馮 凌,楊華夏，魏 東

(國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶 401123)

分體式電纜隧道檢測機器人的移動結(jié)構(gòu)研究

馮 凌,楊華夏，魏 東

(國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶 401123)

隨著城市電纜隧道的不斷增加，為確保電纜隧道內(nèi)環(huán)境檢測和電纜的安全運行，對電纜隧道檢測機器人進行研究具有重要意義，而目前國內(nèi)外對于電纜隧道檢測機器人的研究還處于初期發(fā)展階段。介紹了電纜隧道檢測機器人的現(xiàn)狀，為采集電纜隧道內(nèi)部環(huán)境圖像、溫度、有毒氣體等信息，需要開發(fā)適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的機器人移動結(jié)構(gòu)。通過對電纜隧道環(huán)境類似的管道機器人移動結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析與綜合比較，將履帶、輪式、多節(jié)機器人移動結(jié)構(gòu)作為設(shè)計的重點參考對象。通過進一步分析履帶、輪式、多節(jié)機器人移動結(jié)構(gòu)的特點，提出了多節(jié)分體式機器人的研究思路，并設(shè)計了分體式機器人移動結(jié)構(gòu)。通過機器人運動分析，驗證了該移動結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性?；诜煮w式電纜隧道檢測機器人移動結(jié)構(gòu)研究，為后續(xù)電纜隧道檢測機器人的研究提供了有益借鑒和參考。

機器人； 電纜隧道； 傳感器； 通信； 環(huán)境監(jiān)測； 輸油管道； 管道檢測

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市用電量不斷攀升，鋪設(shè)的輸電線路也越來越多。市區(qū)外電纜敷設(shè)以架空輸電線路為主，而市區(qū)內(nèi)則采用直埋、電纜隧道以及排管等方式[1]。為了合理規(guī)劃城市布局，保證人員和設(shè)施的安全，電纜隧道的敷設(shè)方式越來越受到重視。為實現(xiàn)電纜隧道內(nèi)部環(huán)境的檢測和確保電纜的安全運行，研究電纜隧道檢測機器人具有積極意義。

電纜隧道是容納大量敷設(shè)在電纜支架上電纜的走廊或隧道式構(gòu)筑物。由于隧道內(nèi)部可能存在可燃性、有毒性氣體，會對人工作業(yè)造成危害；當隧道內(nèi)電纜發(fā)生故障時，容易引起爆炸、火災(zāi)等異常情況，會產(chǎn)生大量濃煙和有毒氣體，既腐蝕電氣設(shè)備，又對人體有害。此外，電纜隧道內(nèi)因諸多原因引起的積水現(xiàn)象也給電纜的長時間運行帶來了極大的安全隱患[2]。

目前，電纜隧道的檢測主要采用人工方式[3]，國內(nèi)外仍缺乏對電纜隧道檢測機器人的有關(guān)研究。在分析現(xiàn)有少量的電纜隧道機器人和工作環(huán)境相近的管道機器人移動結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種適合電纜隧道環(huán)境的機器人移動結(jié)構(gòu)。

1 電纜隧道檢測機器人現(xiàn)狀分析

電纜隧道檢測機器人是管道檢測機器人的一種。由于檢測對象繁多，需要搭載多種傳感器設(shè)備。電纜隧道檢測機器人需要對隧道內(nèi)部的工作環(huán)境進行圖像采集，對溫度和有毒有害氣體(如CO、CO2、CH4、SO2等)濃度進行檢測，并將采集到的實時信息傳送到地面處理中心[4]。

基于電纜隧道復(fù)雜的環(huán)境和種類繁多的檢測對象，電纜隧道檢測機器人需要采用獨特的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。管道機器人移動結(jié)構(gòu)分類如圖1所示，包括流體壓力式、輪式、爬行式、彈性桿式、腳式、蠕動式等[5]。本文主要針對比較接近電纜隧道的工作環(huán)境，對管道機器人移動結(jié)構(gòu)進行分類和研究。

圖1 管道機器人移動結(jié)構(gòu)分類圖

2 電纜隧道檢測機器人移動結(jié)構(gòu)分析

由于國內(nèi)外對電纜隧道檢測機器人的研究比較少，而且電纜隧道可以看作管道的一種特殊環(huán)境，因此可以參考現(xiàn)有管道機器人的設(shè)計方案，解決電纜隧道檢測機器人面臨的技術(shù)難題。按照管道機器人的工作環(huán)境進行分類，能夠更好地適應(yīng)電纜隧道環(huán)境的特殊性；工作環(huán)境主要可分為輸油管道、燃氣管道、排水管道、空調(diào)風(fēng)管、油煙管道等[6]。下面在分析各種管道機器人的基礎(chǔ)上探討解決方案。

