彭 鶴，王路路，王 勇，趙翰學(xué)，貢軍民

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；2. 英特爾(中國(guó))研究中心有限公司，北京 100190；3. 新疆石油管理局有限公司 工程技術(shù)公司，新疆 克拉瑪依 834000)

管道運(yùn)輸作為全球五大運(yùn)輸方式之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已然成為國(guó)之大計(jì)，民之根本.中國(guó)油氣管道建設(shè)方興未艾，未來(lái)十年，油氣管道將迎來(lái)新一輪建設(shè)高峰期，目前我國(guó)正在完善四大能源戰(zhàn)略通道和國(guó)內(nèi)骨干油氣管網(wǎng)建設(shè)，已基本形成聯(lián)通海外、覆蓋全國(guó)、橫跨東西、縱貫?zāi)媳?、區(qū)域管網(wǎng)緊密跟進(jìn)的油氣運(yùn)輸體系[1-2].油氣管網(wǎng)倍增式發(fā)展，近年來(lái)管道泄漏造成的環(huán)境問(wèn)題和安全問(wèn)題又屢見(jiàn)不鮮，這對(duì)管道運(yùn)輸?shù)谋举|(zhì)安全提出了更高要求[3-4].因此，對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)顯得尤為重要，而目前依靠介質(zhì)推動(dòng)的傳統(tǒng)管道機(jī)器人已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)特殊工況，比如新建未投產(chǎn)管道的運(yùn)營(yíng)檢測(cè)、非常規(guī)流體管道檢測(cè)、逆流體流向管道檢測(cè).油氣管道爬行機(jī)器人研究的意義在于能完成特殊工況的管道檢測(cè)作業(yè)，而對(duì)于在役油氣管道，常年運(yùn)行產(chǎn)生的雜質(zhì)和地質(zhì)環(huán)境造成的缺陷使得未知環(huán)境下管道機(jī)器人避障成為難題，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出在未知環(huán)境下成功避障的新人工勢(shì)場(chǎng)法，得到一條最優(yōu)平滑避障路徑，成功實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)避障，提高了機(jī)器人避障的靈活性和對(duì)惡劣環(huán)境的自適應(yīng)能力[5-6].此外采用壓縮空氣作為爬行機(jī)器人的動(dòng)力源，機(jī)器人在油氣管道作業(yè)時(shí)無(wú)電線和電子元件進(jìn)入管道，避開(kāi)了常規(guī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生電火花的弊端，也就避開(kāi)石油石化行業(yè)的危險(xiǎn)源，再者以壓縮空氣作為動(dòng)力源符合綠色、環(huán)保、健康的工業(yè)發(fā)展理念[7-9].

二十世紀(jì)中葉，伴隨著大口徑油氣管道的快速發(fā)展，世界各國(guó)開(kāi)始把視野轉(zhuǎn)向管道機(jī)器人的研究.日本對(duì)管道機(jī)器人的研究處于金字塔的尖端，最具代表性的是秀隆大野和廣瀨茂男等研制的Thes系列管道機(jī)器人.美國(guó)卡梅隆大學(xué)的Hagen Schempf專家和一家相關(guān)公司的Daphne Zurko研制出世界上第一臺(tái)長(zhǎng)距離的主要用于燃?xì)夤芫€巡檢的管道機(jī)器人——EXLORER.德國(guó)弗勞恩霍夫?qū)W院研發(fā)出了名為MAKRO的多關(guān)節(jié)蠕蟲型機(jī)器人，也是世界上第一臺(tái)蠕動(dòng)式污水管道檢測(cè)機(jī)器人.韓國(guó)ASIA PROTECH公司研制的具有簡(jiǎn)單管道清潔功能機(jī)器人已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域普及.2011韓國(guó)大邱慶北科學(xué)技術(shù)學(xué)院研發(fā)了一種用于管道檢測(cè)、清理作業(yè)的履帶式管道機(jī)器人.我國(guó)對(duì)管道機(jī)器人的研究起步較晚，但隨著國(guó)家863計(jì)劃的提出，我國(guó)各大科研院所和高校先后投入到管道機(jī)器人的研究工作中.哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等先后研制了樣機(jī)，哈工大在大管徑管道機(jī)器人方面已處于世界先進(jìn)水平.清華大學(xué)研制出了一款四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的管道自動(dòng)清淤機(jī)器人.上海大學(xué)針對(duì)微型垂直管道的檢測(cè)問(wèn)題，研制了一種具有螺旋驅(qū)動(dòng)功能的管道機(jī)器人[10].縱觀國(guó)內(nèi)外，管道機(jī)器人的主要研究方向是管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人，而仿生類爬行機(jī)器人又似乎是獨(dú)立于管道機(jī)器人之外的研究領(lǐng)域.目前許多油氣管道檢測(cè)處于特殊工況，而對(duì)于能適用于特殊管道工況且能完成檢測(cè)任務(wù)的多功能交互的油氣管道內(nèi)爬行檢測(cè)機(jī)器人的研究較少.為此，本文開(kāi)展了能夠適應(yīng)特殊油氣管道工況的管內(nèi)爬行機(jī)器人的研究工作.

