全气动管道检测机器人的研制

李文章， 周明连

(北京交通大学 机械与电子控制工程学院， 北京 100044)

引言

随着城市化的发展，我国城市地下空间被不断的开发，而由地下工程活动引起的地面塌陷也越发频繁，成为新的城市地质灾害[1]，特别是城市地下排水管漏水后，土壤被冲刷，形成空腔，增加塌陷的危险[2]。地下排水管道常年埋于潮湿土壤中，并且遭受污水的腐蚀，会出现破损、老化、甚至断裂，这些损伤引起的地面塌陷具有不确定、潜伏、偶发的特点。为了保证居民的日常生活和路面上的正常使用，在不对污水管道进行开挖的条件下，急需便捷方式对污水管道的损伤做检测，以排除隐藏的危险[3-5]。

欧洲作为管道机器人研发先驱，法国的J.VWERTUT最早设计了轮腿式管内模型IPRIV行走机构[6-7]。日本的SHIGEO Hirose和HIDETAKA Ohno率先研制出了适应50 mm管径的Thes一代机器人[8-9]，在此基础上又研发了适应更大管径的二、三代机器人。进入21世纪，美国的DAPHNE D’Zurko和HAGEN Schempf博士共同研制出用于远程工作的EXLORER无缆线管道机器人[10]。德国的BEMHARD Klaassen、HERMANN Streich和FRANK Kirchner研制了具有多个蠕动关节的MAKRO机器人，机器人采用无线通信的方式控制，机器人整体有21个自由度，能够完成跨越障碍与转向的功能[11]。

虽然国内的管道机器人起步较晚，但是在东北天然气和石油工业大力发展的背景下，催生了以哈尔滨工业大学为代表的一批科研院校对管道机器人的科研投入。哈工大研制了轮式管道机器人，这是针对于一些空间与地理位置受限的大口径管网自动化检测[12]，由吕恬生、朴春日等率先研发了能自适应管径、还能进行越障、无线遥控的管道机器人[13]。

本研究设计的管道检测机器人依靠全气动控制系统，消除了易燃易爆的危险，同时具有行走速度快、图像采集效率高、承载能力强等特点。

1 管道检测机器人机械机构设计

1.1 机器人整体机构设计与建模

整个机器人的机械结构主要包括两大部分，一是行走机构的设计，二是图像采集机构的设计，通过行走机构下井，带着图像采集机构完成相应功能的工作任务。这两大部分在设计的气动逻辑下，协调完成检测的功能，通过气动调压阀、节流阀等调节，实现机器人前进的速度与旋转速度的变化。考虑到各机构布置的合理性，如图1所示，完成了管道检测机器人的整体设计图。

图1 管道检测机器人整体设计图

1.2 行走机构设计与建模

1) 上撑壁机构设计

机器人行走机构要求能够适应600～1050 mm的不同管径的污水管道，所以自适应撑壁机构的设计非常重要。

机器人在实际行走过程中，应尽量降低底盘的高度，保证机器人重心下沉，增加机器人的稳定性。污水井口的尺寸为550～600 mm，为了能达到1050 mm的污水管壁，考虑使用连杆机构，连杆机构大部分都是低副，这种面接触对元件冲击力小，承载能力强，加工容易，可以很方便的改变运动的行程大小。

设计如图2所示的六杆机构运动简图，这也是气压式连杆机构的简化模型。压缩气体进入气缸的无杆腔，推动活塞杆移动，克服阻力，绕轴O2转动，气缸推动三角形铰接板绕轴O1转动，并通过铰接板将力传递至撑壁杆，使得撑壁杆绕轴O转动，要适应600～1050 mm的内径管路，将O,O1,O2固定在安装盘上，由O2固定上撑壁气缸，气缸接通气源之后，活塞杆伸出，带动三角形铰接板绕O1转动，可拉动支撑杆较大范围调节，这是一种自适应的上撑壁机构，可以明显观察到，六杆机构的撑壁可进行较大范围的调节。