2.1 管道檢測和維護機器人

2.1.1 輸油管道檢測和維護機器人

輸油管道可實現(xiàn)汽油、柴油、煤油等成品油的長距離輸送，目前正向大口徑、高壓力的大型管道發(fā)展。從20世紀50年代開始，為了實現(xiàn)長距離輸油管道運輸、自動檢測及維護，美、法、英、日等國著手研制管道檢測機器人。典型的成果是無動力管道檢測和維護設(shè)備[7]，該設(shè)備外徑略大于管道直徑，將其壓入管道后，由設(shè)備首尾兩端管內(nèi)流體形成的壓差提供動力，克服管壁與活塞間的摩擦力向前運動。

無動力管道檢測和維護設(shè)備是為特定管道設(shè)計的，行走距離遠且不必拖纜作業(yè)；但其無法大范圍變徑管道，且無自主行走能力，在管道內(nèi)只能單向運動，不能適應(yīng)管徑變化，運動速度不易控制，所以并不適合電纜隧道的設(shè)計要求。

2.1.2 燃氣管道檢測和維護機器人

燃氣管道可將煤氣、天然氣等燃氣輸送給工業(yè)企業(yè)、公共建筑和居民用戶使用。燃氣管機器人誕生于20世紀40年代，到20世紀90年代取得較快發(fā)展。為了適應(yīng)不同直徑管道的檢測，燃氣管道機器人需具備管徑適應(yīng)調(diào)整機構(gòu)，主要包括兩個方面[8]：在不同直徑的管道中能張開或收縮，改變機器人的外徑尺寸，使機器人能在各種直徑的管道中行走作業(yè)；可以提供附加正壓力，增加機器人的驅(qū)動輪與管道內(nèi)壁間的壓力，改善機器人的牽引性能，增加管內(nèi)移動檢測距離。

燃氣管道機器人的移動結(jié)構(gòu)主要采用多節(jié)方式或者磁性內(nèi)外輪方式，能有效通過T型或90°彎管，行動方便；但對管壁材料有依賴性或?qū)艿腊霃接芯窒?。其中多?jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性可以為電纜隧道檢測機器人提供參考。

2.1.3 排水管道檢測和維護機器人

排水管道是匯集和排放污水、廢水和雨水的管渠。20世紀80年代，歐美國家已經(jīng)研制出具有實用價值的排水管道機器人。排水管道機器人以輪式為主[9]，可以在有淤泥和大量積水的環(huán)境下工作，能夠在管道內(nèi)自由行走，可為電纜隧道檢測機器人的移動結(jié)構(gòu)提供有效參考。

2.2 管道清潔機器人

2.2.1 風(fēng)管清潔機器人

風(fēng)管是實現(xiàn)空氣輸送和分布的管道系統(tǒng)，可按截面形狀分為圓形風(fēng)管、矩形風(fēng)管、扁圓風(fēng)管等。20世紀90 年代末才誕生了風(fēng)管清掃移動機器人，其中代表性的產(chǎn)品有：英國的 Indoor、瑞典的 Wintclean、韓國的Hanlin、加拿大的沙漠風(fēng)暴等[10]。這些機器人的結(jié)構(gòu)大同小異，移動機構(gòu)基本采用輪式或雙履帶式，性能水平并沒太大差別。中國的履帶式風(fēng)管管道機器人主要有上海億仕龍公司和東華大學(xué)的多履帶腿式風(fēng)管機器人[11]。浙江大學(xué)研究的中央空調(diào)管道式通風(fēng)系統(tǒng)清潔機器人能夠同時清掃兩個壁面[12]。

風(fēng)管機器人主要采用輪式或者履帶式，能在風(fēng)管中自由移動，可作為電纜隧道檢測機器人的有效參考。

2.2.2 油煙管道清潔機器人

油煙管道可實現(xiàn)對油煙的排放。油煙管道清洗機器人是專門針對酒店、賓館、學(xué)校、企事業(yè)單位等的油煙管道專用清洗機器人。機械裝置主要由爬行裝置和噴桿運動機構(gòu)組成，其工作原理為：機器人由爬行裝置實現(xiàn)管道內(nèi)部的運動作業(yè)，噴桿運動機構(gòu)以爬行機構(gòu)為搭載平臺，裝載高壓流噴桿來實現(xiàn)管道內(nèi)部的全面清洗。油煙管道機器人主要采用螺旋式或者履帶式結(jié)構(gòu)。螺旋管道機器人采用螺旋運動方式，能夠更好地適應(yīng)油煙管道環(huán)境。中國武漢亞伯蘭機電有限公司生產(chǎn)的煙道機器人的質(zhì)量為18 kg，最大爬坡能力為30%，采用高壓射流清洗，電源220 V，功率60 W[13]。大連工業(yè)大學(xué)也提出了類似的煙道機器人[13]。

