蠕動式氣動軟體管道機器人設計與實驗

宋懋征，劉曉敏，趙云偉，田德寶，秦 鵬

(北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132021)

引言

管道機器人廣泛應用在工業生產、醫療衛生、化工及勘探勘測等諸多領域[1]。傳統的管道機器人多采用剛性結構，其中包含電控式[2-4]與氣動式[5-7]管道機器人。電控式管道機器人主要以電機為原動機，通過齒輪或者絲杠驅動足部行走，存在剛性大，結構復雜，越障能力低等缺點。而氣動式管道機器人主要通過外部氣源對末端驅動器提供動力，結構相對簡單。隨著材料技術的發展，為解決剛性管道機器人結構復雜、柔性不足和適應性差等缺點，國內外學者設計了多種軟體管道機器人[8-9]。該類軟體機器人本體采用高分子軟體材料制作，在空間內具有多個自由度，自身具有較好的柔性和適應性[10-12]。

本研究采用超彈性硅膠材料制作兩種氣動軟體驅動器，基于所設計的兩種驅動器研制一種蠕動式氣動軟體管道機器人。研究驅動器的結構及制作工藝，建立機器人運動模型，并在實驗室環境下進行運動性能實驗。

1 結構與功能

研究設計的軟體管道機器人，主要由足部和軀干組成，結構如圖1a所示，足部采用徑向膨脹軟體驅動器，軀干采用軸向伸縮軟體驅動器。足部與軀干采用錐形臺嵌入式連接方式，如圖1b所示。在氣壓作用下，徑向膨脹驅動器產生徑向膨脹變形，軸向伸縮驅動器產生軸向伸長變形，通過足部與軀干部驅動器之間的相互配合交替通氣，機器人可實現在管道內爬行。

圖1 氣動軟體管道機器人結構組成Fig.1 Structure of soft pipe robot

1.1 驅動器設計

機器人足部與軀干驅動器內部結構如圖1b所示。足部采用徑向膨脹驅動器外形類圓柱形，且四周設有等間距排水(氣)槽；其內部包含4個腔室，每腔室之間通過氣道相互連接。通入壓縮氣體后，驅動器沿徑向發生變形，膨脹后抵住管道內壁，支撐軀干。

軀干驅動器外形類波紋狀，其內部包含2個錐形氣腔，錐形氣腔的頂部較厚，側壁略薄，通入壓縮氣體后，驅動器軸向伸長，推動足部前移，從而實現機器人爬行，驅動器結構參數見表1。

表1 管道機器人幾何參數與材料特性Tab.1 Geometric and material parameters of robot

1.2 機器人制作工藝

管道機器人主體采用硅膠(Dragon-Skin30)材料制作而成。其制作工藝共分為6步，模具制作、模具組裝、澆注、脫模、粘接、裝配。具體制作工藝如下：

(1) 制作氣動軟體驅動器模具，該模具均采用分離式結構，皆采用ABS塑料，經3D打印而成(圖2 I-A、II-A)；

(2) 自下而上組裝驅動器模具，并插入φ2 mm金屬圓棒來制成氣管通道(圖2 I-B、II-B)；

(3) Dragon-Skin30硅橡膠A液、B液按1∶1混合經負壓排氣處理之后，將其注入模具，此時模具內壁噴涂脫模劑。澆注完成后，放置在25～30 ℃的恒溫箱中固化16 h左右，待到硅膠固化成型后，將模具與硅膠剝離，得到足部驅動器下部；

(4) 其中，徑向驅動器模具脫模得到足部驅動器下部，重復上述步驟，將徑向驅動器完成的下部與上部進行粘接，完成足部驅動器的制作(圖2 I1-I4)；

(5) 將制作完成的2個半波紋管狀軀干驅動器用硅膠粘合劑做密封處理，完成軀干驅動器的制作(圖2 I5-I6)；

(6) 將足部與軀干進行裝配，并連接空氣管道(圖2 III-B)，固定氣管(圖2 III-C)，完成管道機器人的制作，如圖2 I9-I12。

圖2 管道機器人制作流程Fig.2 Fabrication of soft pipe robot

2 運動學建模

該管道機器人仿照蠕蟲運動機理，通過足部與軀干交替充氣，機器人可實現在管道內的爬行運動。機器人運動時序圖如圖3所示，其運動動作共分6步：初始態，后足充氣膨脹抵住管道內壁(圖3a)；軀干和前足依次充氣伸長和徑向膨脹(圖3b和圖3c)；后足徑向膨脹驅動器與軸向伸縮驅動器相繼放氣收縮(圖3d和圖3e)；后足充氣膨脹，前足放氣收縮，回到最初運動狀態(圖3f)，至此完成一個運動循環，其前進位移為ΔL。

