李銀 苗云龍 李奇

（韶關(guān)學(xué)院,廣東韶關(guān)，512005）

0 引言

管道是生產(chǎn)生活基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中必不可少的部分。隨著社會(huì)的發(fā)展，管道建設(shè)越來越多，為了解決阻塞、裂紋、清污等問題，從內(nèi)部或外部以排水管道疏通機(jī)器人代替人工的方案有較大的市場發(fā)展?jié)摿Α鴥?nèi)蛇形機(jī)器人研究起步相對(duì)較晚，核心技術(shù)也比較落后，排水管道機(jī)器人也沒有很多成功的案例[1]。

清華大學(xué)研發(fā)的四輪驅(qū)動(dòng)管道清淤機(jī)器人，具備充足的動(dòng)力，采用無線設(shè)備，其頭部安裝有CCD 攝像頭。實(shí)驗(yàn)階段，該機(jī)器人在空載、干凈的管道中功率可達(dá)350-400W，平均速度可達(dá)5.8m/min，一次性可清除60kg重的淤泥，適用于淤泥較少的管道，但是當(dāng)淤泥厚度超過管徑的1/3 時(shí)，其速度會(huì)有所下降，甚至出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。該機(jī)器人還裝有姿態(tài)檢測(cè)裝置，可在管道內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行，一般可應(yīng)用于直徑400mm 以上的排水管道[2]。

上海交通大學(xué)研制了一款履帶式管道機(jī)器人，其設(shè)計(jì)靈感來源于履帶式車輛的行走。該機(jī)器人的履帶通過功率5W 的直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，再由減速比1:100 的齒輪減速箱進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到輸出轉(zhuǎn)速0-30r/min 。該機(jī)器人采用無線通信，配備的CCD 圖像傳感器和角度傳感器，主要用于檢測(cè)管道環(huán)境和機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；配備的伺服電機(jī)可讓傳感器做上下運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)大了機(jī)器人的檢測(cè)范圍[3]。另外，兩個(gè)履帶反向運(yùn)動(dòng)控制機(jī)器人的原地轉(zhuǎn)向，這一設(shè)計(jì)解決了在大曲率半徑管道的轉(zhuǎn)彎難題。

國內(nèi)現(xiàn)有的管道疏通機(jī)器人多為輪式和履帶式，這類機(jī)器人在管道內(nèi)作業(yè)時(shí)，若出現(xiàn)側(cè)翻、卡死、驅(qū)動(dòng)力不足等問題時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致機(jī)器人無法繼續(xù)工作，而且回收也比較麻煩[4]。而蛇形機(jī)器人作為仿生機(jī)器人的一種，其優(yōu)點(diǎn)是具有多步態(tài)運(yùn)動(dòng)能力，能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的管道環(huán)境，進(jìn)行管道檢測(cè)與管道疏通，并且多支撐點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)像輪式與履帶側(cè)翻等狀況。故本文設(shè)計(jì)了一種蛇形管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。

1 蛇形管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 軀干設(shè)計(jì)

蛇類生物是一種無肢動(dòng)物，它的肋骨前后不僅可以自由的移動(dòng)，肋骨與腹鱗之間還有肋皮肌相連，所以當(dāng)肋皮肌收縮時(shí)，肋骨便可以向前移動(dòng)，所以若要讓機(jī)器人模仿蛇類運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)尤為重要，蛇形管道機(jī)器人單節(jié)軀干模型如圖1 所示。

圖1 蛇形管道機(jī)器人單節(jié)軀干

本文設(shè)計(jì)的蛇形管道機(jī)器人采用57兩相步進(jìn)電機(jī)（雙出軸），電機(jī)邊長為57mm×57mm，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、經(jīng)濟(jì)耐用、高速、力矩大、低噪音、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。其雙出軸的設(shè)計(jì)可以使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)均勻受力，電機(jī)參數(shù)如表1 所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

