李文章， 周明連

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院， 北京 100044)

引言

隨著城市化的發(fā)展，我國(guó)城市地下空間被不斷的開(kāi)發(fā)，而由地下工程活動(dòng)引起的地面塌陷也越發(fā)頻繁，成為新的城市地質(zhì)災(zāi)害[1]，特別是城市地下排水管漏水后，土壤被沖刷，形成空腔，增加塌陷的危險(xiǎn)[2]。地下排水管道常年埋于潮濕土壤中，并且遭受污水的腐蝕，會(huì)出現(xiàn)破損、老化、甚至斷裂，這些損傷引起的地面塌陷具有不確定、潛伏、偶發(fā)的特點(diǎn)。為了保證居民的日常生活和路面上的正常使用，在不對(duì)污水管道進(jìn)行開(kāi)挖的條件下，急需便捷方式對(duì)污水管道的損傷做檢測(cè)，以排除隱藏的危險(xiǎn)[3-5]。

歐洲作為管道機(jī)器人研發(fā)先驅(qū)，法國(guó)的J.VWERTUT最早設(shè)計(jì)了輪腿式管內(nèi)模型IPRIV行走機(jī)構(gòu)[6-7]。日本的SHIGEO Hirose和HIDETAKA Ohno率先研制出了適應(yīng)50 mm管徑的Thes一代機(jī)器人[8-9]，在此基礎(chǔ)上又研發(fā)了適應(yīng)更大管徑的二、三代機(jī)器人。進(jìn)入21世紀(jì)，美國(guó)的DAPHNE D’Zurko和HAGEN Schempf博士共同研制出用于遠(yuǎn)程工作的EXLORER無(wú)纜線管道機(jī)器人[10]。德國(guó)的BEMHARD Klaassen、HERMANN Streich和FRANK Kirchner研制了具有多個(gè)蠕動(dòng)關(guān)節(jié)的MAKRO機(jī)器人，機(jī)器人采用無(wú)線通信的方式控制，機(jī)器人整體有21個(gè)自由度，能夠完成跨越障礙與轉(zhuǎn)向的功能[11]。

雖然國(guó)內(nèi)的管道機(jī)器人起步較晚，但是在東北天然氣和石油工業(yè)大力發(fā)展的背景下，催生了以哈爾濱工業(yè)大學(xué)為代表的一批科研院校對(duì)管道機(jī)器人的科研投入。哈工大研制了輪式管道機(jī)器人，這是針對(duì)于一些空間與地理位置受限的大口徑管網(wǎng)自動(dòng)化檢測(cè)[12]，由呂恬生、樸春日等率先研發(fā)了能自適應(yīng)管徑、還能進(jìn)行越障、無(wú)線遙控的管道機(jī)器人[13]。

本研究設(shè)計(jì)的管道檢測(cè)機(jī)器人依靠全氣動(dòng)控制系統(tǒng)，消除了易燃易爆的危險(xiǎn)，同時(shí)具有行走速度快、圖像采集效率高、承載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 管道檢測(cè)機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模

整個(gè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括兩大部分，一是行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，二是圖像采集機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)行走機(jī)構(gòu)下井，帶著圖像采集機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)功能的工作任務(wù)。這兩大部分在設(shè)計(jì)的氣動(dòng)邏輯下，協(xié)調(diào)完成檢測(cè)的功能，通過(guò)氣動(dòng)調(diào)壓閥、節(jié)流閥等調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)的速度與旋轉(zhuǎn)速度的變化。考慮到各機(jī)構(gòu)布置的合理性，如圖1所示，完成了管道檢測(cè)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)圖。

圖1 管道檢測(cè)機(jī)器人整體設(shè)計(jì)圖

1.2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模

1) 上撐壁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)要求能夠適應(yīng)600～1050 mm的不同管徑的污水管道，所以自適應(yīng)撐壁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常重要。

機(jī)器人在實(shí)際行走過(guò)程中，應(yīng)盡量降低底盤(pán)的高度，保證機(jī)器人重心下沉，增加機(jī)器人的穩(wěn)定性。污水井口的尺寸為550～600 mm，為了能達(dá)到1050 mm的污水管壁，考慮使用連桿機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)大部分都是低副，這種面接觸對(duì)元件沖擊力小，承載能力強(qiáng)，加工容易，可以很方便的改變運(yùn)動(dòng)的行程大小。

