一種蛇形管道機器人結(jié)構(gòu)設計及運動分析

李銀 苗云龍 李奇

（韶關學院,廣東韶關，512005）

0 引言

管道是生產(chǎn)生活基礎設施建設中必不可少的部分。隨著社會的發(fā)展，管道建設越來越多，為了解決阻塞、裂紋、清污等問題，從內(nèi)部或外部以排水管道疏通機器人代替人工的方案有較大的市場發(fā)展?jié)摿?。國?nèi)蛇形機器人研究起步相對較晚，核心技術也比較落后，排水管道機器人也沒有很多成功的案例[1]。

清華大學研發(fā)的四輪驅(qū)動管道清淤機器人，具備充足的動力，采用無線設備，其頭部安裝有CCD 攝像頭。實驗階段，該機器人在空載、干凈的管道中功率可達350-400W，平均速度可達5.8m/min，一次性可清除60kg重的淤泥，適用于淤泥較少的管道，但是當淤泥厚度超過管徑的1/3 時，其速度會有所下降，甚至出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。該機器人還裝有姿態(tài)檢測裝置，可在管道內(nèi)平穩(wěn)運行，一般可應用于直徑400mm 以上的排水管道[2]。

上海交通大學研制了一款履帶式管道機器人，其設計靈感來源于履帶式車輛的行走。該機器人的履帶通過功率5W 的直流伺服電機驅(qū)動，再由減速比1:100 的齒輪減速箱進行調(diào)整，達到輸出轉(zhuǎn)速0-30r/min 。該機器人采用無線通信，配備的CCD 圖像傳感器和角度傳感器，主要用于檢測管道環(huán)境和機器人在管道內(nèi)運行時的運動姿態(tài)；配備的伺服電機可讓傳感器做上下運動，擴大了機器人的檢測范圍[3]。另外，兩個履帶反向運動控制機器人的原地轉(zhuǎn)向，這一設計解決了在大曲率半徑管道的轉(zhuǎn)彎難題。

國內(nèi)現(xiàn)有的管道疏通機器人多為輪式和履帶式，這類機器人在管道內(nèi)作業(yè)時，若出現(xiàn)側(cè)翻、卡死、驅(qū)動力不足等問題時，會直接導致機器人無法繼續(xù)工作，而且回收也比較麻煩[4]。而蛇形機器人作為仿生機器人的一種，其優(yōu)點是具有多步態(tài)運動能力，能夠適應復雜多變的管道環(huán)境，進行管道檢測與管道疏通，并且多支撐點的優(yōu)點不會出現(xiàn)像輪式與履帶側(cè)翻等狀況。故本文設計了一種蛇形管道機器人結(jié)構(gòu)，并對其進行運動分析。

1 蛇形管道機器人結(jié)構(gòu)設計

1.1 軀干設計

蛇類生物是一種無肢動物，它的肋骨前后不僅可以自由的移動，肋骨與腹鱗之間還有肋皮肌相連，所以當肋皮肌收縮時，肋骨便可以向前移動，所以若要讓機器人模仿蛇類運動，機器人關節(jié)的設計尤為重要，蛇形管道機器人單節(jié)軀干模型如圖1 所示。

圖1 蛇形管道機器人單節(jié)軀干

本文設計的蛇形管道機器人采用57兩相步進電機（雙出軸），電機邊長為57mm×57mm，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、經(jīng)濟耐用、高速、力矩大、低噪音、運行平穩(wěn)等優(yōu)點。其雙出軸的設計可以使機器人運動時均勻受力，電機參數(shù)如表1 所示。

表1 電機參數(shù)

蛇形管道機器人的軀干由步進電機固定件、57 兩相步進電機（雙出軸）、上下兩個關節(jié)外殼、第二個步進電機固定件、第二個57 兩相步進電機（雙出軸）、兩個關節(jié)連接件依次相連。不同兩組單節(jié)軀干的關節(jié)連接件與步進電機固定件依次相連接來實現(xiàn)軀干單元體之間的連接。同一軀干單元內(nèi)有兩個57 兩相雙出軸步進電機，可使一個軀干單元實現(xiàn)兩個自由度的轉(zhuǎn)動，多個軀干單元相互配合實現(xiàn)機器人的運動。上下兩個關節(jié)外殼作為軀干的骨架，其外表面為橡膠材質(zhì)，為了模仿蛇類運動的真實效果，其紋路設計為波紋狀，以增加與管道的摩擦力。磁鐵安裝在步進電機固定件和關節(jié)連接件上，由擋片固定。在下水管道內(nèi)作業(yè)時，蛇形管道機器人還可在疏通管道的同時用磁鐵吸附管道內(nèi)的殘留金屬，以達到金屬回收的目的。在與地面接觸的機器人關節(jié)外殼的兩側(cè)，裝有從動輪固定件，從動輪固定件上裝有橡膠從動輪，不僅可以起到支撐作用，維持機器人的平衡，還可以使機器人在運動時限制除了與輪子平行方向摩擦力以外的摩擦力，使機器人運動速度更快。

