油气管道检测机器人样机设计与仿真分析

杜怡君，徐 超，马银涛，赵世平

（四川大学制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

1 引言

油气管道是重要的能源传输载体，因长期受到内部介质腐蚀及西南地区潮湿气候的影响，管道内部情况十分复杂，须定期检修保障油气安全运输；人工开挖成本高且效率低，因此研制出适用于油气管道内部检测的管道机器人，对保障安全的生产生活环境具有十分重要的意义[1]。

德国的IBAK 系列机器人能够进入（5～220）cm 直径范围的管道内部进行检测，根据需求配置不同的传感装置，但不能在竖直管道内工作，拖缆工作给运动灵活性带来极大限制[2]。内蒙古工业大学研制的可变径轮式管道检测机器人，能够在（90～160）mm的管道内行走，但变径结构缺乏柔性，不能适应管道内复杂变化[3]。印度NITTTR 学院研制的螺旋驱动型轮式管道机器人能够在竖直管道工作，行进速度可以通过调整转子轮的倾斜角度改变[4]。日本神奈川大学研发的管道机器人具有很强的管道适应性，能够利用连接单元将多个机器人组成一个系统，工作于各种复杂管道中[5]。

针对内径范围为（500～600）mm 的油气管道，设计研制了一种具有柔性变径结构的管道检测机器人，能够在各种角度（0～90）°的管道中平稳行走，在ADAMS 环境下分析了机器人在管道中的行走状态，结合无线通讯技术和MEMS 陀螺仪实现管内控制和定位。

2 管道机器人系统介绍

2.1 机械结构

机械结构是管道检测机器人的核心，也是机器人进入管内作业的前提与关键，管道机器人的三维机械结构，如图1 所示。机器人的行走方式属于支撑轮式，可以产生较大的封闭力，满足机器人行走于垂直管道的要求[6]。六组行走机构沿圆周等间隔的支撑在管道内壁上，可以收缩或张开以适应管道内径变化，保持机器人的中心轴线与管道中心轴线平行。六组行走机构分为主动和被动行走机构，三组主动行走机构间的夹角为120°，该机构中的橡胶轮由电机驱动，被动行走机构负责平衡机器人重心，起到辅助支撑的作用。

图1 管道机器人三维模型Fig.1 Three Dimensional Model of Pipeline Robot

为适应管道内径变化，机器人的径向尺寸需在一定范围内变动。管道机器人常见变径方式有：蜗轮蜗杆变径、升降机变径、丝杠螺母副变径和弹簧变径[6]。前三种属于主动变径方式，弹簧变径是被动变径方式，主动变径方式具有预紧的功能，可以精确控制机器人径向尺寸，但不能同被动变径一样很好的跟随管道内径的变化。由于腐蚀和介质堆积，管道内径不会保持标称值不变，且变化量不可预知，为保证任一时刻机器人各轮能够与管道内壁紧密接触，不产生相对位移，对两种变径方式进行了组合，如图2 所示。变径结构中滑块、长杆和支撑杆组成了摆动滑块机构，该机构将电动顶杆活动杆的直线位移转化为机器人轮心纵坐标的变化，达到主动调节机器人的径向尺寸的目的，滑块A、B间的弹簧用以辅助机器人适应管道内径的微小变动，给机构增加柔性，提高机器人越障能力。这样的组合方式让两种变径方式的优点得以在同一个变径结构中充分展现。

图2 变径结构示意图Fig.2 Variable Structure Schematic Diagram

2.2 电气系统

电气系统采用模块化设计思路[7]，将系统分为四个独立的功能模块，包括通讯模块、控制模块、定位模块和电源模块，其中主控制器选用stm32f407。

2.2.1 通讯模块

机器人在金属管道内部工作，与外界的通讯会受到诸多限制，而拖缆通讯方式会给机器人的运动造成很大阻力，因此采用无线WiFi 通讯方式，通过ESP8266WiFi 无线收发模块与管外控制端通信，WiFi 模块将接收到的控制指令传给主控器解析，并作用于其余电气模块上，改变机器人的工作状态。

2.2.2 控制模块

控制模块负责控制机器人的变径与行走。其中，电动顶杆的型号为BXTL150，带有直流电机和编码器用于控制和测量活动杆的位移，该顶杆的最大行程为50mm，最大推力可达1300N，能够满足机器人变径过程中的位移、推力需求。给管道机器人提供驱动力的电机是控制机器人在管内行走、攀爬的重要元件，对机器人在管内的受力情况进行分析后，估算出所需驱动力矩约为2.399N·m，故选用LX31WG 涡轮蜗杆双轴齿轮直流减速电机。该电机的额定转矩为3N·m，堵转转矩为4.5N·m，能为系统提供充足的动力。

2.2.3 定位模块

为明确管内腐蚀位置和机器人故障检查，需对机器人进行定位。采用相对定位技术，即利用特定传感器采集目标运动的角度和位移，从而计算出机器人的位置和姿态，其定位原理，如图3 所示。

图3 相对定位技术原理图Fig.3 Principle Diagram of Relative Positioning Technology

假设机器人的初始位置A0（X0，Y0）已知，经过一段时间t 后传感器测得其移动距离S1和角度θ1，此时机器人的位置A1（X1，Y1）可以由几何关系计算得出：

通过不断的叠加，可以求得机器人运动过程中任意时刻的位移和角度，从而实现对机器人的定位[8]。

利用MEMS 陀螺仪和码盘对移动机器人运动信息进行采集，利用卡尔曼姿态解算算法可将陀螺仪测得的各轴角加速度和加速度融合，得到机器人的航向角θ；对安装在电机轴上的码盘输出的脉冲信号进行计数，可以计算出机器人的位移S，即完成对机器人的定位。

