蠕动式管道机器人结构设计与运动特性分析

刘洪斌， 冀楠

(西南石油大学 机电工程学院，四川 成都 610500)

管道作为一种重要的运输方式，在石油和天然气的运输中起着重要的作用。我国油气管道输送量巨大，管道输送安全保障工作十分重要，管道机器人用于巡检工作成为必要需求[1-2]。Abid等[3]研究了一款用于管道泄漏检测的游泳机器人；Halsted等[4]提出了由2个模块组成管道内机器人设计，引导模块由一组平行于管道轴线运动的轮子沿管道引导，驱动模块由于倾斜的轮子围绕管道的轴线旋转，被迫跟随螺旋运；Reddy等[5]提出了一种可以在8英寸天然气管道内移动的铰接式管道检测机器人；颜丰等[6]所设计的管道机器人可在超声波传感器的帮助下检测管道裂缝。陈潇等[7]设计了履带型自适应管道机器人，研究了机器人弯管、水平管、倾斜管以及障碍管中的通过性；张禹等[8]基于硅橡胶材料超弹性特征，参考蠕虫类生物运动特点设计了一种蠕动式软体管道机器人并对其运动特性进行了试验测试；张保真等[9]为提高履带式管道机器人的驱动效率与适应性，提出一种滚珠丝杠螺母副三角升降变径机构；张延恒等[10-11]设计研发了一种柔性蠕动式管道机器人，其前后机体通过柔性弹簧轴连接从而在一定程度上可以自主适应管道内径及形状的变化，并具有良好的牵引能力。现阶段管道检测机器人依然存在管道内工作时负载力小、越障能力不足、工作运行中安全性不够高、结构复杂、不便于安装和拆卸等一些问题[12-15]。本文针对上述问题，以常见的管径457 mm长输天然气管道为例，开展了大负载力、高通过性的液压蠕动式管道机器人设计与研究。

1 管道机器人结构设计及工作原理

1.1 工况需求分析及整体结构设计

管道机器人针对直径为457 mm的天然气运输管道内壁进行离线检测，行进过程中要保障其能够越过管道内凸起、凹槽及焊圈所形成的台阶障碍，整体结构简单便于安装和拆卸。机体质量不大于10 kg、载荷或驱动负载能力不低于150 N，运动速度可调且不低于20 mm/s。根据工况需求设计的管道机器人的结构如图1所示，主要可分为前后支撑行走机构、液压驱动装置、管道检测装置。

图1 液压蠕动式管道机器人结构示意Fig.1 Structure diagram of hydraulic peristaltic pipeline robot

1.2 支撑行走机构的设计及工作原理

如图2(a)所示为管道机器人的支撑行走机构，前后2个部分完全相同，当其中一端实现自锁时另一端向前行进。其中前端与液压缸的伸缩杆顶端固定，后端与液压缸的底座固定。支撑行走机构由3组行进轮、轮腿及支撑弹簧组成，轮腿间彼此呈120°周向分布。行进轮结构如图2(b)所示，主要由内棘轮、内轮、棘爪、扭簧所组成。当外棘轮顺时针旋转时则可以正常行进，逆时针旋转时棘轮会被棘爪卡住实现自锁。单向轮内轮采用钢骨架结构，棘轮采用硬质耐磨橡胶材料，这样既可保障整体结构的刚性，又可保障轮子与管壁间的摩擦从而不会打滑。

图2 支撑行走机构示意Fig.2 Diagram of supporting walking mechanism

管道机器人支撑行走机构自锁机理如图3所示。图3(a)中支撑机构向前行进，此时A点受到推力F，单向轮紧贴内壁向前滚动且受到管壁产生滚动摩擦力fa，由于fa远小于推力F，整体能够顺利的向前行进。图3(b)中支撑机构整体停止行进，此时A′受到推力F′，单向轮紧贴管壁自锁停止转动与管壁间产生静摩擦力fb，由于fb可以与推力F′平衡，整体机构可实现自锁。

图3 支撑行走机构自锁机理示意Fig.3 Schematic diagram of self locking mechanism of supporting walking mechanism

