鄭 杰 尚祖躍 竇益華 楊 旭

(1.西安石油大學機械工程學院 2.西安特種設備檢驗檢測院 3.西北工業(yè)大學動力與能源學院)

0 引 言

管道已成為能源輸送、生活供水和生產(chǎn)化工等領域的主要運輸載體[1-2]，但隨著使用時間的延長，管道會由于運輸物質(zhì)的腐蝕、自身材料的老化以及施工質(zhì)量等，出現(xiàn)泄漏或破損等情況，造成環(huán)境污染，甚至嚴重威脅人類的生存安全，給國家?guī)聿豢晒懒康慕?jīng)濟損失，所以對管道進行檢測很有必要[3-5]。然而，為了不占用土地資源，輸氣管道通常埋在地下，因此管線的維修檢測和及時更換成為一大難題[6-9]。針對此類問題，管道機器人應運而生，并成為國內(nèi)外相關領域研究的重點[10]。

我國在管道機器人領域的研究進展迅速[11]，一些高等院校和科研院所[7]致力于研發(fā)不同種類的管道機器人。孫樂辰等[12]基于超聲波檢測技術(shù)，設計了一種能夠自主運行，保證較大范圍變徑及適應較小直徑管道檢測的內(nèi)檢測機器人。中國石油大學賈仕豪等[13]研究了一種油氣管道內(nèi)退磁檢測機器人，該機器人采用電機驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)，可以通過攜帶磁體環(huán)的方式對管道進行在線退磁。韓傳軍等[14]設計了一種管道內(nèi)封堵導流機器人，可快速解決管道的泄漏問題，并在管道不停輸?shù)那闆r下進行管道封堵。李智強等[15]設計了一種搭載獨立驅(qū)動模塊的支撐式機器人，該機器人在管道內(nèi)可以完成直行、螺旋及轉(zhuǎn)彎等運動，并能進行姿態(tài)調(diào)整，具有較強的適應性和穩(wěn)定性；但其機構(gòu)復雜且控制難度大。楊彩霞等[16-17]提出一種支撐式油氣管道機器人，該機器人采用一種集齒輪機構(gòu)、雙旋向絲杠螺母機構(gòu)、彈簧預緊機構(gòu)于一身的變徑機構(gòu)，優(yōu)化后螺母水平推力減小了 41.5%。

早在 20 世紀 90 年代，國外就開始了井下機器人的研制，目前技術(shù)已非常成熟[18]。國外學者研制出一種名為PIG的機械設備，俗稱管道豬[19]。A.OYAMA等[20]針對小直徑管道設計了一種蠕動式管道機器人，該機器人對不同管徑具有良好的適應性，但牽引力不足導致應用有限。T.HALSTED等[21]設計了一種由雙模塊組成的管道機器人，該機器人的一種引導模塊由一組平行于管道軸線運動的輪子引導，另一驅(qū)動模塊由一組傾斜的輪子圍繞管道的軸線而旋轉(zhuǎn)，被迫跟隨運動。上述成果主要是面向輸氣管道內(nèi)部缺陷檢測機器人的研究而形成，但仍然存在工作時牽引力不足、結(jié)構(gòu)復雜、變徑范圍小等問題。本文針對以上幾種不足，以直徑300～400 mm管道為例，設計了一種能夠?qū)崿F(xiàn)同步自主變徑的模塊化輸氣管道檢測機器人。

1 機構(gòu)設計及工作原理

1.1 工況需求分析及整體結(jié)構(gòu)設計

針對直徑為300～400 mm的輸氣管道內(nèi)壁進行檢測而設計自主變徑的管道機器人，設計要求機器人在行走過程中具有良好的力學性能，保證能夠跨越多種障礙且能夠通過≥90°彎管、45°斜坡和豎直管道；模塊化設計可以使其能夠搭載其他單元，促進其在實際工作時能夠適應管徑的變化，實現(xiàn)一定范圍的變徑功能。機器人單次工作距離不超過300 m，行走速度不低于16 cm/s，工作時所提供的最大牽引力不小于400 N。因此，為直觀地了解機械結(jié)構(gòu)，利用三維數(shù)字化建模軟件SolidWorks對該機器人結(jié)構(gòu)進行設計，根據(jù)實際工況需求，所設計的管道機器人結(jié)構(gòu)主要包括伸縮變徑機構(gòu)、支撐機構(gòu)，如圖1所示。