2.2.4 电源模块

选择了24V，6000mAh 的聚合物组合电池，电池组标准放电为6A，最大放电电流可达10A。由于单片机供电电压为5V，而电机驱动电压为24V，故选用集成了LM2596 电压调节器的电压转换模实现（24～5）V 的电压转换。实际使用中该电池能够为样机系统提供稳定的电压，供其正常工作长达1h。

3 仿真分析

在实际工作环境中，管道检测机器人需能够平稳通过直管、弯管或T 型管，直管中的运动相对单一，而在弯管与T 型管中都面临着在弯道处运动的复杂问题，因此研究管道机器人在弯道处的通过性和运动特性是十分重要的。为了形象描述机器人在管道内的运动过程，将在SolidWorks 中建模的三维模型适当简化后，导入至ADAMS 中进行仿真分析[9]。

根据管道机器人的运动特性和设计数据，利用固定副、旋转副和移动副为各零部件添加约束，并在设计位置处添加柔性力—弹簧；为保证仿真过程中，机器人完全按照管道轨迹运动，在轮子与管道内壁之间添加了接触，并根据实际中测得的摩擦系数进行设置；最后在三组驱动轮处添加驱动力矩，为整个系统添加重力。仿真过程中机器人在管道初始位置和弯道处的状态，机器人能够以平稳的姿态通过整个管道，如图4 所示。

图4 管道机器人仿真运动过程Fig.4 Simulation Process of Pipeline Robot

管道机器人质心的位移曲线，如图5 所示。该曲线表明：机器人在直管中做水平直线运动，移动速度较平稳，在3s 左右进入弯管后速度明显降低，通过弯管后又恢复至正常运动速度。该曲线描述的机器人运动过程与预期相符。驱动轮角速度变化曲线，如图6 所示。

图5 管道机器人质心的位移曲线Fig.5 Displacement Curve of Mass Center of Pipe Robot

图6 驱动轮角速度变化曲线Fig.6 Angular Velocity Change Curve of Driving Wheel

位于弯道最外侧和最内侧的两组驱动轮的角速度变化曲线。直管内运动时角速度较稳定，进入弯道时，由于各轮的位移不同，弯道外侧行走轮的角速度增加，内侧轮的角速度减小，出弯道后角速度恢复至固定值。曲线中角速度的抖动是因为管道内壁的摩擦力、系统重力以及柔性力预紧适应过程使得初始加速过程不稳定。变径机构中弹簧形变量的变化曲线，如图7 所示。仿真开始后，弹簧压缩预紧使各轮与管道内壁接触；初始运动状态下，为适应驱动力矩与摩擦力，为系统提供足够封闭力[10]，弹簧形变量在预紧量附近轻微变动，运动稳定后形变量基本保持不变；弯道中，由于机器人的姿态不断变化，弹簧形变量并不是单调递增或递减，需要跟随机器人的状态不断调整，确保机器人不卡死在弯道中的同时保障运动的平稳性。

图7 弹簧变形量变化曲线Fig.7 Change Curve of Spring Deformation

4 实验

根据机器人的设计结果制作了实验样机，其中腔体、前后封盖均采用3D 打印技术制作，材料为未来800 树脂，具有较好的拉伸强度和弯曲强度。丝杆选用了规格为T12*3*420mm 的梯形牙丝杆，与普通螺纹杆相比具有更强的轴向负载能力。

4.1 验证实验

样机在实验室直径500mm 的管道中进行了运动实验，不管是水平运动还是垂直运动，都运行平稳，效果较好，垂直运动时悬停稳定、可靠；管外控制端发送的指令可以通过WiFi 传给机器人，改变其运动、工作状态。实验表明了机器人机械结构、电气系统设计的合理性。机器人在水平、竖直管道中的状态，如图8 所示。

图8 机器人工作于水平、竖直管道Fig.8 Robot Works in Horizontal and Vertical Pipe

测量机器人每次行走完2000mm 水平管道所需的时间，数据，如表1 所示。可计算得机器人在管道中的平均前进速度为49.776mm/s，符合设计要求的速度。

表1 机器人在2000mm 水平管道内行走时间Tab.1 Walking Time of Robot in 2000mm Horizontal Pipe

4.2 定位精度评估

机器人定位精度会影响检修工作量，定位精度越高，检修范围越准确，工作量越少。实验中对MEMS 陀螺仪、码盘校准后，机器人每绕Z轴转动（航向角）10°，每前进0.5m，则读取一次传感器测量值，获得测量数据，如表2、表3 所示。

表2 机器人转动角度测量结果（°）Tab.2 Rotation Angle Measurement Result of Robot（°）

表3 机器人位移测量结果（m）Tab.3 Displacement Measurement Results of Robot（m）

由测量结果可知，采用卡尔曼滤波对加速度和角速度信号进行数据融合，可以使角度误差控制在1°内；使用码盘测距时的相对误差为1%，且该误差没有时间累计效应。因此采用MEMS陀螺仪和码盘对机器人定位是具有较高精度的。

5 结论

针对可以适应油气管道内部复杂情况的管道检测机器人进行研究，设计了一种能够适应管道内径范围为500～600mm 的新型变径结构，分析了机器人在弯道中的运动特性，制作实验样机进行了性能测试实验，验证了设计方案的合理性，机器人行走速度49.776mm/s 与定位误差均满足要求；管道检测机器人样机的研制是整个检测系统的研究基础，为下一步检测和研究管道内部腐蚀、缺陷创造了条件。