1.2 頭部設計

軀干的作用主要是實現(xiàn)蛇形管道機器人的運動，而頭部的作用則是實現(xiàn)管道疏通與管道檢測。蛇形管道機器人頭部機構(gòu)設計如圖2 所示。

圖2 蛇形管道機器人頭部機構(gòu)設計

蛇形管道機器人頭部的破碎裝置安裝過程為：將破碎鉆頭、鉆頭連接件、主動傘齒輪以及頭部電機按圖2中的順序依次連接在蛇形管道機器人頭部骨架上，4 個從動傘齒輪外側(cè)安裝切割盤，內(nèi)側(cè)與頭部骨架相連，并與主動傘齒輪嚙合；破碎裝置工作時，電機旋轉(zhuǎn)，與電機相連的主動傘齒輪旋轉(zhuǎn)來帶動4 個從動傘齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動切割盤，破碎鉆頭與切割盤同時高速旋轉(zhuǎn)（破碎鉆頭與切割盤材質(zhì)為合金），完成破碎工作。

探測燈與監(jiān)控攝像頭安裝在蛇形管道機器人頭部骨架上，用于將實時畫面?zhèn)鬟f給檢測人員。其由透明擋板包裹，防止被污漬影響。關節(jié)連接件將頭部骨架與軀干連接在一起。高壓水槍載架用來裝載高壓水槍，搭載了高壓水槍的機器人可以借助高壓水槍使管道內(nèi)堵塞物順著水流流出管道。

1.3 尾部設計

蛇形管道機器人蛇尾部分由蛇尾、尾部連接體組成，具體如圖3 所示。

圖3 蛇形管道機器人尾部設計

蛇尾內(nèi)部裝載有STM32 單片機、內(nèi)置電源、MD542步進電機驅(qū)動板、Wi-Fi 模塊、氣壓傳感器、溫度濕度傳感器、MPU6050（陀螺儀）等，并將它們放入封裝盒進行封裝散熱處理。

各外圍傳感器設備的用途具體如下。

1）步進電機驅(qū)動模塊負責接收來自STM32 單片機的控制信息，高效且低延遲地對蛇形管道機器人全身的電機進行控制。

2）氣壓傳感器用于獲取管道環(huán)境中的大氣壓強以及海拔高度。

3）溫度濕度傳感器分別負責檢測封裝盒內(nèi)、外的實時溫度，通過內(nèi)部溫度可以知道內(nèi)部元件是否存在過熱工作的異常情況；外部溫濕度可以了解管道環(huán)境中的溫濕度情況。

4）陀螺儀傳感器用于讀取蛇形管道機器人的運動姿態(tài)，如航向角、橫滾角、俯仰角，從而便于實時調(diào)整機器人的運動方向和運動姿態(tài)，有效提升機器人對管道環(huán)境的感知能力。

蛇形管道機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示，其裝配圖如圖4 所示。

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 蛇形管道機器人裝配圖

2 蛇形管道機器人蠕動運動規(guī)劃及仿真

蛇形管道機器人在管道內(nèi)工作時，其前進方式主要是蠕動前行，本節(jié)將對這一蠕動運動模式進行運動學規(guī)劃，并對其用仿真軟件Adams 進行運動學與力學仿真。

2.1 蠕動過程步態(tài)規(guī)劃

蛇形管道機器人的蠕動過程中，一個關節(jié)的推進波形可以簡化為若干個周期性的、幅度不同的擺動，即平滑多段的正弦函數(shù)。相鄰關節(jié)的函數(shù)僅有相位不同。

蠕動的過程可以分為3 個階段。

1）形成三角波。通過電機驅(qū)動控制關節(jié)點1、2、3（圖5 所示）的電機旋轉(zhuǎn)，使得蛇形管道機器人關節(jié)點2 拱起形成三角波。本文所設計的機器人向后的摩擦系數(shù)較大，形成三角波時使得尾部前移。

圖5 蠕動一次的過程

2）形成弓形波。通過電機驅(qū)動控制關節(jié)點1、2、3、4 電機的旋轉(zhuǎn)，使得三角波的波峰由關節(jié)點2 向關節(jié)點3過渡，圖5 所示是推動蛇形管道機器人整體向前移動的過程，同時拉動尾部前移，此時，蛇形管道機器人會再次向前移動一段距離。

3）形成新三角波。蛇形管道機器人的軀干關節(jié)由弓形波轉(zhuǎn)為新三角波后，不斷循環(huán)以上過程，直到最后恢復為一條直線，完成一整套蠕動的過程。

蛇形機器人單節(jié)軀干的運動過程可以用函數(shù)表示：

圖6 α=30°λ=1 時單節(jié)軀干的角度時間函數(shù)

圖7 α=45°λ=1 時單節(jié)軀干的角度時間函數(shù)

圖8 α=15°λ=1 時單節(jié)軀干的角度時間函數(shù)

