油氣管道檢測機器人樣機設計與仿真分析

杜怡君，徐 超，馬銀濤，趙世平

（四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

1 引言

油氣管道是重要的能源傳輸載體，因長期受到內部介質腐蝕及西南地區潮濕氣候的影響，管道內部情況十分復雜，須定期檢修保障油氣安全運輸；人工開挖成本高且效率低，因此研制出適用于油氣管道內部檢測的管道機器人，對保障安全的生產生活環境具有十分重要的意義[1]。

德國的IBAK 系列機器人能夠進入（5～220）cm 直徑范圍的管道內部進行檢測，根據需求配置不同的傳感裝置，但不能在豎直管道內工作，拖纜工作給運動靈活性帶來極大限制[2]。內蒙古工業大學研制的可變徑輪式管道檢測機器人，能夠在（90～160）mm的管道內行走，但變徑結構缺乏柔性，不能適應管道內復雜變化[3]。印度NITTTR 學院研制的螺旋驅動型輪式管道機器人能夠在豎直管道工作，行進速度可以通過調整轉子輪的傾斜角度改變[4]。日本神奈川大學研發的管道機器人具有很強的管道適應性，能夠利用連接單元將多個機器人組成一個系統，工作于各種復雜管道中[5]。

針對內徑范圍為（500～600）mm 的油氣管道，設計研制了一種具有柔性變徑結構的管道檢測機器人，能夠在各種角度（0～90）°的管道中平穩行走，在ADAMS 環境下分析了機器人在管道中的行走狀態，結合無線通訊技術和MEMS 陀螺儀實現管內控制和定位。

2 管道機器人系統介紹

2.1 機械結構

機械結構是管道檢測機器人的核心，也是機器人進入管內作業的前提與關鍵，管道機器人的三維機械結構，如圖1 所示。機器人的行走方式屬于支撐輪式，可以產生較大的封閉力，滿足機器人行走于垂直管道的要求[6]。六組行走機構沿圓周等間隔的支撐在管道內壁上，可以收縮或張開以適應管道內徑變化，保持機器人的中心軸線與管道中心軸線平行。六組行走機構分為主動和被動行走機構，三組主動行走機構間的夾角為120°，該機構中的橡膠輪由電機驅動，被動行走機構負責平衡機器人重心，起到輔助支撐的作用。

圖1 管道機器人三維模型Fig.1 Three Dimensional Model of Pipeline Robot

為適應管道內徑變化，機器人的徑向尺寸需在一定范圍內變動。管道機器人常見變徑方式有：蝸輪蝸桿變徑、升降機變徑、絲杠螺母副變徑和彈簧變徑[6]。前三種屬于主動變徑方式，彈簧變徑是被動變徑方式，主動變徑方式具有預緊的功能，可以精確控制機器人徑向尺寸，但不能同被動變徑一樣很好的跟隨管道內徑的變化。由于腐蝕和介質堆積，管道內徑不會保持標稱值不變，且變化量不可預知，為保證任一時刻機器人各輪能夠與管道內壁緊密接觸，不產生相對位移，對兩種變徑方式進行了組合，如圖2 所示。變徑結構中滑塊、長桿和支撐桿組成了擺動滑塊機構，該機構將電動頂桿活動桿的直線位移轉化為機器人輪心縱坐標的變化，達到主動調節機器人的徑向尺寸的目的，滑塊A、B間的彈簧用以輔助機器人適應管道內徑的微小變動，給機構增加柔性，提高機器人越障能力。這樣的組合方式讓兩種變徑方式的優點得以在同一個變徑結構中充分展現。