蛇形管道機(jī)器人的軀干由步進(jìn)電機(jī)固定件、57 兩相步進(jìn)電機(jī)（雙出軸）、上下兩個(gè)關(guān)節(jié)外殼、第二個(gè)步進(jìn)電機(jī)固定件、第二個(gè)57 兩相步進(jìn)電機(jī)（雙出軸）、兩個(gè)關(guān)節(jié)連接件依次相連。不同兩組單節(jié)軀干的關(guān)節(jié)連接件與步進(jìn)電機(jī)固定件依次相連接來實(shí)現(xiàn)軀干單元體之間的連接。同一軀干單元內(nèi)有兩個(gè)57 兩相雙出軸步進(jìn)電機(jī)，可使一個(gè)軀干單元實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，多個(gè)軀干單元相互配合實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。上下兩個(gè)關(guān)節(jié)外殼作為軀干的骨架，其外表面為橡膠材質(zhì)，為了模仿蛇類運(yùn)動(dòng)的真實(shí)效果，其紋路設(shè)計(jì)為波紋狀，以增加與管道的摩擦力。磁鐵安裝在步進(jìn)電機(jī)固定件和關(guān)節(jié)連接件上，由擋片固定。在下水管道內(nèi)作業(yè)時(shí)，蛇形管道機(jī)器人還可在疏通管道的同時(shí)用磁鐵吸附管道內(nèi)的殘留金屬，以達(dá)到金屬回收的目的。在與地面接觸的機(jī)器人關(guān)節(jié)外殼的兩側(cè)，裝有從動(dòng)輪固定件，從動(dòng)輪固定件上裝有橡膠從動(dòng)輪，不僅可以起到支撐作用，維持機(jī)器人的平衡，還可以使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)限制除了與輪子平行方向摩擦力以外的摩擦力，使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度更快。

1.2 頭部設(shè)計(jì)

軀干的作用主要是實(shí)現(xiàn)蛇形管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，而頭部的作用則是實(shí)現(xiàn)管道疏通與管道檢測(cè)。蛇形管道機(jī)器人頭部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 蛇形管道機(jī)器人頭部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

蛇形管道機(jī)器人頭部的破碎裝置安裝過程為：將破碎鉆頭、鉆頭連接件、主動(dòng)傘齒輪以及頭部電機(jī)按圖2中的順序依次連接在蛇形管道機(jī)器人頭部骨架上，4 個(gè)從動(dòng)傘齒輪外側(cè)安裝切割盤，內(nèi)側(cè)與頭部骨架相連，并與主動(dòng)傘齒輪嚙合；破碎裝置工作時(shí)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，與電機(jī)相連的主動(dòng)傘齒輪旋轉(zhuǎn)來帶動(dòng)4 個(gè)從動(dòng)傘齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)切割盤，破碎鉆頭與切割盤同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)（破碎鉆頭與切割盤材質(zhì)為合金），完成破碎工作。

探測(cè)燈與監(jiān)控?cái)z像頭安裝在蛇形管道機(jī)器人頭部骨架上，用于將實(shí)時(shí)畫面?zhèn)鬟f給檢測(cè)人員。其由透明擋板包裹，防止被污漬影響。關(guān)節(jié)連接件將頭部骨架與軀干連接在一起。高壓水槍載架用來裝載高壓水槍，搭載了高壓水槍的機(jī)器人可以借助高壓水槍使管道內(nèi)堵塞物順著水流流出管道。

1.3 尾部設(shè)計(jì)

蛇形管道機(jī)器人蛇尾部分由蛇尾、尾部連接體組成，具體如圖3 所示。

圖3 蛇形管道機(jī)器人尾部設(shè)計(jì)

蛇尾內(nèi)部裝載有STM32 單片機(jī)、內(nèi)置電源、MD542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、Wi-Fi 模塊、氣壓傳感器、溫度濕度傳感器、MPU6050（陀螺儀）等，并將它們放入封裝盒進(jìn)行封裝散熱處理。

各外圍傳感器設(shè)備的用途具體如下。

1）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)接收來自STM32 單片機(jī)的控制信息，高效且低延遲地對(duì)蛇形管道機(jī)器人全身的電機(jī)進(jìn)行控制。

2）氣壓傳感器用于獲取管道環(huán)境中的大氣壓強(qiáng)以及海拔高度。

3）溫度濕度傳感器分別負(fù)責(zé)檢測(cè)封裝盒內(nèi)、外的實(shí)時(shí)溫度，通過內(nèi)部溫度可以知道內(nèi)部元件是否存在過熱工作的異常情況；外部溫濕度可以了解管道環(huán)境中的溫濕度情況。

4）陀螺儀傳感器用于讀取蛇形管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，如航向角、橫滾角、俯仰角，從而便于實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，有效提升機(jī)器人對(duì)管道環(huán)境的感知能力。

蛇形管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示，其裝配圖如圖4 所示。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 蛇形管道機(jī)器人裝配圖