圖1 管道機器人三維圖Fig.1 3D diagram of pipeline robot

1.2 支撐機構(gòu)的設計及工作原理

通過對比幾種支撐方式的優(yōu)缺點，本設計支撐機構(gòu)采用絲杠螺母支撐設計，其原理如圖2所示。該支撐機構(gòu)傳動穩(wěn)定，通過電機的轉(zhuǎn)動帶動絲杠左旋或右旋，從而達到根據(jù)管徑變化主動調(diào)節(jié)支撐機構(gòu)張開角度的目的。支撐機構(gòu)包含有四桿機構(gòu)、雙四桿機構(gòu)以及剪叉機構(gòu)。在支撐機構(gòu)機架上安裝有支撐輪，可以隨四桿機構(gòu)共同運動；雙四桿機構(gòu)可以調(diào)節(jié)支撐輪的高度和角度，通過伸縮缸帶動主動桿來帶動支撐臂運動，從而達到變徑適應的目的；剪叉機構(gòu)通過中間2根交叉十字桿的剪叉運動實現(xiàn)支撐輪的升降。

圖2 支撐機構(gòu)原理圖Fig.2 Schematic diagram of support mechanism

管道機器人的詳細結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—伸縮電機；2—驅(qū)動桿；3—伸縮變徑齒輪副；4—絲杠螺母；5—支撐臂連接桿；6—驅(qū)動腿；7—驅(qū)動輪；8—錐齒輪副；9—驅(qū)動電機；10—支撐腿。圖3 管道機器人結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of pipeline robot

工作原理：機器人的伸縮電機驅(qū)動伸縮變徑齒輪副運動，齒輪副的轉(zhuǎn)動傳遞給絲杠螺母，通過支撐臂連接桿的作用，實現(xiàn)驅(qū)動腿和支撐腿的擴張和收縮運動。此時利用驅(qū)動桿實現(xiàn)兩側(cè)機構(gòu)的同步運動，從而實現(xiàn)管內(nèi)變徑動作。當伸縮電機不再工作時，驅(qū)動電機開始運轉(zhuǎn)，通過錐齒輪副將動力傳遞到驅(qū)動輪上，從而實現(xiàn)機器人的管內(nèi)運動。

1.3 模塊化連接結(jié)構(gòu)設計

應用模塊化思維可將該機器人分為多個模塊，每個模塊可以發(fā)揮不同工況的檢測、定位等作用。根據(jù)設計目標，該機器人需通過直徑300～400 mm的直管、不小于90°的彎管、45°斜坡和豎直管道。在直管和彎管中的運動方式有所差異，直管中主要為直行運動，而彎管中的行進受管道影響，后續(xù)模塊需要與相鄰模塊連接處有一定的角度偏差，所以選用的模塊化連接機構(gòu)必須具備可以360°轉(zhuǎn)動的功能。參考相關文獻與設計，決定選用萬向節(jié)作為連接機構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。萬向節(jié)保證了各機器人可以相互連接，適應模塊化布置。結(jié)構(gòu)設計中還可以通過增加機器人數(shù)量提升整機的牽引力，以確保該機器人在長距離作業(yè)時有足夠的牽引力，從而滿足長距離作業(yè)的要求。

圖4 模塊化連接結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Modular connection structure diagram

2 常見工況力學分析

2.1 直管運動工作特性分析

管道機器人在實際工作時遇到最多的工況就是直管運動。假設機器人在工作時每個輪子與管道內(nèi)壁充分接觸，則此時機器人的中心軸線與管道中心軸線應為重合狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 管道機器人直管運動狀態(tài)示意圖Fig.5 Schematic diagram for motion state of pipeline robot in straight pipe

如圖5所示，在管道內(nèi)建立全局坐標系(x，y，z)，管道的中心軸線與z軸重合，通過右手定則確定坐標系方向；機身上建立局部坐標系(x1，y1，z1)，其中原點O1位于3個支撐輪與管道軸線相交點，該坐標系在全局坐標系中為(0，0，z)T，此時z軸與z1軸共線，x1軸與支撐臂平行。但在實際工作中機器人會受到外部因素干擾，局部坐標系會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生偏移夾角，將此時局部坐標系與全局坐標系之間所產(chǎn)生的偏移夾角稱為姿態(tài)角α。機器人作業(yè)時2組輪腿上的驅(qū)動電機工作狀態(tài)一致，在輪軸上建立第二個局部坐標系(x2，y2，z2)，取管道半徑為R，輪子半徑為r，則該局部坐標系原點O2在第一個局部坐標系(x1，y1，z1)中記作(R-r，0，0)T，此時2條x軸共線，2條y軸與z軸相平行。

由坐標變換原理可得，機器人的坐標變換關系可以由下式表示：

(2)

為了簡便計算，將各個輪子與管道的接觸看作點接觸，接觸點為P，P點即位于x2O2z2平面，該點坐標記為：

2P=(r00)T

(3)

由位置變換可以將P點轉(zhuǎn)換到全局坐標系，其數(shù)學關系式為：

(4)

式中：

(5)

由式(4)和式(5)可以得到：

(6)

