基于超聲法清洗的管道蛇形機(jī)器人研究

王斌，郭巖寶，于海文，楊玉成，王德國(guó)

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司，北京 100007)

0 前言

管道作為一種運(yùn)輸工具在石油、天然氣等行業(yè)發(fā)揮著重要作用，然而在工況環(huán)境經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間后，管道內(nèi)壁會(huì)出現(xiàn)石蠟、淤泥、碳酸鹽、油垢等物質(zhì)的結(jié)塊甚至堵塞，嚴(yán)重影響石油和天然氣的運(yùn)輸，甚至可能造成嚴(yán)重事故。管道的檢測(cè)和清洗工作可以有效及時(shí)地避免事故的發(fā)生，然而傳統(tǒng)靠人工機(jī)械方式檢測(cè)和清洗浪費(fèi)大量的人力物力，既不經(jīng)濟(jì)，安全性也差。因此，管道清潔機(jī)器人進(jìn)入油氣領(lǐng)域，用于完成清潔工作。

國(guó)內(nèi)外科研工作者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間努力，設(shè)計(jì)了不同的管道清潔機(jī)器人。潘劍鋒等研究了一種基于絲杠螺母的足式管道清潔機(jī)器人，可以在變徑管道內(nèi)行走。TANISE等改進(jìn)了蠕動(dòng)爬行機(jī)器人清掃管道行走性能。 ITO等開(kāi)發(fā)了一種應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境的蠕動(dòng)式管道清潔機(jī)器人，有效提高了清潔效率。譚益松等研究了一種仿尺蠖式氣壓驅(qū)動(dòng)管道清潔機(jī)器人，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離復(fù)雜管道的清潔工作。目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些利用超聲波方法來(lái)清洗管道的清洗機(jī)。然而，該類(lèi)清洗機(jī)體型龐大、移動(dòng)困難、清潔效率低，現(xiàn)有的機(jī)器人利用機(jī)械式清洗方法清潔效果不好，不能徹底將污垢清除，且移動(dòng)范圍有限，不能適用于各種復(fù)雜管道。

考慮到油氣管道環(huán)境的需求，設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為控制核心、多個(gè)模塊融合的基于超聲波法的管道清潔蛇形機(jī)器人。本文作者從機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩方面分析該機(jī)器人特點(diǎn)，通過(guò)數(shù)理計(jì)算分析該機(jī)器人在變徑管道中的直行、轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)效果以及螺旋槳提供的動(dòng)力；通過(guò)MATLAB仿真分析蛇形機(jī)器人蜿蜒前行的影響因素，并通過(guò)正交試驗(yàn)法檢驗(yàn)該機(jī)器人清潔污垢的效果。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文作者設(shè)計(jì)的基于超聲波法的管道蛇形清潔機(jī)器人主要由四部分結(jié)構(gòu)組成：前驅(qū)動(dòng)肢體、肢體運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)、后驅(qū)動(dòng)肢體和旋轉(zhuǎn)掃尾結(jié)構(gòu)。圖1所示為該機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)。

圖1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

1.1 肢體運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

機(jī)器人肢體的轉(zhuǎn)彎及擺動(dòng)主要靠肢體運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，該關(guān)節(jié)由兩個(gè)分別連接前后驅(qū)動(dòng)肢體的轉(zhuǎn)動(dòng)固件連接組成，在與后驅(qū)動(dòng)肢體相連的轉(zhuǎn)動(dòng)固件上安裝有大扭矩舵機(jī)，舵機(jī)的轉(zhuǎn)臂與另外的轉(zhuǎn)動(dòng)固件以焊接形式連接，可控制前驅(qū)動(dòng)肢體實(shí)現(xiàn)180°轉(zhuǎn)動(dòng)。后驅(qū)動(dòng)肢體與絲杠連接，可實(shí)現(xiàn)圓周翻轉(zhuǎn)。機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)可先控制絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)使機(jī)器人前驅(qū)動(dòng)肢體旋轉(zhuǎn)90°，然后控制舵機(jī)擺動(dòng)90°，在一個(gè)電機(jī)和一個(gè)舵機(jī)配合控制下實(shí)現(xiàn)在T形管道內(nèi)的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。