2 蛇形管道機(jī)器人蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及仿真

蛇形管道機(jī)器人在管道內(nèi)工作時(shí)，其前進(jìn)方式主要是蠕動(dòng)前行，本節(jié)將對(duì)這一蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃，并對(duì)其用仿真軟件Adams 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與力學(xué)仿真。

2.1 蠕動(dòng)過程步態(tài)規(guī)劃

蛇形管道機(jī)器人的蠕動(dòng)過程中，一個(gè)關(guān)節(jié)的推進(jìn)波形可以簡化為若干個(gè)周期性的、幅度不同的擺動(dòng)，即平滑多段的正弦函數(shù)。相鄰關(guān)節(jié)的函數(shù)僅有相位不同。

蠕動(dòng)的過程可以分為3 個(gè)階段。

1）形成三角波。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制關(guān)節(jié)點(diǎn)1、2、3（圖5 所示）的電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使得蛇形管道機(jī)器人關(guān)節(jié)點(diǎn)2 拱起形成三角波。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人向后的摩擦系數(shù)較大，形成三角波時(shí)使得尾部前移。

圖5 蠕動(dòng)一次的過程

2）形成弓形波。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制關(guān)節(jié)點(diǎn)1、2、3、4 電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，使得三角波的波峰由關(guān)節(jié)點(diǎn)2 向關(guān)節(jié)點(diǎn)3過渡，圖5 所示是推動(dòng)蛇形管道機(jī)器人整體向前移動(dòng)的過程，同時(shí)拉動(dòng)尾部前移，此時(shí)，蛇形管道機(jī)器人會(huì)再次向前移動(dòng)一段距離。

3）形成新三角波。蛇形管道機(jī)器人的軀干關(guān)節(jié)由弓形波轉(zhuǎn)為新三角波后，不斷循環(huán)以上過程，直到最后恢復(fù)為一條直線，完成一整套蠕動(dòng)的過程。

蛇形機(jī)器人單節(jié)軀干的運(yùn)動(dòng)過程可以用函數(shù)表示：

圖6 α=30°λ=1 時(shí)單節(jié)軀干的角度時(shí)間函數(shù)

圖7 α=45°λ=1 時(shí)單節(jié)軀干的角度時(shí)間函數(shù)

圖8 α=15°λ=1 時(shí)單節(jié)軀干的角度時(shí)間函數(shù)

2.2 Adams 軟件仿真

2.2.1 建立簡化模型導(dǎo)入Adams

在SolidWorks 軟件中建立蛇形管道機(jī)器人的簡化模型。將簡化后的三維模型導(dǎo)入Adams 軟件中，設(shè)置蛇形管道機(jī)器人的關(guān)節(jié)數(shù)為8，單節(jié)重量為1.06kg，添加約束、運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)、摩擦力等參數(shù)，最后寫入驅(qū)動(dòng)函數(shù)，完成蛇形管道機(jī)器人的仿真模型的建立。

2.2.2 運(yùn)動(dòng)仿真

假設(shè)蛇形管道機(jī)器人在零時(shí)刻各個(gè)關(guān)節(jié)角度均為0，即直線狀態(tài)，利用Adams 軟件仿真可得到其蠕動(dòng)過程，如圖9 所示。蛇形管道機(jī)器人尾部沿前進(jìn)方向的時(shí)間位移曲線如圖10 所示，經(jīng)過4 次蠕動(dòng)循環(huán)后，蛇形管道機(jī)器人整體前進(jìn)了0.58m，平均每個(gè)蠕動(dòng)循環(huán)前進(jìn)了0.145m。

圖9 三角波形推進(jìn)時(shí)的蠕動(dòng)過程

圖10 蠕動(dòng)時(shí)的尾部位移曲線

2.2.3 力學(xué)分析

筆者團(tuán)隊(duì)將所選用的電機(jī)裝配到蛇形管道機(jī)器人的關(guān)節(jié)中，然后計(jì)算出關(guān)節(jié)的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等信息，設(shè)置摩檫力，添加重力、接觸等約束，對(duì)蛇形管道機(jī)器人蠕動(dòng)前進(jìn)時(shí)所需要的關(guān)節(jié)力矩分別進(jìn)行仿真分析，由Adams 軟件后處理模塊得出的圖像可得，蛇形管道機(jī)器人在蠕動(dòng)過程中，中間關(guān)節(jié)所需要的力矩最大，其仿真結(jié)果如圖11 所示。從圖中可以看出，蛇形管道機(jī)器人蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的最大力矩約為2.03N·m，而57 兩相步進(jìn)電機(jī)靜力矩為2.4N·m，所以電機(jī)的力矩足夠支持蛇形管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

