智能管道清理機(jī)器人

劉進(jìn)芬，王志娜，趙余婷，劉 斌

（南京工業(yè)大學(xué) 浦江學(xué)院，江蘇 南京 211816）

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推近、城市人口的持續(xù)增加，地下管道的使用逐漸增多。從70年代開始，管道運(yùn)輸便已應(yīng)用在各行各業(yè)的公共設(shè)施中，比如生活水暖供應(yīng)、石油運(yùn)輸、天然氣輸送、污水排放等領(lǐng)域[1]。管道中長(zhǎng)期堆積塵埃和污染物，在傳統(tǒng)的人工清理與檢測(cè)方式下，管道的監(jiān)測(cè)會(huì)耗費(fèi)巨大的財(cái)力、時(shí)間；而且各種液體和氣體物質(zhì)在管道網(wǎng)絡(luò)輸送的同時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生一些不良反應(yīng)，再加上管道自身存在的內(nèi)部弊端，導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)效率大大降低。由于對(duì)管道未及時(shí)清理，導(dǎo)致利用管道傳輸?shù)囊后w出現(xiàn)雜質(zhì)，長(zhǎng)期下來便會(huì)出現(xiàn)雜質(zhì)積聚現(xiàn)象，尤其是像碳酸鹽或硝酸鹽之類的硬垢的積聚會(huì)引起管道傳輸出現(xiàn)不暢和堵塞的情況，嚴(yán)重影響生產(chǎn)[2]。不僅如此，許多時(shí)候在運(yùn)輸過程中管道會(huì)突然出現(xiàn)損壞及物質(zhì)泄漏等事故，這時(shí)便需要結(jié)束工作流程并安排專業(yè)人士進(jìn)行維護(hù)，這樣產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失是非常巨大的。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，管道輸送因其便捷性、經(jīng)濟(jì)性得到廣泛使用，流體仍然主要依賴于管道輸送。管道線路的及時(shí)清理對(duì)國(guó)家資源的安全性及有效性都起到極大作用，而以智能機(jī)器人代替人工清理管道逐漸受到關(guān)注。機(jī)器人的發(fā)展已成為近年來的研究熱點(diǎn)，特別是機(jī)器人流程自動(dòng)化（RPA）。現(xiàn)階段的機(jī)器人分地面、水下、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)、娛樂等領(lǐng)域。一個(gè)智能機(jī)器人應(yīng)該具有感知環(huán)境的能力、執(zhí)行某種任務(wù)和對(duì)環(huán)境施加影響的能力、感知與行動(dòng)結(jié)合起來的能力。目前擁有RPA的機(jī)器人不僅可以模擬人類，還可以利用和融合現(xiàn)有技術(shù)，逐漸涉及更多的領(lǐng)域，發(fā)展前景廣闊。

1 管道清理機(jī)器人相關(guān)理論

智能的管道清理機(jī)器人是通過機(jī)器控制機(jī)器人去檢測(cè)并清理管道的一種新型機(jī)器人[3]。以共軸反轉(zhuǎn)螺旋式的機(jī)器人為例，介紹了智能管道清理機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)。

（1）工廠云智能制造信息系統(tǒng)：通過導(dǎo)入深化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，利用RFID[4]、二維碼等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將地下管道的布局導(dǎo)入系統(tǒng)中，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)手段精確定位[5]，遠(yuǎn)程無線智能控制管道機(jī)器人的不同行進(jìn)動(dòng)作，完成相應(yīng)作業(yè)。

（2）共軸反轉(zhuǎn)螺旋式機(jī)器人基本可覆蓋的管道作業(yè)有：①生產(chǎn)、安裝過程中的管內(nèi)外質(zhì)量檢測(cè)；②使用過程中焊縫情況、表面腐蝕、裂縫破裂等故障診斷；③惡劣環(huán)境下管道清掃、噴涂、焊接、內(nèi)部拋光等維護(hù)工作；④對(duì)埋于地下的舊管道的修復(fù)；⑤管道內(nèi)外器材運(yùn)送、搶救等其他用途。

（3）智能化：在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)的支持下，通過APP來控制管道機(jī)器人的運(yùn)作，可以根據(jù)外界的環(huán)境實(shí)時(shí)地處理遇到的情況，是硬件與軟件的充分結(jié)合。

2 智能管道機(jī)器人的技術(shù)

（1）螺旋技術(shù)

管道清理機(jī)器人分為前后兩部分，它們通過空心柔性軸的共軸線連接在一起；每部分都有一圈均布的3個(gè)徑向支撐腿，在每個(gè)支撐腿的頂端各有一個(gè)小輪可以在管道內(nèi)滾動(dòng)，并利用電機(jī)帶動(dòng)柔性軸使得各部分向相反方向旋轉(zhuǎn)前進(jìn)。

每個(gè)小輪與支撐腿軸線成一定角度，機(jī)體兩部分上的小輪軸線與機(jī)體軸線的夾角相反，兩部分機(jī)體反轉(zhuǎn)，則兩部分機(jī)體上小輪的運(yùn)動(dòng)軌跡為旋向相反的螺旋線。每個(gè)小輪與管道內(nèi)壁的軸向摩擦分力方向相同（如圖1所示），每個(gè)小輪的軸向摩擦分力的合力就成了驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行進(jìn)的動(dòng)力。

圖1 力的分解示意圖

（2）空心柔性軸連接

機(jī)器人兩部分機(jī)體用空心柔性軸連接（如圖2所示），使其能在一定曲率的彎管道里行進(jìn)，擴(kuò)大了適用范圍，提高了穩(wěn)定性[6]；機(jī)器人可以更好地在管道中前進(jìn)和作業(yè)。

