水下管道智能清潔機(jī)器人的研究*

陳天樂，胡江誠，于福一，王昊宇，李 贏，楊 影

（沈陽化工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，遼寧 沈陽110142）

在工業(yè)生產(chǎn)中，管道作為一種傳輸工具必不可少。管道中總是含有各種雜質(zhì)，且難以去除?；谶@種現(xiàn)狀，決定自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)一款管道清潔機(jī)器人，主要是清掃管道內(nèi)壁、起到去污作用，是一種能夠沿著管道內(nèi)壁按照螺旋軌跡行走的機(jī)器人，其裝置附帶多種傳感器以及相關(guān)的操作裝置（CCD傳感器、位置與姿態(tài)控制傳感器、超神波傳感器、渦流傳感器、管道清潔的毛刷裝置、管道裂紋及管道接口焊接裝置、防腐與防潮噴漆裝置以及簡單的機(jī)械手裝置等），通過技術(shù)人員的遠(yuǎn)程控制來進(jìn)行一系列的操作。

我們自主設(shè)計(jì)機(jī)器人主要由電機(jī)、后輪、前輪、萬向節(jié)、毛刷等組成。基于毛刷的彈性與自適應(yīng)性，利用電機(jī)帶動毛刷離心運(yùn)動，使其貼附管壁進(jìn)行清掃，并且行走部分和毛刷部分通過萬向聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)使其完成轉(zhuǎn)向動作，可實(shí)現(xiàn)水平大角度轉(zhuǎn)彎、變徑管道清掃等功能，克服了機(jī)器人在管道中卡死、打滑等缺點(diǎn)。并且我們調(diào)查研究了市場上現(xiàn)有的管道清掃機(jī)器人，對其進(jìn)行研究分析最后得出結(jié)論，我們所設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有很高的轉(zhuǎn)化價(jià)值與發(fā)展前景。

1 國內(nèi)外對管道內(nèi)雜質(zhì)的處理方法

國外一些國家在清理管道方面已經(jīng)進(jìn)行了一系列積極的探索，采用了不少措施。管道運(yùn)輸一直是國家最重要的運(yùn)輸方式之一，其重要地位體現(xiàn)在石油、天然氣的運(yùn)輸是最為明顯的，但是因?yàn)槭?、天然氣等運(yùn)輸時(shí)出現(xiàn)雜質(zhì)是不可避免的，這也是困擾著科學(xué)家們?nèi)绾谓鉀Q管道清理的重要問題之一，并且管道清理也漸漸地成為重要的工程技術(shù)之一，也是逐漸興起的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一。以石油運(yùn)輸為例，管道使用時(shí)間過久便會造成堵塞問題，為了解決這一問題達(dá)到管道使用壽命增加的目的，目前針對此類問題有了三大類清理技術(shù)：物理清洗法、化學(xué)清洗法、物理與化學(xué)結(jié)合清洗法。

2 裝置的原理功能及創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

作者設(shè)計(jì)的管道清掃機(jī)器人主要由兩個(gè)部分組成：行走部分和工作部分。由圖1可見后面三塊亞克力板組成的結(jié)構(gòu)為行走部分，前面的毛刷以及電機(jī)組成了工作部分。這兩個(gè)部分之間通過一個(gè)萬向聯(lián)軸器來進(jìn)行連接，最終便可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)壁彎道的變向功能。

圖1 管道機(jī)器人整體設(shè)計(jì)圖

2.2 驅(qū)動方案選擇

水下智能管道機(jī)器人的行走方式是多樣的，有車輪式、履帶式、腿式等，腿式機(jī)器人雖然可以轉(zhuǎn)過曲率半徑較小的障礙，但相比較之下其他形式的機(jī)器人行走速度更快，即腿式機(jī)器人行走更慢；其中車輪式的移動速度較快，并且控制靈活方便，但是吸附在管道內(nèi)壁的能力較弱，車輪的直徑會使機(jī)器人相對于管壁的扭矩增大，使機(jī)器人工作和運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和安全性相應(yīng)降低；履帶式著地面積大，機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)，但其相對于腿式的不易避開障礙，不易轉(zhuǎn)彎。這三種行走方式的跨越障礙能力都很弱。因?yàn)檐囕喪降男凶叻绞降募夹g(shù)已經(jīng)非常成熟，控制起來也比其他的方式更簡單，所以最終選用車輪式的行走結(jié)構(gòu)。一般來說，采用三輪、四輪、六輪來驅(qū)動是最為常見的，根據(jù)機(jī)器人的大小以及經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，水下智能機(jī)器人選用三輪行走結(jié)構(gòu)是最為合理的。

