液體環境下管道機器人系統設計與分析

李俊辰， 唐杰 ， 區杰 勇， 徐杰 ， 崔佳駿

（中國民航大學，天津 300300）

0 引言

在日常生活和工業生產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施得到了廣泛應用。管道在經過長時間的使用后，由于壓力、沖擊和腐蝕的影響，會出現管壁老化、裂紋、腐蝕、管壁異物附著等缺陷，因此在使用中經常需要對管道內壁進行檢測，及時發現管道內壁的情況，以便對管道進行維護。而管道所處的環境往往是人們不易到達和直接進入的，因此對管道的檢測和維護是工業生產中的一道難題。傳統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，嚴重影響正常的生產工作。管道機器人正是為了解決這些問題而產生的[1-2]。

作為機器人系統中一個新興的種類和分支，管道機器人在21世紀得到了快速發展。但總體來看，目前管道機器人的研究總體還處于初始階段，離大規模投入應用尚有很大距離。尤其是針對充滿液體的管道，由于管內情況復雜，環境惡劣，因此關于這方面的研究不多[3]，只有少數論文提及。這導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，從而對工業生產和人們的生活帶來很大的困擾。針對目前對液體環境下的管道進行無損檢測的迫切需求，設計了一種依靠特殊支撐裝置抓緊管內壁，并通過對稱安裝的電動機或噴水推進器實現管道內往復運動的管道機器人。該型管道機器人采用模塊化內部設計保證了設備的合理分配，并很好地控制了機器人的整體尺寸；采用STC15系列單片機進行編程控制，通過攜帶的圖像傳感裝置實時將管道內部圖像發送至管外顯示器，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可在不妨礙管道正常輸送液體的情況下對管內進行無損檢測，對提高管道檢修效率，加速工業生產具有重要意義。本文主要研究管道機器人系統的結構設計和控制系統設計，其中包括機器人內部結構，外部支撐裝置結構，機器人運動形態，工作機制等。

1 管道機器人結構設計

圖1 管道機器人的幾種常見形態

目前，管道機器人類型大致可分為自驅動（自帶動力源）、利用流體推力、通過彈性桿外加推力3種，其中以自驅動占大多數。而按照行進方式分類，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部為空氣介質的管道。對于充滿液體或運輸液體的管道，由于管內環境復雜，研究成果相對較少[4-5]。本文結合上述幾種管道機器人的類型，提出了一種適應較復雜液體環境的管道機器人系統，如圖2所示。該型機器人系統克服了防水問題和管徑狹小，水流環境復雜等問題，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。

通過對液體環境中管道機器人的設計和動力裝置相關文獻的解讀[6-12]，我們知道：一般情況下，液體環境中管道機器人的設計需要滿足3點基本要求：1）力封閉。移動機構在行進過程中，應具備支撐在管道內壁上而不失穩的能力，即機器人的支撐機構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，不出現顛覆、扭轉的現象，這要求管道對機器人施加1個封閉的形狀約束。也就是說行走機構至少需要3個對稱支撐點。3）驅動行走。行進機構應具有主動驅使機構[13]。

該型機器人系統正是依照上述的3個要求設計，其基本外形是在膠囊型的外形上進行了相應的改進，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的空心圓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。考慮到機器人便于維護和生產的需求，其內部結構采用模塊插接式設計，在空心圓柱體部分內有兩道沿內壁的溝槽，內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（或噴水推進器）作為動力裝置，分別驅動位于首尾的兩套槳軸設備，以實現在管道內的往復運動。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導線連接。這種設計使得內部結構緊湊，層次分明，方便設備安裝和維修，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長直管道內執行工作任務。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合的連接，內置舵機和傳感器6。在透明圓頂兩側還外伸有2個小型機械手臂7，用于在檢測時對管道進行一定程度的維護，如清洗內壁等。機械手底座與主體采用對稱布置的4個螺栓固定。

圖2 一種液體環境管道機器人系統結構圖

圖3 管道機器人樣機進行水下運動測試

支撐裝置是系統的關鍵部分。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上并與固定環上的彈簧相連。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，支撐桿整體內收并依靠彈簧彈力緊緊壓在管壁上以保證系統的平穩運動。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，以適應機器人在不同管徑的管道內工作的需求。支撐裝置的加入不但使機器人運動更為平穩，防止在充滿液體的管道內部因產生空泡或湍流等復雜環境時導致的機器人晃動。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動產生的轉矩，避免了機器人在液體中打轉這種情況的出現。為方便支撐裝置的安裝和拆卸，在機器人殼體兩側各有一道2～3 mm的環狀溝槽，使用時，將帶有支撐架的支撐環分別套在主體兩側，支撐裝置將自動卡進預設的溝槽中，避免了機器人運動過程中支撐環可能發生的軸向竄動。使用該機器人時，將3塊擋板分別插入半球體特別設置的凹槽中，并相應地放置動力裝置、電池組和傳感器組件。并將1對支撐裝置套于外殼兩側，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壁，實現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，故該機器人可適應不同口徑的管道。當管道中充滿液體或輸送液體時，該機器人便可進行工作。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部的損傷情況，并可操作兩個小型機械手臂對管壁進行簡單的檢修工作。

2 管道機器人控制系統設計

系統控制需要完成對機器人的運動方向、速度、角度的控制，姿態的調整等，對電動機的驅動控制是整個控制系統的關鍵[14-15]。本研究控制系統的設計包括單片機控制程序的設計和手機軟件的開發兩方面。

2.1 STC15系列單片機控制程序設計

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，其運動參數包括正反轉和加減速。調速只需要改變直流電動機的電壓就可實現對速度的控制，最常見的方法是PWM脈寬調制，調節電動機的輸入占空比就可以控制電動機的平均電壓，進而達到控制轉速的目的，占空比越大，電動機轉速越快。至于電動機的正反轉，只需要通過改變電動機的正負極就可以實現正反轉控制，改變電動機的正負極可使用繼電器實現。

舵機的工作原理是：控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓，其內部有1個基準電路，產生周期為20 ms、寬度為1.5 ms的基準信號，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。最后電壓差的正負輸出到電動機驅動芯片決定舵機的正反轉。當舵機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，電壓差為0時，舵機停止轉動。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。單片機系統若實現對舵機輸出轉角的控制，必須完成2個任務：首先是產生基本的PWM周期信號；其次是脈寬的調整，即單片機模擬PWM信號的輸出并且調整占空比。當系統中只需要實現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次中斷執行，1次短定時中斷和1次長定時中斷，這樣使控制系統工作效率和控制精度都很高。本控制系統的部分程序如圖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

圖5 手機app軟件的控制界面

手機app的應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系列單片機開發版通過藍牙連接。該app由智能小車控制軟件改進而來，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向。界面包括4個電動機轉向調節鍵和兩個舵機轉速控制鍵。4個方向鍵分別可控制2個電動機的正反轉和單個電動機的正反轉。當系統所裝舵機多于2個時可通過設置鍵內的第二級界面進行調節。設置鍵內的第2級界面可調節2個電動機的行進速度和至多6個舵機的轉速。拖動橫條即可實現速度的選擇控制。選擇完成后系統將自動退回第一級界面完成數據更新。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牙連接鍵即可實現與單片機的連接。當使用遙控手柄修改轉速時，需進入軟件的第2層界面進行設置。軟件界面上的數據可以隨機器人工作速度的需要進行編程修改，以適應不同液體環境下的工作要求。

3 結語

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

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