供熱管道空間靈活工作爬行檢測機器人研究

吳占斌，金 一，呂 巖，田 雪，韓 濱

（通遼熱電有限責任公司，內蒙古 通遼 028000）

機器人是一種能夠實現多種功能的自動化設備，具備許多仿人或者代替人類的能力，如抓取、定位、搬運及檢測等，其中管道機器人可滿足人們當前的管道檢測需求。相關研究表明，未來的管道機器人市場將迎來爆炸式發展，具有非常巨大的發掘潛力[1]。管道機器人具有質量輕、安全性高、對環境的適應性好、人機交互性等特性，可以解決管道檢測時出現的多樣性和復雜性問題，可用于執行非結構環境中的操作任務[2]。

管道檢測機器人在各種管道（海底、地下、高海拔等惡劣環境）中從事著監測管道的工作，甚至部分管道機器人還肩負著修補的工作[3]。然而，在非結構環境中工作時，機器人無法面對缺少環境參數的狀況，與此同時，機器人工作的環境和內容如果動態可變，將帶來更大的挑戰。

目前開發的管道機器人基本能夠實現如下功能：高自由度旋轉的攝像頭云臺設計；多模態型號傳感器（比如紅外IR 傳感器、位移傳感器、電壓電流傳感器、編碼器等）采集相關數據；內外通訊，可實現數據傳輸（基于光纖電纜、Wi-Fi、極低頻ELF 等）；管內準確定位（如旋轉永磁體作為機械天線可用于水下導航）[4-5]。

在管道中工作會存在各種問題，如外負載不穩、易受到沖擊、環境光線弱等，因此未來研究重點為如何提高特種機器人在非結構環境下工作的適應性，達到解放人類勞動的目的。實際應用研究中，科研人員逐步認識到特種機器人技術的組成是感知、決策、行動和交互4 大技術[6-7]。

管道檢測機器人開創了新的管道檢測形式，從根本上改變傳統式管道破壞性開挖抽檢的簡單笨拙模式[8]。基于機器人的自主掃描、定位，可以大幅度提高管道檢測的效率、精確度，這也方便對管道進行維護管理，幫助維修人員快速分析管道缺陷等一系列問題，能夠迅速開展評估，更換維修管道，降低大規模開挖的成本，保障人民群眾的生活[9-10]。

目前，針對輸送管道的管網檢測滲漏、腐蝕等有直觀觀測效果，特殊型供熱管道檢測機器人可以結合機器人智能移動技術和管道缺陷無損圖像采集技術，能夠適應多種管路環境，完成特殊復雜、動態多變的非結構管道檢測環境中的任務[11-12]。然而，事實上供熱管道機器人也面臨著整套檢測設備產品笨重、現場工作時耗能大、有效工作時間有限、攜帶不方便等問題[13]。為適應上述特殊管道工況且能完成檢測任務，本文設計了一款新型輪式機器人。另外，文中對機器人與人類之間的交互也進行了一定探索，旨在提高人機互補高效完成任務的能力。

1 爬行機器人結構和控制系統設計

本文設計的供熱管道檢查機器人主要功能是適應供熱管內的非結構工作環境，并通過可搭載視頻儀等傳感檢測設備對管內環境進行圖像采集。其主要部件包含爬行器本體、PC 計算機和電纜式車、可旋轉云臺。其中，爬行器本體上安裝高清圖像采集儀、紅外IR 傳感器等設備，在管線探測巡檢過程中，傳感器傳回圖像、氣體等信息，計算機負責處理即時傳遞的采集信息，并對機器人下達控制指令完成機器人遙操作。

1.1 管道爬行機器人結構特點

新式管道爬行機器人的結構特性如下。

1.1.1 便攜化

一般來說，供熱管道機器人檢查系統最基本的結構有圖像采集設備、機器人本體控制器、遠程監控顯示器等。爬行器本體基于模塊化結構設計，其余各部分器件都設置有獨立防水密封，并同時配有安全氣壓監控，穩定性強，可根據不同工況需求，快速拆裝模塊，操作方便，維護簡易。采用4 輪獨立驅動，具有超強的越障性能，附帶車身傾斜角度顯示與防傾覆報警功能，單次作業時間可達2 h，可搭載其他設備，載重可達50 kg。

1.1.2 避障性

管道機器人具有結構簡單、使用便捷、負載能力較強且易于控制的特點。此外，采取電動移動方式，機器人裝備結構輕、動作穩定、操作簡單、移動速度快、轉彎容易、便于操作。電動車輪結構簡單且靈活，轉向靈活可靠，通過切換不同尺寸的輪子，應用于不同管道。

1.1.3 實現遠程通訊

采用專業軟件進行處理和分析，報道管網真實情況，為供熱管網提供一定的服務。對于內外通訊干擾需要進一步考慮，供熱爬行機器人通過車尾連接固定拖纜實現遠程通訊。光纖數據傳輸模式可以更快、更精確地采集信息和發送命令以及往復傳輸。若機器人內部發生故障，可通過拖纜將機器人拖出，執行機構接口連接不同檢測探頭。另一方面，電源和采集的圖像、位置等數據也可以采用有線傳輸。

