直輪式管道泄漏檢測(cè)機(jī)器人彎管通過(guò)性能研究*

楊雄 閆宏偉 侯相榮 王璐 李鵬程 魏秀業(yè)

(中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

0 引 言

管道已成為能源輸送、生活供水和生產(chǎn)化工等領(lǐng)域的主要運(yùn)輸方式[1-4]。但是，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，管道會(huì)由于運(yùn)輸物質(zhì)的腐蝕、自身材料的老化以及施工質(zhì)量等原因，出現(xiàn)泄漏或破損等情況，這會(huì)給國(guó)家?guī)?lái)不可估量的經(jīng)濟(jì)損失，造成環(huán)境污染，甚至嚴(yán)重威脅人類(lèi)生活安全，所以對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)很有必要[5-7]。

現(xiàn)有管道檢測(cè)技術(shù)多為人工檢測(cè)，例如人工實(shí)地檢測(cè)法和量泥斗法等，但由于環(huán)境限制及工作效率低等收效甚微[8-11]。因此，管道檢測(cè)機(jī)器人便應(yīng)運(yùn)而生。目前的管道檢測(cè)機(jī)器人以無(wú)損檢測(cè)技術(shù)為主，使用管道機(jī)器人搭載合適的作業(yè)設(shè)備可對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)。但大多數(shù)管道檢測(cè)機(jī)器人都只適應(yīng)直徑200 mm及以上的管線，而且尺寸長(zhǎng)，過(guò)彎性能差，難以在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)[12-15]。

針對(duì)這種特殊工況，本文研究了一種新型直輪式管道泄漏檢測(cè)機(jī)器人。該機(jī)器人采用驅(qū)動(dòng)輪直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出穩(wěn)定。改進(jìn)后的管道檢測(cè)機(jī)器人不僅能在內(nèi)徑160～180 mm的管道中爬行，而且可以在曲率半徑450 mm的彎管中完成檢測(cè)任務(wù)。這對(duì)管道檢測(cè)機(jī)器人的工程應(yīng)用具有極其重要的參考價(jià)值。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

直輪式管道泄漏檢測(cè)機(jī)器人主要由檢測(cè)系統(tǒng)、連接系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和后置檢測(cè)系統(tǒng)等4部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。檢測(cè)系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由舵機(jī)連接。檢測(cè)系統(tǒng)主要起檢測(cè)、支撐和方向?qū)虻茸饔?，?qū)動(dòng)系統(tǒng)給整個(gè)機(jī)器人提供足夠的動(dòng)力。

1—檢測(cè)系統(tǒng)；2—連接系統(tǒng)；3—驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；4—底盤(pán)骨架；5—后置檢測(cè)系統(tǒng)。

1.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由行走輪系統(tǒng)和調(diào)角舵機(jī)兩大部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—驅(qū)動(dòng)輪；2—電機(jī)；3—輪架；4—支架；5—舵盤(pán)；6—調(diào)角舵機(jī)；7—舵機(jī)保護(hù)件；8—L形支座；9—短彈簧；10—六角頭螺栓；11—六角頭螺母。

行走輪系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)輪、減速電機(jī)和輪架組成，每個(gè)行走輪系統(tǒng)有兩個(gè)減速電機(jī)。驅(qū)動(dòng)輪連接在輪架中間的輪槽中，在輪架兩邊各安裝一個(gè)減速電機(jī)，行走輪系統(tǒng)通過(guò)調(diào)角舵機(jī)連接在機(jī)器人上，兩個(gè)調(diào)角舵機(jī)可以調(diào)整兩個(gè)行走輪系統(tǒng)之間的夾角以適應(yīng)不同內(nèi)徑的管道。將六角頭螺栓穿上一個(gè)短彈簧連接在機(jī)器人上并擰上兩個(gè)螺母，留出一節(jié)距離與短彈簧配合可以達(dá)到變徑的目的。左右兩邊行走輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相同。因?yàn)槎鏅C(jī)與底盤(pán)骨架之間使用六角頭螺栓與短彈簧連接，所以驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一定的自適應(yīng)能力，提高了整個(gè)機(jī)器人在復(fù)雜管道中的通過(guò)性和穩(wěn)定性。

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)主要由支撐輪系統(tǒng)、前攝像頭、行走盤(pán)和傳感器組成，如圖3所示。行走盤(pán)安放攝像頭和檢測(cè)傳感器，對(duì)管道內(nèi)的溫度和濕度等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)的四對(duì)彈簧套筒連接萬(wàn)向珠并與管道內(nèi)壁接觸，自由度較大，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，在遇到障礙時(shí)可以自由伸縮，與彈簧套筒配合可適應(yīng)內(nèi)徑160～180 mm的管道。當(dāng)管徑較小(160 mm)時(shí)，先使萬(wàn)向珠進(jìn)入管道，其余系統(tǒng)再依次進(jìn)入。

