劉 東，羅 亮，盧丙舉，吳友生

(1. 中國船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2. 河南省水下智能裝備重點(diǎn)實驗室，河南 鄭州 450015)

0 引 言

由于空間狹小，當(dāng)前對導(dǎo)彈發(fā)射試驗筒內(nèi)部管道的監(jiān)測主要還是依賴人工目測，由于管道深度大、光線暗，造成人工檢測困難，給管道的維護(hù)和保養(yǎng)帶來難度。為更加客觀掌握管道內(nèi)部狀態(tài)[1]，保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性，需要對試驗筒內(nèi)部的管道狀態(tài)進(jìn)行全面的檢查和勘驗。

國外從20 世紀(jì)40 年代開始研究，90 年代初得到迅猛的發(fā)展，并研制了許多實驗樣機(jī)。韓國延世大學(xué)[2]研制了履帶式管道機(jī)器人PAROYS-II，適用于400～700 mm 的管道，可通過彎管和錐形管。日本立命館大學(xué)[3-4]研發(fā)了一種支撐輪式管道內(nèi)機(jī)器人，該機(jī)器人采用一種不完全驅(qū)動的平行四邊形驅(qū)動機(jī)構(gòu)，在遇到管內(nèi)障礙時，履帶可從普通形狀轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫兴倪呅涡螤?，提高了機(jī)器人的拖纜能力。韓國成均館大學(xué)[5]研發(fā)了MRINSPECT 系列管道機(jī)器人，其中MRINSPECT VII 為最新的一代，該機(jī)器人基于多軸差速齒輪機(jī)構(gòu)，通過機(jī)械調(diào)節(jié)主動車輪的速度而無需任何控制工作，以適應(yīng)如直管或彎管等管道環(huán)境。國內(nèi)對管道機(jī)器人的研究始于20 世紀(jì)60 年代，鄧宗全等[6]研制了一種六獨(dú)立輪式管內(nèi)檢測牽引機(jī)器人，唐德威等[7]研制了一種三軸差動式管道機(jī)器人，該機(jī)器人在水平直管、彎管及障礙管道的通過性較好，適用于直徑為310 mm左右的管道，三軸差動式管道機(jī)器人整體只有一個電機(jī)，電機(jī)通過三軸差速機(jī)構(gòu)實現(xiàn)全驅(qū)動。馮敬之[8]1996年研制出輪式驅(qū)動排水管道自動清淤機(jī)器人。

國內(nèi)外針對狹窄空間的管道機(jī)器人研究較少，缺乏簡單有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計，針對該問題，本文設(shè)計一種能夠可用于狹小間隙內(nèi)的輪式自適應(yīng)變徑管道機(jī)器人裝置，使得管道機(jī)器人可在65～90 mm 的管內(nèi)自主行走，實現(xiàn)了對狹小變徑管道的適應(yīng)性。同時，對管道機(jī)器人驅(qū)動裝置運(yùn)行機(jī)理和力學(xué)特性、牽引能力以及彎管通過性進(jìn)行分析。此外，配套的便攜式手持視頻顯控平臺可實時展現(xiàn)回傳的視頻畫面，使工作人員對空調(diào)管內(nèi)的狀態(tài)進(jìn)行實時診斷并對管道機(jī)器人進(jìn)行反饋操作[9]。

1 管道機(jī)器人運(yùn)動特性分析

1.1 管道機(jī)器人工作原理

本文所設(shè)計的管道機(jī)器人可適應(yīng)65～90 mm 范圍變化的管道。機(jī)器人主要由伸縮機(jī)架、擺臂、支撐桿和驅(qū)動輪組成，如圖1 所示。6 個驅(qū)動輪按前向、后向2 組相向布置，每組驅(qū)動輪在圓周方向上均勻分布。驅(qū)動電機(jī)選用微型直流行星減速電機(jī)，具有效率高、速度穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣等特點(diǎn)，在行星齒輪內(nèi)孔配置有滾針軸承，可有效提高負(fù)載能力與壽命。管道內(nèi)行進(jìn)時，6 組驅(qū)動電機(jī)分別通過齒輪傳動機(jī)構(gòu)帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，使6 組動力機(jī)構(gòu)協(xié)同工作，依靠驅(qū)動輪與管壁間的摩擦力使管道機(jī)器人按照期望速度移動[10]。

