楊 宸 汪開(kāi)元 馮 濤 于 蔣

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

0 引言

我國(guó)對(duì)管內(nèi)機(jī)器人技術(shù)的研究已有20 余年的歷史，哈爾濱工業(yè)大學(xué)[1]、中國(guó)科學(xué)院、沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、華中科技大學(xué)、北京交通大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、西南石油大學(xué)、大連理工大學(xué)[2]、太原理工大學(xué)、大慶石油管理局、勝利油田以及中原油田等單位都開(kāi)展了相關(guān)的研究工作。

通過(guò)人工下管的方法對(duì)管道進(jìn)行檢修不僅效率低下，而且管道中存在對(duì)人體有害的廢水和空氣，會(huì)威脅工作人員的生命安全。因此，亟需研發(fā)一套可以遠(yuǎn)程開(kāi)展檢測(cè)工作的城市地下管道機(jī)器人來(lái)替代人工作業(yè)，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，城市地下管道機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用前景。2017 年，全國(guó)城市供水管道長(zhǎng)度增長(zhǎng)了29×103km，達(dá)到757×103km，城市排水管道長(zhǎng)度增長(zhǎng)了38×103km。2012—2017 年，中國(guó)供水和排水管道總長(zhǎng)度呈穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的管道檢測(cè)維修需求市場(chǎng)也穩(wěn)步增長(zhǎng)。

管道在日常生活中隨處可見(jiàn)，許多管道的口徑不一致，這也意味管道檢修時(shí)將面臨更多問(wèn)題，而目前國(guó)內(nèi)的許多管道機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)都不具有較大的變徑范圍以及良好的通過(guò)性[3]，難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的檢修問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)目的及方向

目前，管道機(jī)器人支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)氣泵推動(dòng)滑塊，同時(shí)利用磁力萬(wàn)向輪進(jìn)行緩沖，然而，這種設(shè)計(jì)存在以下問(wèn)題和缺點(diǎn)：氣動(dòng)結(jié)構(gòu)不具有自鎖機(jī)構(gòu)，這意味其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)將直接承受外部載荷帶來(lái)的沖擊。同時(shí)，氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差，而磁力萬(wàn)向輪受輪軸向載荷，輪輞與輪轂之間出現(xiàn)滑移，會(huì)導(dǎo)致緩沖機(jī)構(gòu)失效，且緩沖機(jī)構(gòu)在正常工作的情況下，也會(huì)產(chǎn)生一定的震蕩，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)壽命及傳感器的穩(wěn)定性造成影響。設(shè)計(jì)該管道機(jī)器人的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)所存在問(wèn)題，對(duì)原有技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新、改良和優(yōu)化，即在不削弱機(jī)器人在垂直方向攀爬能力的基礎(chǔ)上[4]，提高和優(yōu)化機(jī)器人變徑和變向的能力。該設(shè)計(jì)提供了一種結(jié)構(gòu)，可以改善機(jī)器人的變徑方式，將軸向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為徑向運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人自適應(yīng)于不同管道直徑的支撐。使機(jī)器人體積更小、更輕便，可以縮小機(jī)器人的最小通過(guò)直徑。

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到上述目的，該管道機(jī)器人采用的技術(shù)方案如下。

該管道機(jī)器人主要包括5 個(gè)部分，殼體、變徑驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、變徑結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)以及電路控制部分。殼體是由3 塊長(zhǎng)方形側(cè)板、2 塊三角形底板組成封閉的三棱柱形，兼具支撐、導(dǎo)向以及限位功能。變徑驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)于殼體內(nèi)，包括步進(jìn)電機(jī)、絲杠、滑塊和聯(lián)軸器，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與絲杠連接，絲杠的另一端嵌入殼體的孔槽，滑塊裝設(shè)于絲杠上，管道機(jī)器人總成如圖1 所示。

圖1 管道機(jī)器人總成圖

變徑機(jī)構(gòu)呈周向分布，設(shè)有3 組，分別包括頂板、平行四邊形雙搖桿結(jié)構(gòu)以及阻尼彈簧減震器，平行四邊形雙搖桿結(jié)構(gòu)的兩端分別與頂板和殼體鉸接，彈簧阻尼器的兩端分別連接滑塊和頂板，阻尼彈簧減震器使用變螺距彈簧。