圖2 變徑結構示意圖Fig.2 Variable Structure Schematic Diagram

2.2 電氣系統

電氣系統采用模塊化設計思路[7]，將系統分為四個獨立的功能模塊，包括通訊模塊、控制模塊、定位模塊和電源模塊，其中主控制器選用stm32f407。

2.2.1 通訊模塊

機器人在金屬管道內部工作，與外界的通訊會受到諸多限制，而拖纜通訊方式會給機器人的運動造成很大阻力，因此采用無線WiFi 通訊方式，通過ESP8266WiFi 無線收發模塊與管外控制端通信，WiFi 模塊將接收到的控制指令傳給主控器解析，并作用于其余電氣模塊上，改變機器人的工作狀態。

2.2.2 控制模塊

控制模塊負責控制機器人的變徑與行走。其中，電動頂桿的型號為BXTL150，帶有直流電機和編碼器用于控制和測量活動桿的位移，該頂桿的最大行程為50mm，最大推力可達1300N，能夠滿足機器人變徑過程中的位移、推力需求。給管道機器人提供驅動力的電機是控制機器人在管內行走、攀爬的重要元件，對機器人在管內的受力情況進行分析后，估算出所需驅動力矩約為2.399N·m，故選用LX31WG 渦輪蝸桿雙軸齒輪直流減速電機。該電機的額定轉矩為3N·m，堵轉轉矩為4.5N·m，能為系統提供充足的動力。

2.2.3 定位模塊

為明確管內腐蝕位置和機器人故障檢查，需對機器人進行定位。采用相對定位技術，即利用特定傳感器采集目標運動的角度和位移，從而計算出機器人的位置和姿態，其定位原理，如圖3 所示。

圖3 相對定位技術原理圖Fig.3 Principle Diagram of Relative Positioning Technology

假設機器人的初始位置A0（X0，Y0）已知，經過一段時間t 后傳感器測得其移動距離S1和角度θ1，此時機器人的位置A1（X1，Y1）可以由幾何關系計算得出：

通過不斷的疊加，可以求得機器人運動過程中任意時刻的位移和角度，從而實現對機器人的定位[8]。

利用MEMS 陀螺儀和碼盤對移動機器人運動信息進行采集，利用卡爾曼姿態解算算法可將陀螺儀測得的各軸角加速度和加速度融合，得到機器人的航向角θ；對安裝在電機軸上的碼盤輸出的脈沖信號進行計數，可以計算出機器人的位移S，即完成對機器人的定位。

2.2.4 電源模塊

選擇了24V，6000mAh 的聚合物組合電池，電池組標準放電為6A，最大放電電流可達10A。由于單片機供電電壓為5V，而電機驅動電壓為24V，故選用集成了LM2596 電壓調節器的電壓轉換模實現（24～5）V 的電壓轉換。實際使用中該電池能夠為樣機系統提供穩定的電壓，供其正常工作長達1h。

3 仿真分析

在實際工作環境中，管道檢測機器人需能夠平穩通過直管、彎管或T 型管，直管中的運動相對單一，而在彎管與T 型管中都面臨著在彎道處運動的復雜問題，因此研究管道機器人在彎道處的通過性和運動特性是十分重要的。為了形象描述機器人在管道內的運動過程，將在SolidWorks 中建模的三維模型適當簡化后，導入至ADAMS 中進行仿真分析[9]。

根據管道機器人的運動特性和設計數據，利用固定副、旋轉副和移動副為各零部件添加約束，并在設計位置處添加柔性力—彈簧；為保證仿真過程中，機器人完全按照管道軌跡運動，在輪子與管道內壁之間添加了接觸，并根據實際中測得的摩擦系數進行設置；最后在三組驅動輪處添加驅動力矩，為整個系統添加重力。仿真過程中機器人在管道初始位置和彎道處的狀態，機器人能夠以平穩的姿態通過整個管道，如圖4 所示。

圖4 管道機器人仿真運動過程Fig.4 Simulation Process of Pipeline Robot

管道機器人質心的位移曲線，如圖5 所示。該曲線表明：機器人在直管中做水平直線運動，移動速度較平穩，在3s 左右進入彎管后速度明顯降低，通過彎管后又恢復至正常運動速度。該曲線描述的機器人運動過程與預期相符。驅動輪角速度變化曲線，如圖6 所示。