圖2 空心柔性軸連接

（3）雙排可伸縮支撐腿

機(jī)器人在管道內(nèi)螺旋行進(jìn)，為保持它在管道中的姿態(tài)和行進(jìn)穩(wěn)定性，在機(jī)器人的每個(gè)半體上安裝三個(gè)支撐腿，避免機(jī)器人出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，支撐腿端部裝有與管道母線成一定角度的滾輪；兩部分機(jī)體上滾輪攻角相反，在兩機(jī)體反轉(zhuǎn)條件下產(chǎn)生同向的軸向摩擦分力以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行進(jìn)，這增大了機(jī)器人在管道里的附著力，使其爬行與越障能力明顯增強(qiáng)[7]。

3 智能管道機(jī)器人各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)

3.1 各個(gè)模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

（1）探測(cè)模塊

選用光傳感攝像頭[8]，配套LED燈光，捕捉圖像。采用模式識(shí)別和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等一系列圖像處理方式，將采集到的圖像做進(jìn)一步處理，提高檢測(cè)效率。使用數(shù)字羅盤采集機(jī)器人的實(shí)時(shí)位姿數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾偏控制，使得機(jī)器人更加智能化、人性化，操作起來更加簡(jiǎn)單方便。

（2）藍(lán)牙報(bào)警裝置

當(dāng)管道清理機(jī)器人在管道內(nèi)作業(yè)時(shí)，可能會(huì)遇到信號(hào)傳輸過程中受到一系列干擾的問題。為解決這一問題，設(shè)計(jì)一款藍(lán)牙通信報(bào)警裝置。該裝置利用藍(lán)牙無線通信與上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)有效地預(yù)防上述情況的發(fā)生。本模塊主體選用了兩個(gè)HC-05藍(lán)牙模塊與 Arduino Nano[9]控制器，采用了雙機(jī)通信。當(dāng)雙機(jī)正常通信時(shí)，放置在外面的從機(jī)報(bào)警器不會(huì)報(bào)警，并且上位機(jī)顯示OK字符；當(dāng)雙機(jī)通信中斷時(shí)，放置在外的從機(jī)報(bào)警器會(huì)報(bào)警，并且上位機(jī)顯示W(wǎng)ARN字符提醒操作人員機(jī)器將要超出控制范圍，這時(shí)操作人員需要合理控制機(jī)器與操作人員的范圍，范圍控制好之后，報(bào)警結(jié)束，以此構(gòu)建一種穩(wěn)定的控制環(huán)境。

（3）電路的設(shè)計(jì)

因?yàn)楣艿廓M小，所以要求管道清理機(jī)器人擁有更小的空間結(jié)構(gòu)，需要體積小、能量密度高的電池，為此選用兩塊3.7 V、820 mAh的鋰離子電池作為管道清理機(jī)器人模型的電源。采用市場(chǎng)上成熟的STM32單片機(jī)。這種單片機(jī)性能穩(wěn)定可靠，并且滿足對(duì)清理機(jī)器人控制所需的通道數(shù)目，使機(jī)器人能夠更好地清理管道[10]。

（4）智能模塊

管道清理機(jī)器人通過空心柔性軸的共軸線連接在一起，每部分都有一圈均布的3個(gè)徑向支撐腿，在每個(gè)支撐腿的頂端各有一個(gè)小輪可以在管道內(nèi)滾動(dòng)。主要工作流程如圖3所示。機(jī)器人整體通過STM32控制，內(nèi)部裝有無線模塊、電機(jī)等控制結(jié)構(gòu)；將編寫好的程序輸入單片機(jī)后，通過APP下達(dá)指令，由單片機(jī)控制電機(jī)帶動(dòng)空心柔性軸旋轉(zhuǎn)；而空心柔性軸直接連接前后兩個(gè)半體，所以在柔性軸的旋轉(zhuǎn)下，前后兩個(gè)半體也開始旋轉(zhuǎn)，但由于外側(cè)小輪的特定角度不同，所以兩個(gè)半體在柔性軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)方向也不同。機(jī)體兩部分上的小輪軸線與機(jī)體軸線的夾角相反，兩部分機(jī)體反轉(zhuǎn)，則兩部分機(jī)體上小輪的運(yùn)動(dòng)軌跡為旋向相反的螺旋線。每個(gè)小輪與管道內(nèi)壁的軸向摩擦分力方向相同，每個(gè)小輪的軸向摩擦分力的合力就成了驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行進(jìn)的動(dòng)力，從而進(jìn)行工作。

圖3 主要的工作流程

3.2 智能管道機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)

智能管道機(jī)器人能夠節(jié)省人力成本與時(shí)間成本；共軸螺旋行進(jìn)方式具有驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)少、操作控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)；探測(cè)模塊能夠捕捉到更為清晰的圖像；設(shè)計(jì)了藍(lán)牙通信報(bào)警裝置，構(gòu)建了一種穩(wěn)定的控制環(huán)境；可遠(yuǎn)程無線智能控制管道機(jī)器人進(jìn)行不同的動(dòng)作。

4 結(jié) 語

智能管道清理機(jī)器人是一種共軸反轉(zhuǎn)螺旋式機(jī)器人，滾輪能以與管道母線形成固定的傾斜角度的形式繞本身的軸線旋轉(zhuǎn)。共軸螺旋行進(jìn)方式具有驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)少、操作控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，減少了人力和時(shí)間成本，提高了工作的效率。