變徑驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、絲杠、滑塊以及聯(lián)軸器組成。每個(gè)變徑結(jié)構(gòu)均由2組相互平行的雙搖桿機(jī)構(gòu)組成，分別對(duì)稱設(shè)于側(cè)板的兩側(cè)。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)有3 組，其固連在各個(gè)變徑機(jī)構(gòu)的頂板上。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、減速器和輪胎，電機(jī)通過(guò)減速器與輪胎相連。

滑塊的形狀是與殼體類似的三棱柱形，其3 個(gè)棱柱線突出呈圓柱形，滑塊內(nèi)部設(shè)有為防止形變過(guò)大產(chǎn)生斷裂的通孔，滑塊如圖2所示。

圖2 滑塊

殼體是由3塊長(zhǎng)方形側(cè)板以及2塊三角形底板組成封閉的三棱柱形，其底板中心向外設(shè)有孔槽。

變徑機(jī)構(gòu)的平行四邊形雙搖桿結(jié)構(gòu)均設(shè)有2 組，分別對(duì)稱設(shè)于頂板的兩側(cè)，阻尼彈簧減震器與靠近滑塊側(cè)的平行四邊形雙搖桿結(jié)構(gòu)連接，分別通過(guò)支撐件用螺栓與殼體和頂板鉸接。

滑塊通過(guò)支撐件與阻尼彈簧減震器螺栓鉸接。步進(jìn)電機(jī)與殼體通過(guò)螺栓固連，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)螺栓與變徑結(jié)構(gòu)的頂板固連。

步進(jìn)電機(jī)與殼體通過(guò)螺栓固連，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)螺栓與變徑結(jié)構(gòu)的頂板固連。管道機(jī)器人如圖3 所示。

圖3 管道機(jī)器人實(shí)物圖

1.2 設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

該設(shè)計(jì)主要對(duì)機(jī)器人的變徑機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，該管道機(jī)器人的變徑機(jī)構(gòu)部分采用絲杠、滑塊以及阻尼彈簧減震器等結(jié)構(gòu)，使用較小的電機(jī)驅(qū)動(dòng)力便可以獲得較大的支撐力，較小的滑塊位移便可以產(chǎn)生較大的變徑行程。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量可知，當(dāng)滑塊行程為0 mm～33 mm 時(shí),該管道機(jī)器人能夠260 mm～310 mm 的區(qū)域完成變徑。同時(shí)，絲杠具有自鎖功能，可以防止外部載荷通過(guò)絲杠作用在步進(jìn)電機(jī)上，從而延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。在通電狀態(tài)下，通過(guò)絲杠的自鎖功能以及步進(jìn)電機(jī)的停車功能能夠有效防止因外部載荷過(guò)大而導(dǎo)致電機(jī)倒轉(zhuǎn)，減少支撐半徑，從而削弱支撐力。輪胎及彈簧阻尼減震器的雙重作用可以有效減緩機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的沖擊和震動(dòng)，還可以提供緩沖行程，使機(jī)器人具有一定的越障能力。通過(guò)長(zhǎng)度與幾何寬度計(jì)算[5]該管道機(jī)器人能通過(guò)曲率半徑大于或等于管徑的彎管。

2 彎管通過(guò)性計(jì)算

2.1 幾何約束的計(jì)算

管道機(jī)器人的幾何參數(shù)直接影響了管道機(jī)器人在彎管中的通過(guò)性，彎曲管道中90°直角彎管對(duì)機(jī)器人的通過(guò)性要求最高。分析該管道機(jī)器人可知，該管道機(jī)器人在管道軸線方向上近似1 個(gè)等腰直角三角形，如圖4（a）所示（D為管道直徑；h為管道機(jī)器人在徑向上的實(shí)際高度，D=4/3h）。

當(dāng)機(jī)器人處于圖4（b）的位置時(shí)，機(jī)器人完全進(jìn)入彎管中，此時(shí)機(jī)器人兩端均處于彎管上，其長(zhǎng)、寬比應(yīng)滿足公式（1）。

式中：h為該管道機(jī)器人在變徑范圍上的最小變徑直徑的徑向?qū)嶋H高度；D為該管道機(jī)器人在變徑范圍上的最大變徑直徑；R為彎管半徑；2θ為管道彎曲角度（當(dāng)機(jī)器人的高度4/3h=（R+D/2）cosθ-（R-D/2）時(shí)，該機(jī)器人的兩側(cè)外端恰好處于彎管與直管的交界處，長(zhǎng)度L=（R+D/2）sinθ）。