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人方案設(shè)計(jì)

針對(duì)管道爬行機(jī)器人的特點(diǎn)和要求的設(shè)計(jì)功能，決定采用蠕動(dòng)式運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，爬行機(jī)器人主要由伸縮模塊(氣缸驅(qū)動(dòng)模塊)、轉(zhuǎn)向模塊、行走模塊和支撐模塊等部分組成，如圖1所示.

圖1 爬行機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig.1 Schematic principle of mechanical structure of crawling robot

1.2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 機(jī)器人支撐模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選擇小型氣缸作為支撐結(jié)構(gòu)的動(dòng)力源，在機(jī)器人的前后部分別布置三個(gè)呈120°周向均布的氣缸作為機(jī)器人的支撐結(jié)構(gòu)，如圖2所示(單位：mm).由于支撐結(jié)構(gòu)對(duì)緊湊性要求高，因此，選擇體積較小的固定式安裝氣缸.

圖2 支撐模塊氣缸在管道內(nèi)部的分布Fig.2 Distribution of support module cylinder inside pipeline

1.2.2 機(jī)器人伸縮模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣缸活塞桿和機(jī)器人前半部分連接，氣缸尾端選擇帶有注銷孔的氣缸，采用柱銷連接的方式，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用桿端軸承方案，如圖3所示.若驅(qū)動(dòng)氣缸在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中缸筒和活塞桿發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)形成一個(gè)角度且不利于機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)，所以需要加裝導(dǎo)向裝置，如圖4所示.

圖3 桿端軸承連接方案圖Fig.3 Rod end bearing connection scheme

圖4 驅(qū)動(dòng)氣缸導(dǎo)向裝置Fig.4 Drive cylinder guiding device

1.2.3 機(jī)器人行走模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

行走模塊采用搖桿滑塊機(jī)構(gòu)，滑桿傾斜安裝在機(jī)器人主體上，由兩塊相同結(jié)構(gòu)的滑塊對(duì)稱安裝在滑桿上，搖桿的一端與橫桿鉸接，另一端安裝滾輪，在滑桿上安裝彈簧，行走機(jī)構(gòu)能保持滾輪時(shí)刻與管道內(nèi)壁接觸，如圖5所示.

圖5 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig.5 Schematic design of travel mechanism

1.2.4 油氣管道爬行機(jī)器人三維圖

在SolidWorks軟件中繪制管道爬行機(jī)器人的三維圖，如圖6所示.

圖6 管道爬行機(jī)器人三維圖Fig.6 3D diagram of pipeline crawling robot

1.3 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 控制器選擇

氣動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制采用Arduino單片機(jī)作為主控制器，選擇性能穩(wěn)定且使用范圍廣的Arduino Uno.

