液體環(huán)境下管道機器人系統(tǒng)設(shè)計與分析

李俊辰， 唐杰 ， 區(qū)杰 勇， 徐杰 ， 崔佳駿

（中國民航大學(xué)，天津 300300）

0 引言

在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中存在著各種各樣的管道，如自來水管道，油氣管道等。這些管道作為重要的物料運輸設(shè)施得到了廣泛應(yīng)用。管道在經(jīng)過長時間的使用后，由于壓力、沖擊和腐蝕的影響，會出現(xiàn)管壁老化、裂紋、腐蝕、管壁異物附著等缺陷，因此在使用中經(jīng)常需要對管道內(nèi)壁進(jìn)行檢測，及時發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)壁的情況，以便對管道進(jìn)行維護(hù)。而管道所處的環(huán)境往往是人們不易到達(dá)和直接進(jìn)入的，因此對管道的檢測和維護(hù)是工業(yè)生產(chǎn)中的一道難題。傳統(tǒng)的管道檢修方式存在效率低下，檢修困難等問題，且在檢修時必須停用管道，嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)工作。管道機器人正是為了解決這些問題而產(chǎn)生的[1-2]。

作為機器人系統(tǒng)中一個新興的種類和分支，管道機器人在21世紀(jì)得到了快速發(fā)展。但總體來看，目前管道機器人的研究總體還處于初始階段，離大規(guī)模投入應(yīng)用尚有很大距離。尤其是針對充滿液體的管道，由于管內(nèi)情況復(fù)雜，環(huán)境惡劣，因此關(guān)于這方面的研究不多[3]，只有少數(shù)論文提及。這導(dǎo)致輸送液體的管道無法在正常工作條件下得到有效的檢測和維護(hù)，從而對工業(yè)生產(chǎn)和人們的生活帶來很大的困擾。針對目前對液體環(huán)境下的管道進(jìn)行無損檢測的迫切需求，設(shè)計了一種依靠特殊支撐裝置抓緊管內(nèi)壁，并通過對稱安裝的電動機或噴水推進(jìn)器實現(xiàn)管道內(nèi)往復(fù)運動的管道機器人。該型管道機器人采用模塊化內(nèi)部設(shè)計保證了設(shè)備的合理分配，并很好地控制了機器人的整體尺寸；采用STC15系列單片機進(jìn)行編程控制，通過攜帶的圖像傳感裝置實時將管道內(nèi)部圖像發(fā)送至管外顯示器，并能通過遙控手柄或手機軟件平臺操控機器人的運動。該型管道機器人系統(tǒng)可在不妨礙管道正常輸送液體的情況下對管內(nèi)進(jìn)行無損檢測，對提高管道檢修效率，加速工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。本文主要研究管道機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計，其中包括機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)，外部支撐裝置結(jié)構(gòu)，機器人運動形態(tài)，工作機制等。

1 管道機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 管道機器人的幾種常見形態(tài)

目前，管道機器人類型大致可分為自驅(qū)動（自帶動力源）、利用流體推力、通過彈性桿外加推力3種，其中以自驅(qū)動占大多數(shù)。而按照行進(jìn)方式分類，管道機器人又可分為活塞式、履帶式、滾輪式、足腿式等數(shù)種，如圖1所示。這些類型的管道機器人大部分針對的都是管徑較大且內(nèi)部為空氣介質(zhì)的管道。對于充滿液體或運輸液體的管道，由于管內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，研究成果相對較少[4-5]。本文結(jié)合上述幾種管道機器人的類型，提出了一種適應(yīng)較復(fù)雜液體環(huán)境的管道機器人系統(tǒng)，如圖2所示。該型機器人系統(tǒng)克服了防水問題和管徑狹小，水流環(huán)境復(fù)雜等問題，在保證管道能正常工作的情況下簡化了檢測程序，提高了檢測效率。

通過對液體環(huán)境中管道機器人的設(shè)計和動力裝置相關(guān)文獻(xiàn)的解讀[6-12]，我們知道：一般情況下，液體環(huán)境中管道機器人的設(shè)計需要滿足3點基本要求：1）力封閉。移動機構(gòu)在行進(jìn)過程中，應(yīng)具備支撐在管道內(nèi)壁上而不失穩(wěn)的能力，即機器人的支撐機構(gòu)受到管道的徑向支反力而組成1個封閉的力多邊形。2）形封閉。機器人在管道中工作時，為了能夠保持一定的姿態(tài)，不出現(xiàn)顛覆、扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，這要求管道對機器人施加1個封閉的形狀約束。也就是說行走機構(gòu)至少需要3個對稱支撐點。3）驅(qū)動行走。行進(jìn)機構(gòu)應(yīng)具有主動驅(qū)使機構(gòu)[13]。