將該文所述的管道機(jī)器人參數(shù)代入公式（1）進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，該管道機(jī)器人的變徑范圍為260 mm～310 mm，設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度為310 mm，取D=310 mm，hmin=260×3/4=195 mm，僅討論θ=45°時(shí)的彎曲角度。根據(jù)圖4 可知，管道機(jī)器人彎曲角度越小，管道越平緩，管道機(jī)器人通過(guò)的直角彎管所要求的曲率半徑越小；彎曲角度越大，管道越崎嶇，管道機(jī)器人通過(guò)的直角彎管所要求的曲率半徑越大。根據(jù)公式（1），將R/D的值（0.5、1.0、1.2、1.4、1.6 以及1.8）代入計(jì)算可得出該管道機(jī)器人變徑寬度與最大長(zhǎng)度間的關(guān)系。當(dāng)D=310 mm時(shí)，已知hmin=195 m 且Lmax＞310 mm，該管道機(jī)器人可以通過(guò)R/D≥1.0 彎曲半徑的管道。

考慮管道機(jī)器人在垂直的彎管內(nèi)需要完全緊貼管壁前進(jìn)，因此有公式（2）。

將該文所述的管道機(jī)器人參數(shù)代入公式（2）進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，該管道機(jī)器人的變徑范圍為260 mm～310 mm，設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度為310 mm，取hmin=195 mm，僅討論θ=45°時(shí)的彎曲角度。根據(jù)公式（2），將D=280 mm 代入計(jì)算可得出該管道機(jī)器人在D=310 mm 時(shí)的最小轉(zhuǎn)彎半徑為184 mm，算出最小曲率半徑R/D=0.6，根據(jù)公式（2）可以求出最小曲率半徑R/D與管徑之間的變化規(guī)律，如公式（3）所示。

2.2 運(yùn)動(dòng)約束計(jì)算

管道機(jī)器人在彎管中，不僅需要滿足幾何約束，還需要滿足運(yùn)動(dòng)約束。當(dāng)管道機(jī)器人在彎管中前進(jìn)時(shí)，各輪與彎管的曲率中心的距離是不一致的，所需的速度也不一致。因此，常采用外側(cè)加速、內(nèi)側(cè)減速的方式通過(guò)彎管。以彎管曲率中心為o點(diǎn)設(shè)立o-xyz坐標(biāo)系，其中，xoy平面為彎管水平放置中心平面，y軸指向彎管中心，z軸垂直于彎管水平。將管道機(jī)器人車輪組簡(jiǎn)化為平行于zoy平面且偏移L/2 個(gè)長(zhǎng)度的平面上的圓（如圖4 所示），由于采用雙輪結(jié)構(gòu)，因此將雙輪等效為雙輪中心平面上的1 個(gè)單輪，各車輪在該圓任意三等分點(diǎn)上均布。如圖5 所示，管道內(nèi)徑為D，曲率半徑為R，各車輪半徑為r，該管道機(jī)器人各輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。

圖4 管道機(jī)器人幾何約束圖

圖5 o-xyz 坐標(biāo)系

管道機(jī)器人在彎管中的運(yùn)動(dòng)可以分解為繞z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及繞車輪軸自身的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)計(jì)算，dzi為各輪接觸點(diǎn)到z軸的距離，Zi為各輪接觸點(diǎn)到z軸的距離，ωi為各車輪自轉(zhuǎn)角速度，ωo為管道機(jī)器人所在的簡(jiǎn)化面對(duì)z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度。在任意時(shí)刻都有公式（4），則根據(jù)ωi=ωo·Zi/r進(jìn)一步得出公式（5）。

3 工作原理與工作過(guò)程

3.1 技術(shù)要求

機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)的工作環(huán)境是截面為圓形的管道，面對(duì)不同直徑規(guī)格的管道，要具有一定的適應(yīng)能力，特別是當(dāng)面對(duì)直徑較小的管道時(shí)，需要較強(qiáng)的適應(yīng)能力，能在管內(nèi)自主前、后勻速行走，主動(dòng)進(jìn)行變徑及姿態(tài)糾正，能夠通過(guò)彎曲管道R≤0.6D，具備一定的爬坡能力和越障能力，能夠在范圍為260 mm ～310 mm 人工不可到達(dá)的管道直徑內(nèi)完成變徑并順利開(kāi)展工作（具有一定的拖動(dòng)力）。

3.2 驅(qū)動(dòng)方式

該管道機(jī)器人采用輪式行走的方式，有良好的附著力和越障能力，該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、與管道壁的摩擦力和附著力較大以及不打滑的優(yōu)點(diǎn)，還具有較強(qiáng)的負(fù)載能力。