管道機器人作業(yè)時，其運行長度z可以表示為移動速度v與時間t的乘積，則機器人在直管內(nèi)部的軌跡方程為：

(7)

式中：v為機器人移動速度，cm/s；t為機器人運行時間，s。

在MATLAB軟件中對該軌跡方程進行求解，管道直徑為300 mm，管道機器人行走速度為16 cm/s，計算得出機器人直管工作軌跡如圖6所示。圖6表明，機器人在直管中工作時運行平穩(wěn)，運動軌跡始終為一條直線。

2.2 彎管運動分析

彎道運行也是管道機器人作業(yè)時常有的工況，管道機器人的最大外形尺寸必須滿足彎管的幾何約束。將輸氣管道的管道機器人類比為圓柱體(所有輪腿與管壁接觸的最大面積)，則管道機器人直角彎道處的通行與卡死情況如圖7所示。

圖7 輸氣管道機器人通過90°彎管時的條件Fig.7 Conditions for gas pipeline robot to passe through 90° bend

依據(jù)圖7建立數(shù)學模型，設管道的彎曲半徑為R、彎曲角度為γ，管道內(nèi)徑為D，其中γ通常最小為90°，D取300～400 mm。管道機器人的主要參數(shù)有機器人的主體長度L、主體徑向最大尺寸d。

由圖7可知，輸氣管道機器人處于彎道時的卡死情況可分為2種(臨界點選取彎管與直管交界處)：

(8)

管道機器人的2個端面在彎管的彎管部分時，如圖7b所示，則該管道機器人的最大幾何尺寸應該滿足下式：

(9)

由于此次設計的輸氣管道機器人應用于300～400 mm管徑，且選用的為輪式和支撐式相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，所以只需要考慮圖7b的情況。

從式(9)可以得出結(jié)論：管道機器人的最大長度Lmax隨彎道半徑R的增大而增大，隨主體最大徑向尺寸d的增大而減小。

如在最小尺寸為300 mm的管道中行駛，則D=300 mm；根據(jù)GB 12459—1990《鋼制對焊無縫管件90°彎頭尺寸表》可知，若D=300 mm時R=305 mm，機器人寬度d可初步設定為250 mm，根據(jù)式(9)可得Lmax=415 mm。

根據(jù)計算和零件選型，得出輸氣管道機器人總體長度不大于415 mm時，該機器人能夠順利通過彎道，因此本文管道機器人的長度取400 mm。

3 動力學仿真分析

3.1 直管通過性分析

將建立的虛擬樣機模型導入管徑為400 mm的直管內(nèi)，對其通過性進行分析。仿真過程如圖8所示。運行過程中行走平穩(wěn)，無運動干涉，圖8中的白色線為機器人輪子的軌跡線。

圖8 直管通過性仿真過程Fig.8 Simulation process of straight pipe passability

機器人各輪及樣機質(zhì)心在z軸方向位移隨時間的變化曲線(s-t)如圖9所示。

圖9 各質(zhì)心z方向位移變化曲線Fig.9 Shift variation curve of each centroid over time in the z axis direction

各輪質(zhì)心在z軸方向上速度時間變化曲線(v-t)如圖10所示。

圖10 各輪質(zhì)心在z軸方向上速度時間變化曲線Fig.10 Velocity variation of each wheel’s centroid over time in the z axis direction

當仿真開始后管道機器人的速度在極短時間增大到10 m/min，然后保持穩(wěn)定，且此時各輪質(zhì)心的曲線重合，位移時間變化曲線與速度時間變化曲線表明，管道機器人的輪子之間速度相同且無相對運動，該機器人結(jié)構(gòu)設計合理；仿真過程中曲線比例穩(wěn)定，說明管道機器人能夠穩(wěn)定工作，各輪子與管道內(nèi)壁的接觸無打滑現(xiàn)象。

為確保管道機器人工作時的穩(wěn)定性，繼續(xù)對其瞬時速度進行測量，得到的機器人質(zhì)心x和y方向v-t變化曲線如圖11所示，驅(qū)動輪質(zhì)心的x和y方向速度變化曲線如圖12所示。

圖11 機器人質(zhì)心x和y方向速度變化曲線Fig.11 Velocity variation of robot centroid in the x and y axes directions

圖12 驅(qū)動輪質(zhì)心x和y方向速度變化曲線Fig.12 Velocity variation of driving wheel centroid in the x and y axes directions

由圖11和圖12可見，驅(qū)動輪速度波動曲線的波動范圍始終為-4.5～4.5 mm/s。在仿真過程中，x與y方向的速度曲線出現(xiàn)較大波動，這種情況在豎直管道內(nèi)部的實際工作時是難以避免的。管道機器人的速度變化在9 mm/s范圍內(nèi)，位移在0.5 mm范圍內(nèi)，所得偏差在允許范圍之內(nèi)，可忽略不計。綜上所述，管道機器人在直管內(nèi)部能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)的運動，具有良好的直管通過性。

