小口徑管道自適應內檢測機器人研究

毛柳偉，王國慶

（中國人民解放軍92578部隊，北京100071）

1 引言

作為介質輸送的重要方法和途徑，小口徑管道在船舶、石油化工等領域具有非常廣泛的應用。因管道內部長期與流動海水、石油、天然氣等各種介質接觸，在運行一定時期后，其內部會發生腐蝕、破損、泄漏甚至開裂，嚴重影響設備的運行安全，給裝備的安全服役帶來很大的風險隱患［1］。通過一定檢測技術手段對管路進行定期檢測，及時發現管路缺陷、排除安全隱患，對于保障裝備安全運行具有重要意義［2］。因管路外部空間的可達性及技術方法的局限性等，外部檢測手段很難全面檢測管路內部存在的問題。小口徑管道自適應內檢測機器人是指可在直徑30mm到200mm的管道內自主行走，且通過傳感器對管道內部狀態進行檢測的自動化裝置［3-4］。內檢測機器人不受外部空間限制，可實現管道內部360度的全覆蓋檢測，檢測能力強，效率高，可全面掌握管道內部缺陷狀態。管道內檢測機器人的結構主要包括腿式、履帶式、輪式等［5-8］。小口徑管道內部空間小，轉彎半徑小，對內檢測機器人的變徑、轉彎等自適應能力要求高［9-10］。針對現有管道機器人在小口徑管道中的變徑能力、過彎能力不足的問題，設計了一種小口徑管道內檢測機器人，采用Solidworks及ADAMS軟件進行仿真計算，研究了其在管道內的運動特性，為小口徑管道的內檢測機器人研制提供理論支撐。

2 結構組成及工作原理

管道機器人原理設計，如圖1所示。機器人整體由行走機構與變形機構構成。行走機構包括直流電機，錐齒輪，軸，行走輪，外架等。變形機構包括變徑架，中間軸，變徑座以及彈簧等。

圖1 機器人原理設計圖Fig.1 Schematic Design of Internal Testing Robot

直流電機通過一對錐齒輪驅動主動軸上的行走輪（前輪）轉動，使機器人能夠在管道內行進。兩個變徑座之間安裝有彈簧，最初進入管道時，彈簧的預緊力將變徑座撐開，使履帶輪緊貼管道內壁。當管道內徑變大或變小時，彈簧會自動伸長或縮短，來調節兩個變徑座之間的距離。

3 變徑及過彎能力分析

3.1 變徑能力分析

機器人運動原理，如圖2所示。

圖2 機器人運動原理圖Fig.2 Schematic Diagram of Robot Movement

機器人長度約為100mm，搭配不同規格的彈簧將具有不同的變徑能力。前后兩個變徑座中心分別到前后行走輪的距離均為L1為45mm，前后兩個輪之間的距離L2為75mm，變徑座長為15mm，L為彈簧長度與變徑座長度之和，此時從機器人中心到輪中心的距離為H。通過計算可以得出：

輪子的直徑d為20mm，所以機器人適應的管子直徑為2H+20。所設計的機器人模型適應的管子半徑與變徑座中心之間的距離L的關系，如圖3所示。由圖3可見，機器人變徑范圍與變徑座中心之間距離呈線性關系，機器人適應的管徑隨著變徑座之間距離的變大而變大，變徑范圍約為（95～105）mm之間。

圖3 管子半徑與變徑座中心間距的關系Fig.3 The Relationship Between the Pipe Radius and the Center Distance of Reducer

3.2 轉彎能力分析

依據實際工況條件，設定管道彎頭角度為90°。機器人在內部行走過程中輪子緊貼管壁，運動狀態示意圖，如圖4所示。

圖4 機器人彎道通過能力示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Robot Turning Ability

機器人適應的最小管徑為2H，其在管道彎頭中間的部分最難通過，因此能夠通過彎頭中部就能通過整個管段。能夠通過的彎管尺寸應滿足［11］：

式中：R-管子彎曲半徑；D/2-管道半徑。

管道機器人采用的彈簧受壓縮后最短長度是10mm，爬行的管道半徑為50mm時，可得管道彎曲半徑大于200mm，滿足公式（2）的彎管通過要求。結果表明設計的機器人可以通過彎曲半徑在200mm以上的管子。

4 ADAMS仿真分析

4.1 模型建立

ADAMS在三維建模方面建模類型比較單一，因此選擇在SolidWorks環境中建立機器人的零件模型并完成裝配，裝配完成后，通過接口將樣機模型導入到ADAMS中來進行仿真分析。建立機器人仿真模型，如圖5所示。

圖5 機器人樣機模型Fig.5 The Robot Prototype Model

導入完成后，添加約束條件。在ADAMS/View環境下可以添加零件間的所有約束［12］。按實際情況添加約束后，開始仿真計算。

4.2 仿真結果與分析

機器人在管道中行走時，會受到管子對機器人的作用力，并且作用力的大小受到彈簧預緊力的影響，彈簧的預緊力越大則作用力也就越大。摩擦力的存在能使機器人行走的更加平穩，在通過管徑變化的部位時不容易發生打滑的現象，但是摩擦力過大也會對電機的牽引力造成負擔，因此選擇合適的預緊力很有必要。