圖3 管道機器人運動時序圖Fig.3 Diagram of motion sequence

管道機器人按照規劃步態進行運動時，其運動速度取決于機器人步頻和步距。假設機器人足部與管壁接觸無滑動且忽略供氣管對機器人的影響，則在1個循環周期內的管道機器人平均運動速度為：

(1)

式中，S和T分別為管道機器人在1個周期內的前進位移和時間；ΔL為軸向伸縮驅動器氣壓下的形變量；λ為軸向伸縮驅動器變形修正系數，與制作工藝、驅動器內部管道摩擦阻力、重力有關；fi為機器人步頻。

機器人步距由軸向伸縮軟體驅動器伸長量所決定。軸向伸縮軟體驅動器外形如同波紋管模型。軸向伸縮驅動器氣壓下的形變量ΔL與波紋狀外形(類彈簧體)有關，其形變量為：

(2)

式中，K——軸向軟體驅動器剛度

F——軸向伸縮驅動器產生的軸向力

通入壓縮氣體后，軸向伸縮驅動器產生軸向力為：

1.氣泵 2.氣動三聯件 3、5.減壓閥 4.數顯壓力表 6.二位三通電磁換向閥 7.氣動軟體管道機器人 8.氣動控制系統 9.靜力學實驗平臺 10.運動學實驗平臺圖4 靜力學與運動學實驗原理圖Fig.4 Schematic diagram of statics and kinematics experiment

F=pA

(3)

式中，p——作用在軸向伸縮驅動器上的壓力

A——軸向伸縮驅動器的有效面積

據波紋管有效截面積公式[12]，伸縮驅動器的有效截面積為：

(4)

式中，D——軸向伸縮驅動器的外徑

d——驅動器的內徑

將式(3)、式(4)代入式(2)中得到軸向伸縮驅動器氣壓下的形變量為：

(5)

軟體驅動器剛度K和結構參數C由軸向伸縮驅動器的外形尺寸決定，K與C[13]分別為：

(6)

(7)

式中,Ci(i=1,2,3,4)與模型的外形尺寸有關。

3 實驗與分析

利用機器人進行仿真并搭建性能測試平臺進行靜力學及運動性能實驗，實驗原理如圖4所示。實驗平臺主要由氣動控制系統、磁致伸縮位移傳感器、載荷傳感器、六維力傳感器、Optotrak Certus三維運動捕捉系統等設備組成，具體實驗條件如表2所示。

表2 實驗條件Tab.2 Experimental conditions

3.1 靜力學實驗

圖5為徑向膨脹驅動器形變量與氣壓的關系。由圖5可知，驅動器徑向膨脹量隨氣壓的增加而增大且呈輕度非線性。其最大變形量可達12 mm，可知該機器人可適應一定范圍(φ50～62 mm)的變徑管道。

圖5 徑向膨脹驅動器徑向形變量與氣壓值關系Fig.5 Relationship between radial expansion and air pressure

軸向伸縮驅動器伸長量隨氣壓變化，如圖6所示。由軸向伸縮驅動器外形尺寸得結構參數C1為0.046，C2為0.278，C3為-0.144，C4為0.083，實驗數據與理論對比，變形修正系數λ為0.89。由圖6可知，氣壓下驅動器軸向形變量的理論曲線與實驗曲線趨勢一致吻合較好，其伸長量隨著氣壓的增加呈線性增加。由于受到硅膠材料的彈性約束，實驗曲線在0.08 MPa之后增長趨勢減緩。

圖6 軸向驅動器軸向形變量L與氣壓值關系Fig.6 Relationship between axial elongation and air pressure

徑向膨脹驅動器和軸向伸縮驅動器的驅動力與氣壓值關系，如圖7所示。各驅動器的驅動力隨著氣壓的不斷增大，其中徑向膨脹驅動器產生的膨脹力呈現較強的非線性，而軸向伸縮驅動器的驅動力與氣壓近似呈線性。在0.12 MPa氣壓下，徑向膨脹驅動器和軸向伸縮膨脹器的最大驅動力分別為65.81 N和64.88 N。

圖7 各驅動器驅動力與氣壓值關系曲線Fig.7 Relationship between generated force and air pressure of two actuators

3.2 運動性能實驗

通過運動實驗平臺進行了不同頻率、氣壓和負載工作條件下機器人蠕動爬行實驗(圖8～圖11) ，測試了機器人不同工況下的運動性能。機器人末端設有標記點，其位移由3D捕捉系統測得。

