管道探測(cè)蛇形機(jī)器人的行走結(jié)構(gòu)研究

顏凱凱 王亞慧

摘 ?要： 簡(jiǎn)述蛇形機(jī)器人的整體框架及單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的管徑改變相鄰模塊間的夾角以及模塊的連接總數(shù)，以適應(yīng)相應(yīng)管徑，使機(jī)器人可以貼附在管道內(nèi)壁，之后在部分關(guān)節(jié)模塊上添加驅(qū)動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人整體沿管道內(nèi)壁以螺旋的方式前進(jìn)。同時(shí)，運(yùn)用ADAMS軟件建立在不同的管徑中機(jī)器人所需關(guān)節(jié)模塊數(shù)量以及關(guān)節(jié)模塊之間的夾角，并對(duì)機(jī)器人在管道中靜止時(shí)的受力情況進(jìn)行分析，得出機(jī)器人與管道之間的相互接觸力，關(guān)節(jié)模塊連接處的相互作用力以及相鄰模塊直接的作用轉(zhuǎn)矩大小，通過仿真實(shí)現(xiàn)在管道內(nèi)進(jìn)行螺旋前進(jìn)。

關(guān)鍵詞： 蛇形機(jī)器人; 管道內(nèi)探測(cè); 螺旋前進(jìn); 齒輪傳動(dòng); 模塊化單元; 不同管徑

中圖分類號(hào)： TN876?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）19?0082?04

Abstract： The overall framework and unit structure design of snake?shape robot are briefly described in this paper. The modular design is adopted for the snake?shape robot to change the angle between adjacent modules and the total number of connection of modules according to different pipe diameters to adapt itself to the corresponding pipe diameter， so that the robot can attach to the inner wall of the pipe and then add the drive to the part of the joint module to drive the whole body of the robot and move along the inner wall of the pipe in a spiral way. The existing snake?shape robot joint module was improved according to the application conditions in the inner wall of the pipe. The ADAMS software is used to establish the joint modules and the angle between the joint modules in different pipe diameters. The force situation of the robot in the pipe is analyzed. The contact force between the robot and the pipe， the interaction force of the joint module and the direct torque size of the adjacent modules are obtained. The spiral walking of the robot in a pipe was realized by simulation.

Keywords： snake?shape robot; in?pipe detection; spiral forward; gear drive; modular unit; different pipe diameter

0 ?引 ?言

管道輸送有著輸送量大、方便快捷、低成本等優(yōu)勢(shì)。在燃?xì)廨斔蜕细峭ㄟ^管道將燃?xì)鈴臍庠匆恢边B接到各類大小工廠以及千千萬萬的用戶家中，為人們的生產(chǎn)生活提供便利。但由于管道多是深埋地下，很容易受到環(huán)境腐蝕或不可抗力的自然災(zāi)害以及自身缺陷的影響，造成管道損壞、燃?xì)庑孤?，進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)境污染、易燃物爆炸、能源浪費(fèi)等嚴(yán)重事故。所以需要定期對(duì)管道內(nèi)部進(jìn)行檢查維護(hù)。傳統(tǒng)燃?xì)夤艿罊z測(cè)都是由相關(guān)人員在管道外部巡查，主要通過檢查管道周圍的燃?xì)鉂舛仁欠裼挟惓砼袛喙艿朗欠裼袚p壞，也就是只能在燃?xì)獍l(fā)生泄露之后才能發(fā)現(xiàn)管道出現(xiàn)損傷，無法對(duì)管道內(nèi)部進(jìn)行有效檢測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)管道異常，預(yù)防事故發(fā)生。一些團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了輪式管道機(jī)器人[1?3]，可以適應(yīng)大直徑水平管道內(nèi)部檢測(cè)，但對(duì)于小直徑管道及垂直管道則無法進(jìn)入管道內(nèi)部，同時(shí)蛇形機(jī)器人[4?11]因具有運(yùn)動(dòng)靈活的特性，可將其應(yīng)用到管道探測(cè)中。燃?xì)夤艿栏鶕?jù)所需運(yùn)力不同，分有直徑200～500 mm不等甚至更小的水平管道，所以，本文提出開發(fā)可以適應(yīng)多種不同管徑的水平管道，并且可以在管道內(nèi)以螺旋方式前進(jìn)的管道內(nèi)部探測(cè)蛇形機(jī)器人。

1 ?管道探測(cè)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)