图2 六杆机构运动简图

根据撑壁杆的自适应，为了使撑壁折叠机构能够更加可靠的展开与收回，通过气缸加入驱动力，利用气缸的往复运动使撑壁折叠机构展开和收缩，使其对于不同管道的直径有很好的适应性，设计了如图3所示的上撑壁机构。

图3 机器人上撑壁机构

2) 行走机构整体设计

根据蠕动式机器人爬行的特点，行走机构主要包括前后撑壁机构与中间的伸缩机构，如图4所示，中间的伸缩机构直接选用一对伸缩气缸代替，前后的撑壁机构包括上撑壁与下撑壁机构。

行走机构在作业中，上撑壁机构一直伸出，顶住管壁，效果相当于增加了整个机器人的自重，增大下支撑机构与管壁的摩擦力，保证机器人在污水的冲击下，还能可靠撑住管壁，机器人前进或者后退时，按照设计的气动逻辑，由前盘的下撑壁气缸撑住管壁，伸缩缸伸出，当伸缩缸触动机动换向阀时，前盘的下撑壁气缸缩回，行走轮落地，后盘的下撑壁气缸伸出撑住管壁，伸缩缸根据设计的气动逻辑缩回，拖动整个前盘向前。如此循环，机器人蠕动向前，如果想要后退，只需1个换向阀控制即可实现。

图4 机器人行走机构

1.3 图像采集系统设计与建模

图像采集系统主要是在行走机构的基础上设计的，整个图像采集系统的机械设计包括旋转机构与升降机构。旋转机构要满足能够绕着管壁做回转运动，除了行走机构下部为扫描盲区，其余管壁应全部扫描到，保证检测的完整性。升降气缸带着图像采集装备作业，透明密封模块可以抵达污水管的管壁。整个系统设计时，应该注意考虑减速气动马达的回转中心在管壁的中心，减速气动马达要与升降气缸连接可靠，还要达到拆装方便的效果，这样才能提升整个机器人的使用性能。

对管道带水检测机器人的图像采集机构的各个零部件进行三维建模，如图5所示，包括图像采集模块、旋转马达和减速箱控制的旋转机构、 升降气缸控制的升降机构。并将各个零件根据相应配合关系进行装配，完成图像采集机构的设计建模。

图5 机器人图像采集机构

整个旋转与升降机构的执行过程是在接通气源的情况下，由升降气缸伸出顶住管壁，旋转马达开始做自动旋转，当抵达极限位置，由挡板触动机动换向阀，机动换向阀接通气源，旋转马达即可实现换向。

2 管道检测机器人气动控制系统的设计与仿真

管道检测机器人将要在充满易燃易爆的污水管道中作业，选择全自动的气动逻辑控制是非常有必要的，整个系统的执行机构都是气压驱动，实现机器人的行走与扫描。

2.1 气动控制系统设计

在污水中实现自动采集图像的机器人气动控制方案在于通过不同的气体控制阀与气动控制元件控制，实现机器人在污水中的行走与图像采集工作。如图6所示，这是全气动控制系统部分，当气源13接通后，总分为3路。

第1路为二位五通的升降气缸控制开关11，该手动开关的2口与4口分别接入升降气缸的有杆腔与无杆腔；

第2路为二位三通的手动全收缩开关12，该手动全收缩开关12的2口又分为五路，第1路接的是下撑壁气缸2的有杆腔，第2路接通的是前进缸组并联后的有杆腔，第3路接通的是下撑壁气缸1的有杆腔，第4路接通的是二位三通单向气控阀5，第5路接通的是并联后的上撑壁气缸的有杆腔；

第3路就是总前进开关，该前进开关接通后又分为6路，第1路接通的是并联后的上撑壁气缸的无杆腔，第2路接通的是换向开关，第3路接通的是三位五通双向气控阀17的1口，第4路接通的是二位五通双向气控阀18的1口，第5路接通的是并联后的前进缸机动阀，第6路接通的是并联后的马达机动阀。

