摘 要： 簡述蛇形機器人的整體框架及單元結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)不同的管徑改變相鄰模塊間的夾角以及模塊的連接總數(shù)，以適應(yīng)相應(yīng)管徑，使機器人可以貼附在管道內(nèi)壁，之后在部分關(guān)節(jié)模塊上添加驅(qū)動，以驅(qū)動機器人整體沿管道內(nèi)壁以螺旋的方式前進(jìn)。同時，運用ADAMS軟件建立在不同的管徑中機器人所需關(guān)節(jié)模塊數(shù)量以及關(guān)節(jié)模塊之間的夾角，并對機器人在管道中靜止時的受力情況進(jìn)行分析，得出機器人與管道之間的相互接觸力，關(guān)節(jié)模塊連接處的相互作用力以及相鄰模塊直接的作用轉(zhuǎn)矩大小，通過仿真實現(xiàn)在管道內(nèi)進(jìn)行螺旋前進(jìn)。

　　關(guān)鍵詞： 蛇形機器人; 管道內(nèi)探測; 螺旋前進(jìn); 齒輪傳動; 模塊化單元; 不同管徑

　　《激光雜志》(雙月刊)創(chuàng)刊于1975年，由重慶市光學(xué)機械研究所主辦。本刊是國家新聞出版局批準(zhǔn)的國內(nèi)外公開發(fā)行的刊物，以報導(dǎo)光電與激光技術(shù)為主的科技期刊。

　　0 引 言

　　管道輸送有著輸送量大、方便快捷、低成本等優(yōu)勢。在燃?xì)廨斔蜕细峭ㄟ^管道將燃?xì)鈴臍庠匆恢边B接到各類大小工廠以及千千萬萬的用戶家中，為人們的生產(chǎn)生活提供便利。但由于管道多是深埋地下，很容易受到環(huán)境腐蝕或不可抗力的自然災(zāi)害以及自身缺陷的影響，造成管道損壞、燃?xì)庑孤叮M(jìn)而導(dǎo)致環(huán)境污染、易燃物爆炸、能源浪費等嚴(yán)重事故。所以需要定期對管道內(nèi)部進(jìn)行檢查維護(hù)。傳統(tǒng)燃?xì)夤艿罊z測都是由相關(guān)人員在管道外部巡查，主要通過檢查管道周圍的燃?xì)鉂舛仁欠裼挟惓砼袛喙艿朗欠裼袚p壞，也就是只能在燃?xì)獍l(fā)生泄露之后才能發(fā)現(xiàn)管道出現(xiàn)損傷，無法對管道內(nèi)部進(jìn)行有效檢測，提前發(fā)現(xiàn)管道異常，預(yù)防事故發(fā)生。

　　一些團(tuán)隊開發(fā)出了輪式管道機器人[1?3]，可以適應(yīng)大直徑水平管道內(nèi)部檢測，但對于小直徑管道及垂直管道則無法進(jìn)入管道內(nèi)部，同時蛇形機器人[4?11]因具有運動靈活的特性，可將其應(yīng)用到管道探測中。燃?xì)夤艿栏鶕?jù)所需運力不同，分有直徑200～500 mm不等甚至更小的水平管道，所以，本文提出開發(fā)可以適應(yīng)多種不同管徑的水平管道，并且可以在管道內(nèi)以螺旋方式前進(jìn)的管道內(nèi)部探測蛇形機器人。

　　1 管道探測機器人的整體設(shè)計

　　首先對蛇形機器人的整體框架進(jìn)行設(shè)計。總體包括機械執(zhí)行機構(gòu)部分、動力部分、控制與通信部分、感知部分四個方面。機械執(zhí)行機構(gòu)部分主要是管道內(nèi)探測蛇形機器人的模塊化關(guān)節(jié)設(shè)計，保證機器人的結(jié)構(gòu)具備在管道內(nèi)運動的條件;動力部分主要是機器人的驅(qū)動力以及電力來源，采用電纜直接供電的方式;控制與通信部分主要針對關(guān)節(jié)模塊的控制以及模塊與上位機之間的通信;感知部分主要是機器人搭載的各類傳感器等。

　　管道機器人在管道中作業(yè)時，首先確定工作管道的內(nèi)徑，由控制器發(fā)出指令控制單元執(zhí)行機構(gòu)，使其自動調(diào)整各個單元關(guān)節(jié)的姿態(tài)，以使蛇形機器人整體以螺旋的方式貼附在管道內(nèi)壁。在姿態(tài)調(diào)整完成后，控制器繼續(xù)控制驅(qū)動電機工作，以帶動整體沿管壁螺旋前進(jìn)，并在前進(jìn)的過程中不斷通過各類傳感裝置如力矩傳感器、甲烷濃度傳感器、圖像傳感器等傳輸實時信息，來監(jiān)控蛇形機器人的運行狀態(tài)以及管道內(nèi)部的實時狀況。操作員通過上位機獲取機器人傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并依此做出相關(guān)反應(yīng)。