行走部分是在末端的三個(gè)輪子上安裝馬達(dá)驅(qū)動整個(gè)機(jī)器人在管道中行走，其中為了適應(yīng)不同的管道內(nèi)徑，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)絲杠用于調(diào)節(jié)三個(gè)輪子的收縮與伸張（見圖2）。

圖2 行走部分

結(jié)構(gòu)組成：整個(gè)行走部分由步進(jìn)電機(jī)控制的滾珠絲杠、絲杠螺母、三塊亞克力板、三條驅(qū)動腿、三個(gè)由直流電機(jī)驅(qū)動的馬達(dá)、三根光軸和直線軸承組成。

工作原理：由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的絲杠通過軟件控制可以實(shí)現(xiàn)絲杠螺母上下移動的距離，同時(shí)絲杠螺母固定在中間的亞克力板上面帶動板來回移動。三根光軸與直線軸承配套可以起到一個(gè)穩(wěn)定的作用，使中間的亞克力板能夠平穩(wěn)的上下移動，這樣就可以實(shí)現(xiàn)三條腿的向外擴(kuò)張與收縮，使其能夠緊貼管道內(nèi)壁以適應(yīng)不同的管徑。在貼緊內(nèi)壁之后，腿部末端裝有三個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動的輪子，通過軟件可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，最終就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)在管道中的前進(jìn)和后退。

2.3 工作部分方案選擇

通過學(xué)習(xí)國內(nèi)外先進(jìn)的管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)，作者發(fā)現(xiàn)現(xiàn)如今產(chǎn)品的工作部分都是固定外徑結(jié)構(gòu)的，在清掃不同的管道時(shí)不能自身調(diào)節(jié)工作外徑，需要不斷地更換毛刷。為此作者自行創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠自行調(diào)節(jié)外徑用以適應(yīng)不同管道內(nèi)徑的工作結(jié)構(gòu)，這樣會使產(chǎn)品的使用更加方便與快捷。具體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 工作部分

結(jié)構(gòu)組成：整個(gè)工作部分由毛刷、伸縮桿和管徑調(diào)整部件組成。

工作原理：工作部分如圖3所示，中間的管徑調(diào)整部件通過旋轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)伸縮桿的向外拉伸與向里收縮，其實(shí)質(zhì)上是構(gòu)成了三個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，通過這三個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)控制整個(gè)清掃毛刷調(diào)整外徑用于適應(yīng)不同的管徑。旋轉(zhuǎn)中心連接直流電機(jī)馬達(dá)，通過軟件編程可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)帶動整個(gè)工作部分運(yùn)轉(zhuǎn)（在這個(gè)過程中管徑調(diào)整部件也隨著電機(jī)一起轉(zhuǎn)動，它只起一個(gè)控制毛刷外徑的作用），用毛刷清掃管道內(nèi)壁達(dá)到預(yù)期目的。

2.4 結(jié)構(gòu)的合理性及參數(shù)的合理性

作者自行設(shè)計(jì)的管道清掃機(jī)器人在結(jié)構(gòu)的布置上較為合理，首先，整個(gè)機(jī)器人的重量集中在后面的驅(qū)動部分，這樣保證了機(jī)械結(jié)構(gòu)的重量集中在后面，使整個(gè)機(jī)器人在管道中能夠保持平穩(wěn)的狀態(tài)。其次，在設(shè)計(jì)工作部分時(shí)，為了適應(yīng)不同的管徑，我們設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)控制零件，用于控制毛刷的工作半徑，使得工作更加方便。

2.5 機(jī)械系統(tǒng)總體方案

經(jīng)過大家的努力，最后設(shè)計(jì)出來的機(jī)械系統(tǒng)總體方案的三維圖如圖4所示。

圖4 機(jī)械系統(tǒng)總體方案圖

3 關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)毛刷能夠根據(jù)管徑大小進(jìn)行自我調(diào)整，作者在毛刷的工作部分設(shè)計(jì)了一個(gè)旋轉(zhuǎn)控制零件如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)控制零件

這個(gè)旋轉(zhuǎn)控制零件通過與幾個(gè)連接桿組合形成了三個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（圖6），同時(shí)在連接桿上加工了一個(gè)卡槽（圖7）以防止桿件脫離，這樣在毛刷轉(zhuǎn)動的過程中就可以利用轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力使得毛刷緊貼管道的內(nèi)壁清掃，這樣就實(shí)現(xiàn)了毛刷對于不同大小管徑管道的自動調(diào)節(jié)。