首先對(duì)蛇形機(jī)器人的整體框架進(jìn)行設(shè)計(jì)?？傮w包括機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分、動(dòng)力部分、控制與通信部分、感知部分四個(gè)方面。機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分主要是管道內(nèi)探測(cè)蛇形機(jī)器人的模塊化關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，保證機(jī)器人的結(jié)構(gòu)具備在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的條件;動(dòng)力部分主要是機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力以及電力來源，采用電纜直接供電的方式;控制與通信部分主要針對(duì)關(guān)節(jié)模塊的控制以及模塊與上位機(jī)之間的通信;感知部分主要是機(jī)器人搭載的各類傳感器等。管道機(jī)器人在管道中作業(yè)時(shí)，首先確定工作管道的內(nèi)徑，由控制器發(fā)出指令控制單元執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其自動(dòng)調(diào)整各個(gè)單元關(guān)節(jié)的姿態(tài)，以使蛇形機(jī)器人整體以螺旋的方式貼附在管道內(nèi)壁。在姿態(tài)調(diào)整完成后，控制器繼續(xù)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，以帶動(dòng)整體沿管壁螺旋前進(jìn)，并在前進(jìn)的過程中不斷通過各類傳感裝置如力矩傳感器、甲烷濃度傳感器、圖像傳感器等傳輸實(shí)時(shí)信息，來監(jiān)控蛇形機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)以及管道內(nèi)部的實(shí)時(shí)狀況。操作員通過上位機(jī)獲取機(jī)器人傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并依此做出相關(guān)反應(yīng)。

2 ?機(jī)器人的單元結(jié)構(gòu)及ADAMS建模

為了保證蛇形機(jī)器人靈活的特性，在結(jié)構(gòu)上采用關(guān)節(jié)單元模塊化設(shè)計(jì)，各單元模塊之間以舵機(jī)及其出軸連接件將相鄰模塊連接在一起構(gòu)成機(jī)器人整體，保證其具有的靈活特性。通過改變相鄰模塊之間的夾角及模塊連接數(shù)量，可使機(jī)器人適應(yīng)在不同的管徑中工作。

2.1 ?單元模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于機(jī)器人在管道內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，與以往在地面及管道外部運(yùn)動(dòng)時(shí)的工作環(huán)境不同，以往的蛇形機(jī)器人單元結(jié)構(gòu)不再適用，所以需要對(duì)已有的蛇形機(jī)器人單元模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。首先，根據(jù)模塊所發(fā)揮的作用把單元模塊分為兩種模塊：一種負(fù)責(zé)探測(cè)采集的普通模塊;另一種負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)模塊。

普通模塊內(nèi)部主要包含兩個(gè)舵機(jī)，一個(gè)控制電路板，以及一些連接部件，外部為一個(gè)圓柱形外殼，在外殼兩端安裝有兩組小型車輪，如圖1所示。

在模塊最上方是一個(gè)U形連接件，連接件下方安裝在俯仰舵機(jī)的出軸處，上方連接下一個(gè)相鄰模塊。和U形連接件直接相連的是俯仰舵機(jī)，該舵機(jī)可由控制器控制輸出PWM波，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并同時(shí)可以通過U形連接件控制相連單元模塊左右擺動(dòng)，而控制兩個(gè)單元模塊之間的夾角。接下來將俯仰舵機(jī)與圓形連接件（轉(zhuǎn)矩傳感器）直接相連，并將圓形連接件的中心安裝在下方的轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)的出軸上。同樣控制轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)圓形連接件及俯仰舵機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，就可調(diào)節(jié)相鄰單元模塊的指向。之后，將轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)與外殼固定連接，避免舵機(jī)在內(nèi)部發(fā)生晃動(dòng)。下面放置整個(gè)舵機(jī)的控制器以及管道內(nèi)的數(shù)據(jù)采集裝置，并在最低部突出一部分，以便與下一個(gè)單元模塊相連。在外殼上選擇圓柱形的外殼，可以更加適應(yīng)圓柱形管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，減少不必要的碰撞阻礙，同時(shí)，在兩端安裝兩組小型車輪，前端車輪直徑略小于后端車輪，目的是使前后車輪在管道中都可以完全接觸管壁。避免由于車輪與管壁接觸不足，造成驅(qū)動(dòng)不足，使機(jī)器人停滯在管道內(nèi)。

驅(qū)動(dòng)模塊：在普通模塊中，模塊前后兩端的車輪都是從動(dòng)輪不具有驅(qū)動(dòng)能力。在普通模塊的基礎(chǔ)上，添加一個(gè)電機(jī)并使用齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)后端車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。

齒輪傳動(dòng)由多個(gè)齒輪組聯(lián)合組成，如圖2所示。中間齒輪安裝在電機(jī)的出軸上，由電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。之后在四周環(huán)繞4個(gè)小齒輪，組成行星型齒輪，它們之間為平行傳動(dòng)。在行星齒輪下方整合一組進(jìn)行垂直傳動(dòng)的齒輪，之后由垂直傳動(dòng)的齒輪直接帶動(dòng)車輪車軸驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 ?ADAMS建模

