全氣動管道檢測機器人的研制

李文章， 周明連

(北京交通大學 機械與電子控制工程學院， 北京 100044)

引言

隨著城市化的發展，我國城市地下空間被不斷的開發，而由地下工程活動引起的地面塌陷也越發頻繁，成為新的城市地質災害[1]，特別是城市地下排水管漏水后，土壤被沖刷，形成空腔，增加塌陷的危險[2]。地下排水管道常年埋于潮濕土壤中，并且遭受污水的腐蝕，會出現破損、老化、甚至斷裂，這些損傷引起的地面塌陷具有不確定、潛伏、偶發的特點。為了保證居民的日常生活和路面上的正常使用，在不對污水管道進行開挖的條件下，急需便捷方式對污水管道的損傷做檢測，以排除隱藏的危險[3-5]。

歐洲作為管道機器人研發先驅，法國的J.VWERTUT最早設計了輪腿式管內模型IPRIV行走機構[6-7]。日本的SHIGEO Hirose和HIDETAKA Ohno率先研制出了適應50 mm管徑的Thes一代機器人[8-9]，在此基礎上又研發了適應更大管徑的二、三代機器人。進入21世紀，美國的DAPHNE D’Zurko和HAGEN Schempf博士共同研制出用于遠程工作的EXLORER無纜線管道機器人[10]。德國的BEMHARD Klaassen、HERMANN Streich和FRANK Kirchner研制了具有多個蠕動關節的MAKRO機器人，機器人采用無線通信的方式控制，機器人整體有21個自由度，能夠完成跨越障礙與轉向的功能[11]。

雖然國內的管道機器人起步較晚，但是在東北天然氣和石油工業大力發展的背景下，催生了以哈爾濱工業大學為代表的一批科研院校對管道機器人的科研投入。哈工大研制了輪式管道機器人，這是針對于一些空間與地理位置受限的大口徑管網自動化檢測[12]，由呂恬生、樸春日等率先研發了能自適應管徑、還能進行越障、無線遙控的管道機器人[13]。

本研究設計的管道檢測機器人依靠全氣動控制系統，消除了易燃易爆的危險，同時具有行走速度快、圖像采集效率高、承載能力強等特點。

1 管道檢測機器人機械機構設計

1.1 機器人整體機構設計與建模

整個機器人的機械結構主要包括兩大部分，一是行走機構的設計，二是圖像采集機構的設計，通過行走機構下井，帶著圖像采集機構完成相應功能的工作任務。這兩大部分在設計的氣動邏輯下，協調完成檢測的功能，通過氣動調壓閥、節流閥等調節，實現機器人前進的速度與旋轉速度的變化。考慮到各機構布置的合理性，如圖1所示，完成了管道檢測機器人的整體設計圖。

圖1 管道檢測機器人整體設計圖

1.2 行走機構設計與建模

1) 上撐壁機構設計

機器人行走機構要求能夠適應600～1050 mm的不同管徑的污水管道，所以自適應撐壁機構的設計非常重要。

機器人在實際行走過程中，應盡量降低底盤的高度，保證機器人重心下沉，增加機器人的穩定性。污水井口的尺寸為550～600 mm，為了能達到1050 mm的污水管壁，考慮使用連桿機構，連桿機構大部分都是低副，這種面接觸對元件沖擊力小，承載能力強，加工容易，可以很方便的改變運動的行程大小。

設計如圖2所示的六桿機構運動簡圖，這也是氣壓式連桿機構的簡化模型。壓縮氣體進入氣缸的無桿腔，推動活塞桿移動，克服阻力，繞軸O2轉動，氣缸推動三角形鉸接板繞軸O1轉動，并通過鉸接板將力傳遞至撐壁桿，使得撐壁桿繞軸O轉動，要適應600～1050 mm的內徑管路，將O,O1,O2固定在安裝盤上，由O2固定上撐壁氣缸，氣缸接通氣源之后，活塞桿伸出，帶動三角形鉸接板繞O1轉動，可拉動支撐桿較大范圍調節，這是一種自適應的上撐壁機構，可以明顯觀察到，六桿機構的撐壁可進行較大范圍的調節。

圖2 六桿機構運動簡圖

根據撐壁桿的自適應，為了使撐壁折疊機構能夠更加可靠的展開與收回，通過氣缸加入驅動力，利用氣缸的往復運動使撐壁折疊機構展開和收縮，使其對于不同管道的直徑有很好的適應性，設計了如圖3所示的上撐壁機構。