圖5 管道機器人質心的位移曲線Fig.5 Displacement Curve of Mass Center of Pipe Robot

圖6 驅動輪角速度變化曲線Fig.6 Angular Velocity Change Curve of Driving Wheel

位于彎道最外側和最內側的兩組驅動輪的角速度變化曲線。直管內運動時角速度較穩定，進入彎道時，由于各輪的位移不同，彎道外側行走輪的角速度增加，內側輪的角速度減小，出彎道后角速度恢復至固定值。曲線中角速度的抖動是因為管道內壁的摩擦力、系統重力以及柔性力預緊適應過程使得初始加速過程不穩定。變徑機構中彈簧形變量的變化曲線，如圖7 所示。仿真開始后，彈簧壓縮預緊使各輪與管道內壁接觸；初始運動狀態下，為適應驅動力矩與摩擦力，為系統提供足夠封閉力[10]，彈簧形變量在預緊量附近輕微變動，運動穩定后形變量基本保持不變；彎道中，由于機器人的姿態不斷變化，彈簧形變量并不是單調遞增或遞減，需要跟隨機器人的狀態不斷調整，確保機器人不卡死在彎道中的同時保障運動的平穩性。

圖7 彈簧變形量變化曲線Fig.7 Change Curve of Spring Deformation

4 實驗

根據機器人的設計結果制作了實驗樣機，其中腔體、前后封蓋均采用3D 打印技術制作，材料為未來800 樹脂，具有較好的拉伸強度和彎曲強度。絲桿選用了規格為T12*3*420mm 的梯形牙絲桿，與普通螺紋桿相比具有更強的軸向負載能力。

4.1 驗證實驗

樣機在實驗室直徑500mm 的管道中進行了運動實驗，不管是水平運動還是垂直運動，都運行平穩，效果較好，垂直運動時懸停穩定、可靠；管外控制端發送的指令可以通過WiFi 傳給機器人，改變其運動、工作狀態。實驗表明了機器人機械結構、電氣系統設計的合理性。機器人在水平、豎直管道中的狀態，如圖8 所示。

圖8 機器人工作于水平、豎直管道Fig.8 Robot Works in Horizontal and Vertical Pipe

測量機器人每次行走完2000mm 水平管道所需的時間，數據，如表1 所示。可計算得機器人在管道中的平均前進速度為49.776mm/s，符合設計要求的速度。

表1 機器人在2000mm 水平管道內行走時間Tab.1 Walking Time of Robot in 2000mm Horizontal Pipe

4.2 定位精度評估

機器人定位精度會影響檢修工作量，定位精度越高，檢修范圍越準確，工作量越少。實驗中對MEMS 陀螺儀、碼盤校準后，機器人每繞Z軸轉動（航向角）10°，每前進0.5m，則讀取一次傳感器測量值，獲得測量數據，如表2、表3 所示。

表2 機器人轉動角度測量結果（°）Tab.2 Rotation Angle Measurement Result of Robot（°）

表3 機器人位移測量結果（m）Tab.3 Displacement Measurement Results of Robot（m）

由測量結果可知，采用卡爾曼濾波對加速度和角速度信號進行數據融合，可以使角度誤差控制在1°內；使用碼盤測距時的相對誤差為1%，且該誤差沒有時間累計效應。因此采用MEMS陀螺儀和碼盤對機器人定位是具有較高精度的。

5 結論

針對可以適應油氣管道內部復雜情況的管道檢測機器人進行研究，設計了一種能夠適應管道內徑范圍為500～600mm 的新型變徑結構，分析了機器人在彎道中的運動特性，制作實驗樣機進行了性能測試實驗，驗證了設計方案的合理性，機器人行走速度49.776mm/s 與定位誤差均滿足要求；管道檢測機器人樣機的研制是整個檢測系統的研究基礎，為下一步檢測和研究管道內部腐蝕、缺陷創造了條件。