3.2 彎管通過性分析

對管道機器人通過彎管的極限情況(90°彎管)進行仿真分析，仿真過程如圖13所示，機器人的質(zhì)心位移變化曲線如圖14所示。

圖13 彎管通過性仿真過程Fig.13 Simulation process of bent pipe passability

圖14 機器人的質(zhì)心位移變化曲線Fig.14 Shift variation of robot centroid

由圖14可見：樣機在z軸方向的速度始終近似為0。在0～7.3 s樣機還未進入彎道時，其在直管中勻速運動；在轉(zhuǎn)彎初始時，由于各輪轉(zhuǎn)彎半徑不同，導致外輪轉(zhuǎn)速高于內(nèi)輪轉(zhuǎn)速，即x方向速度小于y方向速度，同時機器人的質(zhì)心速度也增大；在11.2 s之后樣機完全走出彎管，繼續(xù)勻速直線行走，x軸方向速度出現(xiàn)大幅度差值，這是因為樣機在剛進入彎管時，機身向x方向傾斜，當機身完全走過彎管時，x軸方向的速度曲線逐漸平穩(wěn)，此時y軸出現(xiàn)變化的原因與x軸相反。因此使得管道機器人在過彎時運行平穩(wěn)。

圖15為樣機質(zhì)心速度變化曲線。

圖16為樣機驅(qū)動輪的質(zhì)心角速度變化曲線。如圖16所示，樣機在準備過彎時圖線穩(wěn)定，數(shù)據(jù)此時還無明顯波動；行走至過渡階段，前部3個輪子在剛進入彎道時會有輪子與管壁接觸不充分的現(xiàn)象，所以圖像中測得的位移、速度曲線會呈現(xiàn)一定的波動，這屬于正?，F(xiàn)象；當管道機器人走出彎管重新進入直管段時，其所有輪子與管壁充分接觸，圖像恢復平穩(wěn)。

圖16 樣機驅(qū)動輪的質(zhì)心角速度變化曲線Fig.16 Angular velocity variation of driving wheel centroid of prototype

3.3 豎直管道通過性分析

豎直管道內(nèi)部的參數(shù)設置與水平管道參數(shù)設置相同，僅改變重力的方向，使管道中心軸線與重力的方向重合，其仿真過程如圖17所示。

圖17 豎直管通過性仿真過程Fig.17 Simulation process of vertical pipe passability

仿真得到了驅(qū)動輪2的質(zhì)心在x及y軸方向位移隨時間的變化曲線，如圖18所示。

得到的驅(qū)動輪4的質(zhì)心在x及y軸方向位移隨時間的變化曲線如圖19所示。

圖19 驅(qū)動輪4質(zhì)心在x及y軸方向位移隨時間的變化曲線Fig.19 Shift variation of centroid of No.4 driving wheel over time in the x and y axes directions

2驅(qū)動輪的速度波動曲線不一致，但其波動范圍均在-4.5～5.5 mm/s之間，此處選取驅(qū)動輪4進行說明。

由圖18、圖19可知，在仿真過程中，x與y方向的速度曲線出現(xiàn)較大波動，說明管道機器人在豎直管道內(nèi)部的受力存在不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這在實際工作時難以避免，其運動過程中存在的震動會直接影響到管道機器人質(zhì)心的位置變化，其在x及y方向的位移變化時間較短，且頻率過高，導致管道機器人速度波動極為明顯，這在誤差范圍內(nèi)，屬于正常現(xiàn)象。受重力影響，2圖中機器人的速度波動曲線范圍均不超過10 mm/s，這表明其在直管運動時運動方向上無重力阻礙，速度波動可以忽略不計。綜上所述，管道機器人在豎直管道內(nèi)部可以實現(xiàn)穩(wěn)定行走，其具有良好的豎直管道通過性。

4 結(jié) 論

(1)設計的管道機器人采用對稱的支撐輪式同步變徑結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)機身2端同步自主變徑，變徑范圍為300～400 mm。

(2)驅(qū)動模塊由電動機帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，額定爬行速度16 cm/s，最小過彎半徑660 mm，牽引力不小于400 N。

(3)在機器人模塊化連接結(jié)構(gòu)中創(chuàng)新使用了萬向節(jié)，適應了管道機器人模塊化布置需求，大大增加了牽引力及運行穩(wěn)定性。

(4)對建立的虛擬樣機模型進行動力學仿真分析，其在直管、彎管及豎直管道的速度仿真曲線誤差均不超過10 mm/s，具有良好的管道通過性。