一種大型貨輪管道系統探測機器人的研制

蔣夢龍，孫雯，金志鵬，溫慧瀅，王義斌，陳姣

(河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213000)

0 引言

目前，我國船舶行業飛速發展，管路系統在船舶的燃油輸送和排水排氣方面發揮著不可替代的作用。這些管道在長期使用的過程中常常會受管內輸送物質和管外環境的雙重影響，從而發生腐蝕、漏孔、老化等一系列的問題[1]。管道問題一旦出現沒有及時修護將會發生難以預料的后果。因此，設計一種適用于船舶行業的管道探測機器人能夠提高檢查效率、掃除安全隱患。

20世紀50年代管道機器人技術逐漸興起，美國、德國、日本等工業發達的國家已經開始對管道機器人進行研究。到20世紀80年代后期，計算機技術、先進傳感器技術、智能控制技術等基礎技術蓬勃發展，這些技術為管道機器人的進一步研究奠定了基礎。然而目前還沒有適用于船舶行業中高度復雜的管道系統的機器人。

根據運動方式的不同，可以將管道機器人分為6類：1) 壓差式管道機器人；2) 輪式管道機器人[2]；3) 履帶式管道機器人[3]；4) 足腿式管道機器人[4-5]；5) 蠕動式管道機器人[6-7]；6) 螺旋推進式管道機器人[8-9]。6種管道機器人的優缺點如表1所示。

通過分析發現，現有機器人可以在特定的場合滿足工作需求，但是難以適應例如貨輪管道這種復雜多變的環

境。本文將結合貨輪管道的實際情況，設計、分析并制作出一種用于貨輪管道的探測機器人，幫助船舶行業工人提高管道內壁檢測效率、保證檢測準確性。

表1 各種管道機器人優缺點

1 管道探測機器人的結構設計

1.1 設計目標

由于大型貨輪管道系統錯綜復雜，管道結構與形狀多變，所設計的機器人必須能夠轉彎、變徑、通過豎直管道。通過在合作企業建造的大型貨輪上實地考察以及與船舶行業內相關技術人員的交流，分析得出表2所示機器人的一系列性能指標。

表2 管道機器人設計指標要求

1.2 機構設計與選擇

根據上述性能指標，機器人主要分為以下各部分：變徑機構、彎道適應裝置、驅動輪、機架、攝像頭云臺。機器人整體結構如圖1所示。

圖1 機器人整體結構

1)變徑機構設計與分析

通過實地調查與測算，船舶行業中制造的大型貨輪大部分物料傳輸管道采用300mm～600mm管道，因此變徑機構需要能夠使機器人適用于管徑處于該范圍內的所有管道。本設計采用搖桿滑塊這一連桿機構，搖桿末端安裝驅動機器人的驅動輪，滑塊配合在絲桿上，通過電機轉動絲桿使滑塊運動，最終使搖桿擺動，改變徑向展開幅度，其結構如圖2所示。

圖2 變徑機構

根據以上的局部機器人模型進行測算，進行靜力學分析，已知整體機器人質量M=8kg，一組變徑機構所在的部分本體質量m=4kg。驅動輪外側包裹橡膠套，貨輪管道材質一般為碳鋼或不銹鋼，查閱相關資料，橡膠驅動輪與鋼鐵材料之間的摩擦系數μ=0.5。在豎直管道中時，必須全部依靠驅動輪與管道內壁的摩擦力來平衡機器人本體，避免下滑或摔落。因此，著重分析機器人在豎直管道中的受力狀況。

假設機器人在大型貨輪豎直管道內運動，將管道視為理想中空圓柱體，并且機器人僅僅憑借驅動輪與管道內壁的摩擦力維持姿態，拖拽的電纜上不受力，管道內徑D=300mm～600mm，驅動輪半徑r=30mm，連桿機構中絲桿直徑d=10mm，導程p=1.5mm，絲桿軸心至滑塊與絲桿鉸接處的徑向距離s= 12mm,搖桿長度L1=200mm，近絲桿段長度l=100mm,推動桿長度L2=100mm。下面對管道機器人在豎直管道中以速度v=0.3m/s勻速運動時進行受力分析，如圖3-圖4所示。

圖3 尺寸圖

圖4 受力圖

在豎直管道中，為了維持姿態，管道機器人的每一個驅動輪上所受摩擦力為：

(1)

在豎直管道中，摩擦力來自于驅動輪與管壁的壓力，其壓力為：

(2)

在豎直管道中，搖桿與絲桿夾角α為：

(3)

在豎直的管道中，推動桿與絲桿夾角β為：

(4)

在豎直管道中，機器人做勻速運動時，作用在推動桿上的壓力為：

(5)

此時滑塊作用在絲桿上的軸向壓力為：

Fx=F×cosβ≈15.586N

(6)

此時滑塊作用在絲桿上的徑向壓力為：

Fy=F×sinβ≈10.000N

(7)

為了提供足夠的軸向推力，絲桿需要提供的轉矩為：

(8)

考慮到梯形螺紋絲桿傳動損耗較大，輸出效率約為40%，所以實際轉矩為：

(9)

2)攝像頭云臺設計

為了輔助攝像頭采集機器人前方各方位的圖像，設計如圖5所示的舵機云臺來調整攝像頭的角度。舵機1后端合金架固定在機器人本體上，舵機2后端合金架使用螺釘固定在舵機1的舵盤上，攝像頭模塊通過滑槽卡裝在舵機2的舵盤上。

