管道探测蛇形机器人的行走结构研究

颜凯凯 王亚慧

摘  要： 简述蛇形机器人的整体框架及单元结构设计，根据不同的管径改变相邻模块间的夹角以及模块的连接总数，以适应相应管径，使机器人可以贴附在管道内壁，之后在部分关节模块上添加驱动，以驱动机器人整体沿管道内壁以螺旋的方式前进。同时，运用ADAMS软件建立在不同的管径中机器人所需关节模块数量以及关节模块之间的夹角，并对机器人在管道中静止时的受力情况进行分析，得出机器人与管道之间的相互接触力，关节模块连接处的相互作用力以及相邻模块直接的作用转矩大小，通过仿真实现在管道内进行螺旋前进。

关键词： 蛇形机器人; 管道内探测; 螺旋前进; 齿轮传动; 模块化单元; 不同管径

中图分类号： TN876?34                          文献标识码： A                         文章编号： 1004?373X（2019）19?0082?04

Abstract： The overall framework and unit structure design of snake?shape robot are briefly described in this paper. The modular design is adopted for the snake?shape robot to change the angle between adjacent modules and the total number of connection of modules according to different pipe diameters to adapt itself to the corresponding pipe diameter， so that the robot can attach to the inner wall of the pipe and then add the drive to the part of the joint module to drive the whole body of the robot and move along the inner wall of the pipe in a spiral way. The existing snake?shape robot joint module was improved according to the application conditions in the inner wall of the pipe. The ADAMS software is used to establish the joint modules and the angle between the joint modules in different pipe diameters. The force situation of the robot in the pipe is analyzed. The contact force between the robot and the pipe， the interaction force of the joint module and the direct torque size of the adjacent modules are obtained. The spiral walking of the robot in a pipe was realized by simulation.

Keywords： snake?shape robot; in?pipe detection; spiral forward; gear drive; modular unit; different pipe diameter

0  引  言

管道输送有着输送量大、方便快捷、低成本等优势。在燃气输送上更是通过管道将燃气从气源一直连接到各类大小工厂以及千千万万的用户家中，为人们的生产生活提供便利。但由于管道多是深埋地下，很容易受到环境腐蚀或不可抗力的自然灾害以及自身缺陷的影响，造成管道损坏、燃气泄露，进而导致环境污染、易燃物爆炸、能源浪费等严重事故。所以需要定期对管道内部进行检查维护。传统燃气管道检测都是由相关人员在管道外部巡查，主要通过检查管道周围的燃气浓度是否有异常来判断管道是否有损坏，也就是只能在燃气发生泄露之后才能发现管道出现损伤，无法对管道内部进行有效检测，提前发现管道异常，预防事故发生。一些团队开发出了轮式管道机器人[1?3]，可以适应大直径水平管道内部检测，但对于小直径管道及垂直管道则无法进入管道内部，同时蛇形机器人[4?11]因具有运动灵活的特性，可将其应用到管道探测中。燃气管道根据所需运力不同，分有直径200～500 mm不等甚至更小的水平管道，所以，本文提出开发可以适应多种不同管径的水平管道，并且可以在管道内以螺旋方式前进的管道内部探测蛇形机器人。

1  管道探测机器人的整体设计

首先对蛇形机器人的整体框架进行设计。总体包括机械执行机构部分、动力部分、控制与通信部分、感知部分四个方面。机械执行机构部分主要是管道内探测蛇形机器人的模块化关节设计，保证机器人的结构具备在管道内运动的条件;动力部分主要是机器人的驱动力以及电力来源，采用电缆直接供电的方式;控制与通信部分主要针对关节模块的控制以及模块与上位机之间的通信;感知部分主要是机器人搭载的各类传感器等。管道机器人在管道中作业时，首先确定工作管道的内径，由控制器发出指令控制单元执行机构，使其自动调整各个单元关节的姿态，以使蛇形机器人整体以螺旋的方式贴附在管道内壁。在姿态调整完成后，控制器继续控制驱动电机工作，以带动整体沿管壁螺旋前进，并在前进的过程中不断通过各类传感装置如力矩传感器、甲烷浓度传感器、图像传感器等传输实时信息，来监控蛇形机器人的运行状态以及管道内部的实时状况。操作员通过上位机获取机器人传输的数据并依此做出相关反应。

2  机器人的单元结构及ADAMS建模

为了保证蛇形机器人灵活的特性，在结构上采用关节单元模块化设计，各单元模块之间以舵机及其出轴连接件将相邻模块连接在一起构成机器人整体，保证其具有的灵活特性。通过改变相邻模块之间的夹角及模块连接数量，可使机器人适应在不同的管径中工作。

2.1  单元模块结构设计

由于机器人在管道内部运动，与以往在地面及管道外部运动时的工作环境不同，以往的蛇形机器人单元结构不再适用，所以需要对已有的蛇形机器人单元模块结构进行改进。首先，根据模块所发挥的作用把单元模块分为两种模块：一种负责探测采集的普通模块;另一种负责驱动机器人前进的驱动模块。