　　2 機器人的單元結(jié)構(gòu)及ADAMS建模

　　為了保證蛇形機器人靈活的特性，在結(jié)構(gòu)上采用關(guān)節(jié)單元模塊化設(shè)計，各單元模塊之間以舵機及其出軸連接件將相鄰模塊連接在一起構(gòu)成機器人整體，保證其具有的靈活特性。通過改變相鄰模塊之間的夾角及模塊連接數(shù)量，可使機器人適應(yīng)在不同的管徑中工作。

　　2.1 單元模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　由于機器人在管道內(nèi)部運動，與以往在地面及管道外部運動時的工作環(huán)境不同，以往的蛇形機器人單元結(jié)構(gòu)不再適用，所以需要對已有的蛇形機器人單元模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。首先，根據(jù)模塊所發(fā)揮的作用把單元模塊分為兩種模塊：一種負(fù)責(zé)探測采集的普通模塊;另一種負(fù)責(zé)驅(qū)動機器人前進(jìn)的驅(qū)動模塊。

　　普通模塊內(nèi)部主要包含兩個舵機，一個控制電路板，以及一些連接部件，外部為一個圓柱形外殼，在外殼兩端安裝有兩組小型車輪，如圖1所示。

　　在模塊最上方是一個U形連接件，連接件下方安裝在俯仰舵機的出軸處，上方連接下一個相鄰模塊。和U形連接件直接相連的是俯仰舵機，該舵機可由控制器控制輸出PWM波，驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)動，并同時可以通過U形連接件控制相連單元模塊左右擺動，而控制兩個單元模塊之間的夾角。接下來將俯仰舵機與圓形連接件(轉(zhuǎn)矩傳感器)直接相連，并將圓形連接件的中心安裝在下方的轉(zhuǎn)動舵機的出軸上。同樣控制轉(zhuǎn)動舵機出軸的轉(zhuǎn)動帶動圓形連接件及俯仰舵機一起轉(zhuǎn)動，就可調(diào)節(jié)相鄰單元模塊的指向。

　　之后，將轉(zhuǎn)動舵機與外殼固定連接，避免舵機在內(nèi)部發(fā)生晃動。下面放置整個舵機的控制器以及管道內(nèi)的數(shù)據(jù)采集裝置，并在最低部突出一部分，以便與下一個單元模塊相連。在外殼上選擇圓柱形的外殼，可以更加適應(yīng)圓柱形管道內(nèi)運動，減少不必要的碰撞阻礙，同時，在兩端安裝兩組小型車輪，前端車輪直徑略小于后端車輪，目的是使前后車輪在管道中都可以完全接觸管壁。避免由于車輪與管壁接觸不足，造成驅(qū)動不足，使機器人停滯在管道內(nèi)。

　　驅(qū)動模塊：在普通模塊中，模塊前后兩端的車輪都是從動輪不具有驅(qū)動能力。在普通模塊的基礎(chǔ)上，添加一個電機并使用齒輪傳動，帶動后端車輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而推動機器人前進(jìn)。

　　齒輪傳動由多個齒輪組聯(lián)合組成，如圖2所示。中間齒輪安裝在電機的出軸上，由電機帶動齒輪轉(zhuǎn)動。之后在四周環(huán)繞4個小齒輪，組成行星型齒輪，它們之間為平行傳動。在行星齒輪下方整合一組進(jìn)行垂直傳動的齒輪，之后由垂直傳動的齒輪直接帶動車輪車軸驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動。

　　2.2 ADAMS建模

　　使用ADAMS軟件平臺建立單元模塊的基本模型，并根據(jù)其探測工作進(jìn)入管道的管徑不同，改變模塊連接數(shù)及各模塊之間的連接夾角，使其整體以螺旋的方式排列在管道內(nèi)部，并可以保持姿態(tài)，通過車輪帶動其螺旋前進(jìn)。

　　首先，建立機器人在不同管徑管道內(nèi)的位置情況，如圖3所示。在直徑為500 mm的管道內(nèi)部，機器人單元模塊之間通過前后端的連接件相連，需9節(jié)單元，可螺旋一周，各單元模塊內(nèi)部旋轉(zhuǎn)舵機轉(zhuǎn)角為20°左右，俯仰舵機的轉(zhuǎn)角在40°左右。在管道中，各個單元模塊中的舵機通過控制器控制其保持轉(zhuǎn)角不變，前后端的車輪直接接觸管壁，在初始時可以保持這種螺旋姿勢不動，在運動時，通過電機驅(qū)動后端車輪轉(zhuǎn)動，帶動整體機器人螺旋前行。