螺旋式油煙管道機器人對管道半徑有依賴，履帶式油煙管道機器人可以更自由地行走，可作為電纜隧道檢測機器人的有效參考。

2.2.3 排水管道清淤機器人

排水管道的清潔主要采用高壓水射流技術(shù)，并結(jié)合傳統(tǒng)管道清洗技術(shù)，主要應(yīng)用于市政燃氣、給排水工程、油田、礦業(yè)、電力、造紙、化工、建筑等行業(yè)。

2000年，德國圣奧古斯汀的Fraunhofer自動化智能系統(tǒng)研究所成功研制了世界上第一個鏈式污水管道機器人——MAKRO管道機器人[14]。它采用分段蠕蟲狀外形設(shè)計，具備了前所未有的靈活性，適用于大直徑、淤積不嚴重、管路復(fù)雜的排水管道。2002年，美國佛羅里達大學(xué)電子及計算機工程學(xué)院智能機械設(shè)計實驗室研制了OH’S管道清理機器人[15]，該機器人由頭部、驅(qū)動、穩(wěn)定性控制三個部分組成。清華大學(xué)研制的下水自動清淤機器人[16]適用于直徑為400 mm的管道，載體采用了輪式行走機構(gòu)、四輪驅(qū)動方式，以三相異步電機作原動機。哈爾濱工程大學(xué)的城市排水管道穿纜檢測機器人[17]采用了履帶式行走機構(gòu)，可檢測、疏通直徑大于500 mm的城市排水管道。

排水管道清潔機器人主要采用輪式和履帶式結(jié)構(gòu)，能夠在管道內(nèi)有效行走，可為電纜隧道檢測機器人設(shè)計提供參考。

3 管道機器人移動結(jié)構(gòu)分析和選擇

通過對以上重要管道環(huán)境和管道機器人進行分析，可發(fā)現(xiàn)電纜隧道環(huán)境相對復(fù)雜，對機器人移動結(jié)構(gòu)要求很高，目前僅有少數(shù)科研機構(gòu)對電纜隧道檢測機器人進行了直接研究。表1是對各種機器人移動結(jié)構(gòu)的綜合比較，其中排水管道、風(fēng)管和油煙管道等的環(huán)境比較接近電纜隧道，機器人移動結(jié)構(gòu)設(shè)計以輪式、履帶式和多節(jié)結(jié)構(gòu)為主。在石油管道或者燃氣管道等環(huán)境中，機器人對管壁的依賴比較高，主要采取固定管徑或者變徑結(jié)構(gòu)方式。在燃氣管道中采用多節(jié)移動結(jié)構(gòu)，可以更加方便地通過T型或90°彎管。

表1 各種移動結(jié)構(gòu)的綜合比較

從表1分析可知，履帶、輪式、多節(jié)結(jié)構(gòu)是較為可行的移動結(jié)構(gòu)，可作為電纜隧道機器人移動結(jié)構(gòu)的參考，下面對這三類移動結(jié)構(gòu)作進一步分析。

3.1 履帶式移動結(jié)構(gòu)

履帶式移動結(jié)構(gòu)能夠在油污、泥濘、障礙等惡劣條件下達到良好的行走狀態(tài)。履帶與管底部的接觸面積大，附著力也大，具有優(yōu)越的越障性能，適用于復(fù)雜的管道內(nèi)環(huán)境。履帶式結(jié)構(gòu)機器人靠履帶卷繞時管道底部對履帶產(chǎn)生的反作用力，推動機器人在管道內(nèi)運動。其中起主要作用的是機器人履帶的驅(qū)動段和接地段，通過驅(qū)動段產(chǎn)生拉力(相對機器人而言是內(nèi)力)，將接地段從重輪下拉出，與管道底部產(chǎn)生反作用力(外力)，提供較強的驅(qū)動能力。

履帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易小型化，轉(zhuǎn)向性能不如輪式移動結(jié)構(gòu)。當障礙物的高度超過履帶輪直徑一定程度時，無法實現(xiàn)有效跨越。只有克服以上缺點，履帶式移動結(jié)構(gòu)才能在電纜隧道中應(yīng)用。

3.2 輪式移動結(jié)構(gòu)