圖6 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

圖7 連接桿卡槽

結(jié)合管道的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)連接旋轉(zhuǎn)控制的零件和聯(lián)軸器的連接結(jié)構(gòu)使用了兩個(gè)舵機(jī)控制，舵機(jī)的主要功能是控制輸出軸的旋轉(zhuǎn)，其輸出信號是由單片機(jī)給定，并且控制機(jī)器人在90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動，所以用兩個(gè)舵機(jī)控制，讓其一個(gè)控制正轉(zhuǎn)、一個(gè)控制反轉(zhuǎn)即可，通過兩個(gè)舵機(jī)的聯(lián)合控制便可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)后退動作，配合旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，在彎管內(nèi)也能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)與后退動作，使得管道機(jī)器人更加靈敏化。

運(yùn)輸油液的管道內(nèi)壁中油的粘附性強(qiáng)，并由于石油中的雜質(zhì)導(dǎo)致其黏附在管道內(nèi)壁，造成清理困難的現(xiàn)象，作者通過在校實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可使用刮刀、鋼刷清理，并且結(jié)合各種化學(xué)試劑，如洗滌劑等可達(dá)到高效的清潔目的，因此在機(jī)器人中裝載了旋轉(zhuǎn)清理結(jié)構(gòu)，使用單片機(jī)控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，并且利用內(nèi)置傳感器進(jìn)行監(jiān)測清理效率。為了適應(yīng)各種工作環(huán)境，我們還在前者的基礎(chǔ)上添加了清潔機(jī)構(gòu)便利拆卸結(jié)構(gòu)，能更換鋼刷為其他形式的清潔工具，此外可通過離合器設(shè)定最大扭矩的參數(shù)值，其作用是當(dāng)機(jī)器人在遇到障礙過于堅(jiān)硬時(shí)，能保證清潔部分機(jī)構(gòu)能夠及時(shí)停止運(yùn)行，確保管道以及機(jī)器人的結(jié)構(gòu)不被損壞。

4 運(yùn)動軌跡分析

接下來，為了分析機(jī)器人的運(yùn)動軌跡就必須先分析機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)動狀況，經(jīng)分析得出機(jī)器人通過彎道的運(yùn)動狀態(tài)可分為以下兩種：

第一種稱為過渡階段，此時(shí)將管道機(jī)器人視為一個(gè)整體、簡化為一個(gè)單元體，其在彎管處的運(yùn)動是二維平面運(yùn)動，先假設(shè)該單元體進(jìn)入指定彎道，其中心軸線與管道中心曲線相切，并沿著給定的彎管曲率半徑行走，如圖8所示，給定如下參數(shù)：機(jī)器人長為L=70mm，管道曲率半徑為R=120mm，管道直徑為D=80mm，取工程中常用的R/D=1.5，管道的環(huán)繞角度為90°。

圖8 運(yùn)動轉(zhuǎn)跡分析

第二種稱為旋轉(zhuǎn)階段，此時(shí)單元體整體進(jìn)入了彎管內(nèi)，它的運(yùn)動軌跡是圓弧，其曲率半徑已知，若假設(shè)單元體是以某種方式進(jìn)入彎管的，而且假設(shè)行走輪是剛性的，如圖8所示。當(dāng)行走輪處于過渡段的彎管處，則行走輪在這一段時(shí)間不會與管道的內(nèi)壁接觸，此時(shí)稱行走輪的邊緣點(diǎn)為可能接觸點(diǎn)。此時(shí)，毛刷恰好可以清理內(nèi)壁雜物，且轉(zhuǎn)彎不被卡死。而旋轉(zhuǎn)中心連接直流電機(jī)馬達(dá)，可以帶動整個(gè)毛刷旋轉(zhuǎn)起來，達(dá)到清潔管道內(nèi)壁的目的。

5 結(jié)束語

20世紀(jì)70年代以來，石油化工天然氣及核工業(yè)等產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，各種管道作為一種重要的物料輸送設(shè)施，得到了廣泛應(yīng)用。灰塵、物料殘留物等雜質(zhì)不可避免地會附著在長時(shí)間工作的管道中。同時(shí)，多數(shù)管道安裝環(huán)境，人們不能直接到達(dá)或不允許人們直接進(jìn)入。管道清掃機(jī)器人是能夠在水平管道自由運(yùn)動完成清掃的一種自動機(jī)械裝置，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、餐飲服務(wù)業(yè)等，伴隨各種新能源的出現(xiàn)，管道清掃機(jī)器人有著很廣闊的市場發(fā)展。該裝置可以對管道內(nèi)部進(jìn)行清潔。該裝置成本低廉、工作精準(zhǔn)高效、節(jié)省大量人力，可廣泛地應(yīng)用于管道清潔的處理企業(yè)，對保護(hù)環(huán)境具有較好地推廣應(yīng)用價(jià)值。