管道机器人蠕动行走过程如图4所示。状态a时前端支撑机构与管壁自锁固定，此时液压缸收缩拉动后端向前行进，完全收缩后达到状态b。状态b后端支撑机构与管壁自锁固定，液压杆向前推出推动前端行进，当液压杆完全推出后达到状态c。如此循环往复使机器人实现蠕动式前行。由于液压缸单次行程L为112 mm。机器人由管道入口端行进至出口端对管壁进行检测，检测结束后由出口端处取出，将缆线及液压管从机器人上拆卸下来由管道入口处收回，整个过程操作简单。

图4 管道机器人蠕动行进过程示意Fig.4 Diagram of pipeline robot crawling process

1.3 管道机器人液压控制系统设计

根据图4管道机器人蠕动行进过程设计了如图5所示的管道机器人液压控制系统。其中控制节部分的液压元件包括：液压泵、油箱、过滤器、泵单向阀、控制溢流阀、电磁换向阀、压力调速阀等元件。液压系统需要采用循环往复的方式控制机器人进行蠕动行走，考虑其系统产生负载力的变化以及便于调速，液压控制系统采用压力调速阀进行调节，采用溢流阀稳定系统压力。当外载荷突然过大时液压缸体内的液压油可以通过溢流阀的调节自动返回油箱。

注：1伸缩式液压缸，2调速阀，3电磁换向阀，4单向阀，5储能器，6液压泵，7滤油器，8油箱，9溢流阀。图5 管道机器人液压控制系统原理Fig.5 Schematic diagram of hydraulic control system of pipeline robot

2 管道机器人姿态角及驱动力分析

2.1 管道机器人姿态角及受力分析

管道机器人头部添加配重物使机身在运行过程中重心始终位于前后轮连线中点左右。选择其中一组支撑机构进行受力分析。如图6所示为过管道轴心一点且与管道轴心线垂直的截面图。设定夹角γ为机器人在管道内的姿态角，其范围为-π/3≤γ≤π/3。为了使行进轮紧贴管道内壁使其自锁时不会失效，则要求管道内壁对每个行进轮都产生一定支持力，设每个轮所需最小支持力为N0，即N1≥N0，N2≥N0，N3≥N0。

根据图6可得出受力平衡方程：

(1)

式中：N1、N2、N3为3个支撑轮所受支持力；γ为管道机器人在管道内姿态角；G为管道机器人所受重力。

图6 管道机器人姿态Fig.6 Diagram of the working Euler angle of pipeline robot

当-π/3≤γ≤π/3时，N3为支撑轮所受最小支持力。控制弹簧工作拉力使N3=N0，则由式(1)可得：

(2)

管道内壁对3个行进轮的支持力之和为：

(3)

在姿态角范围内：

(4)

式(3)所得∑Ni0为管道机器人静止状态下前后支撑机构所受的管道封闭力。

取一组支撑机构轮腿受力分析，如图7所示。

图7 静止状态下支撑行走机构受力分析Fig.7 Force analysis diagram of supporting walking mechanism under static state

由图7可得受力平衡方程：

(5)

式中：l1为支撑杆DC长度；l2为支撑杆BC长度；l3为顶杆AC长度；θ为支撑角；α为顶角；FAyi为A点在Y方向的分力；FAxi为拉伸弹簧所提供的弹簧预紧力。

求解式(5)可得：

(6)

其中有几何关系：

(7)

式中L为弹簧工作时长度。

静止状态下支撑机构拉伸弹簧所需弹簧预紧力为3组轮腿所需拉力之和，即：

(8)

将式(3)代入式(8)可得：

(9)

由式(9)可以看出在不同工作姿态角下所需拉伸弹簧预紧弹力不同。当γ=0时，弹簧预紧力∑FAxi为最大值，此时提供的弹簧预紧力可以满足各工作姿态角下支撑机构所需的弹力。因此拉伸弹簧预紧力为：

(10)

