輪式變徑管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 東，羅 亮，盧丙舉，吳友生

(1. 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2. 河南省水下智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450015)

0 引 言

由于空間狹小，當(dāng)前對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射試驗(yàn)筒內(nèi)部管道的監(jiān)測(cè)主要還是依賴(lài)人工目測(cè)，由于管道深度大、光線(xiàn)暗，造成人工檢測(cè)困難，給管道的維護(hù)和保養(yǎng)帶來(lái)難度。為更加客觀(guān)掌握管道內(nèi)部狀態(tài)[1]，保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性，需要對(duì)試驗(yàn)筒內(nèi)部的管道狀態(tài)進(jìn)行全面的檢查和勘驗(yàn)。

國(guó)外從20 世紀(jì)40 年代開(kāi)始研究，90 年代初得到迅猛的發(fā)展，并研制了許多實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。韓國(guó)延世大學(xué)[2]研制了履帶式管道機(jī)器人PAROYS-II，適用于400～700 mm 的管道，可通過(guò)彎管和錐形管。日本立命館大學(xué)[3-4]研發(fā)了一種支撐輪式管道內(nèi)機(jī)器人，該機(jī)器人采用一種不完全驅(qū)動(dòng)的平行四邊形驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在遇到管內(nèi)障礙時(shí)，履帶可從普通形狀轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫兴倪呅涡螤?，提高了機(jī)器人的拖纜能力。韓國(guó)成均館大學(xué)[5]研發(fā)了MRINSPECT 系列管道機(jī)器人，其中MRINSPECT VII 為最新的一代，該機(jī)器人基于多軸差速齒輪機(jī)構(gòu)，通過(guò)機(jī)械調(diào)節(jié)主動(dòng)車(chē)輪的速度而無(wú)需任何控制工作，以適應(yīng)如直管或彎管等管道環(huán)境。國(guó)內(nèi)對(duì)管道機(jī)器人的研究始于20 世紀(jì)60 年代，鄧宗全等[6]研制了一種六獨(dú)立輪式管內(nèi)檢測(cè)牽引機(jī)器人，唐德威等[7]研制了一種三軸差動(dòng)式管道機(jī)器人，該機(jī)器人在水平直管、彎管及障礙管道的通過(guò)性較好，適用于直徑為310 mm左右的管道，三軸差動(dòng)式管道機(jī)器人整體只有一個(gè)電機(jī)，電機(jī)通過(guò)三軸差速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全驅(qū)動(dòng)。馮敬之[8]1996年研制出輪式驅(qū)動(dòng)排水管道自動(dòng)清淤機(jī)器人。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)狹窄空間的管道機(jī)器人研究較少，缺乏簡(jiǎn)單有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)該問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種能夠可用于狹小間隙內(nèi)的輪式自適應(yīng)變徑管道機(jī)器人裝置，使得管道機(jī)器人可在65～90 mm 的管內(nèi)自主行走，實(shí)現(xiàn)了對(duì)狹小變徑管道的適應(yīng)性。同時(shí)，對(duì)管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行機(jī)理和力學(xué)特性、牽引能力以及彎管通過(guò)性進(jìn)行分析。此外，配套的便攜式手持視頻顯控平臺(tái)可實(shí)時(shí)展現(xiàn)回傳的視頻畫(huà)面，使工作人員對(duì)空調(diào)管內(nèi)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷并對(duì)管道機(jī)器人進(jìn)行反饋操作[9]。

1 管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性分析

1.1 管道機(jī)器人工作原理

本文所設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人可適應(yīng)65～90 mm 范圍變化的管道。機(jī)器人主要由伸縮機(jī)架、擺臂、支撐桿和驅(qū)動(dòng)輪組成，如圖1 所示。6 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪按前向、后向2 組相向布置，每組驅(qū)動(dòng)輪在圓周方向上均勻分布。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用微型直流行星減速電機(jī)，具有效率高、速度穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣等特點(diǎn)，在行星齒輪內(nèi)孔配置有滾針軸承，可有效提高負(fù)載能力與壽命。管道內(nèi)行進(jìn)時(shí)，6 組驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別通過(guò)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使6 組動(dòng)力機(jī)構(gòu)協(xié)同工作，依靠驅(qū)動(dòng)輪與管壁間的摩擦力使管道機(jī)器人按照期望速度移動(dòng)[10]。