2.2 气动控制系统仿真

用FluidSIM气动仿真软件对检测机器人的行走与检测气动控制系统建模与仿真，通过仿真结果确定设计的气控逻辑的正确性。

如图7所示，气源设定为0.7 MPa，设计的全气动控制系统可以实时检测这些气动元件的一些关键参数，在全气动控制的系统中添加状态表，通过点击系统中的机动阀，改变气控阀的阀芯位置，或者改变气动马达进出口的气体流向，从而可以从状态表中观察到各个气缸的工作状态。

1.下撑壁气缸2 2.上撑壁气缸2 3.前进缸机动阀1 4.前进缸机动阀2 5、10、19.二位三通单向气控阀 6.前进伸缩缸组7.下撑壁气缸1 8.上撑壁气缸1 9.升降气缸 11.升降气缸控制开关 12.全收缩开关 13.气源 14.前进开关15.换向开关 16.单向气控阀 17.三位五通双向气控阀 18.二位五通双向气控阀 20.马达机动阀121.马达机控阀2 22.减速气动马达图6 管道带水检测机器人全气动控制回路

图7 气路设计

如图8所示的仿真结果可以说明，上撑壁气缸1，2打开气阀之后就可靠撑住了管壁，下撑壁缸1与下撑壁缸2的气动逻辑相反，下撑壁气缸达到满行程80 mm 后，下撑壁气缸2全部缩回，当下撑壁缸1撑住管壁，下撑壁缸2离开管壁，伸缩气缸1，2在以上逻辑完成之后，旋转马达旋转，触碰到机动换向阀，前进伸缩缸的行程从0开始变化到300 mm，整个逻辑发生改变，该仿真结果表明符合需要实现的气路控制功能。

3 管道检测机器人强度校核与受力分析

3.1 机器人安装盘强度校核

当管道检测机器人在实际工作的过程中，机器人的前后安装盘不仅受到上下撑壁机构的力，还要受到水流的阻力，特别是前安装盘还要支撑图像采集模块。前后安装盘受力情况复杂，对其采用ANSYS有限元分析软件进行仿真分析。具体划分的网格如图9所示，

图8 机器人气路仿真状态

之后在安装盘上加载固定约束和所受力的大小方向，然后求解，经过有限元软件计算分析后，得到关于前后安装盘的应力及应变的分析结果，具体如图10、图11所示。

3.2 上撑壁机构受力分析

对上撑壁机构在600 mm管内进行受力分析，当上撑壁机构撑住管壁时，整个撑壁系统处于静止状态，杆4与杆5都为二力杆，具体受力如图12所示。

图9 三维模型网格划分

图10 前安装盘ANSYS仿真结果

图11 后安装盘ANSYS仿真结果图

图12 上撑壁折叠机构受力分析

对该空间力系进行分析时，向O2，O3这2个简化中心分别建立直角坐标系x1O2y1，xO3y，该力系中的F1，F2的作用点对点O2的矢径以r1，r2表示，则力系的力系的主力矢F1，F2和主力矩M可用投影矩阵F(O2)和M(O2)表示为：

改写成矩阵方程形式：

其中，F3，F4的作用点对点O3的矢径以r3，r4表示，则力系的主力矢主力矩F3，F4和主力矩M可用投影矩阵F(O3)和M(O3)表示为:

改写成矩阵方程形式：

将以上式子展开，导出投影表示的独立方程，已知F1=1586 N，求解可得上撑壁机构对污水管壁的压力F4=882 N。

4 现场管道实验

对机器人所需元器件进行了选型，并根据设计图纸对非标准件进行加工。对行走机构进行装配与接管，对图像采集机构完成装配，实现了机器人所有气控系统的接线，完成摄像装备接线处理，并成功进行了现场管道试验，如图13所示，验证了机器人检测的可行性。

图13 现场管道实验

5 结论

针对管径为600～1050 mm的地下排水管道，研究管道检测机器人，研制了全气动迈步式执行机构，研制适应不同管道直径的自适应撑壁机构，污水中图像采集的自动扫描机构与机器人控制系统。同时对于机器人前后安装盘和上撑壁机构建立数学模型进行仿真实验研究，验证研究的可行性。最后，设计制作物理样机进行现场管道试验，从试验结果推断理论分析的正确性和设计方案的可行性。