圖2 肢體運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)示意

1.2 管徑自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

管徑自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)帶動(dòng)與伺服電機(jī)固定連接的絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與絲杠配合的超聲波清洗腔體的滑套向左右滑動(dòng)，促使自適應(yīng)連桿平移，實(shí)現(xiàn)可在不同管徑內(nèi)移動(dòng)的目的。如圖3(a)所示，自適應(yīng)裝置上的4個(gè)輪子具有防滑特性，輪子軸心位置裝有扭簧，機(jī)器人可以在管道內(nèi)前進(jìn)移動(dòng)。

確定自適應(yīng)裝置適應(yīng)的管道范圍需考慮2種必要條件，即==和=≠。在==的情況下，當(dāng)自適應(yīng)裝置處于使4個(gè)輪都支撐在管道內(nèi)壁位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化成圖3(a)。將機(jī)器人在最大管徑時(shí)的位置作為初始位置，其中=0，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，===,絲杠螺距為、長(zhǎng)為，電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為，得：

=

(1)

點(diǎn)到的距離為

(2)

根據(jù)圖3，得：

(3)

從而得到可支撐的半徑與的關(guān)系：

(4)

可達(dá)最大半徑:

(5)

(6)

故管徑的范圍為

(7)

在=≠情況下,自適應(yīng)裝置可能會(huì)最大程度適應(yīng)管徑。如圖3(b)所示，當(dāng)垂直于時(shí)，可適應(yīng)的最大半徑為

=+

(8)

為檢驗(yàn)范圍，假設(shè)處在如圖3(b)的直角位置，存在的三角函數(shù)定式為

(9)

則可得：

(10)

長(zhǎng)度隨的變化而變化，即隨著絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)變化。當(dāng)=0時(shí)，的值最大，可適應(yīng)最大半徑,即當(dāng)垂直于時(shí)，電機(jī)的絲杠在初始位置(=0)。當(dāng)與平行時(shí)，管徑可適應(yīng)的值最小，即：

=

(11)

機(jī)器人的前進(jìn)推力靠后驅(qū)動(dòng)肢體的渦輪螺旋槳提供，如圖3(c)所示。假設(shè)管道內(nèi)液體的流速很小可忽略不計(jì)，通過(guò)公式計(jì)算可求得螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生的有效推力和所需功率，從而判斷其設(shè)計(jì)是否合理。螺旋槳的直徑為,推力系數(shù)為,轉(zhuǎn)矩系數(shù)為,電機(jī)的轉(zhuǎn)速為，相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率為，則淌水額定轉(zhuǎn)矩為

=()/(2π)

(12)

螺旋槳的轉(zhuǎn)速為

(13)

螺旋槳產(chǎn)生的總推力為

=

(14)

螺旋槳在管道內(nèi)產(chǎn)生有效推力為

=(1-)=(1-)

(15)

機(jī)器人螺旋槳收到的功率即電機(jī)可產(chǎn)生的功率為

(16)

根據(jù)螺旋槳的螺旋部分剖視圖分析其剛體變換。如圖3(c)所示，點(diǎn)為末端旋轉(zhuǎn)軸上的一點(diǎn)，點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)軸上的某一點(diǎn)，螺旋槳在以單位角速度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，點(diǎn)的線速度為

圖3 后驅(qū)動(dòng)肢體各結(jié)構(gòu)示意

(17)

(18)

將式(17)轉(zhuǎn)化為

(19)

求解得：

(20)

1.3 清潔裝置設(shè)計(jì)

文中所設(shè)計(jì)的機(jī)器人清潔裝置由兩部分組成：超聲波清洗模塊和清除污垢模塊。如圖4所示，超聲波清洗模塊由超聲波換能器和超聲波發(fā)生器搭配集成電路組成，超聲波換能器與機(jī)器人的超聲波清洗模塊腔體內(nèi)壁緊貼。該機(jī)器人為有纜式機(jī)器人，PC上位機(jī)和超聲波發(fā)生器在管道外，通過(guò)電纜與機(jī)器人連接。