圖3 機器人上撐壁機構

2) 行走機構整體設計

根據蠕動式機器人爬行的特點，行走機構主要包括前后撐壁機構與中間的伸縮機構，如圖4所示，中間的伸縮機構直接選用一對伸縮氣缸代替，前后的撐壁機構包括上撐壁與下撐壁機構。

行走機構在作業中，上撐壁機構一直伸出，頂住管壁，效果相當于增加了整個機器人的自重，增大下支撐機構與管壁的摩擦力，保證機器人在污水的沖擊下，還能可靠撐住管壁，機器人前進或者后退時，按照設計的氣動邏輯，由前盤的下撐壁氣缸撐住管壁，伸縮缸伸出，當伸縮缸觸動機動換向閥時，前盤的下撐壁氣缸縮回，行走輪落地，后盤的下撐壁氣缸伸出撐住管壁，伸縮缸根據設計的氣動邏輯縮回，拖動整個前盤向前。如此循環，機器人蠕動向前，如果想要后退，只需1個換向閥控制即可實現。

圖4 機器人行走機構

1.3 圖像采集系統設計與建模

圖像采集系統主要是在行走機構的基礎上設計的，整個圖像采集系統的機械設計包括旋轉機構與升降機構。旋轉機構要滿足能夠繞著管壁做回轉運動，除了行走機構下部為掃描盲區，其余管壁應全部掃描到，保證檢測的完整性。升降氣缸帶著圖像采集裝備作業，透明密封模塊可以抵達污水管的管壁。整個系統設計時，應該注意考慮減速氣動馬達的回轉中心在管壁的中心，減速氣動馬達要與升降氣缸連接可靠，還要達到拆裝方便的效果，這樣才能提升整個機器人的使用性能。

對管道帶水檢測機器人的圖像采集機構的各個零部件進行三維建模，如圖5所示，包括圖像采集模塊、旋轉馬達和減速箱控制的旋轉機構、 升降氣缸控制的升降機構。并將各個零件根據相應配合關系進行裝配，完成圖像采集機構的設計建模。

圖5 機器人圖像采集機構

整個旋轉與升降機構的執行過程是在接通氣源的情況下，由升降氣缸伸出頂住管壁，旋轉馬達開始做自動旋轉，當抵達極限位置，由擋板觸動機動換向閥，機動換向閥接通氣源，旋轉馬達即可實現換向。

2 管道檢測機器人氣動控制系統的設計與仿真

管道檢測機器人將要在充滿易燃易爆的污水管道中作業，選擇全自動的氣動邏輯控制是非常有必要的，整個系統的執行機構都是氣壓驅動，實現機器人的行走與掃描。

2.1 氣動控制系統設計

在污水中實現自動采集圖像的機器人氣動控制方案在于通過不同的氣體控制閥與氣動控制元件控制，實現機器人在污水中的行走與圖像采集工作。如圖6所示，這是全氣動控制系統部分，當氣源13接通后，總分為3路。

第1路為二位五通的升降氣缸控制開關11，該手動開關的2口與4口分別接入升降氣缸的有桿腔與無桿腔；

第2路為二位三通的手動全收縮開關12，該手動全收縮開關12的2口又分為五路，第1路接的是下撐壁氣缸2的有桿腔，第2路接通的是前進缸組并聯后的有桿腔，第3路接通的是下撐壁氣缸1的有桿腔，第4路接通的是二位三通單向氣控閥5，第5路接通的是并聯后的上撐壁氣缸的有桿腔；

第3路就是總前進開關，該前進開關接通后又分為6路，第1路接通的是并聯后的上撐壁氣缸的無桿腔，第2路接通的是換向開關，第3路接通的是三位五通雙向氣控閥17的1口，第4路接通的是二位五通雙向氣控閥18的1口，第5路接通的是并聯后的前進缸機動閥，第6路接通的是并聯后的馬達機動閥。