圖11 蠕動(dòng)過程中中間關(guān)節(jié)所需力矩圖

3 蛇形管道機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)介紹

在控制方面，蛇形管道機(jī)器人采用STM32 作為主控單片機(jī)，其控制系統(tǒng)原理如圖12 所示。

圖12 蛇形管道機(jī)器人控制系統(tǒng)原理圖

蛇形管道機(jī)器人頭部安裝有頭部電機(jī)、探測(cè)燈、探測(cè)攝像頭。其中，頭部電機(jī)安裝于蛇形管道機(jī)器人頭部最前端，與鉆頭相連，主要用于疏通管道；探測(cè)燈安裝在探測(cè)鉆頭的后上方，主要是在探測(cè)前進(jìn)時(shí)進(jìn)行照明；探測(cè)攝像頭安裝在探測(cè)鉆頭的后上方，主要用于將圖像實(shí)時(shí)上傳到主控系統(tǒng)，使得蛇形管道機(jī)器人具備自主識(shí)別特定目標(biāo)的能力，如對(duì)于管道中堵塞的地方，必要時(shí)還可以將圖像實(shí)時(shí)回傳到外界控制端，以便在特殊情況下方便操作員根據(jù)回傳圖像做出判斷并進(jìn)行相應(yīng)的操作。

蛇形管道機(jī)器人尾部安置有STM32 單片機(jī)、內(nèi)置電源、MD542 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、Wi-Fi 模塊、MPU6050 陀螺儀等。其中，STM32 單片機(jī)相當(dāng)于人類的大腦，用于處理如MPU6050 陀螺儀等傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并迅速做出反應(yīng)，具有集成度高、性能強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)；內(nèi)置電源用于給STM32 單片機(jī)和MD542 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板供電；MD542 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板用于驅(qū)動(dòng)57BYGH55 步進(jìn)電機(jī)；Wi-Fi 模塊的作用是將STM32 單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶App 端；MPU6050（陀螺儀）模塊用來獲取蛇形管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；57BYGH55 步進(jìn)電機(jī)控制模塊負(fù)責(zé)接收來自 STM32 的控制信息，可高效、低延遲地對(duì)蛇形管道機(jī)器人全身步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

3.2 蛇形管道機(jī)器人配備的App 軟件

給蛇形管道機(jī)器人配備了相應(yīng)的App 軟件，其界面可分為登陸界面和功能界面。

1）登錄界面：如圖13 所示，輸入正確的賬號(hào)和密碼即可登錄蛇形管道疏通機(jī)器人系統(tǒng)。

圖13 App 軟件登錄界面

2）功能界面：如圖14 所示，該界面分為兩個(gè)部分，上面部分用于數(shù)據(jù)顯示，主要用于顯示傳感器采集到的各種數(shù)據(jù)，如MPU6050 模塊的俯仰角、航向角、橫滾角等；下面部分用于運(yùn)動(dòng)控制，主要用于控制蛇形管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，可以通過按鍵改變蛇形管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，也可以通過對(duì)應(yīng)按鍵調(diào)整蛇頭以及蛇身的姿態(tài)。

圖14 App 軟件功能界面

4 結(jié)束語

1）蛇形管道機(jī)器人是一種高冗余自由度的運(yùn)動(dòng)機(jī)器人，利用其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的輪式或履帶式管道機(jī)器人，可避免輪式或履帶式機(jī)器人翻車之后無法繼續(xù)工作的缺點(diǎn)，其可以利用蠕動(dòng)這一運(yùn)動(dòng)方式很好地在管道中運(yùn)動(dòng)。

2）本文通過 SolidWorks 軟件對(duì)蛇形管道機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)蠕動(dòng)這一步態(tài)的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行規(guī)劃。

3）建立蛇形管道機(jī)器人的化簡模型后，然后將其導(dǎo)入Adams 軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及力學(xué)的仿真，最后得出了蛇形管道機(jī)器人蠕動(dòng)一個(gè)循環(huán)能前進(jìn)0.145m，關(guān)節(jié)最大力矩為2.03N·m，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)以及電機(jī)選型的合理性。