聞暄，王嵐

哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

過熱器管道長期處于高溫高壓狀態(tài)下，管道外壁易發(fā)生老化現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致疲勞抗力下降，產(chǎn)生裂紋；管道處的應(yīng)力集中會導(dǎo)致鋼管加厚腐蝕，造成鋼管表面出現(xiàn)腐蝕坑；另外管道本身也存在某些焊接缺陷[1-4]。根據(jù)以上情況分析，一旦設(shè)備發(fā)生故障，將會造成經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡以及環(huán)境污染。由此可見合理安排檢測周期對人、機(jī)、環(huán)境都是十分有益處的。然而，傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式存在著作業(yè)周期長、可靠性低、費(fèi)用高、安全性差等問題。

為了提高檢測的準(zhǔn)確性和速度，國內(nèi)外學(xué)者對自動(dòng)檢測機(jī)器人進(jìn)行了研究。陳建坤等[5]利用弧形磁吸附機(jī)構(gòu)研制出一種具有壁面自適應(yīng)能力的磁吸附爬壁機(jī)器人。張學(xué)劍等[6]基于永磁吸附原理和履帶式移動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于流化床鍋爐水冷壁壁厚檢測的永磁吸附式爬壁檢測機(jī)器人，該機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)控制器失效或斷電時(shí)，不會與被測墻體分離。潘煥煥等[7]也采用永磁塊吸附、履帶移動(dòng)的方式研制出一種鍋爐水冷壁清掃、檢測爬壁機(jī)器人。OmniClimbers 是一種全向磁性輪式攀登機(jī)器人，可以自由規(guī)劃行動(dòng)軌跡進(jìn)行表面質(zhì)量檢測[8]。Song 等[9]從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度提出了一個(gè)附著式機(jī)器人，該機(jī)器人由2 個(gè)單元組成，通過無源鉸鏈機(jī)構(gòu)連接，在其穿越障礙物時(shí)可附著在平坦和彎曲的天花板上。馮華林等[10]基于真空吸附原理，機(jī)器人利用其腳(吸盤)與接觸物之間存在的內(nèi)外壓差使其能吸附在接觸物的表面。蘭京等[11]采用多吸盤的四足結(jié)構(gòu)，利用真空泵產(chǎn)生真空配合吸盤實(shí)現(xiàn)機(jī)器人吸附在壁面上的目的。Ito 等[12]在吸盤機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)行了自適應(yīng)改進(jìn)，將其可工作區(qū)域擴(kuò)大到垂直管道和角墻。王思遠(yuǎn)[13]基于壁虎的足部結(jié)構(gòu)，通過仿生壁虎足部剛毛來模擬吸附狀態(tài)，并聯(lián)合切比雪夫連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種仿生四足爬壁機(jī)器人。Parween 等[14]為了了解lbex 單輪裝置在靜態(tài)和地面運(yùn)動(dòng)情況下對各種葉輪的反應(yīng)，從傾斜受力的角度對lbex 單車模型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)中不必考慮重力所帶來得影響。Wright 等[15]研究出一種蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)，工作時(shí)纏繞在管道外表面，實(shí)現(xiàn)上下行走。曹陽等[16]研究出一種夾持環(huán)抱機(jī)器人，利用驅(qū)動(dòng)輪與牛眼輪夾緊在管桁架上，通過控制雙軸舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)管桁架的夾緊與松開。房憧憬等[17]利用抓桿機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出一種新型爬桿機(jī)器人。金子涵等[18]基于仿生學(xué)原理和變胞理論設(shè)計(jì)一種新型爬管機(jī)器人。由上可知，常見的檢測機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)有爬壁和爬桿2 種方式，吸附方式可以分為永磁吸附、真空吸附、仿生吸附等，夾持方式可以分為環(huán)抱式、蛇形纏繞式等機(jī)構(gòu)。永磁吸附對管道表面質(zhì)量要求較高；真空吸附一般用于檢測墻壁等大面積外表面，且需要攜帶真空抽壓裝置，體積較大；仿生吸附則是模擬生物體的吸附方式，如尺蠖、壁虎等。