2.2 氣動控制系統仿真

用FluidSIM氣動仿真軟件對檢測機器人的行走與檢測氣動控制系統建模與仿真，通過仿真結果確定設計的氣控邏輯的正確性。

如圖7所示，氣源設定為0.7 MPa，設計的全氣動控制系統可以實時檢測這些氣動元件的一些關鍵參數，在全氣動控制的系統中添加狀態表，通過點擊系統中的機動閥，改變氣控閥的閥芯位置，或者改變氣動馬達進出口的氣體流向，從而可以從狀態表中觀察到各個氣缸的工作狀態。

1.下撐壁氣缸2 2.上撐壁氣缸2 3.前進缸機動閥1 4.前進缸機動閥2 5、10、19.二位三通單向氣控閥 6.前進伸縮缸組7.下撐壁氣缸1 8.上撐壁氣缸1 9.升降氣缸 11.升降氣缸控制開關 12.全收縮開關 13.氣源 14.前進開關15.換向開關 16.單向氣控閥 17.三位五通雙向氣控閥 18.二位五通雙向氣控閥 20.馬達機動閥121.馬達機控閥2 22.減速氣動馬達圖6 管道帶水檢測機器人全氣動控制回路

圖7 氣路設計

如圖8所示的仿真結果可以說明，上撐壁氣缸1，2打開氣閥之后就可靠撐住了管壁，下撐壁缸1與下撐壁缸2的氣動邏輯相反，下撐壁氣缸達到滿行程80 mm 后，下撐壁氣缸2全部縮回，當下撐壁缸1撐住管壁，下撐壁缸2離開管壁，伸縮氣缸1，2在以上邏輯完成之后，旋轉馬達旋轉，觸碰到機動換向閥，前進伸縮缸的行程從0開始變化到300 mm，整個邏輯發生改變，該仿真結果表明符合需要實現的氣路控制功能。

3 管道檢測機器人強度校核與受力分析

3.1 機器人安裝盤強度校核

當管道檢測機器人在實際工作的過程中，機器人的前后安裝盤不僅受到上下撐壁機構的力，還要受到水流的阻力，特別是前安裝盤還要支撐圖像采集模塊。前后安裝盤受力情況復雜，對其采用ANSYS有限元分析軟件進行仿真分析。具體劃分的網格如圖9所示，

圖8 機器人氣路仿真狀態

之后在安裝盤上加載固定約束和所受力的大小方向，然后求解，經過有限元軟件計算分析后，得到關于前后安裝盤的應力及應變的分析結果，具體如圖10、圖11所示。

3.2 上撐壁機構受力分析

對上撐壁機構在600 mm管內進行受力分析，當上撐壁機構撐住管壁時，整個撐壁系統處于靜止狀態，桿4與桿5都為二力桿，具體受力如圖12所示。

圖9 三維模型網格劃分

圖10 前安裝盤ANSYS仿真結果

圖11 后安裝盤ANSYS仿真結果圖

圖12 上撐壁折疊機構受力分析

對該空間力系進行分析時，向O2，O3這2個簡化中心分別建立直角坐標系x1O2y1，xO3y，該力系中的F1，F2的作用點對點O2的矢徑以r1，r2表示，則力系的力系的主力矢F1，F2和主力矩M可用投影矩陣F(O2)和M(O2)表示為：

改寫成矩陣方程形式：

其中，F3，F4的作用點對點O3的矢徑以r3，r4表示，則力系的主力矢主力矩F3，F4和主力矩M可用投影矩陣F(O3)和M(O3)表示為:

改寫成矩陣方程形式：

將以上式子展開，導出投影表示的獨立方程，已知F1=1586 N，求解可得上撐壁機構對污水管壁的壓力F4=882 N。

4 現場管道實驗

對機器人所需元器件進行了選型，并根據設計圖紙對非標準件進行加工。對行走機構進行裝配與接管，對圖像采集機構完成裝配，實現了機器人所有氣控系統的接線，完成攝像裝備接線處理，并成功進行了現場管道試驗，如圖13所示，驗證了機器人檢測的可行性。

圖13 現場管道實驗

5 結論

針對管徑為600～1050 mm的地下排水管道，研究管道檢測機器人，研制了全氣動邁步式執行機構，研制適應不同管道直徑的自適應撐壁機構，污水中圖像采集的自動掃描機構與機器人控制系統。同時對于機器人前后安裝盤和上撐壁機構建立數學模型進行仿真實驗研究，驗證研究的可行性。最后，設計制作物理樣機進行現場管道試驗，從試驗結果推斷理論分析的正確性和設計方案的可行性。