　　按照同樣的方式，在直徑為350 mm的管道中，建立機器人模型。在直徑為350 mm的管道內(nèi)部，機器人單元模塊之間通過前后端的連接件相連，需7節(jié)單元，可螺旋一周，在直徑為200 mm的小管道內(nèi)，各單元模塊直接相連，各舵機保持零轉(zhuǎn)角，使其連接成直線模型，直接放置在管道底部，當(dāng)需要運動時，控制后端車輪前進(jìn)。這樣使蛇形機器人不但可以滿足300～500 mm不同管徑的工作要求，在小管徑的管道中依然可以工作。

　　3 力學(xué)分析及運動仿真

　　在對管道機器人完成基礎(chǔ)建模后，對機器人在管道中穩(wěn)定時進(jìn)行靜力學(xué)分析，得出使機器人貼附在管壁上時與管壁的接觸力、機器人各個模塊之間的相互作用力以及推動機器人前進(jìn)所需的最小動力。

　　對機器人在管道中保持螺旋姿態(tài)靜止下的靜力學(xué)分析。在靜止時，關(guān)節(jié)模塊的受力主要包括自身的重力，與管壁的接觸力以及相鄰模塊之間的相互作用力，其中接觸力包括管壁對模塊產(chǎn)生的彈力以及摩擦力。自管道入口處按順序為關(guān)節(jié)模塊命名為J1～J7，如圖4所示，本文取部分關(guān)節(jié)模塊對其進(jìn)行受力分析。設(shè)單元模塊的中心軸線與[YOZ]的夾角為[α]，與[XOZ]的夾角為[θ]。

　　首先對第一個關(guān)節(jié)模塊J1進(jìn)行受力分析，如圖4所示，J1模塊所受重力[Fg1]垂直向下，管道與模塊J1之間的接觸力[Fc1](包括管壁彈力[Fn1]垂直于模塊中軸線向上以及摩擦力[Ff1]沿軸線與機器人單元模塊的運動趨勢相反)，相鄰模塊的作用力[FJ1?J2]。將每個作用力沿全局坐標(biāo)的[X]，[Y]，[Z]方向分解可得到靜力平衡方程：

　　4 結(jié) 論

　　運用蛇形機器人靈活結(jié)構(gòu)的特性，并結(jié)合管道探測的需求，將蛇形機器人應(yīng)用到管道探測中，提高管道探測機器人的適應(yīng)性。機器人模塊化的設(shè)計使其可以根據(jù)不同的管徑管道，調(diào)整各模塊之間的夾角位姿，以螺旋方式貼附在管壁內(nèi)，即使管徑過小可能導(dǎo)致機器人無法調(diào)整適合的角度貼附管壁，但只要管徑大于單個關(guān)節(jié)的直徑70 mm，機器人依然可以以180°夾角的直線方式相連，形成直線型蛇形機器人，由驅(qū)動部分直接驅(qū)動沿管道前進(jìn)。該機器人具備了很強的適應(yīng)性，將其應(yīng)用到燃?xì)夤艿捞綔y中，可以十分方便地取得管道內(nèi)部的使用狀態(tài)，及時掌握管道內(nèi)的損傷，并在很大程度上提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，對于燃?xì)夤艿赖木S護(hù)與檢修將提供很大的幫助。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 王毅，邵磊.管道檢測機器人最新發(fā)展概況[J].石油管材與儀器，2016，2(4)：6?10.

　　WANG Yi， SHAO Lei. The latest development of pipeline inspection robot [J]. Petroleum pipes and instruments， 2016， 2(4)： 6?10.

　　[2] 曹建樹，徐寶東，劉強，等.支承輪式管道機器人變徑機構(gòu)動力學(xué)分析[J].新技術(shù)新工藝，2015(2)：87?90.

　　CAO Jianshu， XU Baodong， LIU Qiang， et al. Dynamic analysis of variable diameter mechanism of supporting wheeled pipe robot [J]. New technology and new process， 2015(2)： 87?90.

　　[3] 劉清友，李雨佳，任濤，等.主動螺旋驅(qū)動式管道機器人[J].機器人，2014，36(6)：711?718.

　　LIU Qingyou， LI Yujia， REN Tao， et al. Active screw driven pipe robot [J]. Robot， 2014， 36(6)： 711?718.

　　[4] 王生棟. 蛇形機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動控制研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

　　WANG Shengdong. Snake like robot structure design and motion control [D]. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2016.