具有磁吸附能力的管道運(yùn)維機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開發(fā)

摘?要：文章結(jié)合具有磁吸附能力的管道運(yùn)維機(jī)器人研發(fā)項(xiàng)目，論述了管道運(yùn)維機(jī)器人本體、磁吸附履帶組件、云臺(tái)組件及車體組件設(shè)計(jì)要點(diǎn)，分析了磁吸附履帶組件、圓筒狀云臺(tái)設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)，希望為微小管道機(jī)器人的研發(fā)提供參考與幫助。

關(guān)鍵詞：磁吸附能力;管道運(yùn)維機(jī)器人;履帶;云臺(tái)

一、 引言

對于核電、火電循環(huán)水管道、鋼制儲(chǔ)罐、石油石化管道，其管道內(nèi)壁較為容易出現(xiàn)腐蝕、泄漏等問題。因此，需要定期對管道內(nèi)壁進(jìn)行探測維護(hù)。狹小的管道空間很難進(jìn)行探測與維護(hù)操作，如通過開挖拆卸檢查，則增加了運(yùn)營成本。管道運(yùn)維機(jī)器人可以進(jìn)入狹小的空間，通過實(shí)時(shí)傳輸管道內(nèi)畫面，實(shí)現(xiàn)定期對管道內(nèi)壁的探測維護(hù)。在管道運(yùn)維機(jī)器人的設(shè)計(jì)工作中，需要應(yīng)用微電子、傳感器、機(jī)械設(shè)計(jì)制造等技術(shù)于管道運(yùn)維機(jī)器人設(shè)計(jì)中，保證管道運(yùn)維機(jī)器人能夠更好地適應(yīng)狹小的管道空間，提升管道運(yùn)維工作水平。

二、 項(xiàng)目概況

為實(shí)現(xiàn)對狹小的管道空間進(jìn)行探測維護(hù)，我司開展管道運(yùn)維機(jī)器人研發(fā)項(xiàng)目，項(xiàng)目旨在開發(fā)一款可以代替人類進(jìn)入狹小管道內(nèi)進(jìn)行規(guī)律性視覺檢測，實(shí)時(shí)傳輸管道內(nèi)畫面，且能存儲(chǔ)管道內(nèi)部狀況視頻和圖像的管道運(yùn)維機(jī)器人。項(xiàng)目管道機(jī)器人主要由繞線裝置、機(jī)器人本體、操作控制箱組成，機(jī)器人本體具有磁吸附的能力，具有>IP54的防護(hù)能力，能夠在>DN300管徑的無襯膠磁性管道內(nèi)部轉(zhuǎn)彎和行走，管道運(yùn)維機(jī)器人的垂直攀爬高度>10m，并且前進(jìn)距離不少于120m。該項(xiàng)目管道運(yùn)維機(jī)器人搭載360度旋轉(zhuǎn)高清攝像頭，能夠?qū)崟r(shí)傳輸并存儲(chǔ)視頻、圖像畫面，采用全方位視頻方式檢測管道，可采用搖桿和按鈕方式操控機(jī)器人后退、前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎，運(yùn)用陀螺儀觀監(jiān)測機(jī)器人姿態(tài)。

三、 管道運(yùn)維機(jī)器人設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）機(jī)器人本體

項(xiàng)目管道運(yùn)維機(jī)器人本體可以分為云臺(tái)組件、車體組件、磁吸附履帶組件三部分。設(shè)計(jì)人員開展機(jī)器人本體設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮到本體必須能夠在DN300管道內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)彎、行走和攀爬，據(jù)此確定機(jī)器人本體最佳尺寸在120°內(nèi)，行走小車寬度尺寸控制在260mm之內(nèi)，并考慮到部分用戶管道采用的短半徑彎頭，要想保證機(jī)器人能夠在管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，小車的長度應(yīng)控制在350mm內(nèi)。

1. 磁吸附履帶組件

項(xiàng)目磁吸附履帶組件主要是由履帶、磁鐵、角度控制機(jī)構(gòu)、履帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、離合器、行走電機(jī)、控制電路板組成。磁吸附履帶組件的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊先接收控制箱信號，并由驅(qū)動(dòng)模塊執(zhí)行驅(qū)動(dòng)指令，控制機(jī)管道運(yùn)維機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)彎、后退和前進(jìn)操作。進(jìn)行設(shè)計(jì)期間，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人本體尺寸受限，并且還要負(fù)重續(xù)航120m的組合光纜，為了保證機(jī)器人尺寸符合要求，并且能夠拖動(dòng)組合光纜完成前行指令要求，我們采用小尺寸履帶和磁鐵，在保障管道運(yùn)維機(jī)器人結(jié)構(gòu)剛度的情況下，采用輕質(zhì)材料，以達(dá)到減輕機(jī)器人重量的目的。

2. 云臺(tái)組件及車體組件

項(xiàng)目管道運(yùn)維機(jī)器人本體云臺(tái)組件包括云臺(tái)相機(jī)、云臺(tái)殼體、云臺(tái)電機(jī)、LED燈、控制電路板、雙自由傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)采用云臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)雙自由度傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證相機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)軸360°平移，并將管道運(yùn)維機(jī)器人觀測到的視頻畫面通過電路板實(shí)時(shí)傳輸至控制箱，控制箱會(huì)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)視頻和觀測畫面。采用控制箱控制云臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)動(dòng)啟停、燈光亮度，云臺(tái)控制電路板會(huì)接收控制箱的信號，并嚴(yán)格按照控制箱信號執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，輔助云臺(tái)調(diào)整燈光的明暗。

