顏凱凱 王亞慧

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。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)進行螺旋前進。

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

中圖分類號： TN876?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）19?0082?04

Abstract： The overall framework and unit structure design of snake?shape robot are briefly described in this paper. The modular design is adopted for the snake?shape robot to change the angle between adjacent modules and the total number of connection of modules according to different pipe diameters to adapt itself to the corresponding pipe diameter， so that the robot can attach to the inner wall of the pipe and then add the drive to the part of the joint module to drive the whole body of the robot and move along the inner wall of the pipe in a spiral way. The existing snake?shape robot joint module was improved according to the application conditions in the inner wall of the pipe. The ADAMS software is used to establish the joint modules and the angle between the joint modules in different pipe diameters. The force situation of the robot in the pipe is analyzed. The contact force between the robot and the pipe， the interaction force of the joint module and the direct torque size of the adjacent modules are obtained. The spiral walking of the robot in a pipe was realized by simulation.

Keywords： snake?shape robot; in?pipe detection; spiral forward; gear drive; modular unit; different pipe diameter

0 ?引 ?言

管道輸送有著輸送量大、方便快捷、低成本等優(yōu)勢。在燃氣輸送上更是通過管道將燃氣從氣源一直連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、燃氣泄露，進而導致環(huán)境污染、易燃物爆炸、能源浪費等嚴重事故。所以需要定期對管道內(nèi)部進行檢查維護。傳統(tǒng)燃氣管道檢測都是由相關(guān)人員在管道外部巡查，主要通過檢查管道周圍的燃氣濃度是否有異常來判斷管道是否有損壞，也就是只能在燃氣發(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。燃氣管道根據(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，并在前進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)進行改進。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：一種負責探測采集的普通模塊;另一種負責驅(qū)動機器人前進的驅(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，進而推動機器人前進。

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。

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，當需要運動時，控制后端車輪前進。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)定時進行靜力學分析，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。該機器人具備了很強的適應(yīng)性，將其應(yīng)用到燃氣管道探測中，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)果的準確性，對于燃氣管道的維護與檢修將提供很大的幫助。

參考文獻

[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，2016.

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

[5] 魏武，李鐘.橋梁纜索檢測攀爬蛇形機器人的設(shè)計與實現(xiàn)[J].公路交通科技，2014，31（1）：152?158.

WEI Wu， LI Zhong. Design and implementation of climbing robot for bridge cable detection [J]. Road traffic science and technology， 2014， 31（1）： 152?158.

[6] ROLLINSON D， CHOSET H. Pipe network locomotion with a snake robot [J]. Journal of field robotics， 2016， 33（3）： 322?336.

[7] TANAKA M， TANAKA K. Control of a snake robot for ascen?ding and descending steps [J]. IEEE transactions on robotics， 2015， 31（2）： 511?520.

[8] WRIGHT C， BUCHAN A， BROWN B， et al. Design and architecture of the unified modular snake robot [C]// 2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation （ICRA）. [S.l.]： IEEE， 2012： 4347?4354.

[9] TAKEMORI T， TANAKA M， MATSUNO F. Gait design of a snake robot by connecting simple shapes [C]// 2016 IEEE International Symposium on Safety， Security， and Rescue Robotics （SSRR）. [S. l.]： IEEE， 2016： 189?194.

[10] MELO K， LEON J， DI ZEO A， et al. The modular snake robot open project： turning animal functions into engineering tools [C]// 2013 IEEE International Symposium on Safety， Security， and Rescue Robotics （SSRR）. [S. l.]： IEEE， 2013： 1?6.

[11] KIM H M， CHOI Y S， LEE Y G， et al. Novel mechanism for in?pipe robot based on a multiaxial differential gear mechanism [J]. IEEE/ASME transactions on mechatronics， 2017， 22（1）： 227?235.