圖5 攝像頭云臺

3)多段機器人連接方式

為了保證機器人能夠維持姿態的穩定，并且靈活地在管道中運動，所研制的機器人采用二段結構。機器人分為前后兩段，在其中一段由于打滑等情況失去平衡時，另外一段能夠保持機器人本體的穩定。此外，二段結構能夠很好地克服軸向扭轉力矩，在變徑管道、彎曲管道處，機器人的前后兩端相互配合，保證順利通過。

所研制的機器人兩段之間采用大剛度彈簧連接，既能夠在直線管道中維持機器人兩段軸心在同一直線上，又能使機器人在彎曲管道中具有一定的柔性。

2 管道探測機器人運動方式說明

2.1 在平直管道中

在水平直線管道中運動時，無需將機器人的所有驅動輪均支撐在管道內壁，變徑機構適當收縮，使機器人的徑向尺寸略小于管道內徑，此時機器人類似一輛四輪小車在管道內運動。如圖6所示。

圖6 機器人在平直管道中工作

該形態下機器人可以具有較快的運動速度，可提高在長直管道中的檢查效率。同時此形態下的機器人具有一定的爬坡能力，當斜坡角度低于一定值時，機器人無需切換工作形態，就能順利通過。以下對此時機器人的爬坡能力進行分析。機器人總體質量為8kg,驅動輪與管道內壁摩擦系數為0.5，斜坡傾角為θ，已知機器人不會從斜坡上滑下的條件為：tanθ≤μ，即：θ≤26.56°，因此上述機器人形態適用于平直管道以及坡度不超過26.56°的傾斜管道。

2.2 在豎直管道中

在豎直管道中，機器人前后兩段的變徑機構均徑向展開，使8個驅動輪均支撐于管道內壁，通過壓力產生的摩擦力來保證機器人的姿態穩定，驅動輪同速轉動，機器人可以上下運動。具體力學分析已在上文中闡明。

2.3 通過彎曲管道

由于所研制的管道機器人采用了二段結構且中間用彈簧連接，可以適應彎道情況。當機器人處于彎道中時，每個驅動輪的轉速各不相同，以下對于彎道中的機器人做幾何分析。由于機器人結構前后兩段除了攝像頭云臺外完全相同，取一段分析。

設彎道軸線曲率半徑為D，圓管彎道半徑為d，驅動輪直徑r= 30mm，機器人的4個驅動輪完全支撐在管道內壁且不考慮打滑，其中有2個相對的驅動輪所在平面與管道曲率半徑所在的平面重合。

內側輪的運動軌跡曲率半徑為：

(10)

外側輪的運動軌跡曲率半徑為：

(11)

中間的2個驅動輪運動軌跡半徑為：

ρ3=D

(12)

因此，內側輪轉速v1、外側輪轉速v2、中間輪轉速v3比值為：

v1∶v2∶v3=(2D-2d+r)∶(2D-r)∶2D

(13)

2.4 通過變徑管道

經調查，大型貨輪上存在較多變徑管道，所研制的機器人通過前后兩段配合可以適應這種情況。

當機器人由大徑進入小徑管道時，如圖7所示，前段變徑機構的絲桿正轉，使前段機構徑向收縮直至略小于小徑，后段驅動輪轉動，驅動機器人向前運動，在前段主體進入小徑管道后，前段變徑機構使輪子支撐于管道內壁。相似的，后段機構徑向收縮至小于前方管道的直徑，在后段主體進入小徑管道后，再使后方的驅動輪支撐于管道內壁。由小徑進入大徑管道時執行上述過程的反向過程即可。

圖7 由大徑進入小徑

3 控制界面與樣機制作

3.1 用戶交互控制界面的設計

為了使操作人員能夠更為直觀、便捷地控制機器人的運動，并仔細觀察管道內壁情況，針對該機器人研究設計出一個GUI(graphical user interface)界面，如圖8所示。

圖8 交互界面

該GUI界面主要分為3個部分：返回圖像顯示框、串口信息顯示欄、機器人運動控制區。返回圖像顯示框用于實時顯示攝像頭返回的圖像。串口信息顯示欄用于反饋串口信息。右上方的黑白圓用于控制攝像頭云臺的指向。在機器人運動控制區域，操作人員可以控制機器人實現前進、后退、停止、轉彎、變徑等操作。

3.2 樣機效果及反饋

在建立三維模型和理論分析的基礎上，進行了實物樣機的制作并且對實物與理論的差距進行了數據的收集分析，圖9為實物樣機照片。

實物樣機能夠較好地在管道中維持穩定的姿態，并且進行圖像采集。在試驗中，機器人性能滿足各項預設指標，能夠適應各種管道環境，但是缺少必要的傳感器，使得操作較為復雜，有待改進。

4 結語

本論文研制出可以適應復雜多變環境的大型貨輪管道系統探測機器人。為船舶行業檢查管道內部情況、排除安全隱患提供了一種簡單高效的解決方案。本文對于各種管道環境下機器人的工作方式逐一進行了分析，并成功制作出實物樣機。根據實驗情況，樣機能夠較好地實現在管內進行運動探測，為后續進一步研究管道機器人奠定了基礎。

圖9 實物樣機照片