圖1 行走裝置結(jié)構(gòu)Fig. 1 The structure of walking device

機(jī)器人在管道內(nèi)行走時(shí)，拉伸彈簧處于變形狀態(tài)，為驅(qū)動(dòng)輪和管壁間提供正壓力，驅(qū)動(dòng)輪依靠這個(gè)壓力產(chǎn)生的摩擦力實(shí)現(xiàn)爬升運(yùn)動(dòng)以及機(jī)體支撐[11]。當(dāng)行走裝置行進(jìn)至管徑收縮部位，因?yàn)轵?qū)動(dòng)輪緊貼管壁運(yùn)動(dòng)，會(huì)使擺臂向管徑中心方向收縮，使伸縮機(jī)架伸長(zhǎng)，以適應(yīng)管徑變化。當(dāng)通過(guò)管徑收縮部位后，在拉伸彈簧作用下，伸縮機(jī)架縮短，擺臂向管壁方向擴(kuò)展，保證驅(qū)動(dòng)輪與管壁之間時(shí)刻壓緊。通過(guò)伸縮機(jī)架實(shí)現(xiàn)行走裝置半徑方向上的調(diào)整，提高了行走裝置的通用性[12]。

1.2 行走機(jī)構(gòu)力學(xué)特性分析

對(duì)機(jī)器人在管道中行走時(shí)的受力情況進(jìn)行分析，為便于分析，將每一組驅(qū)動(dòng)輪簡(jiǎn)化為中間對(duì)稱(chēng)面上的當(dāng)量驅(qū)動(dòng)輪。以單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪為分析對(duì)象，受力情況如圖2 所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)輪受力情況分析Fig. 2 Analysis of force on the driving wheel

驅(qū)動(dòng)輪在伸縮機(jī)架內(nèi)部彈簧力的作用下，壓緊在管道內(nèi)壁上。機(jī)器人在內(nèi)徑為r0的管道內(nèi)行走時(shí)，機(jī)器人本體的固定參考鉸接點(diǎn)A與移動(dòng)鉸接點(diǎn)B間的距離l1為：

式中：l2為鉸接點(diǎn)B與鉸接點(diǎn)C間距離，m；I3為鉸接點(diǎn)A與鉸接點(diǎn)C間距離，m； β為擺臂與伸縮機(jī)架間夾角，，rad；r1為鉸接點(diǎn)A與鉸接點(diǎn)B的偏心距， m ； α 為擺臂內(nèi)部夾角，，rad； γ 為支撐桿與伸縮機(jī)架間夾角，，rad。

伸縮機(jī)架內(nèi)調(diào)整彈簧的伸長(zhǎng)量 Δx為：

式中：x0為調(diào)整彈簧的初始長(zhǎng)度，m。

對(duì)于彈簧被拉伸時(shí)，支撐圓盤(pán)所收到的軸向拉力F可以表示為：

鉸點(diǎn)C受到支撐圓盤(pán)的作用力為：

分析以鉸點(diǎn)A的受力情況，建立其力矩矩平衡方程為：

管道內(nèi)壁對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的正壓力可表示為：

式中：Fc為驅(qū)動(dòng)輪與管道內(nèi)壁間摩擦力，N；l5為鉸接點(diǎn)A與鉸接點(diǎn)D間距離，m；r1為管道內(nèi)壁半徑，m；r為驅(qū)動(dòng)輪半徑，m。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪與管壁之間為純滾動(dòng)而不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，縱向驅(qū)動(dòng)力Fc與管壁的法向支反力Fn滿(mǎn)足關(guān)系式為：

式中， μφ為橡膠驅(qū)動(dòng)輪的附著系數(shù)。

根據(jù)式（6）與式（7），得到驅(qū)動(dòng)輪與管壁不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，管壁的極限法向支反力Fn為：

再由式（7）與式（8）可推出驅(qū)動(dòng)輪的最大驅(qū)動(dòng)力表示為：

根據(jù)上述分析結(jié)果，繪制機(jī)器人的長(zhǎng)度（鉸接點(diǎn)A與鉸接點(diǎn)B間距離）、單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的最大牽引力與管道直徑間的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖3 所示。分析結(jié)果表明，隨管道直徑逐漸增大，機(jī)器人的長(zhǎng)度逐漸減小，而單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的最大牽引力先逐漸增大，后快速增大。