設(shè)計(jì)如圖2所示的六桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，這也是氣壓式連桿機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型。壓縮氣體進(jìn)入氣缸的無(wú)桿腔，推動(dòng)活塞桿移動(dòng)，克服阻力，繞軸O2轉(zhuǎn)動(dòng)，氣缸推動(dòng)三角形鉸接板繞軸O1轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)鉸接板將力傳遞至撐壁桿，使得撐壁桿繞軸O轉(zhuǎn)動(dòng)，要適應(yīng)600～1050 mm的內(nèi)徑管路，將O,O1,O2固定在安裝盤(pán)上，由O2固定上撐壁氣缸，氣缸接通氣源之后，活塞桿伸出，帶動(dòng)三角形鉸接板繞O1轉(zhuǎn)動(dòng)，可拉動(dòng)支撐桿較大范圍調(diào)節(jié)，這是一種自適應(yīng)的上撐壁機(jī)構(gòu)，可以明顯觀察到，六桿機(jī)構(gòu)的撐壁可進(jìn)行較大范圍的調(diào)節(jié)。

圖2 六桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

根據(jù)撐壁桿的自適應(yīng)，為了使撐壁折疊機(jī)構(gòu)能夠更加可靠的展開(kāi)與收回，通過(guò)氣缸加入驅(qū)動(dòng)力，利用氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使撐壁折疊機(jī)構(gòu)展開(kāi)和收縮，使其對(duì)于不同管道的直徑有很好的適應(yīng)性，設(shè)計(jì)了如圖3所示的上撐壁機(jī)構(gòu)。

圖3 機(jī)器人上撐壁機(jī)構(gòu)

2) 行走機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)蠕動(dòng)式機(jī)器人爬行的特點(diǎn)，行走機(jī)構(gòu)主要包括前后撐壁機(jī)構(gòu)與中間的伸縮機(jī)構(gòu)，如圖4所示，中間的伸縮機(jī)構(gòu)直接選用一對(duì)伸縮氣缸代替，前后的撐壁機(jī)構(gòu)包括上撐壁與下?lián)伪跈C(jī)構(gòu)。

行走機(jī)構(gòu)在作業(yè)中，上撐壁機(jī)構(gòu)一直伸出，頂住管壁，效果相當(dāng)于增加了整個(gè)機(jī)器人的自重，增大下支撐機(jī)構(gòu)與管壁的摩擦力，保證機(jī)器人在污水的沖擊下，還能可靠撐住管壁，機(jī)器人前進(jìn)或者后退時(shí)，按照設(shè)計(jì)的氣動(dòng)邏輯，由前盤(pán)的下?lián)伪跉飧讚巫」鼙?，伸縮缸伸出，當(dāng)伸縮缸觸動(dòng)機(jī)動(dòng)換向閥時(shí)，前盤(pán)的下?lián)伪跉飧卓s回，行走輪落地，后盤(pán)的下?lián)伪跉飧咨斐鰮巫」鼙?，伸縮缸根據(jù)設(shè)計(jì)的氣動(dòng)邏輯縮回，拖動(dòng)整個(gè)前盤(pán)向前。如此循環(huán)，機(jī)器人蠕動(dòng)向前，如果想要后退，只需1個(gè)換向閥控制即可實(shí)現(xiàn)。

圖4 機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)

1.3 圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模

圖像采集系統(tǒng)主要是在行走機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，整個(gè)圖像采集系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)包括旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與升降機(jī)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)要滿足能夠繞著管壁做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，除了行走機(jī)構(gòu)下部為掃描盲區(qū)，其余管壁應(yīng)全部掃描到，保證檢測(cè)的完整性。升降氣缸帶著圖像采集裝備作業(yè)，透明密封模塊可以抵達(dá)污水管的管壁。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該注意考慮減速氣動(dòng)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)中心在管壁的中心，減速氣動(dòng)馬達(dá)要與升降氣缸連接可靠，還要達(dá)到拆裝方便的效果，這樣才能提升整個(gè)機(jī)器人的使用性能。

對(duì)管道帶水檢測(cè)機(jī)器人的圖像采集機(jī)構(gòu)的各個(gè)零部件進(jìn)行三維建模，如圖5所示，包括圖像采集模塊、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和減速箱控制的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、 升降氣缸控制的升降機(jī)構(gòu)。并將各個(gè)零件根據(jù)相應(yīng)配合關(guān)系進(jìn)行裝配，完成圖像采集機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)建模。

