端木希睿，鄭華棟，劉曉麗，陳鹿民

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002）

1 引言

石油作為重要的能源，主要通過石油管道來輸送。石油管道焊接主要通過人工手工焊接完成［1］，機器人焊接具有效率高，焊接質(zhì)量好等優(yōu)勢［2］。國內(nèi)外對于內(nèi)管道機器人的研究已取得較多成果［3-6］，文獻［7］研制的多模塊蛇形管道打磨機器人等，但內(nèi)管道機器人的運動空間受到了管道內(nèi)壁的限制，主要執(zhí)行管道內(nèi)壁探傷，打磨，修補等任務(wù)，不能攜帶機械手臂執(zhí)行焊接等作業(yè)。目前的彈性軌道式管道環(huán)焊機器人在焊接每個焊縫時［8］，都需要在管道上人工安裝一圈機器人行走環(huán)繞軌道，安裝調(diào)試過程繁瑣導(dǎo)致機器人焊接效率低下。文獻［9］從蛇纏繞樹干爬行得到啟發(fā)，仿生出一款能夠在管狀體外壁纏繞爬行的柔性仿蛇機器人，但石油管道下方有支撐立柱，避開障礙有困難。文獻［10］研制的模塊化外管道全方位移動機器人能夠在石油管道外壁行走，并通過石油管道彎道，但機器人通過彎道時，車身需要傾斜90°，若機器人身上攜帶較重的焊接設(shè)備，車輪需要產(chǎn)生較大的摩擦力來抵消攜帶重物產(chǎn)生的反作用力，可靠性較低。針對石油管道外壁爬行焊接為背景，設(shè)計了具有石油管道外壁爬行且具有過彎能力的爬行機器人，可安裝機器人手臂執(zhí)行管道焊接，修復(fù)，檢測等任務(wù)。

2 機器人設(shè)計方案

機器人機構(gòu)原理圖，如圖1所示。轉(zhuǎn)動兩前進全向輪機器人在管道上直行，行走方向如圖1（b）中箭頭d所示；轉(zhuǎn)動姿態(tài)調(diào)整全向輪能讓機器人圍繞管道圓周方向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向如圖1（a）中箭頭c所示。機器人前進全向輪和姿態(tài)調(diào)整全向輪輪軸線互相垂直，由電機提供動力分別驅(qū)動機器人沿不同方向運動，由于全向輪輪轂邊緣有兩排無動力輥子［11］，如圖2所示，和普通輪相比，輪軸方向滑動摩擦力很小，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和側(cè)移，當(dāng)機器人在石油管道上行走，同時旋轉(zhuǎn)前進和姿態(tài)調(diào)整全向輪時，幾乎不產(chǎn)生耦合效應(yīng)。前進全向輪安裝在活動的連桿上，連桿受直線軸承限位，另一端連接彈簧，使輪在通過彎道時，彈簧壓縮或伸長被動適應(yīng)彎道輪廓，實現(xiàn)過彎。爬行直管道時，左右兩前進全向輪轉(zhuǎn)速一致，提供前進動力，姿態(tài)調(diào)整全向輪不轉(zhuǎn)。爬行彎道時，兩前進全向輪轉(zhuǎn)速不同，彈簧被動適應(yīng)管道彎道輪廓。姿態(tài)調(diào)整全向輪安裝在機器人幾何中心，當(dāng)檢測到機器人傾斜時可旋轉(zhuǎn)此輪調(diào)整平衡。此設(shè)計保證了機器人在行走中能過彎，管道下方支撐柱不影響機器人的行走，如圖3中11所示，控制機器人時只需控制電機的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，結(jié)構(gòu)簡單容易在工程中應(yīng)用。

圖1 機構(gòu)原理圖Fig.1 Mechanism Diagram

圖2 全向輪Fig.2 Omni Wheel

圖3 機器人Solidworks模型圖Fig.3 Robot Solidworks Model Diagram

機器人虛擬樣機模型，如圖3 所示。為了支撐機器人主框架，兩支撐滾筒以簡支梁結(jié)構(gòu)，通過軸承座安裝在機器人上，增大負(fù)重能力，減小行進過程中的摩擦力。在設(shè)計時，滾筒直徑應(yīng)根據(jù)姿態(tài)調(diào)整全向輪直徑選取，使?jié)L筒和姿態(tài)調(diào)整全向輪最低高度一致，保證滾筒和輪都貼合在管壁上；同時滾筒長度不可過短，保證過彎時管道對滾筒有支撐點，如圖6（a）所示。前進全向輪半徑應(yīng)小于管道彎道外壁輪廓內(nèi)弧線半徑，以保證在過彎時，輪和內(nèi)弧始終貼合，防止全向輪由于輥子彈性變形卡死在彎道內(nèi)弧凹陷處。直線軸承孔內(nèi)安裝的光滑連桿長度和彈簧長度應(yīng)根據(jù)爬行時彈簧的極限收縮和伸長量設(shè)計，使工作時，彈簧應(yīng)變量是線性的；彈簧牽引的連桿在滿足工作條件的同時，要盡可能短，減小寬度使結(jié)構(gòu)更緊湊，降低沿圖1（a）中c方向轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)動慣量，減小驅(qū)動姿態(tài)調(diào)整全向輪電機力矩。