1.2 管道爬行機器人控制系統

爬行機器人組成框架如圖1 所示。爬行機器人的控制系統可分為2 部分，即主控制器和從控制器。主控制器主要實現遠程指令發送、處理數據、人機交互等功能；從控制器則是利用多模態傳感器采集就地信息。

圖1 爬行機器人組成框架

1.2.1 主控制器

機器人主控制包括機器人的車體和末端機械臂，配置獨立的控制器，其中車體控制器為主機，末端執行器上的控制器為從機，兩者通過485 協議通信。末端執行器中的硬件電路均采用模塊化設計。以車體控制器為例，機器人本體包括核心處理器CPU 模塊、電源模塊、485 通訊模塊、距離傳感器模塊、陀螺儀模塊、微型攝像頭模塊、LED 驅動模塊、電機驅動模塊等。

操作臺實質上為多通道人機界面，主要由一塊功能搖桿、功能按鈕以及組合液晶顯示屏組成。通過操作臺的觸摸、按鍵、搖桿等設備實現遠程控制。通過網口或Wi-Fi 執行爬行器主控和網絡攝像頭通信。高清輸出的海康威視硬盤錄像機8108HFS-ST，能夠實時將車體及云臺及伸縮臂上返回的視頻信號進行處理并通過顯示器顯示。通過光纖電纜連接，本地端解碼了網絡攝像頭視頻，并實時上傳管道信息等資料，最后在高清晰度顯示器中顯示，從而能夠播放實時視頻和歷史記錄。

1.2.2 從控制器

遠程端控制程序主要包括控制模塊、數據處理模塊、通信模塊、仿真模塊以及人機界面模塊等。而數據處理及維護軟件模塊作為整個軟件系統的基礎，主要作用是提供分析數據，包含系統各個部分的狀態信息。

控制模塊主要體現在上位機的控制規劃方面，它通過線纜連接管道機器人，依據機器人檢測任務，規劃機器人路徑、軌跡及運動參數，規劃末端執行器位姿調整及工作狀態等。

通訊模塊負責管理遠程控制器和就地端控制器之間的通信，包括發送讀指令，收集系統數據，發送寫指令，控制系統運行。光纖通訊以其抗拉力強的特性，有效解決數據傳輸低、延時等問題。

終端與線纜車之間采用無線傳輸技術可進入DN400 以上的管道，單次最長檢測距離可達1 000 m，可適用于大直徑管道、箱涵等。遠程端控制器程序配置包括顯示系統狀態顯示與參數設置界面和顯示車體視頻的視頻界面，并在后臺配置有顯示和管理系統狀態的后臺界面。

2 三自由度云臺運動學仿真

機器人本體包括機器人的云臺以及伸縮檢測頭。其中機器人的爬行吸附機構作為機器人的主體部分，主要功能是搭載傳感器、攝像頭等檢測設備，裝配云臺或伸縮檢測頭等末端執行機構以及為機器人本體提供動力。云臺與伸縮檢測末端屬于檢測執行機構，分別具備不同的功能與檢測范圍。機器人DH 參數如表1所示。

表1 爬行機器人的云臺的DH 參數表

作為云臺的基座，其主要的作用是通過不斷地調整攝像頭的位置角度，對機器人爬行環境和SG 熱傳管內區域進行視頻檢測時，不斷調整攝像頭的位姿。第一關節作為車體，主要管理機器人的動力爬行關節，供熱管道檢測機器人本體分為車體、行走機構和執行機構。

車體是搭載平臺，搭載傳感檢測用功能部件和執行機構。第二節關節為腕部，主要實現俯仰運動，方便傳感器在豎直方向掃描。考慮到云臺的末端位姿還需要在空間中3 個方向上變換，再加上為簡化機械結構，節省能耗，所以采用三軸機械臂的結構較為合適。

結合機器人功能方面的要求，并且基于機器人在SG 熱傳管內部的工作環境和使用方案，云臺的構型要滿足以下幾點要求：①自由度要求，機器人在執行任務時云臺必須具備2 個自由度；②檢測范圍的要求，云臺末端可以偵查正前方，以及360°旋轉，以實現對管道內壁的檢測和拍照記錄。利用Matlab 中的Robotics Toolbox 工具箱，輸入機械臂的相關DH 參數建立從端設備運動學模型，并通過蒙特卡洛法求解出機械臂的工作空間，以三維點云展示，效果如圖2所示。

圖2 云臺運動學仿真

最終，獲得云臺機械臂的可工作空間如表2 所示，滿足DN400 及以上的管道內部環境的工作任務要求。

表2 云臺的工作空間分析

3 結論

本文提出一種新穎的供熱管道檢測爬行機器人系統設計方法，機器人設計滿足便攜化、模塊化、高適用性要求，同時具備主從端的人機交互能力，能夠靈活應對供熱管道檢測中各種狀況，滿足供熱管道檢測的高度靈活性要求。本文中爬行機器人可實現機器人和人類操作者的高效配合，充分發揮兩者之間的優勢，形成更迅速、更有效的判斷和操作，顯著提高系統的智能性，同時避免多余的能耗行為，提升續航能力，這對未來維修和檢測供熱管道的機器人研究具有重要指導價值。