萬(wàn)向珠連接在轉(zhuǎn)換螺栓上，轉(zhuǎn)換螺栓再與連接螺栓連接，最后在連接螺栓中心裝上長(zhǎng)彈簧連接在行走盤(pán)上，長(zhǎng)彈簧起變徑作用。支撐輪系統(tǒng)只起到支撐與變徑作用，當(dāng)機(jī)器人被放進(jìn)管道后，三對(duì)支撐輪系統(tǒng)一直彈開(kāi)，萬(wàn)向輪壓緊至管壁。

1—前攝像頭；2—轉(zhuǎn)換螺栓；3—萬(wàn)向珠；4—連接螺栓；5—長(zhǎng)彈簧；6—行走盤(pán)；7—傳感器。

1.3 連接系統(tǒng)

連接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示?；_(tái)與導(dǎo)軌墊片通過(guò)螺栓連接在回轉(zhuǎn)舵機(jī)支架上，回轉(zhuǎn)舵機(jī)支架與回轉(zhuǎn)舵機(jī)通過(guò)舵盤(pán)連接，使回轉(zhuǎn)舵機(jī)支架轉(zhuǎn)動(dòng)；將回轉(zhuǎn)舵機(jī)豎直連接在機(jī)器人上并用舵機(jī)殼固定，巡檢機(jī)構(gòu)通過(guò)滑塊連接到滑臺(tái)上，從而使整體向上或向下。

1—滑塊；2—滑臺(tái)；3—導(dǎo)軌墊片；4—回轉(zhuǎn)舵機(jī)支架；5—舵機(jī)殼；6—回轉(zhuǎn)舵機(jī)；7—舵盤(pán)。

2 機(jī)器人管內(nèi)運(yùn)動(dòng)分析

為使機(jī)器人在管道中可靠通過(guò)，選擇難度較大的彎管進(jìn)行通過(guò)性分析，以評(píng)估機(jī)器人通過(guò)彎管的難易程度，若能通過(guò)，則表明機(jī)器人可在管道中爬行。

2.1 彎管通過(guò)性分析

用理想規(guī)劃的方法分析管道機(jī)器人并對(duì)整個(gè)機(jī)器人進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖5所示，此狀態(tài)是機(jī)器人通過(guò)彎管過(guò)程中最危險(xiǎn)的邊界位置。以O(shè)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，r為管道中心到原點(diǎn)的距離。圖5中，f為機(jī)器人機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度，e為機(jī)器人的最大直徑，D為管道內(nèi)徑。OT是從O到PQ的垂直線，OT與管道內(nèi)壁在S點(diǎn)相交。

圖5 機(jī)器人彎管通過(guò)性簡(jiǎn)圖Fig.5 Elbow passing performance of robot

若要保證機(jī)器人順利通過(guò)彎管，應(yīng)該滿(mǎn)足：

(1)

即

(2)

其中，r=450 mm，D=170 mm，f=315 mm，將其帶入式(2)得e小于146.29 mm。

由此可知，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人基本尺寸為：r=450 mm，f=315 mm，寬度小于146.29 mm。該尺寸滿(mǎn)足彎管的通過(guò)性要求，即滿(mǎn)足彎管爬行的彎道幾何約束要求。

2.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性分析

將機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，并對(duì)機(jī)器人通過(guò)彎管的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，繪制機(jī)器人經(jīng)過(guò)彎管的徑向截面圖，如圖6所示。

圖6中兩條虛線為機(jī)器人通過(guò)彎管時(shí)與管道內(nèi)壁接觸產(chǎn)生的軌跡曲線，W1與W2是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上兩驅(qū)動(dòng)輪與管壁的接觸點(diǎn)。以O(shè)1為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，α為驅(qū)動(dòng)輪P1與驅(qū)動(dòng)輪P2的夾角，β為驅(qū)動(dòng)輪P1與Y軸的夾角，R為管道曲率半徑，B為驅(qū)動(dòng)輪到管道中心的垂直距離。驅(qū)動(dòng)輪P1和P2的運(yùn)動(dòng)軌跡相同，則接觸點(diǎn)W1和W2的表達(dá)式為：

(3)

圖6 機(jī)器人過(guò)彎運(yùn)動(dòng)分析圖Fig.6 Elbow passing motion analysis of robot

過(guò)彎時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪P1靠近管道內(nèi)側(cè)(速度為v1)，驅(qū)動(dòng)輪P2靠近管道外側(cè)(速度為v2)，即在彎管運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪之間存在速度差，速度比值為：

(4)

3 機(jī)器人彎管通過(guò)性仿真分析

Adams軟件主要功能是力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析[16-17]。本文采用Adams軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行彎管通過(guò)性仿真。用Solidworks軟件創(chuàng)建機(jī)器人模型后轉(zhuǎn)化為xt格式導(dǎo)入Adams軟件中，將攝像頭、行走盤(pán)、底盤(pán)骨架、螺栓和舵機(jī)等無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件進(jìn)行布爾求和，再對(duì)模型添加運(yùn)動(dòng)副并定義材料屬性，設(shè)置仿真時(shí)間為110 s。機(jī)器人可以通過(guò)直徑為170 mm、曲率半徑為450 mm彎度的管道，其在管道中的仿真情況如圖7所示。