本文針對狹窄空間排列較密的管道，設(shè)計(jì)一種管道外表面檢測機(jī)器人，要求機(jī)器人能夠沿著管道上下行走，同時(shí)檢測管道表面質(zhì)量?？紤]到所需檢測管道情況，選擇夾持環(huán)抱的行走機(jī)構(gòu)。

1 管壁檢測機(jī)器人原理

過熱器處于狹窄空間內(nèi)，懸掛在高空，為蛇形、排列較密集管組。其中管道直徑為57 和63 mm 2 種，管道間隙為9.5 mm。針對狹窄空間要求，所需設(shè)計(jì)檢測機(jī)器人體積應(yīng)滿足可在蛇形管道表面行走；該機(jī)器人體積形狀也對檢測速度有一定影響，體積過大會導(dǎo)致行動(dòng)緩慢且容易碰壁，體積過小會導(dǎo)致檢測裝置無法完全背負(fù)。為了提高檢測速度及效率，根據(jù)過熱器管道尺寸，選擇以3 排管道為一組，機(jī)器人抱在3 根管道上行走并檢測。3 根管道及管間隙長度約為220 mm，由此設(shè)定管壁檢測機(jī)器人的寬度在200 ~220 mm。

機(jī)器人攜帶檢測設(shè)備對管道表面進(jìn)行檢測。為了實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的高機(jī)動(dòng)性能和對周圍環(huán)境的適應(yīng)性，使其盡量小型化、輕量化、合理、便于控制?；趹?yīng)用背景和使用要求，機(jī)器人主要性能指標(biāo)參數(shù)如表1 所示。

表1 檢測機(jī)器人主要性能指標(biāo)參數(shù)

2 狹窄空間管道外壁檢測機(jī)器人設(shè)計(jì)

機(jī)器人根據(jù)各部件功能不同主要分為2 個(gè)系統(tǒng)：主體系統(tǒng)和夾持懸掛系統(tǒng)。機(jī)器人主體系統(tǒng)包括承載框架、主驅(qū)動(dòng)輪和函道螺旋槳。夾持懸掛系統(tǒng)包括滑動(dòng)支架、固定支架、絲杠螺母機(jī)構(gòu)、4 個(gè)機(jī)械手臂和4 個(gè)搖桿。

機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。機(jī)器人在整體結(jié)構(gòu)上采用對稱式結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單同時(shí)可以保持機(jī)架整體平衡。

圖1 狹窄空間管道外壁檢測機(jī)器人三維圖

2.1 機(jī)器人主體系統(tǒng)

機(jī)器人主體系統(tǒng)由承載主體、主驅(qū)動(dòng)輪和函道螺旋槳構(gòu)成。

主驅(qū)動(dòng)輪采用直流伺服電機(jī)maxon dc motor RE25（空心杯減速電機(jī)）通過齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，使機(jī)器人在過熱器管道上下行走。主驅(qū)動(dòng)輪和直流伺服電機(jī)的傳動(dòng)方式選用三齒輪嚙合傳動(dòng)方式，直流伺服電機(jī)和主驅(qū)動(dòng)輪軸位置關(guān)系方式是平行放置，如圖2 所示。函道螺旋槳產(chǎn)生的升力作為主驅(qū)動(dòng)輪升降力的補(bǔ)充，提高機(jī)器人的承載能力，函道與承載主體并聯(lián)安裝。

承載主體自帶軸承座，三齒輪與各自軸的連接方式分別為：主驅(qū)動(dòng)輪軸與齒輪的連接方式采用螺釘連接；中間傳動(dòng)齒輪采用齒輪軸形式平行于主驅(qū)動(dòng)輪軸放置；連接電機(jī)軸齒輪為套筒齒輪，用銷與電機(jī)軸定位固定。采用三齒輪嚙合傳動(dòng)的原因?yàn)椋?) 避免主驅(qū)動(dòng)輪和直流伺服電機(jī)之間的間隙過小，發(fā)生干涉現(xiàn)象；2) 避免機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)與過熱器管道產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