機(jī)器人所使用的3 個(gè)輪子均為主動(dòng)輪，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)使機(jī)器人前進(jìn)、后退。機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊且傳動(dòng)效率較高，能很好地適應(yīng)管道的作業(yè)環(huán)境，滿足各種工況要求。變徑機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)聯(lián)軸器、絲桿以及滑塊等實(shí)現(xiàn)變徑，即使遇到管徑較小、圓弧管道以及直彎管道等環(huán)境，其受力曲線也能滿足機(jī)器人的行走要求。所采用的橡膠輪胎可提高防滑性能和機(jī)器人的附著力[6]。

3.3 變徑過(guò)程

當(dāng)機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中遇到需要變徑的情況時(shí)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，使滑塊產(chǎn)生軸向位移，阻尼彈簧減震器推動(dòng)平行四邊形雙搖桿結(jié)構(gòu)，使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生徑向運(yùn)動(dòng)，從而完成變徑。

變徑機(jī)構(gòu)周向分布共有3 組，輪胎及彈簧阻尼減震器的作用是緩和外部載荷帶來(lái)的沖擊與震動(dòng)，在滑塊不位移的基礎(chǔ)上提供一定范圍的徑向變化。當(dāng)機(jī)器在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)較小的障礙時(shí)，阻尼彈簧減震器壓縮，使一側(cè)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生軸向自由行程，越過(guò)障礙后阻尼彈簧減震器復(fù)位，完全補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的自由行程后，機(jī)器恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)滑塊繞絲杠軸向的旋轉(zhuǎn)自由度被殼體約束時(shí)，滑塊在絲杠軸向的平移自由度與絲杠的軸向旋轉(zhuǎn)自由度間實(shí)現(xiàn)摩擦自鎖，絲杠及滑塊間的自鎖可以防止滑塊在絲杠軸向的滑移造成變徑半徑的變化，并且還可以防止外部載荷直接作用在步進(jìn)電機(jī)上，從而延長(zhǎng)步進(jìn)電機(jī)的壽命。

在工作過(guò)程中，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器人在管道內(nèi)前進(jìn)或后退。當(dāng)機(jī)器人遇到彎管時(shí)，調(diào)節(jié)3 個(gè)主動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而改變前進(jìn)或后退速度，即可順利通過(guò)彎管。在行進(jìn)過(guò)程中，如果管道直徑出現(xiàn)變化，機(jī)器人可以通過(guò)調(diào)節(jié)殼體內(nèi)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，使滑塊位移等一系列動(dòng)作完成變徑，以適應(yīng)不同的管徑。由于變徑機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)自鎖，因此機(jī)器人可以始終緊貼管壁行走，在電機(jī)提供強(qiáng)大牽引的情況下，機(jī)器人可以在管內(nèi)直上、直下。該變徑機(jī)構(gòu)還可以在單個(gè)輪胎遇到障礙物或卡死的情況下，通過(guò)變徑加大車輪和管壁之間的間隙，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的越障功能，越障后，再通過(guò)逆向變徑調(diào)節(jié)使其恢復(fù)到正常狀態(tài)并繼續(xù)工作。

3.4 姿態(tài)糾正

機(jī)器人在工作過(guò)程中通過(guò)控制程序可以在小范圍內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。在工作過(guò)程中，通過(guò)控制機(jī)器人各主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，達(dá)到在控制機(jī)器人的行進(jìn)速度的同時(shí)自動(dòng)糾正姿態(tài)的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)是通過(guò)分析及試驗(yàn)，在現(xiàn)有管道機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)選型、程序編寫(xiě)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維建模及實(shí)體加工來(lái)制作機(jī)器人，建立了三維樣機(jī)并繪制了詳細(xì)的設(shè)計(jì)圖紙。通過(guò)改進(jìn)管道機(jī)器人的變徑方式來(lái)改善機(jī)器人的變向機(jī)構(gòu)，利用絲桿的轉(zhuǎn)向性和自鎖功能來(lái)加強(qiáng)機(jī)器人的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)反復(fù)仿真分析和樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證可知，該管道機(jī)器人能夠在范圍為260 mm～310 mm 且人工不可到達(dá)的管道直徑內(nèi)完成變徑并順利開(kāi)展工作。還能通過(guò)R≤1.5D的彎管，有效提升了管道機(jī)器人的通過(guò)性，拓寬了這一類機(jī)器人的使用場(chǎng)景和范圍。