吳占斌，金 一，呂 巖，田 雪，韓 濱

（通遼熱電有限責任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

機器人是一種能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能的自動化設備，具備許多仿人或者代替人類的能力，如抓取、定位、搬運及檢測等，其中管道機器人可滿足人們當前的管道檢測需求。相關研究表明，未來的管道機器人市場將迎來爆炸式發(fā)展，具有非常巨大的發(fā)掘潛力[1]。管道機器人具有質(zhì)量輕、安全性高、對環(huán)境的適應性好、人機交互性等特性，可以解決管道檢測時出現(xiàn)的多樣性和復雜性問題，可用于執(zhí)行非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的操作任務[2]。

管道檢測機器人在各種管道（海底、地下、高海拔等惡劣環(huán)境）中從事著監(jiān)測管道的工作，甚至部分管道機器人還肩負著修補的工作[3]。然而，在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中工作時，機器人無法面對缺少環(huán)境參數(shù)的狀況，與此同時，機器人工作的環(huán)境和內(nèi)容如果動態(tài)可變，將帶來更大的挑戰(zhàn)。

目前開發(fā)的管道機器人基本能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：高自由度旋轉(zhuǎn)的攝像頭云臺設計；多模態(tài)型號傳感器（比如紅外IR 傳感器、位移傳感器、電壓電流傳感器、編碼器等）采集相關數(shù)據(jù)；內(nèi)外通訊，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸（基于光纖電纜、Wi-Fi、極低頻ELF 等）；管內(nèi)準確定位（如旋轉(zhuǎn)永磁體作為機械天線可用于水下導航）[4-5]。

在管道中工作會存在各種問題，如外負載不穩(wěn)、易受到?jīng)_擊、環(huán)境光線弱等，因此未來研究重點為如何提高特種機器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下工作的適應性，達到解放人類勞動的目的。實際應用研究中，科研人員逐步認識到特種機器人技術的組成是感知、決策、行動和交互4 大技術[6-7]。

管道檢測機器人開創(chuàng)了新的管道檢測形式，從根本上改變傳統(tǒng)式管道破壞性開挖抽檢的簡單笨拙模式[8]?；跈C器人的自主掃描、定位，可以大幅度提高管道檢測的效率、精確度，這也方便對管道進行維護管理，幫助維修人員快速分析管道缺陷等一系列問題，能夠迅速開展評估，更換維修管道，降低大規(guī)模開挖的成本，保障人民群眾的生活[9-10]。

目前，針對輸送管道的管網(wǎng)檢測滲漏、腐蝕等有直觀觀測效果，特殊型供熱管道檢測機器人可以結(jié)合機器人智能移動技術和管道缺陷無損圖像采集技術，能夠適應多種管路環(huán)境，完成特殊復雜、動態(tài)多變的非結(jié)構(gòu)管道檢測環(huán)境中的任務[11-12]。然而，事實上供熱管道機器人也面臨著整套檢測設備產(chǎn)品笨重、現(xiàn)場工作時耗能大、有效工作時間有限、攜帶不方便等問題[13]。為適應上述特殊管道工況且能完成檢測任務，本文設計了一款新型輪式機器人。另外，文中對機器人與人類之間的交互也進行了一定探索，旨在提高人機互補高效完成任務的能力。

1 爬行機器人結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設計

本文設計的供熱管道檢查機器人主要功能是適應供熱管內(nèi)的非結(jié)構(gòu)工作環(huán)境，并通過可搭載視頻儀等傳感檢測設備對管內(nèi)環(huán)境進行圖像采集。其主要部件包含爬行器本體、PC 計算機和電纜式車、可旋轉(zhuǎn)云臺。其中，爬行器本體上安裝高清圖像采集儀、紅外IR 傳感器等設備，在管線探測巡檢過程中，傳感器傳回圖像、氣體等信息，計算機負責處理即時傳遞的采集信息，并對機器人下達控制指令完成機器人遙操作。