2.2 機(jī)器人夾持環(huán)抱系統(tǒng)

機(jī)器人的夾持環(huán)抱系統(tǒng)為三自由度系統(tǒng)，由支架、絲杠螺母機(jī)構(gòu)、4 個(gè)機(jī)械手臂和4 個(gè)搖桿組成。其中三自由度分別為滑動(dòng)支架通過絲杠螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的橫向移動(dòng)、舵機(jī)控制的旋轉(zhuǎn)機(jī)械手臂和舵機(jī)控制的旋轉(zhuǎn)機(jī)械手指。

2 個(gè)支架安裝在承載主體左右兩側(cè)，如圖3 所示。為了適應(yīng)不同管徑，左側(cè)支架1 由絲杠螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩支架間距調(diào)整。絲杠螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流伺服電機(jī)JGA-370，移動(dòng)機(jī)構(gòu)為MGN7C 導(dǎo)軌和MGN7H 滑塊。

4 條機(jī)械手臂分別安裝在左右支架的上下兩端。機(jī)械手臂末端通過螺釘及舵盤與舵機(jī)軸相連接，舵機(jī)安裝在支架上下端的u 型架中。手臂的u 型架和支架的u 型架（圖4 中圓圈圈出部分）通過2 個(gè)擋邊軸承和1 個(gè)銷軸連接。機(jī)械手臂由舵機(jī)HS5245MG 驅(qū)動(dòng)，由舵機(jī)控制其角度在機(jī)器人運(yùn)行時(shí)保持懸掛狀態(tài)；4 個(gè)機(jī)械手指分別安裝在4 個(gè)機(jī)械手臂前端的小舵機(jī)EMAX 花鍵軸上，由螺釘固定。機(jī)械手臂及手指的安裝位置如圖4 所示。

手指部分選用輥筒可以減小摩擦，利用滾動(dòng)摩擦代替干摩擦。由于小舵機(jī)本身所能提供扭矩有限，不能夠承擔(dān)手指所受正壓力帶來的扭矩，故在手指前端添加一個(gè)彈簧銷抵住機(jī)械手指根部，目的是保持手指旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，不會因?yàn)檎龎毫^大而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

機(jī)器人的工作過程為復(fù)位、夾持管道、沿管道爬行和檢測、回收。機(jī)器人的復(fù)位狀態(tài)如圖5(a)所示，機(jī)械手指與手臂在一條直線上。當(dāng)機(jī)器人主體靠在過熱器管道壁時(shí)，小舵機(jī)控制機(jī)械手指向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)90°，使手指輥筒與過熱器管道表面相切，抱緊管道，如圖5(b)所示。

圖5 狹窄空間管道檢測機(jī)器人運(yùn)行示意

機(jī)器人在過熱器管道外壁爬行時(shí)，上下2 條手臂呈現(xiàn)人字形狀態(tài)，不僅可以使機(jī)器運(yùn)行時(shí)更加穩(wěn)定，同時(shí)也可以使上下2 手臂之間的距離增大，不會與中間承載主體發(fā)生干涉。實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)如圖5(c)所示。圖5 中過熱器為一排管道，部分管道省略。

3 機(jī)器人受力分析

機(jī)器人工作時(shí)，需要考慮其夾持力和升降力。夾持力由機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)一定角度所需扭矩和機(jī)械手指與管道接觸所形成的正壓力決定；升降力由主驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)提供功率和函道升力決定。機(jī)器人受力分析如圖6 所示。

