供熱管道空間靈活工作爬行檢測(cè)機(jī)器人研究

吳占斌，金 一，呂 巖，田 雪，韓 濱

（通遼熱電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

機(jī)器人是一種能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能的自動(dòng)化設(shè)備，具備許多仿人或者代替人類的能力，如抓取、定位、搬運(yùn)及檢測(cè)等，其中管道機(jī)器人可滿足人們當(dāng)前的管道檢測(cè)需求。相關(guān)研究表明，未來(lái)的管道機(jī)器人市場(chǎng)將迎來(lái)爆炸式發(fā)展，具有非常巨大的發(fā)掘潛力[1]。管道機(jī)器人具有質(zhì)量輕、安全性高、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好、人機(jī)交互性等特性，可以解決管道檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)的多樣性和復(fù)雜性問(wèn)題，可用于執(zhí)行非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的操作任務(wù)[2]。

管道檢測(cè)機(jī)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(cè)管道的工作，甚至部分管道機(jī)器人還肩負(fù)著修補(bǔ)的工作[3]。然而，在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中工作時(shí)，機(jī)器人無(wú)法面對(duì)缺少環(huán)境參數(shù)的狀況，與此同時(shí)，機(jī)器人工作的環(huán)境和內(nèi)容如果動(dòng)態(tài)可變，將帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。

目前開(kāi)發(fā)的管道機(jī)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(tái)設(shè)計(jì)；多模態(tài)型號(hào)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(guān)數(shù)據(jù)；內(nèi)外通訊，可實(shí)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(zhǔn)確定位（如旋轉(zhuǎn)永磁體作為機(jī)械天線可用于水下導(dǎo)航）[4-5]。

在管道中工作會(huì)存在各種問(wèn)題，如外負(fù)載不穩(wěn)、易受到?jīng)_擊、環(huán)境光線弱等，因此未來(lái)研究重點(diǎn)為如何提高特種機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下工作的適應(yīng)性，達(dá)到解放人類勞動(dòng)的目的。實(shí)際應(yīng)用研究中，科研人員逐步認(rèn)識(shí)到特種機(jī)器人技術(shù)的組成是感知、決策、行動(dòng)和交互4 大技術(shù)[6-7]。

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

目前，針對(duì)輸送管道的管網(wǎng)檢測(cè)滲漏、腐蝕等有直觀觀測(cè)效果，特殊型供熱管道檢測(cè)機(jī)器人可以結(jié)合機(jī)器人智能移動(dòng)技術(shù)和管道缺陷無(wú)損圖像采集技術(shù)，能夠適應(yīng)多種管路環(huán)境，完成特殊復(fù)雜、動(dòng)態(tài)多變的非結(jié)構(gòu)管道檢測(cè)環(huán)境中的任務(wù)[11-12]。然而，事實(shí)上供熱管道機(jī)器人也面臨著整套檢測(cè)設(shè)備產(chǎn)品笨重、現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)耗能大、有效工作時(shí)間有限、攜帶不方便等問(wèn)題[13]。為適應(yīng)上述特殊管道工況且能完成檢測(cè)任務(wù)，本文設(shè)計(jì)了一款新型輪式機(jī)器人。另外，文中對(duì)機(jī)器人與人類之間的交互也進(jìn)行了一定探索，旨在提高人機(jī)互補(bǔ)高效完成任務(wù)的能力。

1 爬行機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的供熱管道檢查機(jī)器人主要功能是適應(yīng)供熱管內(nèi)的非結(jié)構(gòu)工作環(huán)境，并通過(guò)可搭載視頻儀等傳感檢測(cè)設(shè)備對(duì)管內(nèi)環(huán)境進(jìn)行圖像采集。其主要部件包含爬行器本體、PC 計(jì)算機(jī)和電纜式車、可旋轉(zhuǎn)云臺(tái)。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(shè)備，在管線探測(cè)巡檢過(guò)程中，傳感器傳回圖像、氣體等信息，計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)處理即時(shí)傳遞的采集信息，并對(duì)機(jī)器人下達(dá)控制指令完成機(jī)器人遙操作。

