基于模塊化自適應管道機器人機構設計與研究

陸宇捷

（蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070）

1 管道機器人結構方案總體設計

本研究旨在通過設計一種單電機驅動，具有自適應高效驅動機構的無纜式管道機器人，該管道機器人能夠在直徑250～350 mm 的管道中自適應管徑變化運動，在管道中快速通過（5～6 m/min），通過彎管時不產生運動干涉，牽引力不小于240 N，采用鋰電池供電，能連續(xù)工作8 h。根據設計要求，提出分體式和整體式兩個總體方案。

1.1 分體式

分體式管道機器人由前后機體和中間軟軸三部分組成。前機體為驅動模塊，通過單電機驅動，鋰電池供電，轉速和轉矩經三軸差速機構實時自動分配，經三個輸出軸輸出，通過錐齒輪轉向，經外部直齒輪傳動系統傳給三組驅動輪。后機體攜帶檢測設備，前后機體各有3 組周向120° 均勻分布行走支撐機構，支撐機構上采用被動變徑機構實現機器人對管徑的自適應。前后體采用彈簧軟軸連接，彈簧軟軸起到碰撞緩沖、提高過彎能力的作用。前后機體靠近軟軸一側設計為球面，防止其在過彎過程中前后機體發(fā)生碰撞[1-3]，其結構如圖1 所示。

圖1 分體式管道機器人

1.2 整體式

整體式系統與分體式區(qū)別在于為整體式無中間軟軸連接，機器人由一個單元體組成，前后輪采用共同變徑方式，通過同步帶進行連接，其結構如圖2 所示。

圖2 整體式管道機器人

兩種總體方案性能對比見表1。

表1 總體方案對比表

兩種方案均采用模塊化設計，具有互換性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。通過對比，分體式在過彎性能、碰撞緩沖、控制難度、軸向尺寸、彈簧力轉換率、運動干涉等方面均優(yōu)于整體式，因此本研究設計采用分體式。

2 運動模塊

2.1 運動模塊方案

管道機器人運動方式因應用領域和作業(yè)要求的不同而存在較大差異，其中應用較為廣泛的主要有8 種形式：車型式、履帶式、支撐輪式、蠕動式、多足式、螺旋輪式、仿生式和管道豬（PIG）[4]。它們的主要特點及適用場合見表2。

表2 八種移動方案的比較

根據設計要求，機器人需采用單電機高效驅動,在管道中快速運動，且具有一定的越障能力和適應管徑變化能力。其中，PIG 形式為流體驅動，不滿足電機驅動的要求，螺旋輪式和蠕動式運動速度慢，不滿足速度要求，多足式和仿生式驅動效率低，不滿足高效驅動的要求。車型式和履帶式過彎容易發(fā)生傾覆，不滿足運動穩(wěn)定性要求。綜合比較，采用支撐輪式運動方案。

2.2 空間分布和支撐度冗余問題

對于支撐輪式管道機器人的研究有很多，但對其支撐臂空間分布與支撐度的分析卻很少，對管道機器人而言，其行走機構的數量及空間分布對其性能有較大影響。根據空間對稱分布原則，支撐輪式機器人必要支撐度（獨立且有效的支撐量）為6。管壁獨立有效的支撐力隨支撐度增加而增加，同時減輕各支撐件的負荷，提高機器人在管壁內行走的姿態(tài)穩(wěn)定性。如果能有效地利用每一支撐度，使每一支撐度具有驅動能力，就能增強機器人的驅動和牽引能力。但增加支撐度可能出現以下問題：①通過性和越障性下降;②產生運動干涉;③結構復雜、控制困難。

如圖3 所示，僅當姿態(tài)角為45°時，所有的行走機構均可與管壁接觸。因為機器人的轉彎和轉向是由差速驅動來完成的，所以空閑的行走機構對轉彎和轉向不起任何作用，也會增加幾何約束。很明顯，4 組和4 組以上的行走機構對于轉彎和轉向機器人來說幫助不大，但卻增加了問題的復雜性[5-6]。所以本研究最終確定了該機器人行走機構的三個組，其周向空間的120°等間隔分布。