圖1 行走裝置結(jié)構(gòu)Fig. 1 The structure of walking device

機(jī)器人在管道內(nèi)行走時，拉伸彈簧處于變形狀態(tài)，為驅(qū)動輪和管壁間提供正壓力，驅(qū)動輪依靠這個壓力產(chǎn)生的摩擦力實現(xiàn)爬升運(yùn)動以及機(jī)體支撐[11]。當(dāng)行走裝置行進(jìn)至管徑收縮部位，因為驅(qū)動輪緊貼管壁運(yùn)動，會使擺臂向管徑中心方向收縮，使伸縮機(jī)架伸長，以適應(yīng)管徑變化。當(dāng)通過管徑收縮部位后，在拉伸彈簧作用下，伸縮機(jī)架縮短，擺臂向管壁方向擴(kuò)展，保證驅(qū)動輪與管壁之間時刻壓緊。通過伸縮機(jī)架實現(xiàn)行走裝置半徑方向上的調(diào)整，提高了行走裝置的通用性[12]。

1.2 行走機(jī)構(gòu)力學(xué)特性分析

對機(jī)器人在管道中行走時的受力情況進(jìn)行分析，為便于分析，將每一組驅(qū)動輪簡化為中間對稱面上的當(dāng)量驅(qū)動輪。以單個驅(qū)動輪為分析對象，受力情況如圖2 所示。

圖2 驅(qū)動輪受力情況分析Fig. 2 Analysis of force on the driving wheel

驅(qū)動輪在伸縮機(jī)架內(nèi)部彈簧力的作用下，壓緊在管道內(nèi)壁上。機(jī)器人在內(nèi)徑為r0的管道內(nèi)行走時，機(jī)器人本體的固定參考鉸接點(diǎn)A與移動鉸接點(diǎn)B間的距離l1為：

式中：l2為鉸接點(diǎn)B與鉸接點(diǎn)C間距離，m；I3為鉸接點(diǎn)A與鉸接點(diǎn)C間距離，m； β為擺臂與伸縮機(jī)架間夾角，，rad；r1為鉸接點(diǎn)A與鉸接點(diǎn)B的偏心距， m ； α 為擺臂內(nèi)部夾角，，rad； γ 為支撐桿與伸縮機(jī)架間夾角，，rad。

伸縮機(jī)架內(nèi)調(diào)整彈簧的伸長量 Δx為：

式中：x0為調(diào)整彈簧的初始長度，m。

對于彈簧被拉伸時，支撐圓盤所收到的軸向拉力F可以表示為：

鉸點(diǎn)C受到支撐圓盤的作用力為：

分析以鉸點(diǎn)A的受力情況，建立其力矩矩平衡方程為：

管道內(nèi)壁對驅(qū)動輪的正壓力可表示為：

式中：Fc為驅(qū)動輪與管道內(nèi)壁間摩擦力，N；l5為鉸接點(diǎn)A與鉸接點(diǎn)D間距離，m；r1為管道內(nèi)壁半徑，m；r為驅(qū)動輪半徑，m。

當(dāng)驅(qū)動輪與管壁之間為純滾動而不發(fā)生相對位移時，縱向驅(qū)動力Fc與管壁的法向支反力Fn滿足關(guān)系式為：

式中， μφ為橡膠驅(qū)動輪的附著系數(shù)。

根據(jù)式（6）與式（7），得到驅(qū)動輪與管壁不產(chǎn)生相對滑動時，管壁的極限法向支反力Fn為：

再由式（7）與式（8）可推出驅(qū)動輪的最大驅(qū)動力表示為：

根據(jù)上述分析結(jié)果，繪制機(jī)器人的長度（鉸接點(diǎn)A與鉸接點(diǎn)B間距離）、單個驅(qū)動輪的最大牽引力與管道直徑間的關(guān)系曲線，如圖3 所示。分析結(jié)果表明，隨管道直徑逐漸增大，機(jī)器人的長度逐漸減小，而單個驅(qū)動輪的最大牽引力先逐漸增大，后快速增大。