圖6 機(jī)器人運(yùn)行時(shí)受力分析

由圖6 可知，當(dāng)其勻速上升時(shí)，假設(shè)主驅(qū)動(dòng)輪與管接觸點(diǎn)為A點(diǎn)。

在A點(diǎn)處列出平衡方程為

式中：主驅(qū)動(dòng)輪受管道的壓力為N，摩擦力為f，函道升力為F，距A點(diǎn)距離為x1；整機(jī)重力為G，距A點(diǎn)距離為x2；上手指受壓力為N1，距A點(diǎn)距離為h1，摩擦力為f1，距A點(diǎn)距離為d；下手指受壓力為N2，距A點(diǎn)距離為h2，摩擦力為f2，距A點(diǎn)距離為d(d為管子直徑)。主動(dòng)輪與管間摩擦系數(shù)為μ=0.5，手指與管間等效摩擦為μ1=0.08。

已知f1=μ1N1、f2=μ1N2，可簡化平衡方程為

可知，x1=128 mm、x2=115 mm、h1=142 mm、h2=191 mm、G=5 kg×9.8=49 N，所選的函道螺旋槳所能提供的最大升力為950 g，由于螺旋槳不可能一直處于最大推力的狀態(tài)，取F=1.6 kg×9.8=15.68 N，把以上數(shù)據(jù)代入平衡方程，可得出結(jié)果為

3.1 夾持力分析

對機(jī)器人的機(jī)械手臂所需扭矩進(jìn)行分析計(jì)算， 在機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，上手指與過熱器管道相切時(shí)機(jī)械手臂與水平面的夾角為θ1，下手指與過熱器管道相切時(shí)機(jī)械手臂與水平面的夾角為θ2，根據(jù)受力分析圖6 可得出機(jī)械手臂所需扭矩公式為

式中f′為單個(gè)手臂的手指滾動(dòng)時(shí)與過熱器管道所產(chǎn)生的摩擦力且f1=μ1N1、f2=μ1N2，由于該機(jī)器人為對稱機(jī)器人，故同時(shí)可知機(jī)械手臂前端到支架的有效距離為L=172 mm，上手指與過熱器管道相切時(shí)機(jī)械手臂與水平面的夾角θ1=21°，下手指與過熱器管道相切時(shí)機(jī)械手臂與水平面的夾角θ2=38°(上下手臂夾角不同是為了防止下手臂與承載主體軸承座發(fā)生干涉，故下手臂到A點(diǎn)的距離長于上手臂到A點(diǎn)的距離)。

代入上述數(shù)據(jù)到機(jī)械手臂所需扭矩式(1)，可得：

比較上下手臂所需要的扭矩，選出最大扭矩為上手臂所需要的扭矩：

控制機(jī)器人的機(jī)械手臂選擇的舵機(jī)型號為Hitec 小型金屬齒輪數(shù)字舵機(jī)HS-5245MG，在電壓為6 V 的情況下，舵機(jī)所能提供的扭力為5.5 kg·mm，換算成扭矩為T=539 N·mm。

把上手臂所需要的扭矩和舵機(jī)所能提供的扭矩作比較，可得：

由于機(jī)械手臂所需要的扭矩小于舵機(jī)所能提供的最大扭矩，故舵機(jī)強(qiáng)度足夠。

根據(jù)對機(jī)器手指（即搖桿）的受力分析，考慮到控制機(jī)械手指的舵機(jī)尺寸所需較小，其所能提供的扭矩不大，故增加一個(gè)彈簧銷與其串聯(lián)，即可得到一個(gè)不等式方程為

式中：s為機(jī)械手指（即搖桿）和過熱器管道接觸點(diǎn)到小舵機(jī)轉(zhuǎn)軸之間的距離，經(jīng)過測量，可得到距離s= 30 mm；N′為在機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，單個(gè)手臂的手指所受到的正壓力，已知上手指所受正壓力為N1，下手指所受正壓力為N2，由于該機(jī)器人為對稱機(jī)器人，故可以得到

控制機(jī)器人的機(jī)械手臂前端搖桿（即機(jī)器人手指）選擇的舵機(jī)型號為EMAX 銀燕數(shù)碼舵機(jī)ES9251II，在電壓為4.8 V 的情況下，舵機(jī)所能提供的扭力為0.27 kg·cm，換算成扭矩為T=26.46 N·mm。