圖4 清潔裝置流程示意

在超聲波換能器的作用下將聲能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，從而將超聲波能量輻射到管道內(nèi)的液體中。當(dāng)液體受到超聲波振蕩后會(huì)產(chǎn)生許多空化氣泡，氣泡的形成到破裂會(huì)積攢能量，當(dāng)氣泡破裂時(shí)，能量會(huì)大量釋放從而產(chǎn)生極大的沖擊波，振碎附著在管道內(nèi)壁結(jié)固的污垢；隨著機(jī)器人的前進(jìn)，旋轉(zhuǎn)掃尾結(jié)構(gòu)在電機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，該結(jié)構(gòu)的頭部由吸油海綿構(gòu)成，可吸附被振碎的污垢，這種雙層清潔的方式可以徹底清潔污垢。

1.4 波形推進(jìn)函數(shù)

本文作者研究該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，設(shè)計(jì)其運(yùn)動(dòng)曲線。該機(jī)器人的關(guān)節(jié)采用單自由度，根據(jù)機(jī)器人移動(dòng)時(shí)的曲線，基于Serpenoid原理，確定其波形推進(jìn)函數(shù)。

Serpenoid曲線的曲率方程為

(21)

式中:為機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中走出的S形狀的數(shù)目；為機(jī)器人的身長(zhǎng)；為機(jī)器人在曲線方向上的位移；為機(jī)器人轉(zhuǎn)過(guò)的彎角。在文中，為機(jī)器人開(kāi)始移動(dòng)時(shí)的彎角。

為方便研究和計(jì)算，可將式(21)簡(jiǎn)化為

()=-sin()+

(22)

將曲率公式積分可得偏轉(zhuǎn)角公式，即對(duì)式(22)積分，可得清潔機(jī)器人前進(jìn)時(shí)頭部相對(duì)于直行方向的偏轉(zhuǎn)角方程。

(23)

由式(23)可知，固定參數(shù)和的值，參數(shù)變化，相對(duì)應(yīng)的Serpenoid曲線也隨之改變。由此可得，、不變時(shí)，值越大，清潔機(jī)器人前進(jìn)過(guò)程中擺動(dòng)的幅值越大，并且單個(gè)S波形越長(zhǎng)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為滿足機(jī)器人對(duì)于油氣管道內(nèi)作業(yè)的控制需求，設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。如圖5所示，監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)有線電纜將指令發(fā)送給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)檢測(cè)到管道內(nèi)環(huán)境的數(shù)據(jù)信號(hào)和傳感器反饋信號(hào)后再反饋給監(jiān)控系統(tǒng)，定位系統(tǒng)采用GPS模塊進(jìn)行定位，當(dāng)主控系統(tǒng)接收到監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的指令后，可以控制從動(dòng)系統(tǒng)完成機(jī)器人在管道內(nèi)的移動(dòng)、清潔等功能。

圖5 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的機(jī)器人控制系統(tǒng)具備信息監(jiān)測(cè)和反饋功能，程序運(yùn)行流程如圖6所示。機(jī)器人電源啟動(dòng)后，控制系統(tǒng)初始化設(shè)置，同時(shí)檢測(cè)程序故障問(wèn)題，如果程序有故障將會(huì)自動(dòng)復(fù)位。程序檢測(cè)程序合格后，單片機(jī)主控系統(tǒng)打開(kāi)，控制機(jī)器人開(kāi)始在管道內(nèi)移動(dòng)并檢測(cè)管道內(nèi)信息，同時(shí)將信息數(shù)據(jù)反饋給檢測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到管道內(nèi)壁有油污時(shí)，主控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析并作出判斷，控制清洗模塊啟動(dòng)，檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)循環(huán)檢測(cè)污垢是否被清洗干凈以判斷是否結(jié)束程序。

圖6 控制系統(tǒng)流程

3 機(jī)器人超聲波清洗正交試驗(yàn)

