王美奇，劉泓愷，陳均峰，黃裕寶，盧桂萍

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化學(xué)院，廣東珠海 519088）

0 引言

隨著中國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，管道運(yùn)輸廣泛應(yīng)用于石油、化工、能源、食品加工、城市供排水、農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域。目前針對(duì)細(xì)小管道、輸送有毒介質(zhì)和海底石油天然氣等管道方面的研究還很少，理論與技術(shù)等方面還不是很成熟。自適應(yīng)管道爬行機(jī)器人的研發(fā)涉及到機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、電機(jī)學(xué)等多學(xué)科，設(shè)計(jì)難度大[1]。印度NITTTR學(xué)院研制了一臺(tái)螺旋驅(qū)動(dòng)型輪式管道機(jī)器人，可應(yīng)用于垂直管道內(nèi)檢測(cè)工作[2]。該機(jī)器人采用螺旋驅(qū)動(dòng)原理，包括轉(zhuǎn)子和定子兩個(gè)主要機(jī)械結(jié)構(gòu)。如果有不同的行進(jìn)速度要求，調(diào)整轉(zhuǎn)子輪的傾斜角度即可滿足。由于車(chē)輪與管道壁接觸面積小，在不平坦的管道內(nèi)表面行走時(shí)，有可能會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)、停機(jī)現(xiàn)象。

基于模糊控制算法的“自適應(yīng)管道缺陷檢測(cè)爬行機(jī)器人”可以實(shí)現(xiàn)爬行器在管道中的爬行與檢測(cè)，解決現(xiàn)有技術(shù)中不能適應(yīng)管道直徑變化，帶電纜工作，行程受到限制，轉(zhuǎn)彎能力差，管道附著能力差，通融能力差，檢測(cè)強(qiáng)度高，檢測(cè)效率低，不能縱向方向行走等問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)可靠，效率高，適用于天然氣管道、城市管道。

1 設(shè)計(jì)方案

方案流程如圖1所示，自適應(yīng)管道缺陷檢測(cè)爬行器在管道中前進(jìn)后，利用控制器，將機(jī)械臂長(zhǎng)調(diào)到需要的高度，爬行器在爬行過(guò)程中會(huì)不斷發(fā)出和接收檢測(cè)信號(hào)；信號(hào)傳回后，控制單元處理接收到的檢測(cè)信號(hào)，并判斷是否存在缺陷；當(dāng)判斷存在缺陷時(shí)，控制端會(huì)發(fā)出聲音，提醒檢測(cè)人員管道疑存在缺陷，控制端人為控制云臺(tái)旋轉(zhuǎn)（全方位旋轉(zhuǎn)），使缺陷檢測(cè)裝置對(duì)準(zhǔn)缺陷位置；當(dāng)判斷不存在缺陷時(shí)，爬行器繼續(xù)前進(jìn)，當(dāng)遇到直徑不同的管道時(shí)，如果管徑變化幅度不大，利用自身機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，遇到轉(zhuǎn)彎、管道內(nèi)有障礙物等情況時(shí)，爬行器會(huì)利用其自身機(jī)械結(jié)構(gòu)，繼續(xù)前進(jìn)并檢測(cè)。

圖1 方案流程圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用了齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)紅外傳感器旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，電機(jī)帶動(dòng)履帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)器移動(dòng)，應(yīng)用連桿機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)機(jī)身大小的尺寸變化。

2.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2所示為管道缺陷檢測(cè)爬行器整體結(jié)構(gòu)圖，由云臺(tái)檢測(cè)裝置、移動(dòng)及越障裝置、機(jī)身調(diào)節(jié)裝置、外觀殼體、用于組裝的零部件、連桿、傳感器和各個(gè)裝置的電機(jī)構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)可靠，效率高。

圖2 管道爬行器立體結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 云臺(tái)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3所示為云臺(tái)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖，主要由紅外線傳感器與攝像機(jī)相結(jié)合，紅外線傳感器與攝像機(jī)都設(shè)置在云臺(tái)上。自適應(yīng)管道缺陷檢測(cè)爬行器在管道中爬行中，電機(jī)帶動(dòng)行星輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，云臺(tái)的紅外線傳感器對(duì)管道中的各個(gè)位置發(fā)出紅外線信號(hào)，實(shí)現(xiàn)全面性的檢測(cè)。信號(hào)傳回后，控制單元處理接收到的檢測(cè)信號(hào)，并判斷是否存在缺陷。當(dāng)判斷存在缺陷時(shí)，云臺(tái)的控制單元控制云臺(tái)旋轉(zhuǎn)，使紅外線對(duì)準(zhǔn)缺陷位置，并通過(guò)攝像機(jī)將圖像傳回。