圖8 位移隨時間變化Fig.8 Relationship between displacement and air pressure

在徑向膨脹驅動器氣壓值0.06 MPa，軸向伸縮驅動器氣壓值0.07 MPa，頻率0.28 Hz下，機器人位移隨時間變化如圖8所示。依據規劃步態，隨著循環次數的增加，機器人前行位移隨之遞增。由于機器人蠕動爬行，其前進時出現上下波動，與理論計算相比實際前進位移存在一定波動，機器人整體的移動速度為3.46 mm/s。

圖9為管道機器人在同氣壓不同步頻下位移隨時間變化。隨著步頻增加，機器人前進位移隨之增大。機器人在頻率0.42 Hz下的最大速度可以達到4.64 mm/s。步頻是是影響機器人行進速度的重要因素。

圖9 頻率對機器人爬行的影響Fig.9 Influence of step frequency on robot’s speed

圖10為頻率0.27 Hz時，不同足部氣壓值對機器人前進位移的影響。由于機器人軸向伸長量隨通入氣壓的增大而增加，機器人前進的位移隨之增大。在氣壓0.065 MPa時，由于足部與管壁摩擦力過小，機器人出現向下滑動。若使機器人穩定前進，足部氣壓值不可低于0.070 MPa。在氣壓0.072 MPa下，運動中最大速度可達3.46 mm/s。驅動器內氣壓是影響機器人運動性能的關鍵因素。

圖10 氣壓對機器人爬行的影響Fig.10 Influence of air pressure on robot’s speed

圖11為機器人在不同負載下前進位移隨時間變化，各驅動器在不同狀況下的氣壓值如表3所示，機器人頻率為0.21 Hz。

圖11 負載對機器人爬行的影響Fig.11 Influence of air pressure on robot’s speed

表3 負載下各驅動器工作壓力參數Tab.3 Working air pressure of each actuator with different work loads

當機器人空載時，其速度為2.55 mm/s；負載200 g，500 g及1000 g時速度分別為2.00，1.62，1.23 mm/s。管道機器人最大負載為1000 g。

由圖11所示，隨著負載的增加，軸向伸縮驅動器運動時受到的阻力和慣性力隨之增加，其軸向伸長驅動器運動受限其伸長量減小，導致機器人爬行速度隨之下降。相比較空載情況，在負載200 g下，機器人前行波動量小其運動較為平穩，表明一定負載可以增加管道機器人的行走的穩定性。

機器人在直管內爬行時，由于管道傾角(0°～90°范圍)變化可分為水平、傾斜和垂直三種工況，其中垂直工況為不利爬行的極端工況。圖12和圖13分別為機器人在空載和負載時不同工況下直管內的爬行。

圖12 不同工況下空載爬行Fig.12 Robot’s crawling under different working conditions without load

圖13 不同工況下負載爬行Fig.13 Robot’s crawling under different working conditions with work load

圖14為不同工況下，空載時機器人爬行位移隨時間的變化。由下圖可知，隨著管道傾角的增加，由于重力影響機器人爬行速度隨之下降。在水平管道(圖12a)、傾斜45°管道(圖12b)和垂直管道(圖12c)中速度分別為5.50 mm/s，5.03 mm/s和4.64 mm/s。

圖14 不同工況下機器人空載爬行Fig.14 Displacement vs.time under different working conditions without load

圖15為機器人在不同工況下負載爬行位移隨時間的變化。由圖13和圖15可知，隨著管道傾角的增加，相對水平工況(圖13a)，傾斜和垂直工況(圖13b和13c)機器人穩定爬行時的負載能力減弱，同時爬行速度大幅降低。三種工況下的負載重物分別為1750 g，1350 g和1000 g。

圖15 不同工況下機器人負載爬行Fig.15 Displacement vs.time under different working conditions with work load

綜上，該管道機器人具有較好的柔順性、靈活性和適應能力強的特點，可在一定直徑范圍的管道內穩定爬行。極端工況下爬行速度最大速度為4.64 mm/s，且負載能力可達1000 g。

4 結論

研究設計了徑向膨脹驅動器和軸向伸縮驅動器，并采用該軟體驅動器研制了一種蠕動式氣動軟體管道機器人。建立了機器人運動學模型并進行了運動性能實驗。結果表明：該管道機器人具有較好的柔順性和靈活性。隨著氣壓和運動頻率的增加，機器人爬行速度隨之增加，一定負重可增加機器人的行進的穩定性。在足部與軀干氣壓值分別為0.07 MPa和0.06 MPa下，其動作頻率為0.42 Hz時，極端工況下機器人最大運動速度可達4.64 mm/s，負載能力可達1000 g。