǎn)向，機(jī)器人產(chǎn)生Y軸方向位移分量，且X軸方向位移變化逐步減小，Y軸方向位移變化逐漸增大，Z軸方向無位移；30～50 s機(jī)器人爬行通過彎管后繼續(xù)在水平直管中爬行，Y軸方向有向下位移，X軸和Z軸成為非運(yùn)動方向，不再產(chǎn)生位移；X軸與Y軸方向位移有很明顯的對稱性，而Z軸方向并沒有明顯的變化。由仿真結(jié)果可知，只需給機(jī)器人各零部件施加相應(yīng)的驅(qū)動，管道機(jī)器人就可以順利地通過水平直管和彎管，并且運(yùn)動狀態(tài)平穩(wěn)，不會出現(xiàn)卡死或運(yùn)動干涉等不利情況。

內(nèi)輪速度v1和外輪速度v2隨時間的變化曲線如圖9所示。分析可知：v1、v2的變化趨勢不同，v2先增大后減小，v1持續(xù)減小，即在過彎過程中機(jī)器人繞靠近內(nèi)輪處沿過彎旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生擺動，使外輪運(yùn)動速度增加，內(nèi)輪運(yùn)動速度減小，以保證平穩(wěn)過彎；v2與機(jī)器人質(zhì)心位移的變化趨勢很接近，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)彎管極限位置時，v2達(dá)到最大。

圖9 輪子1、2的速度隨時間的變化曲線Fig.9 Speed change of wheels 1 and 2 with time

4 試驗驗證

建立直輪式管道泄漏檢測機(jī)器人模型，首先設(shè)定兩個調(diào)角舵機(jī)之間的夾角以適應(yīng)管徑，然后將機(jī)器人放入直徑170 mm直管和轉(zhuǎn)彎半徑為450 mm彎管組成的管道中，對機(jī)器人彎管通過性進(jìn)行試驗驗證。試驗平臺如圖10所示。

圖10 機(jī)器人試驗平臺Fig.10 Testing platform of robot

用秒表測出機(jī)器人過彎管所需時間，如表1所示。從表1可以看出，機(jī)器人在管道中的爬行時間總大于仿真結(jié)果。這是因為仿真在理想的狀況下進(jìn)行，而試驗時輪子與管壁之間的摩擦力比仿真情況大，同時也存在機(jī)器人裝配誤差的影響。試驗發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人能夠通過設(shè)置的彎管，沒有出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，證明機(jī)器人尺寸設(shè)計合理。

表1 機(jī)器人過彎試驗數(shù)據(jù)Table 1 Elbow passing test data of robot

5 結(jié) 論

(1)提出的直輪式管道泄漏檢測機(jī)器人檢測系統(tǒng)與驅(qū)動系統(tǒng)共同連接在底盤骨架上，并使用驅(qū)動輪驅(qū)動，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、綜合性價比高的優(yōu)勢。該機(jī)器人具有一定的適應(yīng)能力，增強(qiáng)了機(jī)器人過彎時的穩(wěn)定性和可靠性。

(2)對機(jī)器人過彎行為進(jìn)行仿真，得到了直輪式管道泄漏檢測機(jī)器人質(zhì)心的運(yùn)動軌跡，并得出底盤骨架質(zhì)心的位移曲線，發(fā)現(xiàn)Y軸方向有向下的位移，X軸和Z軸為非運(yùn)動方向，不產(chǎn)生位移。

(3)機(jī)器人過彎時內(nèi)輪速度v1和外輪速度v2的變化趨勢不同，v2先增大后減小，v1持續(xù)減小，v2與機(jī)器人質(zhì)心位移的變化趨勢大體相同。