使用ADAMS軟件平臺(tái)建立單元模塊的基本模型，并根據(jù)其探測(cè)工作進(jìn)入管道的管徑不同，改變模塊連接數(shù)及各模塊之間的連接夾角，使其整體以螺旋的方式排列在管道內(nèi)部，并可以保持姿態(tài)，通過車輪帶動(dòng)其螺旋前進(jìn)。

首先，建立機(jī)器人在不同管徑管道內(nèi)的位置情況，如圖3所示。在直徑為500 mm的管道內(nèi)部，機(jī)器人單元模塊之間通過前后端的連接件相連，需9節(jié)單元，可螺旋一周，各單元模塊內(nèi)部旋轉(zhuǎn)舵機(jī)轉(zhuǎn)角為20°左右，俯仰舵機(jī)的轉(zhuǎn)角在40°左右。在管道中，各個(gè)單元模塊中的舵機(jī)通過控制器控制其保持轉(zhuǎn)角不變，前后端的車輪直接接觸管壁，在初始時(shí)可以保持這種螺旋姿勢(shì)不動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)后端車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)整體機(jī)器人螺旋前行。

按照同樣的方式，在直徑為350 mm的管道中，建立機(jī)器人模型。在直徑為350 mm的管道內(nèi)部，機(jī)器人單元模塊之間通過前后端的連接件相連，需7節(jié)單元，可螺旋一周，在直徑為200 mm的小管道內(nèi)，各單元模塊直接相連，各舵機(jī)保持零轉(zhuǎn)角，使其連接成直線模型，直接放置在管道底部，當(dāng)需要運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制后端車輪前進(jìn)。這樣使蛇形機(jī)器人不但可以滿足300～500 mm不同管徑的工作要求，在小管徑的管道中依然可以工作。

3 ?力學(xué)分析及運(yùn)動(dòng)仿真

在對(duì)管道機(jī)器人完成基礎(chǔ)建模后，對(duì)機(jī)器人在管道中穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得出使機(jī)器人貼附在管壁上時(shí)與管壁的接觸力、機(jī)器人各個(gè)模塊之間的相互作用力以及推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)所需的最小動(dòng)力。

對(duì)機(jī)器人在管道中保持螺旋姿態(tài)靜止下的靜力學(xué)分析。在靜止時(shí)，關(guān)節(jié)模塊的受力主要包括自身的重力，與管壁的接觸力以及相鄰模塊之間的相互作用力，其中接觸力包括管壁對(duì)模塊產(chǎn)生的彈力以及摩擦力。自管道入口處按順序?yàn)殛P(guān)節(jié)模塊命名為J1～J7，如圖4所示，本文取部分關(guān)節(jié)模塊對(duì)其進(jìn)行受力分析。設(shè)單元模塊的中心軸線與[YOZ]的夾角為[α]，與[XOZ]的夾角為[θ]。

首先對(duì)第一個(gè)關(guān)節(jié)模塊J1進(jìn)行受力分析，如圖4所示，J1模塊所受重力[Fg1]垂直向下，管道與模塊J1之間的接觸力[Fc1]（包括管壁彈力[Fn1]垂直于模塊中軸線向上以及摩擦力[Ff1]沿軸線與機(jī)器人單元模塊的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相反），相鄰模塊的作用力[FJ1?J2]。將每個(gè)作用力沿全局坐標(biāo)的[X]，[Y]，[Z]方向分解可得到靜力平衡方程：

4 ?結(jié) ?論

運(yùn)用蛇形機(jī)器人靈活結(jié)構(gòu)的特性，并結(jié)合管道探測(cè)的需求，將蛇形機(jī)器人應(yīng)用到管道探測(cè)中，提高管道探測(cè)機(jī)器人的適應(yīng)性。機(jī)器人模塊化的設(shè)計(jì)使其可以根據(jù)不同的管徑管道，調(diào)整各模塊之間的夾角位姿，以螺旋方式貼附在管壁內(nèi)，即使管徑過小可能導(dǎo)致機(jī)器人無法調(diào)整適合的角度貼附管壁，但只要管徑大于單個(gè)關(guān)節(jié)的直徑70 mm，機(jī)器人依然可以以180°夾角的直線方式相連，形成直線型蛇形機(jī)器人，由驅(qū)動(dòng)部分直接驅(qū)動(dòng)沿管道前進(jìn)。該機(jī)器人具備了很強(qiáng)的適應(yīng)性，將其應(yīng)用到燃?xì)夤艿捞綔y(cè)中，可以十分方便地取得管道內(nèi)部的使用狀態(tài)，及時(shí)掌握管道內(nèi)的損傷，并在很大程度上提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)于燃?xì)夤艿赖木S護(hù)與檢修將提供很大的幫助。

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