圖3 管道直徑對機(jī)器人長度與單個驅(qū)動輪最大牽引力的影響Fig. 3 The influence of pipe diameter on robot length and maximum traction force of a single drive wheel

2 行走性能分析

2.1 過彎管時行走姿態(tài)分析

彎管是管道機(jī)器人在管道內(nèi)行走時經(jīng)常遇到的一種工況，也是考量管道機(jī)器人行走性能指標(biāo)的一個重要參考[13]。忽略管道機(jī)器人零部件的加工誤差與裝配誤差因素，假設(shè)管道機(jī)器人在直管內(nèi)行走時，前、后2 組驅(qū)動輪與管道內(nèi)壁均勻接觸，各接觸點(diǎn)的接觸狀態(tài)與接觸力均相同。而在彎管內(nèi)行走時，如圖4 所示，各接觸點(diǎn)處彎管內(nèi)壁曲率不同，導(dǎo)致接觸狀態(tài)均不相同。以a1b1與a2b2分別表示前、后2 組驅(qū)動輪與管道內(nèi)壁接觸點(diǎn)形成的理論截面。

圖4 彎管內(nèi)行走分析Fig. 4 Analysis of walking in elbow

管道內(nèi)壁任一輪壁接觸點(diǎn)M的運(yùn)動軌跡可表示為：

式中：R為管道彎曲半徑，m；S為接觸點(diǎn)M到彎管中心面的距離，m。

得到管道內(nèi)壁的旋轉(zhuǎn)曲面方程為：

由右側(cè)3 個驅(qū)動支腿B、D、F與管道內(nèi)壁接觸點(diǎn)確定的非圓截面a2b2方程為：

截面a2b2處3 個驅(qū)動支腿與管道內(nèi)壁接觸點(diǎn)組成等邊三角形△BDF，存在：

頂部接觸點(diǎn)的位移頂點(diǎn)為：

接觸點(diǎn)F的姿態(tài)角δ為：

2.2 管內(nèi)運(yùn)動分析

管道機(jī)器人的牽引力由管道內(nèi)壁與驅(qū)動輪間的摩擦力提供。最大牽引力取決于驅(qū)動輪與內(nèi)壁間的正壓力與摩擦系數(shù)。以整個機(jī)器人主體為研究對象，將各個驅(qū)動輪所產(chǎn)生的縱向驅(qū)動力求和，可得管道機(jī)器人能達(dá)到的最大總牽引力為：

對管道機(jī)器人在直管中的運(yùn)動過程進(jìn)行分析，機(jī)器人沿直管上升時運(yùn)動方程為：

式中：m為管道機(jī)器人質(zhì)量，kg；a為管道機(jī)器人加速度，m/s2；TO為電機(jī)驅(qū)動力矩，Nm； η為傳動機(jī)構(gòu)效率；i為傳動機(jī)構(gòu)減速比； μd為驅(qū)動輪與管壁間滾動摩擦系數(shù)； ?為管道傾角，rad。

機(jī)器人沿直管下降時的運(yùn)動方程為：

2.3 越障能力分析

輪式變徑管道機(jī)器人利用六輪獨(dú)立驅(qū)動方式與伸縮機(jī)架適應(yīng)管道適應(yīng)管徑變化，是保持足夠牽引力與可靠接觸的前提，對機(jī)器人在管道內(nèi)的越障能力尤為重要。圖5 為機(jī)器人過凸起障礙時的力學(xué)分析模型。驅(qū)動輪越障瞬間，且輪與障礙間無相對滑動時，應(yīng)有：