代入數(shù)據(jù)到不等式方程式(2)，可得：

比較上下手指所需要彈簧銷提供的壓力，選出最大壓力為上手指所需要彈簧銷提供的壓力：

已知彈簧銷所能承擔(dān)的最大剪力為500 N，機(jī)器人手指部位所需要彈簧銷提供的壓力遠(yuǎn)小于500 N，故彈簧銷強(qiáng)度足夠。

綜上，機(jī)器人所需夾持力滿足條件。根據(jù)夾持力對機(jī)械手指進(jìn)行有限元分析如圖7 所示。由圖7 可以看出機(jī)械手指在機(jī)器人運(yùn)行時(shí)手指不會因?yàn)檎龎毫Χl(fā)生剪斷現(xiàn)象，故有限元分析結(jié)果與理論分析結(jié)果相同。

圖7 機(jī)械手指有限元分析結(jié)果

3.2 升降力分析

電動(dòng)機(jī)功率P的計(jì)算公式為

式中：Ft為機(jī)器人向上、下爬行時(shí)需要要克服的阻力，N；v為機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的速度，m/min；η為傳動(dòng)效率，為齒輪傳動(dòng)，取97%；K為安全系數(shù)。

根據(jù)對爬行過程中機(jī)器人的受力分析，能得到爬行中需克服的阻力Ft：

式中：M為機(jī)器人總重量，kg；g為重力加速度，m/s2；Fu為函道提供升力，N。

所選的函道螺旋槳所能提供的最大升力為950 g，由于螺旋槳不可能一直處于最大推力的狀態(tài)，取Fu=1.6 kg×9.8=15.68 N，把該數(shù)據(jù)代入式(4)，可得：

根據(jù)所提出的機(jī)器人的性能參數(shù)，取v=0.08 m/s=4.8 m/min；考慮到爬行過程中震動(dòng)、沖擊、以及慣性力的影響，安全系數(shù)取2。

把以上數(shù)據(jù)代入式(3)，可求出所需電動(dòng)機(jī)的功率為

所選用的直流伺服電機(jī)maxon 的電機(jī)功率為P=20 W，故電機(jī)所能提供的升降力足夠。

根據(jù)升降力對承載主體進(jìn)行有限元分析如圖8 所示。 由圖8 可以看出，承載主體的薄弱位置在機(jī)器人運(yùn)行時(shí)不會因?yàn)樯盗Φ淖兓l(fā)生屈服現(xiàn)象，故有限元分析結(jié)果與理論分析結(jié)果相同。

圖8 承載主體有限元分析結(jié)果

4 結(jié)論

本文基于狹窄空間管道外壁檢測機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合目前國內(nèi)外已有爬桿、爬管機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對一種在狹窄空間內(nèi)探測管外壁表面質(zhì)量的機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

1）本文研究了一種狹窄空間管道外壁檢測機(jī)器人，采用對稱式結(jié)構(gòu)，利用機(jī)械手臂和手指進(jìn)行夾緊環(huán)抱，通過主驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)沿管爬行，考慮到管道直徑和間隙的變化，增加了絲杠螺母機(jī)構(gòu)改變橫向?qū)挾?。采用舵機(jī)控制機(jī)械手臂和手指，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)多姿態(tài)變換(復(fù)位姿態(tài)、抱緊姿態(tài)、運(yùn)行姿態(tài))的目的，提高了整個(gè)機(jī)器人的適應(yīng)性。

2）分別從機(jī)器人夾持力、升降力2 方面進(jìn)行分析，并結(jié)合主要部件有限元分析進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，機(jī)械手指在機(jī)器人運(yùn)行時(shí)不會因?yàn)檎龎毫Χl(fā)生剪斷現(xiàn)象，承載主體的薄弱位置在機(jī)器人運(yùn)行時(shí)不會因?yàn)樯盗Φ淖兓l(fā)生屈服現(xiàn)象，故有限元分析結(jié)果與理論分析結(jié)果相同。