1.1 管道爬行機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

新式管道爬行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特性如下。

1.1.1 便攜化

一般來(lái)說(shuō)，供熱管道機(jī)器人檢查系統(tǒng)最基本的結(jié)構(gòu)有圖像采集設(shè)備、機(jī)器人本體控制器、遠(yuǎn)程監(jiān)控顯示器等。爬行器本體基于模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其余各部分器件都設(shè)置有獨(dú)立防水密封，并同時(shí)配有安全氣壓監(jiān)控，穩(wěn)定性強(qiáng)，可根據(jù)不同工況需求，快速拆裝模塊，操作方便，維護(hù)簡(jiǎn)易。采用4 輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，具有超強(qiáng)的越障性能，附帶車身傾斜角度顯示與防傾覆報(bào)警功能，單次作業(yè)時(shí)間可達(dá)2 h，可搭載其他設(shè)備，載重可達(dá)50 kg。

1.1.2 避障性

管道機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用便捷、負(fù)載能力較強(qiáng)且易于控制的特點(diǎn)。此外，采取電動(dòng)移動(dòng)方式，機(jī)器人裝備結(jié)構(gòu)輕、動(dòng)作穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、移動(dòng)速度快、轉(zhuǎn)彎容易、便于操作。電動(dòng)車輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且靈活，轉(zhuǎn)向靈活可靠，通過(guò)切換不同尺寸的輪子，應(yīng)用于不同管道。

1.1.3 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊

采用專業(yè)軟件進(jìn)行處理和分析，報(bào)道管網(wǎng)真實(shí)情況，為供熱管網(wǎng)提供一定的服務(wù)。對(duì)于內(nèi)外通訊干擾需要進(jìn)一步考慮，供熱爬行機(jī)器人通過(guò)車尾連接固定拖纜實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(fù)傳輸。若機(jī)器人內(nèi)部發(fā)生故障，可通過(guò)拖纜將機(jī)器人拖出，執(zhí)行機(jī)構(gòu)接口連接不同檢測(cè)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(jī)器人控制系統(tǒng)

爬行機(jī)器人組成框架如圖1 所示。爬行機(jī)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指令發(fā)送、處理數(shù)據(jù)、人機(jī)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(jī)器人組成框架

1.2.1 主控制器

機(jī)器人主控制包括機(jī)器人的車體和末端機(jī)械臂，配置獨(dú)立的控制器，其中車體控制器為主機(jī)，末端執(zhí)行器上的控制器為從機(jī)，兩者通過(guò)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(shè)計(jì)。以車體控制器為例，機(jī)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(dòng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。

操作臺(tái)實(shí)質(zhì)上為多通道人機(jī)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(guò)操作臺(tái)的觸摸、按鍵、搖桿等設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。通過(guò)網(wǎng)口或Wi-Fi 執(zhí)行爬行器主控和網(wǎng)絡(luò)攝像頭通信。高清輸出的?？低曈脖P錄像機(jī)8108HFS-ST，能夠?qū)崟r(shí)將車體及云臺(tái)及伸縮臂上返回的視頻信號(hào)進(jìn)行處理并通過(guò)顯示器顯示。通過(guò)光纖電纜連接，本地端解碼了網(wǎng)絡(luò)攝像頭視頻，并實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)視頻和歷史記錄。

1.2.2 從控制器

遠(yuǎn)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(jī)界面模塊等。而數(shù)據(jù)處理及維護(hù)軟件模塊作為整個(gè)軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要作用是提供分析數(shù)據(jù)，包含系統(tǒng)各個(gè)部分的狀態(tài)信息。