普通模块内部主要包含两个舵机，一个控制电路板，以及一些连接部件，外部为一个圆柱形外壳，在外壳两端安装有两组小型车轮，如图1所示。

在模块最上方是一个U形连接件，连接件下方安装在俯仰舵机的出轴处，上方连接下一个相邻模块。和U形连接件直接相连的是俯仰舵机，该舵机可由控制器控制输出PWM波，驱动舵机转动，并同时可以通过U形连接件控制相连单元模块左右摆动，而控制两个单元模块之间的夹角。接下来将俯仰舵机与圆形连接件（转矩传感器）直接相连，并将圆形连接件的中心安装在下方的转动舵机的出轴上。同样控制转动舵机出轴的转动带动圆形连接件及俯仰舵机一起转动，就可调节相邻单元模块的指向。之后，将转动舵机与外壳固定连接，避免舵机在内部发生晃动。下面放置整个舵机的控制器以及管道内的数据采集装置，并在最低部突出一部分，以便与下一个单元模块相连。在外壳上选擇圆柱形的外壳，可以更加适应圆柱形管道内运动，减少不必要的碰撞阻碍，同时，在两端安装两组小型车轮，前端车轮直径略小于后端车轮，目的是使前后车轮在管道中都可以完全接触管壁。避免由于车轮与管壁接触不足，造成驱动不足，使机器人停滞在管道内。

驱动模块：在普通模块中，模块前后两端的车轮都是从动轮不具有驱动能力。在普通模块的基础上，添加一个电机并使用齿轮传动，带动后端车轮转动，进而推动机器人前进。

齿轮传动由多个齿轮组联合组成，如图2所示。中间齿轮安装在电机的出轴上，由电机带动齿轮转动。之后在四周环绕4个小齿轮，组成行星型齿轮，它们之间为平行传动。在行星齿轮下方整合一组进行垂直传动的齿轮，之后由垂直传动的齿轮直接带动车轮车轴驱动车轮转动。

2.2  ADAMS建模

使用ADAMS软件平台建立单元模块的基本模型，并根据其探测工作进入管道的管径不同，改变模块连接数及各模块之间的连接夹角，使其整体以螺旋的方式排列在管道内部，并可以保持姿态，通过车轮带动其螺旋前进。

首先，建立机器人在不同管径管道内的位置情况，如图3所示。在直径为500 mm的管道内部，机器人单元模块之间通过前后端的连接件相连，需9节单元，可螺旋一周，各单元模块内部旋转舵机转角为20°左右，俯仰舵机的转角在40°左右。在管道中，各个单元模块中的舵机通过控制器控制其保持转角不变，前后端的车轮直接接触管壁，在初始时可以保持这种螺旋姿势不动，在运动时，通过电机驱动后端车轮转动，带动整体机器人螺旋前行。

按照同样的方式，在直径为350 mm的管道中，建立机器人模型。在直径为350 mm的管道内部，机器人单元模块之间通过前后端的连接件相连，需7节单元，可螺旋一周，在直径为200 mm的小管道内，各单元模块直接相连，各舵机保持零转角，使其连接成直线模型，直接放置在管道底部，当需要运动时，控制后端车轮前进。这样使蛇形机器人不但可以满足300～500 mm不同管径的工作要求，在小管径的管道中依然可以工作。

3  力学分析及运动仿真

在对管道机器人完成基础建模后，对机器人在管道中稳定时进行静力学分析，得出使机器人贴附在管壁上时与管壁的接触力、机器人各个模块之间的相互作用力以及推动机器人前进所需的最小动力。

对机器人在管道中保持螺旋姿态静止下的静力学分析。在静止时，关节模块的受力主要包括自身的重力，与管壁的接触力以及相邻模块之间的相互作用力，其中接触力包括管壁对模块产生的弹力以及摩擦力。自管道入口处按顺序为关节模块命名为J1～J7，如图4所示，本文取部分关节模块对其进行受力分析。设单元模块的中心轴线与[YOZ]的夹角为[α]，与[XOZ]的夹角为[θ]。

首先对第一个关节模块J1进行受力分析，如图4所示，J1模块所受重力[Fg1]垂直向下，管道与模块J1之间的接触力[Fc1]（包括管壁弹力[Fn1]垂直于模块中轴线向上以及摩擦力[Ff1]沿轴线与机器人单元模块的运动趋势相反），相邻模块的作用力[FJ1?J2]。将每个作用力沿全局坐标的[X]，[Y]，[Z]方向分解可得到静力平衡方程：

4  结  论

运用蛇形机器人灵活结构的特性，并结合管道探测的需求，将蛇形机器人应用到管道探测中，提高管道探测机器人的适应性。机器人模块化的设计使其可以根据不同的管径管道，调整各模块之间的夹角位姿，以螺旋方式贴附在管壁内，即使管径过小可能导致机器人无法调整适合的角度贴附管壁，但只要管径大于单个关节的直径70 mm，机器人依然可以以180°夹角的直线方式相连，形成直线型蛇形机器人，由驱动部分直接驱动沿管道前进。该机器人具备了很强的适应性，将其应用到燃气管道探测中，可以十分方便地取得管道内部的使用状态，及时掌握管道内的损伤，并在很大程度上提高检测结果的准确性，对于燃气管道的维护与检修将提供很大的帮助。

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