圖5 機(jī)器人圖像采集機(jī)構(gòu)

整個(gè)旋轉(zhuǎn)與升降機(jī)構(gòu)的執(zhí)行過(guò)程是在接通氣源的情況下，由升降氣缸伸出頂住管壁，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)開(kāi)始做自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)诌_(dá)極限位置，由擋板觸動(dòng)機(jī)動(dòng)換向閥，機(jī)動(dòng)換向閥接通氣源，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)即可實(shí)現(xiàn)換向。

2 管道檢測(cè)機(jī)器人氣動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

管道檢測(cè)機(jī)器人將要在充滿易燃易爆的污水管道中作業(yè)，選擇全自動(dòng)的氣動(dòng)邏輯控制是非常有必要的，整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是氣壓驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走與掃描。

2.1 氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在污水中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集圖像的機(jī)器人氣動(dòng)控制方案在于通過(guò)不同的氣體控制閥與氣動(dòng)控制元件控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在污水中的行走與圖像采集工作。如圖6所示，這是全氣動(dòng)控制系統(tǒng)部分，當(dāng)氣源13接通后，總分為3路。

第1路為二位五通的升降氣缸控制開(kāi)關(guān)11，該手動(dòng)開(kāi)關(guān)的2口與4口分別接入升降氣缸的有桿腔與無(wú)桿腔；

第2路為二位三通的手動(dòng)全收縮開(kāi)關(guān)12，該手動(dòng)全收縮開(kāi)關(guān)12的2口又分為五路，第1路接的是下?lián)伪跉飧?的有桿腔，第2路接通的是前進(jìn)缸組并聯(lián)后的有桿腔，第3路接通的是下?lián)伪跉飧?的有桿腔，第4路接通的是二位三通單向氣控閥5，第5路接通的是并聯(lián)后的上撐壁氣缸的有桿腔；

第3路就是總前進(jìn)開(kāi)關(guān)，該前進(jìn)開(kāi)關(guān)接通后又分為6路，第1路接通的是并聯(lián)后的上撐壁氣缸的無(wú)桿腔，第2路接通的是換向開(kāi)關(guān)，第3路接通的是三位五通雙向氣控閥17的1口，第4路接通的是二位五通雙向氣控閥18的1口，第5路接通的是并聯(lián)后的前進(jìn)缸機(jī)動(dòng)閥，第6路接通的是并聯(lián)后的馬達(dá)機(jī)動(dòng)閥。

2.2 氣動(dòng)控制系統(tǒng)仿真

用FluidSIM氣動(dòng)仿真軟件對(duì)檢測(cè)機(jī)器人的行走與檢測(cè)氣動(dòng)控制系統(tǒng)建模與仿真，通過(guò)仿真結(jié)果確定設(shè)計(jì)的氣控邏輯的正確性。

如圖7所示，氣源設(shè)定為0.7 MPa，設(shè)計(jì)的全氣動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)這些氣動(dòng)元件的一些關(guān)鍵參數(shù)，在全氣動(dòng)控制的系統(tǒng)中添加狀態(tài)表，通過(guò)點(diǎn)擊系統(tǒng)中的機(jī)動(dòng)閥，改變氣控閥的閥芯位置，或者改變氣動(dòng)馬達(dá)進(jìn)出口的氣體流向，從而可以從狀態(tài)表中觀察到各個(gè)氣缸的工作狀態(tài)。

1.下?lián)伪跉飧? 2.上撐壁氣缸2 3.前進(jìn)缸機(jī)動(dòng)閥1 4.前進(jìn)缸機(jī)動(dòng)閥2 5、10、19.二位三通單向氣控閥 6.前進(jìn)伸縮缸組7.下?lián)伪跉飧? 8.上撐壁氣缸1 9.升降氣缸 11.升降氣缸控制開(kāi)關(guān) 12.全收縮開(kāi)關(guān) 13.氣源 14.前進(jìn)開(kāi)關(guān)15.換向開(kāi)關(guān) 16.單向氣控閥 17.三位五通雙向氣控閥 18.二位五通雙向氣控閥 20.馬達(dá)機(jī)動(dòng)閥121.馬達(dá)機(jī)控閥2 22.減速氣動(dòng)馬達(dá)圖6 管道帶水檢測(cè)機(jī)器人全氣動(dòng)控制回路

圖7 氣路設(shè)計(jì)