3 物理樣機實驗

按照三維模型中的尺寸1：1 制作物理實驗樣機，如圖4 所示。用手搖柄單軸控制機器人的三個電機，機器人在直管道上爬行時，讓左右前進全向輪以大小相等，方向相反的角速度轉(zhuǎn)動，機器人能按圖1（b）中箭頭d方向前進，爬行效果理想。單軸控制姿態(tài)調(diào)整全向輪旋轉(zhuǎn)，機器人也能按圖1（a）中箭頭c方向轉(zhuǎn)動進行姿態(tài)調(diào)整。

圖4 虛擬樣機和物理樣機對比Fig.4 omparison of Virtual Prototype and Physical Prototype

為了探究機器人過彎條件，首先不給姿態(tài)調(diào)整全向輪添加驅(qū)動，僅驅(qū)動左右前進全向輪電機，并在過彎時，左右電機保持轉(zhuǎn)速差，查看機器人是否能夠過彎。機器人過彎道時失衡并向彎道外側(cè)傾斜，如圖5所示。通過圖6可以看出，過彎時，由于管道對機器人滾筒支持點向管道彎道內(nèi)側(cè)偏移，管道對機器人產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)力T，導(dǎo)致機器人向管道外側(cè)傾斜。通過彎道時，驅(qū)動姿態(tài)調(diào)整全向輪補償支撐點變化的干擾后，傾斜現(xiàn)象明顯消失。但機器人通過彎道時，過彎成功率不高，進行了10次過彎實驗，實驗記錄，如表1所示。僅過彎成功2次。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，實驗中的彎管道和直管道之間有焊縫，凸起平均高度2mm，如圖7所示。機器人的姿態(tài)調(diào)整全向輪會和焊縫發(fā)生沖擊碰撞，降低實驗成功幾率。而每次碰撞都具有不確定性，實驗編號7和10提升行走速度時實驗成功率較高。于是提高機器人行走速度避免沖擊碰撞卡死，同時手動修正碰撞后機器人的姿態(tài)，機器人能流暢通過彎道，實驗現(xiàn)象，如圖8所示。實驗記錄，如表2所示。手動電機單軸控制實驗10次，僅實驗編號3過彎卡死，通過和其他組的速度對比能夠看出，機器人的行走速度≥0.4m/s時，機器人才能通過焊縫。

表1 手動單軸控制過彎實驗記錄1Tab.1 Manual Single-Axis Control Curve Test Record 1

表2 手動單軸控制過彎實驗記錄2Tab.2 Manual Single-Axis Control Curve Test Record 2

圖5 機器人過彎時的傾斜現(xiàn)象Fig.5 The Tilt Phenomenon of the Robot when Cornering

圖6 管道對滾筒支撐點的干擾Fig.6 Interference of the Pipe to the Roller Support Point

圖7 全向輪和焊縫的沖進碰撞點Fig.7 The Collision Point of the Omni Wheel and the Weld

圖8 手動電機單軸控制實驗Fig.8 Manual Motor Single-Axis Control Experiment

進行實驗記錄1時過彎速度較慢，姿態(tài)調(diào)整全向輪卡死在焊縫處，有了實驗1的經(jīng)驗后，實驗2提高了過彎速度，利用慣性沖過焊縫，修正碰撞后姿態(tài)繼續(xù)直行，皆過彎成功，驗證了是焊縫導(dǎo)致的過彎失敗。因此，設(shè)計中忽略了焊縫的凹凸不平，制作管道模型時，手工焊接者由于經(jīng)驗不足，彎管和直管道焊接之間同軸度不高，加上兩種管道較為粗糙直徑差別較大，導(dǎo)致焊縫粗糙影響實驗效果。下一代樣機可在姿態(tài)調(diào)整全向輪上添加彈簧來緩沖沖擊，或設(shè)計輪的抬升機構(gòu)，爬行優(yōu)質(zhì)無縫鋼管，利用機器人焊接管道提高焊縫質(zhì)量，機器人的過彎效果將更好。