該型機器人系統(tǒng)正是依照上述的3個要求設(shè)計，其基本外形是在膠囊型的外形上進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，主要由殼體，動力裝置，隔板，控制裝置和支撐裝置組成。采用兩個對稱安裝的直流電動機或噴水推進(jìn)器作為動力輸入。其中，殼體部分由一個空心半球和一個帶圓頂?shù)目招膱A柱體用過渡配合的螺紋與密封圈連接而成，具有良好的防水性能?？紤]到機器人便于維護(hù)和生產(chǎn)的需求，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用模塊插接式設(shè)計，在空心圓柱體部分內(nèi)有兩道沿內(nèi)壁的溝槽，內(nèi)置兩塊可插接的帶孔隔板8，將主體分為3部分。底層放置電池組，中部放置兩個帶支撐架的直流電動機（或噴水推進(jìn)器）作為動力裝置，分別驅(qū)動位于首尾的兩套槳軸設(shè)備，以實現(xiàn)在管道內(nèi)的往復(fù)運動。上部放置控制裝置3并與電池組2之間通過隔板上的小孔實現(xiàn)導(dǎo)線連接。這種設(shè)計使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，層次分明，方便設(shè)備安裝和維修，同時極大地縮小了機器人的體積，使得該型機器人可以在較狹窄的細(xì)長直管道內(nèi)執(zhí)行工作任務(wù)。同時，在圓柱體部分外壁連接有一透明可拆卸的空心圓頂，其與主體部分之間同樣為螺紋與密封圈相結(jié)合的連接，內(nèi)置舵機和傳感器6。在透明圓頂兩側(cè)還外伸有2個小型機械手臂7，用于在檢測時對管道進(jìn)行一定程度的維護(hù)，如清洗內(nèi)壁等。機械手底座與主體采用對稱布置的4個螺栓固定。

圖2 一種液體環(huán)境管道機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 管道機器人樣機進(jìn)行水下運動測試

支撐裝置是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。該機器人配有一對可拆卸支撐裝置5，每個支撐裝置由支撐環(huán)9，支撐桿10，彈簧11，軸承滑輪12組成。支撐桿采用圓周對稱布置，用含一定阻尼程度的鉸鏈固定于支撐環(huán)上并與固定環(huán)上的彈簧相連。工作時，機器人往往會遇到管徑不斷變化的管道，管徑縮小時，彈簧將被拉長，支撐桿整體內(nèi)收并依靠彈簧彈力緊緊壓在管壁上以保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運動。管徑擴大時，彈簧放松，支撐桿自然伸開用于保持與管壁的緊密配合，以適應(yīng)機器人在不同管徑的管道內(nèi)工作的需求。支撐裝置的加入不但使機器人運動更為平穩(wěn)，防止在充滿液體的管道內(nèi)部因產(chǎn)生空泡或湍流等復(fù)雜環(huán)境時導(dǎo)致的機器人晃動。機器人選用電動機作為動力裝置時，還可以克服因為槳軸轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，避免了機器人在液體中打轉(zhuǎn)這種情況的出現(xiàn)。為方便支撐裝置的安裝和拆卸，在機器人殼體兩側(cè)各有一道2～3 mm的環(huán)狀溝槽，使用時，將帶有支撐架的支撐環(huán)分別套在主體兩側(cè)，支撐裝置將自動卡進(jìn)預(yù)設(shè)的溝槽中，避免了機器人運動過程中支撐環(huán)可能發(fā)生的軸向竄動。使用該機器人時，將3塊擋板分別插入半球體特別設(shè)置的凹槽中，并相應(yīng)地放置動力裝置、電池組和傳感器組件。并將1對支撐裝置套于外殼兩側(cè)，即可將該機器人置于管道中。由于支撐裝置上的彈簧的存在，其支撐裝置上的軸承滑輪將自動壓緊在管道內(nèi)壁，實現(xiàn)機器人與管壁緊密配合，如圖3所示。由于彈簧具有一定形變量，故該機器人可適應(yīng)不同口徑的管道。當(dāng)管道中充滿液體或輸送液體時，該機器人便可進(jìn)行工作。管外操作人員可通過遙控裝置，實時判斷機器人在管道中的位置和觀察管壁內(nèi)部的損傷情況，并可操作兩個小型機械手臂對管壁進(jìn)行簡單的檢修工作。

2 管道機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)控制需要完成對機器人的運動方向、速度、角度的控制，姿態(tài)的調(diào)整等，對電動機的驅(qū)動控制是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵[14-15]。本研究控制系統(tǒng)的設(shè)計包括單片機控制程序的設(shè)計和手機軟件的開發(fā)兩方面。