1.3.2 控制電路搭建

氣缸只有兩個(gè)動(dòng)作，且機(jī)器人中的氣缸可以分為三組，所以對(duì)氣缸的控制只需要三個(gè)兩位電磁閥即可.由于選擇的電磁閥驅(qū)動(dòng)電壓是直流24 V，而Arduino單片機(jī)的輸出最大電壓為5 V，故需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電壓放大.使用電磁繼電器作為電流放大元件，本設(shè)計(jì)中電磁閥工作頻率要求不高，因此選擇了輸入電壓為5 V，輸出電壓為24 V的電磁繼電器.搭建完成的電路原理圖主要由一個(gè)Arduino單片機(jī)、一個(gè)24 V直流電源、3個(gè)繼電器、3個(gè)電磁閥組成，如圖7所示.

圖7 電磁閥控制電路原理圖Fig.7 Schematic principle of solenoid valve control circuit

1.3.3 機(jī)器人控制邏輯時(shí)序

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度可以通過(guò)調(diào)節(jié)單片機(jī)數(shù)字I/O口的輸出周期對(duì)機(jī)器人進(jìn)行調(diào)速，在物理樣機(jī)測(cè)試的過(guò)程中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行速度調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，以找到最佳運(yùn)行速度等參數(shù).

1.3.4 程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制時(shí)序由Arduino單片機(jī)進(jìn)行控制，其程序控制流程決定著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，可以通過(guò)軟件調(diào)節(jié)的方式控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的方向和速度[11]，如圖8所示.

圖8 機(jī)器人程序流程圖Fig.8 Flow chart of robot program

圖8中，P1、P2和P3分別代表機(jī)器人前部支撐氣缸、中間驅(qū)動(dòng)氣缸和后部支撐氣缸，機(jī)器人的程序流程中包括前進(jìn)和后退兩種運(yùn)動(dòng)形態(tài)，可以方便控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向.

2 機(jī)器人虛擬樣機(jī)仿真

2.1 油氣管道爬行機(jī)器人虛擬樣機(jī)建模

虛擬樣機(jī)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)支持的仿真技術(shù)和生命周期建模技術(shù)為前提，以多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心，從外觀和功能等各方面對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模擬.ADAMS軟件具有兩種虛擬樣機(jī)建模方式，利用其一將SolidWorks建模后導(dǎo)入到ADAMS軟件，如圖9所示.

圖9 機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型Fig.9 Virtual prototype model of robot

模型導(dǎo)入ADAMS中后，各個(gè)零件是獨(dú)立的，必須給它們之間添加運(yùn)動(dòng)副，使零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)確定，這樣才能構(gòu)成一個(gè)具有確定運(yùn)動(dòng)的完整機(jī)械系統(tǒng)，如圖10所示.

圖10 添加約束后樣機(jī)模型Fig.10 Prototype model with added constraints

機(jī)器人的12個(gè)滾輪和管道內(nèi)壁之間存在接觸力，采用ADAMS/View提供的Solid to Solid給滾輪和管道內(nèi)壁之間添加接觸力，約束機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)副和作用力添加情況，如表1所示.

表1 ADAMS軟件中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)副和作用力統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of motion pairs and acting forces of robot in ADAMS software

2.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真

2.2.1 機(jī)器人直管運(yùn)動(dòng)仿真

機(jī)器人在ADAMS中添加完約束和驅(qū)動(dòng)后進(jìn)行仿真模擬，對(duì)在水平直管道中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行虛擬樣機(jī)分析，如圖11所示.

圖11 機(jī)器人直管運(yùn)動(dòng)模擬仿真Fig.11 Simulation for straight pipeline motion of robot

仿真模擬了機(jī)器人5 s內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在仿真過(guò)程中做了如下假設(shè)：機(jī)器人一次動(dòng)作用時(shí)0.5 s，每次向前運(yùn)動(dòng)50 mm.ADAMS測(cè)量機(jī)器人前半部分機(jī)架質(zhì)心沿Z軸質(zhì)心位移如圖12所示，機(jī)器人前半部分質(zhì)心速度如圖13所示.