機器人在給定速度與預緊力5N的情況下在不同管徑的直管行走時行走輪受到壓力隨時間的變化，如圖6所示。圖中輪子受到的力會出現振動是因為管子與輪面不能充分接觸的緣故，由圖6可見，管徑在105mm時輪子受到的壓力為4.4N左右；管徑在100mm時輪子受到的壓力為5.1N左右；管徑在95mm時輪子受到的壓力為5.8N左右；可以看出輪子與管壁的接觸力隨著管徑變小而增大。

圖6 在給定速度與預緊力下行走輪受到的壓力Fig.6 The Pressure on the Walking Wheel at a Given Speed and Preload

在給定速度下，在管徑100mm的直管中，機器人行走輪在不同預緊力下受到的壓力隨時間變，如圖7所示。由圖可見，預緊力為5N時輪子受到的壓力為5N左右；預緊力為6N時輪子受到的壓力為6.1N左右；預緊力為7N時輪子受到的壓力為6.9N左右；由結果可知，輪子與管壁的作用力隨著預緊力的增大而逐漸增大。圖中輪子受到的力會出現振動是因為管子與輪面不能充分接觸的緣故。

圖7 不同預緊力下行走輪受到的壓力Fig.7 The Pressure on the Walking Wheel at Different Preload

在給定速度下，機器人由直徑105mm的管爬行至直徑95mm的管道時，行走輪在不同預緊力下受到的壓力，如圖8所示。由圖可見，當彈簧預緊力5N時，行走輪受到壓力約6N，摩擦系數約0.3，需要提供的扭矩約為0.18NM，當彈簧預緊力為6N時，行走輪受到的平均圧力約為7N，需要提供的扭矩約為0.22NM，設計的機器人選用電機扭矩為0.4NM，取安全系數為1.5，因此預緊力在6N以下的彈簧滿足電機的要求。當預緊力為7N時，可以看出輪子受到的力出現波動，這是因為預緊力過大電機不能驅動機器人通過95mm的管，行進到中途便退回原來的105mm管，在電機驅動下繼續前進然后再退出來，因此7N預緊力不能滿足電機的要求?？紤]到摩擦力會使機器人運動平穩因此選擇預緊力為6N的彈簧。圖中輪子受到的力會出現振動是因為管子與輪面不能充分接觸，可以看出在經過一段時間后輪子受到的力有一個明顯的提升，這是因為結果表明彈簧被壓縮，提供的力也變大，因此輪子受到的力也變大。彈簧預緊力確定時，通過理論計算可以校核電機驅動力能否滿足需要。

圖8 不同預緊力下通過變徑時行走輪受到的壓力Fig.8 The Pressure on the Walking Wheel through Reducing at Different Preload

在給定速度、預緊力為6N的情況下，機器人通過直徑為105mm的彎管（管子彎曲角度為90°，彎曲半徑為200mm）時，行走輪受到壓力隨時間變化，如圖9所示。由圖可見，機器人具有彎曲半徑為200mm的管道的通過能力。圖中曲線出現較大波動是因為機器人通過管道彎曲部位，輪子受到的力比在直管中受到的力更大所導致。

圖9 轉彎時行走輪所受壓力變化圖Fig.9 The Pressure on the Walking Wheel through Pipeline Elbow

在預緊力為6N，電機扭矩為0.4NM的情況下，機器人由直徑105mm的管爬到了直徑95mm的管，然后通過直徑105mm的彎管（管道彎頭角度90°，轉彎半徑200mm），在此過程中，機器人的速度變化，如圖10所示。由結果可見，機器人速度先增加后降低然后又增加然后又降低。這是因為機器人首先在105mm的管子中行走，受到的阻力較小，速度升高，然后進入到95mm的管子中，阻力變大，速度降低，然后進入105mm彎管，彎管頭部阻力小速度升高，進入彎曲部分后，機器人受管道壓迫加劇，速度降低，通過彎曲部分后，壓迫變小，速度升高。結果表明，驅動力矩為0.4NM時，機器人可以順利通過同時包含變徑及彎管的管道。

圖10 機器人在含變徑及彎頭的管道內速度變化Fig.10 Robot Speed Change in Pipeline with Reducing and Elbow

5 結論

理論計算結合SolidWorks與ADAMS仿真實現對小口徑管道內檢測機器人的設計及運動能力分析。小口徑管道內檢測機器人變徑范圍與變徑座中心之間距離呈線性關系，機器人適應的管徑隨著變徑座之間距離的變大而變大，變徑范圍約為95mm-106mm。機器人彈簧最短長度在10mm以下、預緊力為6N時，可順利通過彎曲半徑在200mm以上的管道。仿真分析數據及計算結果，可作為小口徑管道內檢測機器人物理樣機設計、研制的理論依據，同時為同類機器人研究提供借鑒和參考。