輪式管道機器人以其結(jié)構(gòu)簡單、運動平穩(wěn)、速度快、行走效率高、易于小型化和控制容易等優(yōu)點，在風(fēng)管和排水管道等管道環(huán)境中大量使用。輪式移動結(jié)構(gòu)可以分為支撐輪式和車型式兩種，在管道中各有優(yōu)缺點。

支撐輪式在結(jié)構(gòu)上采用對稱的形式，機器人通過沿管道軸向等間隔分布多組行走機構(gòu)，支撐在管道內(nèi)壁上，能在管內(nèi)自定心行走。隨著管道直徑發(fā)生變化或者機器人在管道內(nèi)部調(diào)整姿勢，機器人的中心軸線需要與管道中心軸線保持一致；由于對稱支撐的作用，會產(chǎn)生較大的封閉力和很強的牽引力，使機器人可以在垂直管道內(nèi)行走。但由于對管道直徑和管壁過于依賴，支撐輪式不太適合電纜隧道環(huán)境。

車型式移動結(jié)構(gòu)較簡單，體積較小，在管道內(nèi)運動靈活，可以在電纜隧道內(nèi)有效運行。但是其牽引力較小，爬坡能力有限，不能直接進入垂直圓管內(nèi)。機器人在圓管內(nèi)的運動穩(wěn)定性只存在于較小的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)范圍內(nèi)，需要產(chǎn)生附加封閉力的裝置。在電纜隧道底部，運行環(huán)境相對平坦和寬敞，可以克服無外加封閉力的缺點，在增強牽引力的基礎(chǔ)上可以較好地進行轉(zhuǎn)彎和爬坡動作。

在設(shè)計電纜隧道機器人移動結(jié)構(gòu)時，可以考慮支撐輪的優(yōu)點，提供有效的牽引力和爬坡支撐力。

3.3 多節(jié)移動結(jié)構(gòu)

多節(jié)移動結(jié)構(gòu)機器人的節(jié)與節(jié)之間通過可控萬向絞鏈連接，其支持方式采用彈簧支持式連桿結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)一定的管徑范圍。多節(jié)中前后各有一個驅(qū)動節(jié)或轉(zhuǎn)向節(jié)，中間為工作節(jié)，用于搭載各種傳感器進行作業(yè)，前進和后退方向都具有主動轉(zhuǎn)向能力，從而實現(xiàn)越過障礙物或者拐彎運動，并通過各種彎管接頭。

為了使機器人能夠在管道內(nèi)靈活地進行彎道轉(zhuǎn)彎運動，將機器人的多種功能分散到相互聯(lián)接的單元體上，每一單元體中都安裝有各種元器件，如驅(qū)動單元、檢測控制單元、電池單元、管道清理單元等；單元體上、下各有一個滑動輪，下方的滑輪是固定在單元體上起支撐作用的，上方的滑輪可上下伸縮，以確保在管道內(nèi)有污垢時機器人能夠順利通過；各段之間采用可自由分合的連接方式，當機器人某段單元體卡在管道中時，其他單元體可以與其斷開，執(zhí)行其他操作。

對于電纜隧道這樣復(fù)雜的環(huán)境，需要檢測的目標比較多，搭載的傳感器數(shù)量也很多。采用多節(jié)的方式不僅可以搭載足夠的傳感器，而且可以有效地在電纜隧道中運行，這種設(shè)計思路值得借鑒。

4 電纜隧道檢測機器人移動結(jié)構(gòu)

4.1 機器人移動結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了使機器人有效地在電纜隧道環(huán)境中運行，可以結(jié)合履帶、輪式、多節(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，設(shè)計出三節(jié)移動結(jié)構(gòu)的機器人。采用對稱設(shè)計，每一節(jié)的底座使用履帶，前后兩節(jié)中采用前導(dǎo)驅(qū)動輪作為支撐輪，以搭載足夠的傳感器；利用支撐輪和擺臂的作用，進行有效的避障；利用履帶的優(yōu)點，實現(xiàn)良好的行走；可以在不掉頭的情況下，利用前后兩頭相同的設(shè)計，實現(xiàn)雙向行走。電纜隧道檢測機器人移動結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機器人移動結(jié)構(gòu)圖

電纜隧道檢測機器人移動平臺設(shè)計為三節(jié)，前后兩節(jié)的移動結(jié)構(gòu)是相同的，提供主要的驅(qū)動力，實現(xiàn)避障、轉(zhuǎn)彎、爬坡、主動轉(zhuǎn)向等功能。機器人搭載CCD云臺、紅外熱成像儀等成像傳感器，探知電纜隧道內(nèi)部的環(huán)境，通過天線向地面控制中心無線傳輸圖像和數(shù)據(jù)信息；在機器人底部搭載超聲波傳感器，用于探測和避障; 中間的一節(jié)搭載溫度檢測傳感器、氣體檢測傳感器等，滿足電纜隧道環(huán)境檢測的需求。