圖3 4 組支撐臂支撐情況

3 變徑模塊

變徑模塊作用是使機器人能夠適應管徑變化，此外，機器人驅動輪和管壁的正壓力大小決定了其驅動力大小，盡管機器人本身的重量也能起到部分驅動輪與管壁之間的壓力作用，但這種壓力通常是有限的，所以驅動單元在結構設計上必須有一個預緊變徑機構來保證其有效的驅動。而且為保證惡劣環(huán)境下仍能承受較大的帶載能力，還需要有管徑適應調整機構，以避免管徑局部突變帶來的剛性沖擊[7]。圖4為6 種主要的變徑機構，各自特點對比見表3。

圖4 6 種主要的變徑機構示意圖

表3 6 種變徑機構的特點

圖4 中（b）、（c）、（d）為主動變徑方式，這種方式采用電機驅動，會增加結構設計和控制的難度，導致軸向空間結構不緊湊，且蝸輪蝸桿預緊型變徑機構對電機性能要求高，占據空間大，升降機變徑機構外力需求大，結構復雜?？紤]到設計要求的變徑率（變徑范圍占平均管徑的百分比）不大，為33.33%，需要提供可靠的預緊力且具備一定的越障能力，綜合比較，驅動輪采用預緊彈簧與曲柄滑塊相結合的變徑方式，也是前4 種基本預緊型變徑機構中唯一一種被動調節(jié)式變徑機構，具有結構簡單，適應性強，變徑范圍廣，軸向尺寸小等特點[8-10]。另外，由于彈簧受到一定尺寸的預緊作用，滑桿上安裝擋板螺母，用來限制滑套在滑桿上的運動范圍。

4 動力模塊

電機、液壓和氣動是三種最常見的驅動方式。氣動式機器人運動穩(wěn)定性差，姿態(tài)精度不高。而液壓式機器人容易漏油，影響工作穩(wěn)定和定位精度，且對液壓元件要求高，否則容易造成污染。電機驅動因控制簡單、使用方便、傳動效率高、成本低等特點被廣泛應用于機器人領域[11]，故選擇電機驅動的方案。根據速度和牽引力要求，通過設計計算，選擇了型號為56JBX-57ZYN001J2000 的直流電機，該電機具有結構緊湊，體積小，承載能力強，壽命長，維護方便的特點，額定狀態(tài)下能提供341 N 的牽引力，滿足設計要求的240 N。

能源供給上，線纜式行走距離增加，線纜與管道壁面的摩擦力會增大，如果牽引力過大，就會浪費能源，損壞機構，牽引力不足，則原地滑行，嚴重影響檢測器工作時的最大運行距離。此外，線纜與管道發(fā)生摩擦，引起電纜溫度升高，產生不安全因素。另一種是管道機器人需要的能量由其自身攜帶的電源提供。無纜式可減輕機器人的拖動負載，使其具有足夠的負載力，可攜帶其他傳感器等檢測設備[12]。無纜供電方式中鋰電池續(xù)航能力強，尺寸小，攜帶方便。電機負載電流≤3.7 A，設計要求連續(xù)工作8 h，所以電池容量不小于29.6 Ah，單體鋰電池容量為2 Ah，故串聯15 片可滿足容量要求。

5 傳動模塊

在常見7 種傳動方式中，蝸輪蝸桿很難在變徑管道中實現有效傳動；鏈傳動一般用于平行軸和低速重載工況。帶傳動不精確易磨損，結合機器人的技術要求和實際工作環(huán)境，選擇了傳動穩(wěn)定可靠、結構緊湊、可實現空間復雜傳動、傳動效率高、精度高的齒輪傳動。其中，機器人內部采用三軸差速傳動機構，其由三個差速器與一個分動器組成，具有一路輸入三路輸出的功能，其傳動原理圖如圖5（a）所示[13]，外部采用傳動機構將三軸差速單元輸出的動力傳遞給驅動輪，其原理圖如圖5（b）所示。