2.2 驱动力分析

管道机器人的驱动力负责机器人的行进，图8为机器人行进时后端自锁固定在管道内壁，前端被液压缸推出这一状态下的受力分析图。此时后端各轮受到的支持力为Ni，前端各轮受到的支持力为N′i。后端各行进轮单向自锁而不发生转动，并且各轮受到静摩擦力fi与液压缸的推力F相平衡，因此使后端固定在管壁；前端各行进轮受到滚动摩擦力f′i，滚动摩擦力小于液压缸的推力F′因此前端向前行进。图9为此状态下管道机器人自锁端其中一组支撑轮腿的受力分析图。

图8 管道机器人整体结构受力分析Fig.8 Force analysis diagram of the whole structure of pipeline robot

图9 自锁端支撑行走机构受力分析Fig.9 Force analysis diagram of self locking end support walking mechanism

如图8所示此时机器人负载最大，后端行进轮为自锁失效临界状态，由水平方向受力平衡可得：

(11)

式中：f0为机器人的最大负载力；μg为行进轮与管壁间的滚动摩擦系数；μs为行进轮与管间的滑动摩擦系数。

由于各行进轮外轮均采用硬质耐磨橡胶材料，故可设滚动摩擦系数μg≈0，代入式(11)可得：

(12)

式中∑Ni为机器人行进时管壁对自锁端的封闭力。若想求得机器人最大负载力，则需计算出此时自锁端封闭力大小。由图9可得力学平衡方程：

(13)

求解式(3)可得：

(14)

支撑机构所需弹簧拉力为3组轮腿所需拉力之和，即：

(15)

由于机器人由静止到运动过程中，前后支撑机构拉伸弹簧长度始终未发生变化，则弹簧弹力∑FAxi大小不变，由式(10)、(15)可得管道机器人最大负载时自锁端行进轮封闭力为：

(16)

由式(12)、(16)可得的机器人最大负载力为：

(17)

管道机器人液压缸所提供的最大驱动力为：

(18)

当前端支撑机构自锁后端支撑机构前进时，驱动力分析情况相同，不再赘述。

3 管道机器人越障分析

3.1 前轮遇台阶障碍受力分析

管道中可能会存在施工时所造成的泥土、砂砾或者管道焊接时所造成的焊瘤和焊圈形成的障碍物。所以机器人的越障能力是其工作可靠性的重要指标。越障能力是指机器人在行进过程中所能越过的最大高度，当障碍物超过这个高度之后，机器人将会卡死无法继续前进。针对焊瘤等障碍物形成的环形的台阶障碍作为研究对象，当行进轮前端离开管壁时作为临界点进行研究。图10所示为管道机器人前轮越障时的受力分析图。

图10 管道机器人前轮越障受力分析Fig.10 Force analysis diagram of the front wheel of pipeline robot crossing obstacles

其中O1点为机器人的质心位置，O′、O分别为前后两轮的轮心位置，则由受力平衡方程可得：

(19)

式中：FD为机器人主体对支撑机构的合力；β1为N′i与水平方向夹角；L1为前后两轮的轮心距；La为前端行进轮到质心的距离；d为行进轮直径。

式(19)中行进轮与管道内壁间的滚动摩擦系数μg≈0，且有几何关系：

(20)

式中h1为管道机器人前轮的越障高度。

化简式(19)、(20)可得：

(21)

由于机器人行驶过程中，其重心保持在前后轮连心线中心左右，则La=1/2L1，式(21)可化简为：

(22)

由式(22)可以看出，决定管道机器人前轮越障高度的主要因素为行进轮与管壁滑动摩擦系数μs，机器人行进轮直径d，以及前后轮轮心间距L1。在行进过中，μs与d为固定值保持不变，L1随着液压缸伸缩在一定范围内变化。由式(22)可知h1是关于L1的减函数，当液压缸完全推出时L1达到最大值，此时得到h1,min为机器人前轮所能越过的安全高度，L1在定义域内取任何值前轮都能越过障碍。当障碍物高度大于h1,min时，可能发生前轮无法通过障碍物而卡死的情况。