如圖8所示的仿真結(jié)果可以說(shuō)明，上撐壁氣缸1，2打開(kāi)氣閥之后就可靠撐住了管壁，下?lián)伪诟?與下?lián)伪诟?的氣動(dòng)邏輯相反，下?lián)伪跉飧走_(dá)到滿行程80 mm 后，下?lián)伪跉飧?全部縮回，當(dāng)下?lián)伪诟?撐住管壁，下?lián)伪诟?離開(kāi)管壁，伸縮氣缸1，2在以上邏輯完成之后，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，觸碰到機(jī)動(dòng)換向閥，前進(jìn)伸縮缸的行程從0開(kāi)始變化到300 mm，整個(gè)邏輯發(fā)生改變，該仿真結(jié)果表明符合需要實(shí)現(xiàn)的氣路控制功能。

3 管道檢測(cè)機(jī)器人強(qiáng)度校核與受力分析

3.1 機(jī)器人安裝盤(pán)強(qiáng)度校核

當(dāng)管道檢測(cè)機(jī)器人在實(shí)際工作的過(guò)程中，機(jī)器人的前后安裝盤(pán)不僅受到上下?lián)伪跈C(jī)構(gòu)的力，還要受到水流的阻力，特別是前安裝盤(pán)還要支撐圖像采集模塊。前后安裝盤(pán)受力情況復(fù)雜，對(duì)其采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行仿真分析。具體劃分的網(wǎng)格如圖9所示，

圖8 機(jī)器人氣路仿真狀態(tài)

之后在安裝盤(pán)上加載固定約束和所受力的大小方向，然后求解，經(jīng)過(guò)有限元軟件計(jì)算分析后，得到關(guān)于前后安裝盤(pán)的應(yīng)力及應(yīng)變的分析結(jié)果，具體如圖10、圖11所示。

3.2 上撐壁機(jī)構(gòu)受力分析

對(duì)上撐壁機(jī)構(gòu)在600 mm管內(nèi)進(jìn)行受力分析，當(dāng)上撐壁機(jī)構(gòu)撐住管壁時(shí)，整個(gè)撐壁系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，桿4與桿5都為二力桿，具體受力如圖12所示。

圖9 三維模型網(wǎng)格劃分

圖10 前安裝盤(pán)ANSYS仿真結(jié)果

圖11 后安裝盤(pán)ANSYS仿真結(jié)果圖

圖12 上撐壁折疊機(jī)構(gòu)受力分析

對(duì)該空間力系進(jìn)行分析時(shí)，向O2，O3這2個(gè)簡(jiǎn)化中心分別建立直角坐標(biāo)系x1O2y1，xO3y，該力系中的F1，F(xiàn)2的作用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)O2的矢徑以r1，r2表示，則力系的力系的主力矢F1，F(xiàn)2和主力矩M可用投影矩陣F(O2)和M(O2)表示為：

改寫(xiě)成矩陣方程形式：

其中，F(xiàn)3，F(xiàn)4的作用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)O3的矢徑以r3，r4表示，則力系的主力矢主力矩F3，F(xiàn)4和主力矩M可用投影矩陣F(O3)和M(O3)表示為:

改寫(xiě)成矩陣方程形式：

將以上式子展開(kāi)，導(dǎo)出投影表示的獨(dú)立方程，已知F1=1586 N，求解可得上撐壁機(jī)構(gòu)對(duì)污水管壁的壓力F4=882 N。

4 現(xiàn)場(chǎng)管道實(shí)驗(yàn)

對(duì)機(jī)器人所需元器件進(jìn)行了選型，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行加工。對(duì)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配與接管，對(duì)圖像采集機(jī)構(gòu)完成裝配，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人所有氣控系統(tǒng)的接線，完成攝像裝備接線處理，并成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)管道試驗(yàn)，如圖13所示，驗(yàn)證了機(jī)器人檢測(cè)的可行性。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)管道實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

針對(duì)管徑為600～1050 mm的地下排水管道，研究管道檢測(cè)機(jī)器人，研制了全氣動(dòng)邁步式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，研制適應(yīng)不同管道直徑的自適應(yīng)撐壁機(jī)構(gòu)，污水中圖像采集的自動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)與機(jī)器人控制系統(tǒng)。同時(shí)對(duì)于機(jī)器人前后安裝盤(pán)和上撐壁機(jī)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證研究的可行性。最后，設(shè)計(jì)制作物理樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管道試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果推斷理論分析的正確性和設(shè)計(jì)方案的可行性。