圖5 傳動原理圖

6 連接模塊

許多管道機器人都加入了導向裝置，期望能借導向頭的導向能力，使機器人具有自主轉向的能力。但是，結果表明這種導向頭裝置不但效果不佳，還增加了機器人的結構復雜性和控制難度[14-15]。所以本研究取消了傳統管道機器人前體的導向裝置，通過采用軟軸連接機構提高機器人的過彎性能。

6.1 連接機構方案

軟軸作用：①三軸差速機構雖然能滿足一定范圍內的彎管通過能力需求，但由于受到支撐強度和機體姿態(tài)平衡的限制，需要通過軟軸協助提高過彎性能；②避免與管道中障礙物的剛性碰撞，也是機器人的一項性能要求。采用軟軸使前機體具有在任何狀態(tài)下可反向運動的特性，以避免損壞機器人器件。

柔性連接單元主要有3 種：柔性桿，柱形彈簧，萬向節(jié)。柔性桿可壓縮性差，一般萬向節(jié)在一定范圍內有一定角度限制，故選用柱形彈簧作為前后機身的連接件。并加裝了與螺旋彈簧直徑相匹配的外螺紋連接頭，使螺旋彈簧的傳動單元和檢測單元具有良好的連接性能。彈簧軟軸與兩個單體之間的連接如圖6 所示。

圖6 彈簧軟軸連接結構圖

彈簧軟軸在設計上應滿足以下準則：①需滿足機器人行走驅動的要求，軸向剛度要大；②在滿足過彎要求的前提下，盡可能選用具有較小的彎曲剛度的彈性材料；③應選用較大的彈簧內徑，以避免機器人發(fā)生失效。根據參考文獻，彈簧選用公稱直徑16 mm，中徑14 mm，常規(guī)易壓縮量為8 mm，工作圈數5，螺距4 mm，材料為合金，符合性能要求。

7 檢測模塊

管道機器人的作用是探測管道內壁的缺陷和破損，其主要是通過數據或圖像來反映管道內壁的狀況，常用的檢測方法有CCD 視頻探測，超聲檢測，射線檢測，漏磁檢測等。漏磁檢測的效果受管道缺陷的形狀與尺寸影響較大，超聲檢測不能獲得缺陷的直觀圖像，檢驗設備復雜，射線檢測成本高，速度慢，對人體有損害。該機器人用于工業(yè)管道檢測，管線較長，期望能夠實時、快速地完成檢測，故選擇了CCD 圖像采集檢測作為本管道機器人的檢測方式，其具有全色視頻圖像輸出，可實時觀察，設備簡單，速度快的優(yōu)點。通訊方式上主要有數據壓縮式、纜線傳輸式和無線通信傳輸式，其中數據壓縮式無法實現實時監(jiān)測，纜線式工作距離受限，故本研究采用WiFi 無線通信方式，同時在管道口處安裝WiFi 中繼器對WiFi 信號進行放大，延長機器人數據通信距離[16-23]。

8 結論

通過分析傳統管道機器人存在的問題，設計了一種具有自適應能力的新型管道機器人。采用模塊化設計的方法，提出了總體方案。對各模塊進行了分析與研究，針對8 種運動方式的主要特點和應用場合進行對比分析，選定了支撐輪式的移動方案，并分析了支撐臂空間分布和支撐度冗余問題。通過分析不同變徑機構的特點，選定了曲柄滑塊式彈簧變徑作為驅動輪變徑方式。驅動方式上采用單電機驅動，鋰電池供電的方案。針對4 種傳動方式進行了比較與分析，管道機器人內部采用三軸差速傳動機構，通過外部傳動機構將動力傳到驅動輪上；針對3種連接機構方案進行了分析比較，選定彈簧軟軸作為連接機構，并分析了其設計要求。通過對四種檢測方法的對比分析，選定CCD 圖像采集檢測方式，通過對3 種通訊方式進行分析比較，選定Wifi 無線通信方式。