4 碰撞實驗姿態(tài)數(shù)據(jù)分析

為了獲得機器人輪和焊縫碰撞后的姿態(tài)數(shù)據(jù)，將虛擬樣機模型導(dǎo)入ADAMS中，如圖9所示。根據(jù)圖1中的機構(gòu)原理圖建立不同構(gòu)件間約束關(guān)系。建立全向輪動力學(xué)模型時，在每個輥子和輪轂間建立轉(zhuǎn)動副關(guān)系，保證沿圖1（a）中c方向和圖1（b）中d方向運動關(guān)系不耦合。在管道彎道處添加焊縫，并使焊縫平均凸起高度為2mm，形狀隨機，如圖10 所示。按照表3、表4 所示的驅(qū)動函數(shù)給電機添加驅(qū)動，分別進行無焊縫和有焊縫爬行仿真，機器人（1～2）s 爬行直管道，（2～3）s 通過管道彎道，（3～5）s 繼續(xù)爬行直管道。其中V1和V2分別為機器人左右兩前進全向輪角速度，V3為姿態(tài)調(diào)整全向輪角速度，a，b，c為變量，b＞a。通過ADAMS 測量功能獲取兩組實驗機器人過彎時重心高度變化數(shù)據(jù)，如圖11所示。從圖11 能夠看出，（1～2）s 爬行直管道時，兩次仿真數(shù)據(jù)重合，2s 后有焊縫的仿真線條相對于無焊縫線條劇烈波動，而（3～3.25）s 時，有焊縫曲線直線下降，（3.25～3.5）s曲線高度回升。（2～3）s 的曲線波動由于全向輪輥子，滾筒碰撞焊縫；（3～3.25）s，機器人剛出彎道，碰撞已導(dǎo)致姿態(tài)小幅度波動，而此時后滾筒還壓在彎管道上，類似圖6，產(chǎn)生的力矩加劇碰撞導(dǎo)致的偏移，因而線條劇烈下降，而此時姿態(tài)調(diào)整全向輪的轉(zhuǎn)動補償了偏移，（3.25～4）s曲線高度持續(xù)回升。從仿真的圖線可以看出，碰撞導(dǎo)致機器人剛從彎管道進入直管道時，在管道對滾筒支撐點變化的影響下，姿態(tài)發(fā)生大幅度偏移，姿態(tài)調(diào)整全向輪可補償焊縫對爬行姿態(tài)的影響。

表3 無焊縫仿真驅(qū)動函數(shù)表Tab.3 No Welding Seam Simulation Driving Function Table

表4 焊縫仿真驅(qū)動函數(shù)表Tab.4 Weld Simulation Driving Function Table

圖9 ADAMS動力學(xué)模型創(chuàng)建Fig.9 ADAMS Dynamic Model Creation

圖10 建立焊縫模型Fig.10 Establishing the Weld Model

圖11 有焊縫和無焊縫仿真數(shù)據(jù)對比Fig.11 Comparison of Simulation Data with and Without Welds

5 焊縫通過性速度分析

經(jīng)實驗驗證，能否通過焊縫關(guān)鍵在于姿態(tài)調(diào)整全向輪是否發(fā)生卡死。假設(shè)焊縫為半圓形，全向輪和焊縫發(fā)生正碰，前進全向輪始終對姿態(tài)調(diào)整全向輪產(chǎn)生作用力F，機器人機架對輪的壓力為FN，如圖13 所示。輪以速度Ve沖上焊縫凸臺，動能轉(zhuǎn)化為勢能，此時速度為Vf，如圖12②所示，全向輪第一排輥子通過焊縫后，勢能轉(zhuǎn)化為動能，此時速度為Vg，如圖12③所示，假設(shè)全向輪剛好能通過焊縫，第二排輥子將動能轉(zhuǎn)化為勢能時，Vh=0，如圖12④所示。

圖12 姿態(tài)調(diào)整全向輪通過焊縫過程Fig.12 The Posture Adjustment Omnidirectional Wheel Passes Through the Welding Seam Process

圖13 姿態(tài)調(diào)整全向輪受力分析及尺寸Fig.13 Force Analysis and Size of the Posture Adjustment Omnidirectional Wheel

12①-12②過程中，摩擦力對運動做負(fù)功，根據(jù)圖14的受力分析圖可以得出，全向輪輥子對焊縫的最大壓力為mg+FN，輥子和焊縫接觸線長度L為：

圖14 輥子和焊縫接觸時的壓力Fig.14 The Force when the Roller Just Touches the Weld

摩擦力對輪做的功W0為：

此過程中F所做的功W1為：

根據(jù)能量守恒定理能夠得出全向輪通過焊縫條件為：

將表5中的數(shù)值代入式（4）中得出，機器人能通過焊縫凸臺的條件為：

表5 公式中各符號的意義Tab.5 The Meaning of Each Symbol in the Formula

6 結(jié)論

這里提出了一種具有過彎能力的在石油管道外壁爬行的機器人。通過物理樣機手動單軸控制實驗證明了爬行機構(gòu)的可行性，同時得出機器人過彎條件，即行走速度保持在0.4m/s以上，保持較大的慣性越過焊縫，并修正碰撞后姿態(tài)，左右前進輪保持轉(zhuǎn)速差，姿態(tài)調(diào)整全向輪需要轉(zhuǎn)動來抵消過彎時由于管道對滾筒支撐點改變產(chǎn)生的干擾。通過ADAMS的仿真數(shù)據(jù)能夠看出，受焊縫和滾筒支撐點變化的影響，機器人姿態(tài)大幅度變化發(fā)生在爬行彎曲管道進入直管道時，應(yīng)保持姿態(tài)調(diào)整輪轉(zhuǎn)動直到后滾筒也壓在直管道上平衡后；而焊縫通過性速度分析從能量的角度分析了實驗中速度快機器人就能通過焊縫的現(xiàn)象，但將焊縫模型看成半圓形過于理想，因此略小于實際實驗數(shù)值。