1.1 管道爬行機器人結(jié)構(gòu)特點

新式管道爬行機器人的結(jié)構(gòu)特性如下。

1.1.1 便攜化

一般來說，供熱管道機器人檢查系統(tǒng)最基本的結(jié)構(gòu)有圖像采集設備、機器人本體控制器、遠程監(jiān)控顯示器等。爬行器本體基于模塊化結(jié)構(gòu)設計，其余各部分器件都設置有獨立防水密封，并同時配有安全氣壓監(jiān)控，穩(wěn)定性強，可根據(jù)不同工況需求，快速拆裝模塊，操作方便，維護簡易。采用4 輪獨立驅(qū)動，具有超強的越障性能，附帶車身傾斜角度顯示與防傾覆報警功能，單次作業(yè)時間可達2 h，可搭載其他設備，載重可達50 kg。

1.1.2 避障性

管道機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、使用便捷、負載能力較強且易于控制的特點。此外，采取電動移動方式，機器人裝備結(jié)構(gòu)輕、動作穩(wěn)定、操作簡單、移動速度快、轉(zhuǎn)彎容易、便于操作。電動車輪結(jié)構(gòu)簡單且靈活，轉(zhuǎn)向靈活可靠，通過切換不同尺寸的輪子，應用于不同管道。

1.1.3 實現(xiàn)遠程通訊

采用專業(yè)軟件進行處理和分析，報道管網(wǎng)真實情況，為供熱管網(wǎng)提供一定的服務。對于內(nèi)外通訊干擾需要進一步考慮，供熱爬行機器人通過車尾連接固定拖纜實現(xiàn)遠程通訊。光纖數(shù)據(jù)傳輸模式可以更快、更精確地采集信息和發(fā)送命令以及往復傳輸。若機器人內(nèi)部發(fā)生故障，可通過拖纜將機器人拖出，執(zhí)行機構(gòu)接口連接不同檢測探頭。另一方面，電源和采集的圖像、位置等數(shù)據(jù)也可以采用有線傳輸。

1.2 管道爬行機器人控制系統(tǒng)

爬行機器人組成框架如圖1 所示。爬行機器人的控制系統(tǒng)可分為2 部分，即主控制器和從控制器。主控制器主要實現(xiàn)遠程指令發(fā)送、處理數(shù)據(jù)、人機交互等功能；從控制器則是利用多模態(tài)傳感器采集就地信息。

圖1 爬行機器人組成框架

1.2.1 主控制器

機器人主控制包括機器人的車體和末端機械臂，配置獨立的控制器，其中車體控制器為主機，末端執(zhí)行器上的控制器為從機，兩者通過485 協(xié)議通信。末端執(zhí)行器中的硬件電路均采用模塊化設計。以車體控制器為例，機器人本體包括核心處理器CPU 模塊、電源模塊、485 通訊模塊、距離傳感器模塊、陀螺儀模塊、微型攝像頭模塊、LED 驅(qū)動模塊、電機驅(qū)動模塊等。

操作臺實質(zhì)上為多通道人機界面，主要由一塊功能搖桿、功能按鈕以及組合液晶顯示屏組成。通過操作臺的觸摸、按鍵、搖桿等設備實現(xiàn)遠程控制。通過網(wǎng)口或Wi-Fi 執(zhí)行爬行器主控和網(wǎng)絡攝像頭通信。高清輸出的?？低曈脖P錄像機8108HFS-ST，能夠?qū)崟r將車體及云臺及伸縮臂上返回的視頻信號進行處理并通過顯示器顯示。通過光纖電纜連接，本地端解碼了網(wǎng)絡攝像頭視頻，并實時上傳管道信息等資料，最后在高清晰度顯示器中顯示，從而能夠播放實時視頻和歷史記錄。

1.2.2 從控制器

遠程端控制程序主要包括控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊、仿真模塊以及人機界面模塊等。而數(shù)據(jù)處理及維護軟件模塊作為整個軟件系統(tǒng)的基礎，主要作用是提供分析數(shù)據(jù)，包含系統(tǒng)各個部分的狀態(tài)信息。