圖5 管道機(jī)器人越障分析Fig. 5 Obstacle analysis of the pipeline robot

機(jī)器人越障時的總牽引力F0為：

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 管道機(jī)器人控制系統(tǒng)原理

管道機(jī)器人控制系統(tǒng)工作原理如圖6 所示。便攜式顯控平臺通過多功能數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出行走裝置行走指令[14]，行走裝置電機(jī)驅(qū)動器接收到控制指令后控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，使行走裝置在60～90 mm 管徑內(nèi)自主行走。行走裝置上安裝有位姿傳感器及高清紅外攝像機(jī)，實時檢測行走狀態(tài)與管內(nèi)狀態(tài)，并將采集得到的傳感信息與視頻狀態(tài)信息實時回傳至便攜式可移動顯控平臺工控主板，經(jīng)多功能數(shù)據(jù)采集卡與視頻采集卡轉(zhuǎn)碼處理后顯示在高清液晶顯示屏上。

圖6 控制系統(tǒng)原理圖Fig. 6 The structure diagram of control system for the pipeline robot

3.2 控制系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)設(shè)計要求，手持式顯控平臺的主要功能是裝載管道機(jī)器人系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)，實時顯示并儲存行走裝置回傳的視頻數(shù)據(jù)、發(fā)送出行走裝置的控制指令。此外，還需實現(xiàn)電源管理模塊的充放電功能。工控主板模塊的外設(shè)接口有以太網(wǎng)接口、USB 接口、視頻AV 端子接口、COM 接口、充放電接口等。硬件接口連接方式設(shè)計如圖7 所示。上位機(jī)操作主界面主要由5 個部分所組成：標(biāo)題欄、工具欄、操作區(qū)、視頻窗口和狀態(tài)欄。

圖7 控制系統(tǒng)硬件組成圖Fig. 7 Hardware composition diagram for the control system

4 試驗驗證

4.1 管道行走試驗

在直徑變化范圍為60～200 mm 的垂直管道內(nèi)開展管道機(jī)器人在變徑管道中的行走試驗，測試管道機(jī)器人在不同直徑管道內(nèi)的移動速度與最大牽引力，試驗結(jié)果如圖8 所示。

圖8 變徑管道中行走試驗數(shù)據(jù)Fig. 8 Experimental data of walking test in variable diameter pipeline

試驗結(jié)果表明，管道機(jī)器人能夠在不同管徑的管道中保持支撐腿與管道內(nèi)壁之間良好的接觸狀態(tài)。在直徑為60 mm 管道內(nèi)行走時，移動速度為2.64 m/min，最大牽引力為37.3 N；隨管道直徑增大，機(jī)器人的移動速度逐漸增大，最大牽引力逐漸減小。

4.2 管道裂紋識別試驗

分別采用YOLO v3、YOLO-輔助、YOLO-GIoU、YOLO-AUX 這4 種算法對樣本容量為600 的管道內(nèi)壁損傷數(shù)據(jù)集開展識別試驗，識別結(jié)果如表1 所示。結(jié)果表明，優(yōu)化后的YOLO v3-AUX 算法的準(zhǔn)確率提高了4.8%，漏檢率和錯檢率分別降低了2.8% 和2.9%，提升了檢測的魯棒性。

表1 管道內(nèi)壁損傷識別結(jié)果Tab. 1 Identification results of the pipeline inner wall damage

5 結(jié) 語

1）管道機(jī)器人采用直流無刷電機(jī)與行星減速器的驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，對稱分散布置，有效減小了機(jī)器人本體尺寸，同時可快速進(jìn)行前進(jìn)與后退的轉(zhuǎn)換。

2）采用六輪獨(dú)立驅(qū)動與主動式伸縮機(jī)架形式，改善了在直管與彎管內(nèi)的附著與驅(qū)動性能，在保證一定的牽引能力和過彎能力的前提下，有效提升管道機(jī)器人對管徑變化與彎管的適應(yīng)能力，擴(kuò)展了管道機(jī)器人的應(yīng)用場景。

3）在設(shè)計管道機(jī)器人控制系統(tǒng)的前提下，進(jìn)行了垂直管道行走試驗，測試了機(jī)器人在不同管徑中的最大速度與最大牽引力。分別采用4 種識別算法對管壁損傷情況進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明優(yōu)化后的YOLO v3-AUX 網(wǎng)絡(luò)算法的檢測準(zhǔn)確率較高。