自适应管道缺陷检测爬行器结构设计*

王美奇，刘泓恺，陈均峰，黄裕宝，卢桂萍

（北京理工大学珠海学院工业自动化学院，广东珠海 519088）

0 引言

随着中国科学技术的快速发展，管道运输广泛应用于石油、化工、能源、食品加工、城市供排水、农业灌溉等领域。目前针对细小管道、输送有毒介质和海底石油天然气等管道方面的研究还很少，理论与技术等方面还不是很成熟。自适应管道爬行机器人的研发涉及到机械学、电子学、计算机、单片机、电机学等多学科，设计难度大[1]。印度NITTTR学院研制了一台螺旋驱动型轮式管道机器人，可应用于垂直管道内检测工作[2]。该机器人采用螺旋驱动原理，包括转子和定子两个主要机械结构。如果有不同的行进速度要求，调整转子轮的倾斜角度即可满足。由于车轮与管道壁接触面积小，在不平坦的管道内表面行走时，有可能会发生堵转、停机现象。

基于模糊控制算法的“自适应管道缺陷检测爬行机器人”可以实现爬行器在管道中的爬行与检测，解决现有技术中不能适应管道直径变化，带电缆工作，行程受到限制，转弯能力差，管道附着能力差，通融能力差，检测强度高，检测效率低，不能纵向方向行走等问题，其结构简单，检测可靠，效率高，适用于天然气管道、城市管道。

1 设计方案

方案流程如图1所示，自适应管道缺陷检测爬行器在管道中前进后，利用控制器，将机械臂长调到需要的高度，爬行器在爬行过程中会不断发出和接收检测信号；信号传回后，控制单元处理接收到的检测信号，并判断是否存在缺陷；当判断存在缺陷时，控制端会发出声音，提醒检测人员管道疑存在缺陷，控制端人为控制云台旋转（全方位旋转），使缺陷检测装置对准缺陷位置；当判断不存在缺陷时，爬行器继续前进，当遇到直径不同的管道时，如果管径变化幅度不大，利用自身机械结构进行调节，遇到转弯、管道内有障碍物等情况时，爬行器会利用其自身机械结构，继续前进并检测。

图1 方案流程图

2 结构设计及工作原理

2.1 整体结构设计及工作原理

整体的结构设计应用了齿轮传动机构带动红外传感器旋转实现检测，电机带动履带传动实现检测器移动，应用连杆机构以实现机身大小的尺寸变化。

2.2 整体结构设计

图2所示为管道缺陷检测爬行器整体结构图，由云台检测装置、移动及越障装置、机身调节装置、外观壳体、用于组装的零部件、连杆、传感器和各个装置的电机构成。其结构简单，检测可靠，效率高。

图2 管道爬行器立体结构图

2.2.1 云台检测装置结构设计

图3所示为云台检测装置结构图，主要由红外线传感器与摄像机相结合，红外线传感器与摄像机都设置在云台上。自适应管道缺陷检测爬行器在管道中爬行中，电机带动行星轮的转动，云台的红外线传感器对管道中的各个位置发出红外线信号，实现全面性的检测。信号传回后，控制单元处理接收到的检测信号，并判断是否存在缺陷。当判断存在缺陷时，云台的控制单元控制云台旋转，使红外线对准缺陷位置，并通过摄像机将图像传回。

图3 云台检测装置结构图

2.2.2 移动及越障装置结构设计

图4所示为移动及越障装置结构图，主要由驱动轮、导向轮、皮带、电机组成。在电机的驱动下，第一驱动轮和第二驱动轮转动并带动履带绕转，实现自适应管道缺陷检测爬行器在管道中移动。当遇到小型障碍物时，第一导向轮与梯形结构的协调配合下，引导履带绕转上障碍物，防止跑偏或越轨；第二导向轮顺势推进越过障碍物。在第一、第二导向轮越过障碍物的时候，梯形结构与第一驱动轮协调配合，使其带动履带绕转到障碍物之上，进而带动驱动轮绕过障碍物。导向轮与驱动轮的设置作用在于可以缩短履带驱动区段的长度，减少因驱动力造成履带销处的摩擦损失，延长了履带的使用寿命，且不易造成履带下部拱起，避免了转向时履带脱落的危险，有利于提高行走系统效率。履带轮和梯形机构的协调配合也可以支撑其在水平、纵向方向的爬行，多个方向的支撑使得爬行器在管道中更加稳固，使得其在水平以及纵向方向上平稳爬行；在过弯道时，履带的自然过渡也使得爬行器的转弯能力大大增强。

图4 移动及越障装置结构图

2.2.3 机身调节装置结构设计

图5所示为机身调节装置结构图，主要由连杆以及丝杆组成。自适应管道缺陷检测爬行器在管道中爬行中，遇到管道尺寸由小变大的情况下，可通过控制电机使得丝杆传动，从而推动支架向后移动，从而使固定在支架上的连杆一端也向后移动，连杆的另一端在力的作用下向上移动，从而使爬行器的直径变大，从而可以顺利在大管道中前进。相同道理，如若要从大直径的管道向小直径管道前进，只需使连杆向前推移即可实现。

图5 机身调节装置结构图

2.3 电机选型

2.3.1 驱动电机的选择：

根据管道摩擦因数经验公式的分析，管道摩擦因数一般都为0.5。该机器的质量为1.83 kg，机器的静阻力根据公式最终算得为945 N=0.945 G，在管道中机器的运行速度为0.27 m/s，传动装置的传动效率为0.9。

根据负载功率公式：

图6 自适应模块结构简图

得PL=（0.945× 0.27）/（102× 0.9） ≈2.78(W)，选用空转为100 r/min的减速电机。

根据电机的最低扭矩根据公式：

2.3 .2调节装置电机的选择

该装置由行星轮驱动丝杆杆从而推动固定块组成，齿轮与齿轮之间的传动比为负载重量WA=0.8 kg；螺杆螺距PB=2 mm；螺杆直径DB=8 mm；螺杆长LB=0.228 m；机械效率η=0.9；摩擦因数μ=0.1；滚珠丝杆的质量WB=0.3 kg。

所以电机的额定扭矩为TF/i=0.075，因为市面上电机都大于这个参数，所以选择了合适尺寸的步进电机，进行更加精准的调控。

3 整体模型仿真及验证

图6所示为自适应模块结构简图，根据连杆机构和齿轮啮合传动的运动特点，将建立好的管道缺陷检测爬行器模型导入Solidworks软件中进行运动仿真，设定好各个连杆约束和驱动，给定运动规律。

可以看出，各个装置运动的初始位置及最终位置合理，不存在运动干涉，验证了管道缺陷检测爬行器设备整体结构设计的正确性和合理性。

4 结束语

本文分析了管道缺陷检测爬行器的设计方案，建立了管道缺陷检测爬行器的云台检测装置、移动及越障装置和机身尺寸调整装置的结构模型，并进行虚拟装配。通过整体模型的仿真动画工作，验证了结构和运作上的合理性。