圖3 管道直徑對(duì)機(jī)器人長(zhǎng)度與單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪最大牽引力的影響Fig. 3 The influence of pipe diameter on robot length and maximum traction force of a single drive wheel

2 行走性能分析

2.1 過(guò)彎管時(shí)行走姿態(tài)分析

彎管是管道機(jī)器人在管道內(nèi)行走時(shí)經(jīng)常遇到的一種工況，也是考量管道機(jī)器人行走性能指標(biāo)的一個(gè)重要參考[13]。忽略管道機(jī)器人零部件的加工誤差與裝配誤差因素，假設(shè)管道機(jī)器人在直管內(nèi)行走時(shí)，前、后2 組驅(qū)動(dòng)輪與管道內(nèi)壁均勻接觸，各接觸點(diǎn)的接觸狀態(tài)與接觸力均相同。而在彎管內(nèi)行走時(shí)，如圖4 所示，各接觸點(diǎn)處彎管內(nèi)壁曲率不同，導(dǎo)致接觸狀態(tài)均不相同。以a1b1與a2b2分別表示前、后2 組驅(qū)動(dòng)輪與管道內(nèi)壁接觸點(diǎn)形成的理論截面。

圖4 彎管內(nèi)行走分析Fig. 4 Analysis of walking in elbow

管道內(nèi)壁任一輪壁接觸點(diǎn)M的運(yùn)動(dòng)軌跡可表示為：

式中：R為管道彎曲半徑，m；S為接觸點(diǎn)M到彎管中心面的距離，m。

得到管道內(nèi)壁的旋轉(zhuǎn)曲面方程為：

由右側(cè)3 個(gè)驅(qū)動(dòng)支腿B、D、F與管道內(nèi)壁接觸點(diǎn)確定的非圓截面a2b2方程為：

截面a2b2處3 個(gè)驅(qū)動(dòng)支腿與管道內(nèi)壁接觸點(diǎn)組成等邊三角形△BDF，存在：

頂部接觸點(diǎn)的位移頂點(diǎn)為：

接觸點(diǎn)F的姿態(tài)角δ為：

2.2 管內(nèi)運(yùn)動(dòng)分析

管道機(jī)器人的牽引力由管道內(nèi)壁與驅(qū)動(dòng)輪間的摩擦力提供。最大牽引力取決于驅(qū)動(dòng)輪與內(nèi)壁間的正壓力與摩擦系數(shù)。以整個(gè)機(jī)器人主體為研究對(duì)象，將各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪所產(chǎn)生的縱向驅(qū)動(dòng)力求和，可得管道機(jī)器人能達(dá)到的最大總牽引力為：

對(duì)管道機(jī)器人在直管中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，機(jī)器人沿直管上升時(shí)運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：m為管道機(jī)器人質(zhì)量，kg；a為管道機(jī)器人加速度，m/s2；TO為電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩，Nm； η為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率；i為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速比； μd為驅(qū)動(dòng)輪與管壁間滾動(dòng)摩擦系數(shù)； ?為管道傾角，rad。

機(jī)器人沿直管下降時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程為：

2.3 越障能力分析

輪式變徑管道機(jī)器人利用六輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式與伸縮機(jī)架適應(yīng)管道適應(yīng)管徑變化，是保持足夠牽引力與可靠接觸的前提，對(duì)機(jī)器人在管道內(nèi)的越障能力尤為重要。圖5 為機(jī)器人過(guò)凸起障礙時(shí)的力學(xué)分析模型。驅(qū)動(dòng)輪越障瞬間，且輪與障礙間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，應(yīng)有：