圖3 云臺(tái)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 移動(dòng)及越障裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4所示為移動(dòng)及越障裝置結(jié)構(gòu)圖，主要由驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、皮帶、電機(jī)組成。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，第一驅(qū)動(dòng)輪和第二驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)履帶繞轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)管道缺陷檢測(cè)爬行器在管道中移動(dòng)。當(dāng)遇到小型障礙物時(shí)，第一導(dǎo)向輪與梯形結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)配合下，引導(dǎo)履帶繞轉(zhuǎn)上障礙物，防止跑偏或越軌；第二導(dǎo)向輪順勢(shì)推進(jìn)越過(guò)障礙物。在第一、第二導(dǎo)向輪越過(guò)障礙物的時(shí)候，梯形結(jié)構(gòu)與第一驅(qū)動(dòng)輪協(xié)調(diào)配合，使其帶動(dòng)履帶繞轉(zhuǎn)到障礙物之上，進(jìn)而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪繞過(guò)障礙物。導(dǎo)向輪與驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)置作用在于可以縮短履帶驅(qū)動(dòng)區(qū)段的長(zhǎng)度，減少因驅(qū)動(dòng)力造成履帶銷(xiāo)處的摩擦損失，延長(zhǎng)了履帶的使用壽命，且不易造成履帶下部拱起，避免了轉(zhuǎn)向時(shí)履帶脫落的危險(xiǎn)，有利于提高行走系統(tǒng)效率。履帶輪和梯形機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)配合也可以支撐其在水平、縱向方向的爬行，多個(gè)方向的支撐使得爬行器在管道中更加穩(wěn)固，使得其在水平以及縱向方向上平穩(wěn)爬行；在過(guò)彎道時(shí)，履帶的自然過(guò)渡也使得爬行器的轉(zhuǎn)彎能力大大增強(qiáng)。

圖4 移動(dòng)及越障裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 機(jī)身調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5所示為機(jī)身調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖，主要由連桿以及絲桿組成。自適應(yīng)管道缺陷檢測(cè)爬行器在管道中爬行中，遇到管道尺寸由小變大的情況下，可通過(guò)控制電機(jī)使得絲桿傳動(dòng)，從而推動(dòng)支架向后移動(dòng)，從而使固定在支架上的連桿一端也向后移動(dòng)，連桿的另一端在力的作用下向上移動(dòng)，從而使爬行器的直徑變大，從而可以順利在大管道中前進(jìn)。相同道理，如若要從大直徑的管道向小直徑管道前進(jìn)，只需使連桿向前推移即可實(shí)現(xiàn)。

圖5 機(jī)身調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖

2.3 電機(jī)選型

2.3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇：

根據(jù)管道摩擦因數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的分析，管道摩擦因數(shù)一般都為0.5。該機(jī)器的質(zhì)量為1.83 kg，機(jī)器的靜阻力根據(jù)公式最終算得為945 N=0.945 G，在管道中機(jī)器的運(yùn)行速度為0.27 m/s，傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)效率為0.9。

根據(jù)負(fù)載功率公式：

圖6 自適應(yīng)模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

得PL=（0.945× 0.27）/（102× 0.9） ≈2.78(W)，選用空轉(zhuǎn)為100 r/min的減速電機(jī)。

根據(jù)電機(jī)的最低扭矩根據(jù)公式：

2.3 .2調(diào)節(jié)裝置電機(jī)的選擇

該裝置由行星輪驅(qū)動(dòng)絲桿桿從而推動(dòng)固定塊組成，齒輪與齒輪之間的傳動(dòng)比為負(fù)載重量WA=0.8 kg；螺桿螺距PB=2 mm；螺桿直徑DB=8 mm；螺桿長(zhǎng)LB=0.228 m；機(jī)械效率η=0.9；摩擦因數(shù)μ=0.1；滾珠絲桿的質(zhì)量WB=0.3 kg。

所以電機(jī)的額定扭矩為T(mén)F/i=0.075，因?yàn)槭忻嫔想姍C(jī)都大于這個(gè)參數(shù)，所以選擇了合適尺寸的步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行更加精準(zhǔn)的調(diào)控。

3 整體模型仿真及驗(yàn)證

圖6所示為自適應(yīng)模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)和齒輪嚙合傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，將建立好的管道缺陷檢測(cè)爬行器模型導(dǎo)入Solidworks軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，設(shè)定好各個(gè)連桿約束和驅(qū)動(dòng)，給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

可以看出，各個(gè)裝置運(yùn)動(dòng)的初始位置及最終位置合理，不存在運(yùn)動(dòng)干涉，驗(yàn)證了管道缺陷檢測(cè)爬行器設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和合理性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了管道缺陷檢測(cè)爬行器的設(shè)計(jì)方案，建立了管道缺陷檢測(cè)爬行器的云臺(tái)檢測(cè)裝置、移動(dòng)及越障裝置和機(jī)身尺寸調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行虛擬裝配。通過(guò)整體模型的仿真動(dòng)畫(huà)工作，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)和運(yùn)作上的合理性。