圖12 機(jī)器人前半部分機(jī)架質(zhì)心位移Fig.12 Centroid displacement of first half frame of robot

圖13 機(jī)器人前半部分質(zhì)心速度Fig.13 Centroid velocity of first half of robot

由于給機(jī)器人施加脈沖式的驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人質(zhì)心的速度變化具有準(zhǔn)確的周期性，而且加減速過(guò)程等長(zhǎng).在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，由于氣缸加速過(guò)程和減速過(guò)程不對(duì)稱，實(shí)際的速度圖像加速過(guò)程比減速過(guò)程長(zhǎng)，減速過(guò)程由于存在撞擊，其加速度要大于加速過(guò)程的加速度.由圖12～13可以看到，機(jī)器人結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度保持周期性變化.

在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，彈簧提供使?jié)L輪壓緊管道內(nèi)壁的力，從ADAMS中也可以得到彈簧力的曲線，分別取機(jī)器人上部的一個(gè)彈簧和下部的一個(gè)彈簧進(jìn)行分析，如圖14～15所示.

圖14 機(jī)器人上部彈簧受力圖Fig.14 Force imposed on upper spring of robot

圖15 機(jī)器人下部彈簧受力圖Fig.15 Force imposed on lower spring of robot

為了使機(jī)器人在初始狀態(tài)時(shí)能夠壓緊管道內(nèi)壁，給機(jī)器人每個(gè)彈簧初始化預(yù)定義了負(fù)載，上部彈簧預(yù)定義負(fù)載為6 N，下部彈簧由于受到機(jī)器人重力的影響，預(yù)定義負(fù)載為8 N.由圖14～15可以看出，在機(jī)器人還未出發(fā)時(shí)，彈簧的受力都在預(yù)定義的負(fù)載周圍，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)之后，彈簧被壓緊，彈簧彈力均增大相應(yīng)的數(shù)值.在機(jī)器人整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人彈簧的彈力基本保持穩(wěn)定，說(shuō)明機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力情況良好，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，機(jī)器人質(zhì)心始終在管道中心，沒(méi)有發(fā)生偏移.

2.2.2 機(jī)器人彎管運(yùn)動(dòng)仿真

在虛擬樣機(jī)仿真中，為了方便仿真，將U型管道和90°管道設(shè)計(jì)成一根管道，機(jī)器人在彎管仿真運(yùn)動(dòng)前的視圖如圖16所示.

圖16 機(jī)器人在彎管運(yùn)動(dòng)模型Fig.16 Motion model of robot in bending pipeline

由于無(wú)法確定機(jī)器人管道內(nèi)壁的摩擦力和接觸力的大小，只能根據(jù)前人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)去試湊，但所得結(jié)果并不理想.由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和以上因素?zé)o關(guān)，可以通過(guò)給機(jī)器人施加力來(lái)仿真，由于給機(jī)器人添加了和真實(shí)環(huán)境相同的物理約束，因此，只要機(jī)器人能夠順利通過(guò)管道，即可認(rèn)為機(jī)器人能夠適應(yīng)該類型的管道.機(jī)器人在U型管道中的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真如圖17所示.

從圖17中的運(yùn)動(dòng)圖像可以看出，機(jī)器人可以很順利地通過(guò)半徑為250 mm的U型管道.機(jī)器人在90°管道中的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真如圖18所示.

圖17 機(jī)器人在U型管道運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真Fig.17 Kinematics simulation of robot in U-shaped pipeline

圖18 機(jī)器人在90°彎管中運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真Fig.18 Kinematics simulation of robot in 90° bending pipeline

3 機(jī)器人物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)3D打印零部件后組裝完成機(jī)器人物理樣機(jī).利用實(shí)驗(yàn)室的氣泵系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，主要測(cè)試以下三種管道中機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況：1)機(jī)器人在水平直管道中的運(yùn)動(dòng)；2)機(jī)器人能否通過(guò)水平彎管；3)機(jī)器人在豎直管道中的運(yùn)動(dòng).