2.1 STC15系列單片機控制程序設(shè)計

該機器人采用以STC15系列單片機為核心的電動機舵機兩用開發(fā)板，其控制對象包括2個直流電動機和至少3個小型舵機。對于直流電動機來說，其運動參數(shù)包括正反轉(zhuǎn)和加減速。調(diào)速只需要改變直流電動機的電壓就可實現(xiàn)對速度的控制，最常見的方法是PWM脈寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電動機的輸入占空比就可以控制電動機的平均電壓，進(jìn)而達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的，占空比越大，電動機轉(zhuǎn)速越快。至于電動機的正反轉(zhuǎn)，只需要通過改變電動機的正負(fù)極就可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，改變電動機的正負(fù)極可使用繼電器實現(xiàn)。

舵機的工作原理是：控制信號由接收機的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓，其內(nèi)部有1個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20 ms、寬度為1.5 ms的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后電壓差的正負(fù)輸出到電動機驅(qū)動芯片決定舵機的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)舵機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，電壓差為0時，舵機停止轉(zhuǎn)動。舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。單片機系統(tǒng)若實現(xiàn)對舵機輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須完成2個任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機模擬PWM信號的輸出并且調(diào)整占空比。當(dāng)系統(tǒng)中只需要實現(xiàn)1個舵機的控制時，采用的控制方式是改變單片機的1個定時器中斷的初值，將信號分為2次中斷執(zhí)行，1次短定時中斷和1次長定時中斷，這樣使控制系統(tǒng)工作效率和控制精度都很高。本控制系統(tǒng)的部分程序如圖4所示。

圖4 遙控裝置控制電動機的部分程序

2.2 手機軟件的開發(fā)

圖5 手機app軟件的控制界面

手機app的應(yīng)用使得該型機器人的控制更加方便。該配套手機軟件包括二級界面，并與STC15系列單片機開發(fā)版通過藍(lán)牙連接。該app由智能小車控制軟件改進(jìn)而來，其界面如圖5所示。第1級界面主要功能為控制兩個直流電動機的轉(zhuǎn)向。界面包括4個電動機轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)鍵和兩個舵機轉(zhuǎn)速控制鍵。4個方向鍵分別可控制2個電動機的正反轉(zhuǎn)和單個電動機的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)系統(tǒng)所裝舵機多于2個時可通過設(shè)置鍵內(nèi)的第二級界面進(jìn)行調(diào)節(jié)。設(shè)置鍵內(nèi)的第2級界面可調(diào)節(jié)2個電動機的行進(jìn)速度和至多6個舵機的轉(zhuǎn)速。拖動橫條即可實現(xiàn)速度的選擇控制。選擇完成后系統(tǒng)將自動退回第一級界面完成數(shù)據(jù)更新。該app軟件的使用方法與遙控手柄基本相同。使用前，只需點擊界面左上方的藍(lán)牙連接鍵即可實現(xiàn)與單片機的連接。當(dāng)使用遙控手柄修改轉(zhuǎn)速時，需進(jìn)入軟件的第2層界面進(jìn)行設(shè)置。軟件界面上的數(shù)據(jù)可以隨機器人工作速度的需要進(jìn)行編程修改，以適應(yīng)不同液體環(huán)境下的工作要求。

3 結(jié)語

本文針對當(dāng)前管道維護(hù)中存在的檢修困難，效率低下等問題及當(dāng)前液體環(huán)境下對管道無損檢修的需求，設(shè)計并制造了管道內(nèi)往復(fù)運動的管道機器人樣機：1）該機器人系統(tǒng)通過1對特殊的彈性支撐裝置，可實現(xiàn)液體環(huán)境下水平直管道的檢測和維護(hù)工作。該系統(tǒng)可在管內(nèi)實現(xiàn)不同速度的往復(fù)運動，通過系統(tǒng)攜帶的圖像傳感裝置實時向管外工作人員反映管內(nèi)壁的情況，從而做到對管道進(jìn)行及時有效的維護(hù)。2）整個系統(tǒng)使用基于STC15系列的控制板，并實現(xiàn)了遙控手柄和手機軟件平臺兩種控制，使機器人系統(tǒng)的操作更加便利。這種液體環(huán)境下的管道機器人體積小，結(jié)構(gòu)簡潔，維護(hù)方便，可同時實現(xiàn)管道內(nèi)的無損檢測和簡單檢修功能，極大地提高了管道的維護(hù)效率，對減少管道維護(hù)成本，加快工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義，可廣泛應(yīng)用于管道運輸行業(yè)。

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