電纜隧道檢測機器人移動結(jié)構(gòu)采用對稱分布，移動平臺一共采用六臺電機。中間節(jié)為被動式運動，無需安裝電機驅(qū)動；前后兩節(jié)各配置三臺電機，其中一臺用于驅(qū)動前導(dǎo)驅(qū)動輪，通過控制擺臂電機將蝸桿減速機和擺臂相連，利用蝸桿傳動的自鎖性，來控制擺臂的角度，從而使機器人能更加方便地通過障礙物。其他兩臺電機各驅(qū)動一條履帶，通過控制履帶的差速運動實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向運動。

對稱分布結(jié)構(gòu)是在每兩節(jié)之間采用可控平衡連桿連接，連桿由支持彈簧座、彈簧、滑塊等組成，各節(jié)之間還搭載通信線纜，可實現(xiàn)節(jié)與節(jié)之間的信息交互和控制。

4.2 機器人運動分析

機器人移動結(jié)構(gòu)的運動分析主要包括跨越障礙物、爬坡、轉(zhuǎn)彎和避障等，從這些運動中可以看到本移動結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，可適應(yīng)復(fù)雜的電纜隧道環(huán)境，完成機器人檢測的任務(wù)。當機器人前方出現(xiàn)大的障礙物(如臺階、門檻等)且高度明顯超過機器人底座時，機器人通過調(diào)節(jié)前導(dǎo)驅(qū)動輪和擺臂位置，順利通過壁障，具體策略如圖3所示。

圖3 機器人跨越障礙物策略示意圖

當機器人遇到大角度的斜坡時，利用履帶驅(qū)動能力強的優(yōu)點進行運動，其上、下坡策略如圖4所示。

圖4 機器人上、下坡策略示意圖

當機器人轉(zhuǎn)彎或者避障時，利用底座安裝的超聲波傳感器檢測電纜隧道內(nèi)的情況，實施轉(zhuǎn)彎或避障策略，其運動軌跡如圖5所示。

圖5 機器人轉(zhuǎn)彎和避障策略示意圖

5 結(jié)束語

由于電纜隧道環(huán)境比一般的管道環(huán)境更加復(fù)雜、需要檢測的對象更多，因而對機器人移動結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求更高。本文在研究和分析了現(xiàn)有電纜隧道和相關(guān)管道機器人移動結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種結(jié)合履帶、輪式、多節(jié)結(jié)構(gòu)的機器人移動結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以搭載足夠數(shù)量的傳感器，并提供較強的驅(qū)動力，從而有效地進行轉(zhuǎn)彎和避障等行為，在電纜隧道中行走自如。今后還需重點解決避障、彎道通過性、供能和通信等問題，使之具有實際工程應(yīng)用價值。

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Research on the Moving Structure of Split Cable Tunnel Inspection Robot

FENG Ling,YANG Huaxia,WEI Dong

(Electric Power Research Institute,State Grid Chongqing Electric Power Company,Chongqing 401123,China)

With the increasing number of the urban cable tunnels,in order to ensure the safety operation of cables and environmental inspection inside tunnels,it is of great value and significance to study on replacing manual operation by the robots for cable tunnel detection.At present,the research on robots for cable tunnel detection at home and abroad is still in the initial stage of development.The current situation of the cable tunnel detection robots is introduced.For the collection of information about environmental image,temperature and toxic gas in the cable tunnel,it is necessary to develop the moving structure of robot,to adapt to the complex environment.Based on the analysis and comparison of the structure of the in-pipe robot,which is similar to the cable tunnel environment,the moving structures of track,wheel and multi-section robots are taken as the key reference object of the design.Based on the analysis of the characteristics of the moving structures of track,wheel and multi-section robots,the research idea of the multi-section split robot is proposed,and the moving structure of the split type robot is designed.The superiority of this moving structure is verified by the analysis of motion of robot.This provides useful reference for subsequent research on cable tunnel detection robots.

Robot; Cable tunnel; Sensor; Communication; Environmental monitoring； Oil pipeline; Pipeline inspection

馮凌(1981—)，男，碩士，高級工程師，主要從事自動化與高壓電能計量技術(shù)的研究和推廣工作。E-mail：fenglingcq@sina.com。

TH-3;TP2

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706011

修改稿收到日期：2017-01-09