控制模塊主要體現(xiàn)在上位機的控制規(guī)劃方面，它通過線纜連接管道機器人，依據(jù)機器人檢測任務，規(guī)劃機器人路徑、軌跡及運動參數(shù)，規(guī)劃末端執(zhí)行器位姿調(diào)整及工作狀態(tài)等。

通訊模塊負責管理遠程控制器和就地端控制器之間的通信，包括發(fā)送讀指令，收集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，發(fā)送寫指令，控制系統(tǒng)運行。光纖通訊以其抗拉力強的特性，有效解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)?、延時等問題。

終端與線纜車之間采用無線傳輸技術可進入DN400 以上的管道，單次最長檢測距離可達1 000 m，可適用于大直徑管道、箱涵等。遠程端控制器程序配置包括顯示系統(tǒng)狀態(tài)顯示與參數(shù)設置界面和顯示車體視頻的視頻界面，并在后臺配置有顯示和管理系統(tǒng)狀態(tài)的后臺界面。

2 三自由度云臺運動學仿真

機器人本體包括機器人的云臺以及伸縮檢測頭。其中機器人的爬行吸附機構(gòu)作為機器人的主體部分，主要功能是搭載傳感器、攝像頭等檢測設備，裝配云臺或伸縮檢測頭等末端執(zhí)行機構(gòu)以及為機器人本體提供動力。云臺與伸縮檢測末端屬于檢測執(zhí)行機構(gòu)，分別具備不同的功能與檢測范圍。機器人DH 參數(shù)如表1所示。

表1 爬行機器人的云臺的DH 參數(shù)表

作為云臺的基座，其主要的作用是通過不斷地調(diào)整攝像頭的位置角度，對機器人爬行環(huán)境和SG 熱傳管內(nèi)區(qū)域進行視頻檢測時，不斷調(diào)整攝像頭的位姿。第一關節(jié)作為車體，主要管理機器人的動力爬行關節(jié)，供熱管道檢測機器人本體分為車體、行走機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)。

車體是搭載平臺，搭載傳感檢測用功能部件和執(zhí)行機構(gòu)。第二節(jié)關節(jié)為腕部，主要實現(xiàn)俯仰運動，方便傳感器在豎直方向掃描。考慮到云臺的末端位姿還需要在空間中3 個方向上變換，再加上為簡化機械結(jié)構(gòu)，節(jié)省能耗，所以采用三軸機械臂的結(jié)構(gòu)較為合適。

結(jié)合機器人功能方面的要求，并且基于機器人在SG 熱傳管內(nèi)部的工作環(huán)境和使用方案，云臺的構(gòu)型要滿足以下幾點要求：①自由度要求，機器人在執(zhí)行任務時云臺必須具備2 個自由度；②檢測范圍的要求，云臺末端可以偵查正前方，以及360°旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)對管道內(nèi)壁的檢測和拍照記錄。利用Matlab 中的Robotics Toolbox 工具箱，輸入機械臂的相關DH 參數(shù)建立從端設備運動學模型，并通過蒙特卡洛法求解出機械臂的工作空間，以三維點云展示，效果如圖2所示。

圖2 云臺運動學仿真

最終，獲得云臺機械臂的可工作空間如表2 所示，滿足DN400 及以上的管道內(nèi)部環(huán)境的工作任務要求。

表2 云臺的工作空間分析

3 結(jié)論

本文提出一種新穎的供熱管道檢測爬行機器人系統(tǒng)設計方法，機器人設計滿足便攜化、模塊化、高適用性要求，同時具備主從端的人機交互能力，能夠靈活應對供熱管道檢測中各種狀況，滿足供熱管道檢測的高度靈活性要求。本文中爬行機器人可實現(xiàn)機器人和人類操作者的高效配合，充分發(fā)揮兩者之間的優(yōu)勢，形成更迅速、更有效的判斷和操作，顯著提高系統(tǒng)的智能性，同時避免多余的能耗行為，提升續(xù)航能力，這對未來維修和檢測供熱管道的機器人研究具有重要指導價值。