圖5 管道機(jī)器人越障分析Fig. 5 Obstacle analysis of the pipeline robot

機(jī)器人越障時(shí)的總牽引力F0為：

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 管道機(jī)器人控制系統(tǒng)原理

管道機(jī)器人控制系統(tǒng)工作原理如圖6 所示。便攜式顯控平臺(tái)通過(guò)多功能數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出行走裝置行走指令[14]，行走裝置電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到控制指令后控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使行走裝置在60～90 mm 管徑內(nèi)自主行走。行走裝置上安裝有位姿傳感器及高清紅外攝像機(jī)，實(shí)時(shí)檢測(cè)行走狀態(tài)與管內(nèi)狀態(tài)，并將采集得到的傳感信息與視頻狀態(tài)信息實(shí)時(shí)回傳至便攜式可移動(dòng)顯控平臺(tái)工控主板，經(jīng)多功能數(shù)據(jù)采集卡與視頻采集卡轉(zhuǎn)碼處理后顯示在高清液晶顯示屏上。

圖6 控制系統(tǒng)原理圖Fig. 6 The structure diagram of control system for the pipeline robot

3.2 控制系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，手持式顯控平臺(tái)的主要功能是裝載管道機(jī)器人系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示并儲(chǔ)存行走裝置回傳的視頻數(shù)據(jù)、發(fā)送出行走裝置的控制指令。此外，還需實(shí)現(xiàn)電源管理模塊的充放電功能。工控主板模塊的外設(shè)接口有以太網(wǎng)接口、USB 接口、視頻AV 端子接口、COM 接口、充放電接口等。硬件接口連接方式設(shè)計(jì)如圖7 所示。上位機(jī)操作主界面主要由5 個(gè)部分所組成：標(biāo)題欄、工具欄、操作區(qū)、視頻窗口和狀態(tài)欄。

圖7 控制系統(tǒng)硬件組成圖Fig. 7 Hardware composition diagram for the control system

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 管道行走試驗(yàn)

在直徑變化范圍為60～200 mm 的垂直管道內(nèi)開(kāi)展管道機(jī)器人在變徑管道中的行走試驗(yàn)，測(cè)試管道機(jī)器人在不同直徑管道內(nèi)的移動(dòng)速度與最大牽引力，試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 變徑管道中行走試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig. 8 Experimental data of walking test in variable diameter pipeline

試驗(yàn)結(jié)果表明，管道機(jī)器人能夠在不同管徑的管道中保持支撐腿與管道內(nèi)壁之間良好的接觸狀態(tài)。在直徑為60 mm 管道內(nèi)行走時(shí)，移動(dòng)速度為2.64 m/min，最大牽引力為37.3 N；隨管道直徑增大，機(jī)器人的移動(dòng)速度逐漸增大，最大牽引力逐漸減小。

4.2 管道裂紋識(shí)別試驗(yàn)

分別采用YOLO v3、YOLO-輔助、YOLO-GIoU、YOLO-AUX 這4 種算法對(duì)樣本容量為600 的管道內(nèi)壁損傷數(shù)據(jù)集開(kāi)展識(shí)別試驗(yàn)，識(shí)別結(jié)果如表1 所示。結(jié)果表明，優(yōu)化后的YOLO v3-AUX 算法的準(zhǔn)確率提高了4.8%，漏檢率和錯(cuò)檢率分別降低了2.8% 和2.9%，提升了檢測(cè)的魯棒性。

表1 管道內(nèi)壁損傷識(shí)別結(jié)果Tab. 1 Identification results of the pipeline inner wall damage

5 結(jié) 語(yǔ)

1）管道機(jī)器人采用直流無(wú)刷電機(jī)與行星減速器的驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)稱(chēng)分散布置，有效減小了機(jī)器人本體尺寸，同時(shí)可快速進(jìn)行前進(jìn)與后退的轉(zhuǎn)換。

2）采用六輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與主動(dòng)式伸縮機(jī)架形式，改善了在直管與彎管內(nèi)的附著與驅(qū)動(dòng)性能，在保證一定的牽引能力和過(guò)彎能力的前提下，有效提升管道機(jī)器人對(duì)管徑變化與彎管的適應(yīng)能力，擴(kuò)展了管道機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景。

3）在設(shè)計(jì)管道機(jī)器人控制系統(tǒng)的前提下，進(jìn)行了垂直管道行走試驗(yàn)，測(cè)試了機(jī)器人在不同管徑中的最大速度與最大牽引力。分別采用4 種識(shí)別算法對(duì)管壁損傷情況進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明優(yōu)化后的YOLO v3-AUX 網(wǎng)絡(luò)算法的檢測(cè)準(zhǔn)確率較高。