2.2 Adams 軟件仿真

2.2.1 建立簡化模型導入Adams

在SolidWorks 軟件中建立蛇形管道機器人的簡化模型。將簡化后的三維模型導入Adams 軟件中，設置蛇形管道機器人的關節(jié)數(shù)為8，單節(jié)重量為1.06kg，添加約束、運動副、驅(qū)動、摩擦力等參數(shù)，最后寫入驅(qū)動函數(shù)，完成蛇形管道機器人的仿真模型的建立。

2.2.2 運動仿真

假設蛇形管道機器人在零時刻各個關節(jié)角度均為0，即直線狀態(tài)，利用Adams 軟件仿真可得到其蠕動過程，如圖9 所示。蛇形管道機器人尾部沿前進方向的時間位移曲線如圖10 所示，經(jīng)過4 次蠕動循環(huán)后，蛇形管道機器人整體前進了0.58m，平均每個蠕動循環(huán)前進了0.145m。

圖9 三角波形推進時的蠕動過程

圖10 蠕動時的尾部位移曲線

2.2.3 力學分析

筆者團隊將所選用的電機裝配到蛇形管道機器人的關節(jié)中，然后計算出關節(jié)的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等信息，設置摩檫力，添加重力、接觸等約束，對蛇形管道機器人蠕動前進時所需要的關節(jié)力矩分別進行仿真分析，由Adams 軟件后處理模塊得出的圖像可得，蛇形管道機器人在蠕動過程中，中間關節(jié)所需要的力矩最大，其仿真結(jié)果如圖11 所示。從圖中可以看出，蛇形管道機器人蠕動運動時所需的最大力矩約為2.03N·m，而57 兩相步進電機靜力矩為2.4N·m，所以電機的力矩足夠支持蛇形管道機器人的運動。

圖11 蠕動過程中中間關節(jié)所需力矩圖

3 蛇形管道機器人控制系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)介紹

在控制方面，蛇形管道機器人采用STM32 作為主控單片機，其控制系統(tǒng)原理如圖12 所示。

圖12 蛇形管道機器人控制系統(tǒng)原理圖

蛇形管道機器人頭部安裝有頭部電機、探測燈、探測攝像頭。其中，頭部電機安裝于蛇形管道機器人頭部最前端，與鉆頭相連，主要用于疏通管道；探測燈安裝在探測鉆頭的后上方，主要是在探測前進時進行照明；探測攝像頭安裝在探測鉆頭的后上方，主要用于將圖像實時上傳到主控系統(tǒng)，使得蛇形管道機器人具備自主識別特定目標的能力，如對于管道中堵塞的地方，必要時還可以將圖像實時回傳到外界控制端，以便在特殊情況下方便操作員根據(jù)回傳圖像做出判斷并進行相應的操作。

蛇形管道機器人尾部安置有STM32 單片機、內(nèi)置電源、MD542 步進電機驅(qū)動板、Wi-Fi 模塊、MPU6050 陀螺儀等。其中，STM32 單片機相當于人類的大腦，用于處理如MPU6050 陀螺儀等傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并迅速做出反應，具有集成度高、性能強、功耗低等優(yōu)點；內(nèi)置電源用于給STM32 單片機和MD542 步進電機驅(qū)動板供電；MD542 步進電機驅(qū)動板用于驅(qū)動57BYGH55 步進電機；Wi-Fi 模塊的作用是將STM32 單片機處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶App 端；MPU6050（陀螺儀）模塊用來獲取蛇形管道機器人的運動姿態(tài)；57BYGH55 步進電機控制模塊負責接收來自 STM32 的控制信息，可高效、低延遲地對蛇形管道機器人全身步進電機進行控制。

3.2 蛇形管道機器人配備的App 軟件

給蛇形管道機器人配備了相應的App 軟件，其界面可分為登陸界面和功能界面。

1）登錄界面：如圖13 所示，輸入正確的賬號和密碼即可登錄蛇形管道疏通機器人系統(tǒng)。

圖13 App 軟件登錄界面

2）功能界面：如圖14 所示，該界面分為兩個部分，上面部分用于數(shù)據(jù)顯示，主要用于顯示傳感器采集到的各種數(shù)據(jù)，如MPU6050 模塊的俯仰角、航向角、橫滾角等；下面部分用于運動控制，主要用于控制蛇形管道機器人的運動，可以通過按鍵改變蛇形管道機器人的運動方式，也可以通過對應按鍵調(diào)整蛇頭以及蛇身的姿態(tài)。

圖14 App 軟件功能界面

4 結(jié)束語

1）蛇形管道機器人是一種高冗余自由度的運動機器人，利用其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的輪式或履帶式管道機器人，可避免輪式或履帶式機器人翻車之后無法繼續(xù)工作的缺點，其可以利用蠕動這一運動方式很好地在管道中運動。

2）本文通過 SolidWorks 軟件對蛇形管道機器人進行結(jié)構(gòu)設計，并對蠕動這一步態(tài)的運動方式進行規(guī)劃。

3）建立蛇形管道機器人的化簡模型后，然后將其導入Adams 軟件進行運動學及力學的仿真，最后得出了蛇形管道機器人蠕動一個循環(huán)能前進0.145m，關節(jié)最大力矩為2.03N·m，驗證了結(jié)構(gòu)以及電機選型的合理性。