文中采用正交試驗(yàn)法研究超聲波頻率、超聲波功率和清洗時(shí)間對(duì)清洗效果的影響。為簡(jiǎn)單有效地檢測(cè)清洗效果，試驗(yàn)在由亞克力材料制作的透明管道內(nèi)進(jìn)行。管直徑10 cm、長(zhǎng)度30 cm，而且兩端封口。管道內(nèi)放置有清洗液，液面深度為6 cm。機(jī)器人由超聲波清洗模塊、可調(diào)頻率和功率的超聲波發(fā)生器和超聲波換能器組成，試驗(yàn)臺(tái)如圖7所示。試驗(yàn)變量：超聲波頻率分別為40、180、320、460 Hz；超聲波功率分別為0.1、0.25 、0.4 、0.65 W/cm；清洗時(shí)間分別為10、20、30、40、50 min。對(duì)照組為機(jī)械式清洗方式，將石蠟、碳酸鹽、泥沙和石油焦的混合物涂抹在管道內(nèi)壁，厚度為3 cm。 清洗試驗(yàn)在室溫(25 ℃)環(huán)境下進(jìn)行，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，數(shù)據(jù)取平均值。

圖7 正交試驗(yàn)臺(tái)示意

4 結(jié)果與討論

4.1 步態(tài)控制仿真

通過(guò)MATLAB軟件研究波形推進(jìn)函數(shù)中、、與曲線的關(guān)系，在固定參數(shù)不變的情況下分別繪制Serpenoid曲線。圖8(a)為在、固定不變的狀態(tài)下，通過(guò)改變繪制的函數(shù)曲線?？傻茫涸凇⒐潭ú蛔兊那闆r下，與蜿蜒曲線的幅值以及單個(gè)S波的波長(zhǎng)度呈正相關(guān)。圖8(b)為在、固定不變的情況下，通過(guò)改變繪制的函數(shù)曲線。可得：當(dāng)、固定不變時(shí)，與曲線的振幅以及S波的波長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)。圖8(c)為固定參數(shù)、的值，根據(jù)的取值得到的Serpenoid曲線?？傻茫涸?、不變的情況下，與方向偏轉(zhuǎn)量呈正相關(guān)。

圖8 Serpenoid函數(shù)曲線

4.2 清洗效果

試驗(yàn)結(jié)果表明：超聲波清洗的時(shí)間、頻率以及功率都與清洗的效果有關(guān)。根據(jù)清洗數(shù)據(jù)繪制清洗效果曲線如圖9所示。可知：清洗時(shí)間與清洗效果呈正相關(guān)；超聲波頻率與清洗效果呈正相關(guān)；整體超聲波清洗效果強(qiáng)于機(jī)械清洗，但在超聲波功率超過(guò)0.4 W/cm后，清洗效果與功率呈反比關(guān)系。

圖9 清洗效果曲線

綜合上述分析結(jié)果，得出該基于超聲波法的管道清潔機(jī)器人的清潔效果較好，設(shè)置清洗時(shí)間為20～30 min、超聲波頻率為300～500 kHz、超聲波功率為0.25～0.4 W/cm時(shí)，可達(dá)到最佳清潔效果。

5 結(jié)論

本文作者對(duì)基于超聲波法的管道蛇形清潔機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使其具備能夠在變徑、T形管內(nèi)運(yùn)動(dòng)和完成超聲波-機(jī)械雙重清潔的功能。通過(guò)數(shù)理計(jì)算確定合適的變徑管道直徑范圍、螺旋槳驅(qū)動(dòng)力和轉(zhuǎn)彎角度，驗(yàn)證該機(jī)器人能在變徑管道內(nèi)順利完成直行以及轉(zhuǎn)彎任務(wù)。通過(guò)MATLAB軟件對(duì)該機(jī)器人的步態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，繪制了Serpenoid曲線，證明了Serpenoid曲線函數(shù)中、分別對(duì)機(jī)器人蜿蜒運(yùn)動(dòng)的幅值、振幅和偏轉(zhuǎn)方向呈正相關(guān)；呈負(fù)相關(guān)。通過(guò)超聲波清洗正交試驗(yàn)，證明了超聲波頻率、超聲波功率以及清洗時(shí)間都會(huì)影響其清洗效果，該類(lèi)超聲波-機(jī)械清洗方式能有效清除管道內(nèi)污垢，驗(yàn)證了該類(lèi)機(jī)器人具有較好的擴(kuò)展性和可行性。研究結(jié)果為管道的清洗提供了參考。