3.2 后轮遇台阶障碍受力分析

当后端行进轮接触到台阶障碍时，取后端行进轮离开管壁临界点时进行研究。图11为机器人后轮越障的受力分析图。

图11 管道机器人后轮越障受力分析Fig.11 Force analysis diagram of pipeline robot rear wheel crossing obstacles

此时管道机器人的受力平衡方程为：

(23)

式中：β2为Ni与水平方向所成的夹角；Lb为后端行进轮到质心之间的距离。

同样有几何关系：

(24)

式中h2为管道机器人后轮的越障高度。

化简 (23)、(24)可得：

(25)

由于机器人行驶过程中，其中心保持在前后轮连心线中心左右，则Lb=1/2L1，式(25)可化简为：

(26)

与前轮相似，影响后轮越障高度的因素为行进轮与内壁的滑动摩擦系数μs，机器人的行进轮直径d，以及前后轮轮心间距L1。不同的是式(26)中h2是关于L1的增函数，当液压缸完全收缩时L1达到最小值，此时得到h2,min为机器人后轮所能越过的安全高度，L1在定义域内取任何值后轮都能越过障碍。当障碍物高度大于h2,min时，则可能发生后轮无法通过障碍而出现卡死的情况。

4 管道机器人仿真及试验研究

4.1 虚拟样机模型建立

为分析管道机器人的动态特性缩短其设计周期，提高机器人的稳定性和可靠性，决定通过ADAMS仿真软件对机器人进行虚拟样机的运动分析，如图12所示。

图12 管道机器人仿真模型Fig.12 Simulation model diagram of pipeline robot

其中管道直径457 mm，行进轮与管壁之间的滚动摩擦系数μg≈0；滑动摩擦系数μs=0.75；管道机器人重力G=80 N；支撑杆CD长度l1=90 mm；支撑杆BC长度l2=90 mm；顶杆AC长度l3=110 mm；弹簧工作时长度L=170 mm；行进轮直径d=80 mm；前后轮轮心间距范围为358 mm≤L1≤470 mm；液压缸行程为112 mm。

4.2 驱动力仿真分析

由式(18)可知，管道机器人的最大驱动力与机身重力G、行进轮最小正压力N0、滑动摩擦系数μs及支撑角θ相关。实际运行中增加机器人驱动力最简单的方法是调整支撑机构弹簧弹力来增大自锁端行进轮的封闭力。取行进轮最小正压力N0=5 N，将N0代入式(10)、(18)可得此时前后弹簧所需提供的预紧力FAxi=152.0 N，最大驱动力Fmax=153.9 N。在理论分析中机器人驱动力与负载力相等，在仿真环境中添加预紧力为0 N的弹簧模拟负载力，如图13所示。在机器人前进过程中负载弹簧弹力达到最大值时机器人自锁端失效开始打滑，此时负载弹簧拉力为管道机器人最大负载力。在ADAMS中设置前后拉伸弹簧预紧力FAxi=152.0 N，仿真计算结果如图14所示。

图13 管道机器人负载力测试仿真模型Fig.13 Simulation model diagram of load force test for pipeline robot

图14 管道机器人负载力测试仿真结果Fig.14 Simulation results of load force test for pipeline robot

如5 N曲线中所示，在0～1.8 s前端支撑机构被液压缸推出，后端支撑机构在管道内自锁不动，此时管道机器人的负载弹簧基本不发生形变。1.8 s后端支撑机构向前移动使负载弹簧拉伸，2.6 s时负载弹簧弹力达到最大值在157 N，此后由于机器人无法继续前进则负载弹簧弹力保持不变，仿真计算结果与理论计算结果基本相符。

将支撑机构拉伸弹簧预紧力FAxi增加至164、176 N重复上述仿真过程，其负载弹簧弹力变化如10、15 N曲线所示。负载弹簧变化趋势与5 N相似，其最大驱动力分别达到170、182 N。由理论分析可知，当拉伸弹簧预紧力增大，支撑机构所受管道内壁的封闭力也将变大，这提高了自锁端的最大静摩擦力以及管道机器人的最大驱动力及最大负载力。