控制模塊主要體現(xiàn)在上位機(jī)的控制規(guī)劃方面，它通過(guò)線纜連接管道機(jī)器人，依據(jù)機(jī)器人檢測(cè)任務(wù)，規(guī)劃?rùn)C(jī)器人路徑、軌跡及運(yùn)動(dòng)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(fù)責(zé)管理遠(yuǎn)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(yùn)行。光纖通訊以其抗拉力強(qiáng)的特性，有效解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)汀⒀訒r(shí)等問(wèn)題。

終端與線纜車之間采用無(wú)線傳輸技術(shù)可進(jìn)入DN400 以上的管道，單次最長(zhǎng)檢測(cè)距離可達(dá)1 000 m，可適用于大直徑管道、箱涵等。遠(yuǎn)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(shè)置界面和顯示車體視頻的視頻界面，并在后臺(tái)配置有顯示和管理系統(tǒng)狀態(tài)的后臺(tái)界面。

2 三自由度云臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

機(jī)器人本體包括機(jī)器人的云臺(tái)以及伸縮檢測(cè)頭。其中機(jī)器人的爬行吸附機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人的主體部分，主要功能是搭載傳感器、攝像頭等檢測(cè)設(shè)備，裝配云臺(tái)或伸縮檢測(cè)頭等末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及為機(jī)器人本體提供動(dòng)力。云臺(tái)與伸縮檢測(cè)末端屬于檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分別具備不同的功能與檢測(cè)范圍。機(jī)器人DH 參數(shù)如表1所示。

表1 爬行機(jī)器人的云臺(tái)的DH 參數(shù)表

作為云臺(tái)的基座，其主要的作用是通過(guò)不斷地調(diào)整攝像頭的位置角度，對(duì)機(jī)器人爬行環(huán)境和SG 熱傳管內(nèi)區(qū)域進(jìn)行視頻檢測(cè)時(shí)，不斷調(diào)整攝像頭的位姿。第一關(guān)節(jié)作為車體，主要管理機(jī)器人的動(dòng)力爬行關(guān)節(jié)，供熱管道檢測(cè)機(jī)器人本體分為車體、行走機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

車體是搭載平臺(tái)，搭載傳感檢測(cè)用功能部件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。第二節(jié)關(guān)節(jié)為腕部，主要實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)，方便傳感器在豎直方向掃描?？紤]到云臺(tái)的末端位姿還需要在空間中3 個(gè)方向上變換，再加上為簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，節(jié)省能耗，所以采用三軸機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)較為合適。

結(jié)合機(jī)器人功能方面的要求，并且基于機(jī)器人在SG 熱傳管內(nèi)部的工作環(huán)境和使用方案，云臺(tái)的構(gòu)型要滿足以下幾點(diǎn)要求：①自由度要求，機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)云臺(tái)必須具備2 個(gè)自由度；②檢測(cè)范圍的要求，云臺(tái)末端可以偵查正前方，以及360°旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)壁的檢測(cè)和拍照記錄。利用Matlab 中的Robotics Toolbox 工具箱，輸入機(jī)械臂的相關(guān)DH 參數(shù)建立從端設(shè)備運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并通過(guò)蒙特卡洛法求解出機(jī)械臂的工作空間，以三維點(diǎn)云展示，效果如圖2所示。

圖2 云臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

最終，獲得云臺(tái)機(jī)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(wù)要求。

表2 云臺(tái)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(cè)爬行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，機(jī)器人設(shè)計(jì)滿足便攜化、模塊化、高適用性要求，同時(shí)具備主從端的人機(jī)交互能力，能夠靈活應(yīng)對(duì)供熱管道檢測(cè)中各種狀況，滿足供熱管道檢測(cè)的高度靈活性要求。本文中爬行機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)機(jī)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(shì)，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(shí)避免多余的能耗行為，提升續(xù)航能力，這對(duì)未來(lái)維修和檢測(cè)供熱管道的機(jī)器人研究具有重要指導(dǎo)價(jià)值。