項(xiàng)目車體組件包括車體框架、離合器安裝腔體、行走電機(jī)、后置攝像頭、控制電路板、后置LED燈，組合電纜接口、云臺(tái)照明用射燈等。車體組件主要用于連接云臺(tái)組件和磁吸附履帶組件。管道運(yùn)維機(jī)器人后退時(shí)，后置攝像頭會(huì)為畫面提供依據(jù)，LED等會(huì)為后置攝像頭提供照明條件，根據(jù)控制箱的畫面，輸入相應(yīng)的照明要求和指令，并通過控制電路板的方式保證機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)安全撤退。此外，在緊急情況下，操作人員可以通過拉動(dòng)組合電纜的方式將管道運(yùn)維機(jī)器人拖拽出管道。采用緊湊式的組件布局方式，以最大化利用機(jī)器人車體空間，運(yùn)用3D打印技術(shù)加工車體相關(guān)配件和云臺(tái)。

（二）繞線裝置與光纜

該項(xiàng)目繞線裝置主要是由輕質(zhì)機(jī)體、組合光纜、滑環(huán)組成。設(shè)計(jì)選擇組合光纜時(shí)，要充分考慮到組合光纜通訊距離、拖拽拉力、組合光纜自重、供電總電流等影響因素，明確光纜需要滿足120m的通訊要求。因此，項(xiàng)目選擇40W電機(jī)，2個(gè)2.8A工作電流的電機(jī)、2個(gè)0.5A工作電流的攝像頭、4個(gè)0.15A工作電流的燈、2個(gè)0.2A工作電流的云臺(tái)電機(jī)，管道運(yùn)維機(jī)器人的電流為9.6A，電纜線徑為1.5平方，以滿足總電流承載要求。

（三）操作控制箱

操作控制箱需實(shí)時(shí)顯示云臺(tái)相機(jī)、后置攝像頭傳輸畫面要求，并控制管道機(jī)器人與云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。通過搖桿和操作按鈕控制管道運(yùn)維機(jī)器人前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎和后退;采用搖桿操作攝像機(jī)云臺(tái)，并根據(jù)要求開展錄像工作。對于項(xiàng)目存在操作控制箱搖桿、按鈕較多的問題，通過采用雙屏分布形式，大屏幕顯示畫面，增強(qiáng)畫面辨識(shí)度，提升管道檢測效率。

四、 ?管道運(yùn)維機(jī)器人的設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

（一）磁吸附履帶組件

項(xiàng)目磁吸附履帶組件設(shè)計(jì)期間，在磁吸附履帶上加設(shè)了磁鐵，增加了磁吸附履帶的重量，致使履帶較為容易出現(xiàn)松脫現(xiàn)象。為了解決這一問題，我們在磁吸附履帶組件上加設(shè)了張緊結(jié)構(gòu)，有效避免履帶出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，采用角度控制結(jié)構(gòu)連接車體與履帶組件。此外，進(jìn)行履帶模塊設(shè)計(jì)期間，將動(dòng)力結(jié)構(gòu)獨(dú)立起來，采用這種方式提升履帶模塊維護(hù)和更換的便捷性。

（二）圓筒狀云臺(tái)的設(shè)計(jì)

項(xiàng)目改善了傳統(tǒng)云臺(tái)的格式，采用圓筒狀云臺(tái)設(shè)計(jì)。將云臺(tái)兩自由度控制在自身尺寸之內(nèi)，便于后續(xù)安裝工作的開展。采用內(nèi)部環(huán)形控制板，為后續(xù)小尺寸云臺(tái)的設(shè)計(jì)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（三）繞線裝置的簡化設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目組合光纜設(shè)計(jì)過程中，為了保證機(jī)器人與組合光纜之間的接頭滿足連接強(qiáng)度要求，選擇帶卡口金屬螺紋連接接頭，接頭短期拉伸力>800N，接頭與組合光纜之間采用熱縮套管連接，以達(dá)到提升連接強(qiáng)度的目的。該設(shè)計(jì)增加了機(jī)器人的通訊距離，取消了原有牽引繩結(jié)構(gòu)，簡化了繞線裝置。

五、 結(jié)語

綜上所述，項(xiàng)目機(jī)器人在本體上搭載360度旋轉(zhuǎn)高清攝像頭，選用高強(qiáng)度組合光纜和輕質(zhì)機(jī)體，將操作控制箱與機(jī)器人本體連接在一起，實(shí)現(xiàn)通信和供電傳輸;通過在履帶上方設(shè)計(jì)增加張緊機(jī)構(gòu)，解決磁吸附履帶的松脫問題;選用小尺寸相機(jī)及電機(jī)，云臺(tái)殼體按曲面設(shè)計(jì)，有效解決了云臺(tái)的體積問題;在繞線裝置上取消原有牽引繩結(jié)構(gòu)，增加了機(jī)器人的通訊距離。項(xiàng)目管道機(jī)器人的開發(fā)應(yīng)用，整合了磁吸附技術(shù)，管道自適應(yīng)技術(shù)及穩(wěn)定的可見光全方位視頻檢測技術(shù)，使該機(jī)器人具備在管道內(nèi)行走、轉(zhuǎn)彎、垂直攀爬能力，實(shí)現(xiàn)了管道的全方位檢測。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳月強(qiáng).磁吸附履帶式攀爬鋼纜機(jī)器人的分析與研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2017.

[2]呂文彬.磁吸附鏈?zhǔn)脚辣跈C(jī)器人磁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與承載能力分析[D].南京：東南大學(xué)，2012.

[3]趙章焰，李鐘谷，吳占穩(wěn).攀爬機(jī)器人磁吸附組件優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2019.

作者簡介：鄭翠英，南京天創(chuàng)電子技術(shù)有限公司。