4.3 越障能力仿真分析

在管道机器人越障仿真研究中，将环形障碍物的半径作为设计变量DV_R，通过改变设计变量DV_R的数值来调整环形障碍物的高度，如图15所示。

图15 管道机器人越障测试仿真模型Fig.15 Simulation model diagram of pipeline robot obstacle crossing test

将管道机器人的参数代入式(22)、(26)可得前轮所能越过的最大高度h1,min=6.3 mm，后轮所能越过的最大高度h2,min=9.6 mm。在ADAMS中设置障碍高度分别为6、8、10 mm，在机器人前轮距障碍物20 mm处开始运行仿真，观察机器人通过性，并对机器人前后弹簧预紧力弹力变化进行测量。设置N0=5 N，前后拉伸弹簧预紧力∑FAxi=152 N。前后弹簧弹力变化如图16所示。

图16 不同高度障碍下前后端拉伸弹簧弹力变化Fig.16 Elastic force change of front and rear extension spring under different height obstacle

图16(a)所示为管道机器人前轮遇障时前端弹簧弹力变化情况。仿真过程中前端行进轮可以顺利通过6、8 mm障碍，弹簧弹力分别在0.7 s和0.8 s时达到最大值196和210 N。障碍物高度越大，支撑机构被挤压的程度越大，从而增大了弹簧的伸长量和弹簧拉力。当前轮越过障碍物后弹簧形状立即复原弹力恢复到152 N。在面对10 mm高度障碍物时显示前轮被卡住无法继续前进。管道机器人越障通过性如表1所示。

表1 管道机器人越障通过性Table 1 Trafficability of pipeline robot in obstacle pipe

图16(b)所示为后端行进轮遇碍时后端弹簧弹力变化情况。结果显示机器人后端行进轮可以顺利通过6 mm障碍，曲线在3.2～3.5 s内由152 N变化至198 N，弹力变化量与前端一致。在3.3 s处左右出现波峰是由于越障时机器人轴心位置波动所导致的。当障碍物高度增加到8 mm时后端行进轮被卡死无法前进，弹簧弹力保持不变。

4.4 驱动力及越障性能试验

为验证管道机器人驱动力、越障能力的理论分析及虚拟样机仿真结果的正确性，进行了物理样机的制作并进行驱动力及越障能力试验。

在测试最大驱动力试验中，在机器人末端添加一个弹簧测力计进行负载力测试。机器人平稳行进使弹簧被逐渐拉长，当行进轮打滑无法继续前进，弹簧测力计弹力为机器人最大负载力。图17所示为负载力测试试验，图18为测试结果。

图17 管道机器人负载力测试Fig.17 Pipeline robot load test

图18 管道机器人负载力测试结果Fig.18 Load test results of pipeline robot

多次测量结果取平均值可得机器人水平管内最大负载力为149 N，结果小于仿真计算结果。这是由于各传动机构间存在摩擦阻力所导致的。

在障碍管中对机器人进行通过性测试。管内的设置障碍物高度分别6、8、10 mm的环形障碍并将其固定在同一位置，如图19所示。

图19 管道机器人越障能力测试Fig.19 Obstacle crossing ability test of pipeline robot

结果显示管道机器人可通过6 mm障碍；在8 mm障碍管中前端顺利通过，后端被卡死无法前进；在10 mm障碍管中前端接触障碍即被卡死无法前进，验证了理论分析和仿真结果的正确性。

5 结论

1)根据管道机器人在管内的运动特性及其整体结构进行受力分析，计算得到管道机器人运行时支撑机构拉伸弹簧所需提供的弹簧预紧力、液压缸所提供的最大驱动力以及机器人的最大负载力。支撑机构弹簧预紧力越大则管道机器人驱动力和负载能力越大。

2)通过对管道机器人在管道中与环形障碍时进行动力学分析，计算得出管道机器人前轮和后轮所能越过的安全高度，管道机器人可以安全越过6 mm环形障碍。本文设计的管道机器人在负载能力表现稳定，同时具有良好的管道通过性。