圖7 機(jī)器人彎管通過(guò)性仿真圖Fig.7 Simulation diagram for elbow passing performance of robot

對(duì)機(jī)器人爬行過(guò)程進(jìn)行仿真，得到機(jī)器人中心部件質(zhì)心沿X、Y、Z3個(gè)方向的位移曲線，如圖8所示。

圖8 骨架質(zhì)心的X、Y、Z軸方向位移仿真曲線Fig.8 X, Y, Z-direction displacement simulation curve of skeleton centroid

從圖8可見(jiàn)，直管爬行與彎管爬行的運(yùn)動(dòng)軌跡有很明顯的區(qū)別。以機(jī)器人中心部件骨架的質(zhì)心為例，0～10 s在水平直管中爬行，X軸方向有向下位移，由于Y軸和Z軸是非運(yùn)動(dòng)方向，所以沒(méi)有明顯位移；10～30 s為彎管中爬行，隨著彎道的轉(zhuǎn)向，機(jī)器人產(chǎn)生Y軸方向位移分量，且X軸方向位移變化逐步減小，Y軸方向位移變化逐漸增大，Z軸方向無(wú)位移；30～50 s機(jī)器人爬行通過(guò)彎管后繼續(xù)在水平直管中爬行，Y軸方向有向下位移，X軸和Z軸成為非運(yùn)動(dòng)方向，不再產(chǎn)生位移；X軸與Y軸方向位移有很明顯的對(duì)稱(chēng)性，而Z軸方向并沒(méi)有明顯的變化。由仿真結(jié)果可知，只需給機(jī)器人各零部件施加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，管道機(jī)器人就可以順利地通過(guò)水平直管和彎管，并且運(yùn)動(dòng)狀態(tài)平穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)卡死或運(yùn)動(dòng)干涉等不利情況。

內(nèi)輪速度v1和外輪速度v2隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示。分析可知：v1、v2的變化趨勢(shì)不同，v2先增大后減小，v1持續(xù)減小，即在過(guò)彎過(guò)程中機(jī)器人繞靠近內(nèi)輪處沿過(guò)彎旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生擺動(dòng)，使外輪運(yùn)動(dòng)速度增加，內(nèi)輪運(yùn)動(dòng)速度減小，以保證平穩(wěn)過(guò)彎；v2與機(jī)器人質(zhì)心位移的變化趨勢(shì)很接近，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)彎管極限位置時(shí)，v2達(dá)到最大。

圖9 輪子1、2的速度隨時(shí)間的變化曲線Fig.9 Speed change of wheels 1 and 2 with time

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

建立直輪式管道泄漏檢測(cè)機(jī)器人模型，首先設(shè)定兩個(gè)調(diào)角舵機(jī)之間的夾角以適應(yīng)管徑，然后將機(jī)器人放入直徑170 mm直管和轉(zhuǎn)彎半徑為450 mm彎管組成的管道中，對(duì)機(jī)器人彎管通過(guò)性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示。

圖10 機(jī)器人試驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Testing platform of robot

用秒表測(cè)出機(jī)器人過(guò)彎管所需時(shí)間，如表1所示。從表1可以看出，機(jī)器人在管道中的爬行時(shí)間總大于仿真結(jié)果。這是因?yàn)榉抡嬖诶硐氲臓顩r下進(jìn)行，而試驗(yàn)時(shí)輪子與管壁之間的摩擦力比仿真情況大，同時(shí)也存在機(jī)器人裝配誤差的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人能夠通過(guò)設(shè)置的彎管，沒(méi)有出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，證明機(jī)器人尺寸設(shè)計(jì)合理。

表1 機(jī)器人過(guò)彎試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Elbow passing test data of robot

5 結(jié) 論

(1)提出的直輪式管道泄漏檢測(cè)機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共同連接在底盤(pán)骨架上，并使用驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、綜合性?xún)r(jià)比高的優(yōu)勢(shì)。該機(jī)器人具有一定的適應(yīng)能力，增強(qiáng)了機(jī)器人過(guò)彎時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。

(2)對(duì)機(jī)器人過(guò)彎行為進(jìn)行仿真，得到了直輪式管道泄漏檢測(cè)機(jī)器人質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡，并得出底盤(pán)骨架質(zhì)心的位移曲線，發(fā)現(xiàn)Y軸方向有向下的位移，X軸和Z軸為非運(yùn)動(dòng)方向，不產(chǎn)生位移。

(3)機(jī)器人過(guò)彎時(shí)內(nèi)輪速度v1和外輪速度v2的變化趨勢(shì)不同，v2先增大后減小，v1持續(xù)減小，v2與機(jī)器人質(zhì)心位移的變化趨勢(shì)大體相同。