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度可以通過(guò)調(diào)節(jié)間隔動(dòng)作之間的延時(shí)長(zhǎng)度進(jìn)行控制，在水平直管中測(cè)試時(shí)通過(guò)不斷減少間隔動(dòng)作之間的延時(shí)長(zhǎng)度來(lái)增加機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，但當(dāng)延時(shí)小于200 ms時(shí)機(jī)器人無(wú)法正常運(yùn)動(dòng)，如圖19所示.

圖19 氣動(dòng)管道機(jī)器人在直管中運(yùn)動(dòng)測(cè)試Fig.19 Motion test of pneumatic pipeline robot in straight pipeline

在彎曲管道測(cè)試中，機(jī)器人以最大速度運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到90°彎管可以順利通過(guò)，但是在多次觀察中發(fā)現(xiàn)機(jī)器在通過(guò)彎道時(shí)速度會(huì)明顯下降，如圖20所示.

圖20 氣動(dòng)管道機(jī)器人在彎管中運(yùn)動(dòng)測(cè)試Fig.20 Motion test of pneumatic pipeline robot in bending pipeline

機(jī)器人在豎直管道中向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)置兩次動(dòng)作間的延時(shí)長(zhǎng)度為200 ms，機(jī)器人可以順利沿著豎直管道運(yùn)動(dòng)，但是其運(yùn)動(dòng)速度明顯比相同條件下在水平管道中運(yùn)動(dòng)小.

4 結(jié) 論

本文在調(diào)研大量國(guó)內(nèi)外管道機(jī)器人的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)了一款全氣動(dòng)油氣管道爬行機(jī)器人，該機(jī)器人綜合了輪式管道機(jī)器人和壓壁式管道機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，提高了機(jī)器人在管道中運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性.通過(guò)本次設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1) 使用三維建模技術(shù)和仿真技術(shù)可以有效地提高機(jī)器人的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)可靠性，型封閉結(jié)構(gòu)能夠保證機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性，具有很好的效果.虛擬樣機(jī)模型順利通過(guò)彎道，能保證機(jī)器人對(duì)復(fù)雜管道具有一定適應(yīng)能力.

2) 利用單片機(jī)、繼電器、電磁閥搭建機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)編程對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的控制，測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有良好控制效果，完全滿足控制要求.

3) 爬行機(jī)器人在水平直管測(cè)試中，間隔動(dòng)作間的延時(shí)在200 ms附近時(shí)，機(jī)器人運(yùn)行速度達(dá)到最快且能保證此時(shí)機(jī)器人的穩(wěn)定性較好.當(dāng)延時(shí)小于200 ms時(shí)，電磁閥換向頻率達(dá)到最高，換向受到影響，機(jī)器人將無(wú)法正常運(yùn)動(dòng).

4) 爬行機(jī)器人在90°彎管中測(cè)試時(shí)速度明顯下降，分析得出兩個(gè)原因：其一是機(jī)器人過(guò)彎道時(shí)，機(jī)器人前半部分的主軸線和氣缸活塞的主軸線不共線，所以氣缸向前運(yùn)動(dòng)的一個(gè)行程，只能將機(jī)器人的前半部分推動(dòng)一個(gè)小于氣缸行程的距離；其二是因?yàn)閮蓷l主軸線不共線，機(jī)器人過(guò)彎道時(shí)結(jié)構(gòu)沒(méi)有滿足型封閉，使得機(jī)器人與管道之間的摩擦力下降，機(jī)器人后半部分發(fā)生了打滑.

5) 爬行機(jī)器人在豎直管道測(cè)試時(shí)，應(yīng)該保證管道內(nèi)壁有足夠大的摩擦系數(shù)，否則機(jī)器人會(huì)出現(xiàn)打滑、速度下降等現(xiàn)象.