具有磁吸附能力的管道運維機器人的設計與開發

摘?要：文章結合具有磁吸附能力的管道運維機器人研發項目，論述了管道運維機器人本體、磁吸附履帶組件、云臺組件及車體組件設計要點，分析了磁吸附履帶組件、圓筒狀云臺設計等設計創新點，希望為微小管道機器人的研發提供參考與幫助。

關鍵詞：磁吸附能力;管道運維機器人;履帶;云臺

一、 引言

對于核電、火電循環水管道、鋼制儲罐、石油石化管道，其管道內壁較為容易出現腐蝕、泄漏等問題。因此，需要定期對管道內壁進行探測維護。狹小的管道空間很難進行探測與維護操作，如通過開挖拆卸檢查，則增加了運營成本。管道運維機器人可以進入狹小的空間，通過實時傳輸管道內畫面，實現定期對管道內壁的探測維護。在管道運維機器人的設計工作中，需要應用微電子、傳感器、機械設計制造等技術于管道運維機器人設計中，保證管道運維機器人能夠更好地適應狹小的管道空間，提升管道運維工作水平。

二、 項目概況

為實現對狹小的管道空間進行探測維護，我司開展管道運維機器人研發項目，項目旨在開發一款可以代替人類進入狹小管道內進行規律性視覺檢測，實時傳輸管道內畫面，且能存儲管道內部狀況視頻和圖像的管道運維機器人。項目管道機器人主要由繞線裝置、機器人本體、操作控制箱組成，機器人本體具有磁吸附的能力，具有>IP54的防護能力，能夠在>DN300管徑的無襯膠磁性管道內部轉彎和行走，管道運維機器人的垂直攀爬高度>10m，并且前進距離不少于120m。該項目管道運維機器人搭載360度旋轉高清攝像頭，能夠實時傳輸并存儲視頻、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器人后退、前進和轉彎，運用陀螺儀觀監測機器人姿態。

三、 管道運維機器人設計要點

（一）機器人本體

項目管道運維機器人本體可以分為云臺組件、車體組件、磁吸附履帶組件三部分。設計人員開展機器人本體設計過程中，要充分考慮到本體必須能夠在DN300管道內部進行轉彎、行走和攀爬，據此確定機器人本體最佳尺寸在120°內，行走小車寬度尺寸控制在260mm之內，并考慮到部分用戶管道采用的短半徑彎頭，要想保證機器人能夠在管道內實現轉彎，小車的長度應控制在350mm內。

1. 磁吸附履帶組件

項目磁吸附履帶組件主要是由履帶、磁鐵、角度控制機構、履帶傳動機構、離合器、行走電機、控制電路板組成。磁吸附履帶組件的驅動機構運行時，電機驅動模塊先接收控制箱信號，并由驅動模塊執行驅動指令，控制機管道運維機器人進行轉彎、后退和前進操作。進行設計期間，發現機器人本體尺寸受限，并且還要負重續航120m的組合光纜，為了保證機器人尺寸符合要求，并且能夠拖動組合光纜完成前行指令要求，我們采用小尺寸履帶和磁鐵，在保障管道運維機器人結構剛度的情況下，采用輕質材料，以達到減輕機器人重量的目的。

2. 云臺組件及車體組件

項目管道運維機器人本體云臺組件包括云臺相機、云臺殼體、云臺電機、LED燈、控制電路板、雙自由傳動結構。設計采用云臺電機帶動雙自由度傳動機構，保證相機能夠實現軸360°平移，并將管道運維機器人觀測到的視頻畫面通過電路板實時傳輸至控制箱，控制箱會實時存儲視頻和觀測畫面。采用控制箱控制云臺電機的轉角、轉動啟停、燈光亮度，云臺控制電路板會接收控制箱的信號，并嚴格按照控制箱信號執行相應動作，輔助云臺調整燈光的明暗。

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

（二）繞線裝置與光纜

該項目繞線裝置主要是由輕質機體、組合光纜、滑環組成。設計選擇組合光纜時，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，項目選擇40W電機，2個2.8A工作電流的電機、2個0.5A工作電流的攝像頭、4個0.15A工作電流的燈、2個0.2A工作電流的云臺電機，管道運維機器人的電流為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

操作控制箱需實時顯示云臺相機、后置攝像頭傳輸畫面要求，并控制管道機器人與云臺的運動。通過搖桿和操作按鈕控制管道運維機器人前進、轉彎和后退;采用搖桿操作攝像機云臺，并根據要求開展錄像工作。對于項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，增強畫面辨識度，提升管道檢測效率。

四、 ?管道運維機器人的設計創新點

（一）磁吸附履帶組件

項目磁吸附履帶組件設計期間，在磁吸附履帶上加設了磁鐵，增加了磁吸附履帶的重量，致使履帶較為容易出現松脫現象。為了解決這一問題，我們在磁吸附履帶組件上加設了張緊結構，有效避免履帶出現松弛現象，采用角度控制結構連接車體與履帶組件。此外，進行履帶模塊設計期間，將動力結構獨立起來，采用這種方式提升履帶模塊維護和更換的便捷性。

（二）圓筒狀云臺的設計

項目改善了傳統云臺的格式，采用圓筒狀云臺設計。將云臺兩自由度控制在自身尺寸之內，便于后續安裝工作的開展。采用內部環形控制板，為后續小尺寸云臺的設計工作打下堅實基礎。

（三）繞線裝置的簡化設計

該項目組合光纜設計過程中，為了保證機器人與組合光纜之間的接頭滿足連接強度要求，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，以達到提升連接強度的目的。該設計增加了機器人的通訊距離，取消了原有牽引繩結構，簡化了繞線裝置。

五、 結語

綜上所述，項目機器人在本體上搭載360度旋轉高清攝像頭，選用高強度組合光纜和輕質機體，將操作控制箱與機器人本體連接在一起，實現通信和供電傳輸;通過在履帶上方設計增加張緊機構，解決磁吸附履帶的松脫問題;選用小尺寸相機及電機，云臺殼體按曲面設計，有效解決了云臺的體積問題;在繞線裝置上取消原有牽引繩結構，增加了機器人的通訊距離。項目管道機器人的開發應用，整合了磁吸附技術，管道自適應技術及穩定的可見光全方位視頻檢測技術，使該機器人具備在管道內行走、轉彎、垂直攀爬能力，實現了管道的全方位檢測。

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作者簡介：鄭翠英，南京天創電子技術有限公司。