具有磁吸附能力的管道运维机器人的设计与开发

摘 要：文章结合具有磁吸附能力的管道运维机器人研发项目，论述了管道运维机器人本体、磁吸附履带组件、云台组件及车体组件设计要点，分析了磁吸附履带组件、圆筒状云台设计等设计创新点，希望为微小管道机器人的研发提供参考与帮助。

关键词：磁吸附能力;管道运维机器人;履带;云台

一、 引言

对于核电、火电循环水管道、钢制储罐、石油石化管道，其管道内壁较为容易出现腐蚀、泄漏等问题。因此，需要定期对管道内壁进行探测维护。狭小的管道空间很难进行探测与维护操作，如通过开挖拆卸检查，则增加了运营成本。管道运维机器人可以进入狭小的空间，通过实时传输管道内画面，实现定期对管道内壁的探测维护。在管道运维机器人的设计工作中，需要应用微电子、传感器、机械设计制造等技术于管道运维机器人设计中，保证管道运维机器人能够更好地适应狭小的管道空间，提升管道运维工作水平。

二、 项目概况

為实现对狭小的管道空间进行探测维护，我司开展管道运维机器人研发项目，项目旨在开发一款可以代替人类进入狭小管道内进行规律性视觉检测，实时传输管道内画面，且能存储管道内部状况视频和图像的管道运维机器人。项目管道机器人主要由绕线装置、机器人本体、操作控制箱组成，机器人本体具有磁吸附的能力，具有>IP54的防护能力，能够在>DN300管径的无衬胶磁性管道内部转弯和行走，管道运维机器人的垂直攀爬高度>10m，并且前进距离不少于120m。该项目管道运维机器人搭载360度旋转高清摄像头，能够实时传输并存储视频、图像画面，采用全方位视频方式检测管道，可采用摇杆和按钮方式操控机器人后退、前进和转弯，运用陀螺仪观监测机器人姿态。

三、 管道运维机器人设计要点

（一）机器人本体

项目管道运维机器人本体可以分为云台组件、车体组件、磁吸附履带组件三部分。设计人员开展机器人本体设计过程中，要充分考虑到本体必须能够在DN300管道内部进行转弯、行走和攀爬，据此确定机器人本体最佳尺寸在120°内，行走小车宽度尺寸控制在260mm之内，并考虑到部分用户管道采用的短半径弯头，要想保证机器人能够在管道内实现转弯，小车的长度应控制在350mm内。

1. 磁吸附履带组件

项目磁吸附履带组件主要是由履带、磁铁、角度控制机构、履带传动机构、离合器、行走电机、控制电路板组成。磁吸附履带组件的驱动机构运行时，电机驱动模块先接收控制箱信号，并由驱动模块执行驱动指令，控制机管道运维机器人进行转弯、后退和前进操作。进行设计期间，发现机器人本体尺寸受限，并且还要负重续航120m的组合光缆，为了保证机器人尺寸符合要求，并且能够拖动组合光缆完成前行指令要求，我们采用小尺寸履带和磁铁，在保障管道运维机器人结构刚度的情况下，采用轻质材料，以达到减轻机器人重量的目的。

2. 云台组件及车体组件

项目管道运维机器人本体云台组件包括云台相机、云台壳体、云台电机、LED灯、控制电路板、双自由传动结构。设计采用云台电机带动双自由度传动机构，保证相机能够实现轴360°平移，并将管道运维机器人观测到的视频画面通过电路板实时传输至控制箱，控制箱会实时存储视频和观测画面。采用控制箱控制云台电机的转角、转动启停、灯光亮度，云台控制电路板会接收控制箱的信号，并严格按照控制箱信号执行相应动作，辅助云台调整灯光的明暗。

项目车体组件包括车体框架、离合器安装腔体、行走电机、后置摄像头、控制电路板、后置LED灯，组合电缆接口、云台照明用射灯等。车体组件主要用于连接云台组件和磁吸附履带组件。管道运维机器人后退时，后置摄像头会为画面提供依据，LED等会为后置摄像头提供照明条件，根据控制箱的画面，输入相应的照明要求和指令，并通过控制电路板的方式保证机器人能够实现安全撤退。此外，在紧急情况下，操作人员可以通过拉动组合电缆的方式将管道运维机器人拖拽出管道。采用紧凑式的组件布局方式，以最大化利用机器人车体空间，运用3D打印技术加工车体相关配件和云台。

（二）绕线装置与光缆

该项目绕线装置主要是由轻质机体、组合光缆、滑环组成。设计选择组合光缆时，要充分考虑到组合光缆通讯距离、拖拽拉力、组合光缆自重、供电总电流等影响因素，明确光缆需要满足120m的通讯要求。因此，项目选择40W电机，2个2.8A工作电流的电机、2个0.5A工作电流的摄像头、4个0.15A工作电流的灯、2个0.2A工作电流的云台电机，管道运维机器人的电流为9.6A，电缆线径为1.5平方，以满足总电流承载要求。

（三）操作控制箱

操作控制箱需实时显示云台相机、后置摄像头传输画面要求，并控制管道机器人与云台的运动。通过摇杆和操作按钮控制管道运维机器人前进、转弯和后退;采用摇杆操作摄像机云台，并根据要求开展录像工作。对于项目存在操作控制箱摇杆、按钮较多的问题，通过采用双屏分布形式，大屏幕显示画面，增强画面辨识度，提升管道检测效率。

四、  管道运维机器人的设计创新点

（一）磁吸附履带组件

项目磁吸附履带组件设计期间，在磁吸附履带上加设了磁铁，增加了磁吸附履带的重量，致使履带较为容易出现松脱现象。为了解决这一问题，我们在磁吸附履带组件上加设了张紧结构，有效避免履带出现松弛现象，采用角度控制结构连接车体与履带组件。此外，进行履带模块设计期间，将动力结构独立起来，采用这种方式提升履带模块维护和更换的便捷性。

（二）圆筒状云台的设计

项目改善了传统云台的格式，采用圆筒状云台设计。将云台两自由度控制在自身尺寸之内，便于后续安装工作的开展。采用内部环形控制板，为后续小尺寸云台的设计工作打下坚实基础。

（三）绕线装置的简化设计

该项目组合光缆设计过程中，为了保证机器人与组合光缆之间的接头满足连接强度要求，选择带卡口金属螺纹连接接头，接头短期拉伸力>800N，接头与组合光缆之间采用热缩套管连接，以达到提升连接强度的目的。该设计增加了机器人的通讯距离，取消了原有牵引绳结构，简化了绕线装置。

五、 结语

综上所述，项目机器人在本体上搭载360度旋转高清摄像头，选用高强度组合光缆和轻质机体，将操作控制箱与机器人本体连接在一起，实现通信和供电传输;通过在履带上方设计增加张紧机构，解决磁吸附履带的松脱问题;选用小尺寸相机及电机，云台壳体按曲面设计，有效解决了云台的体积问题;在绕线装置上取消原有牵引绳结构，增加了机器人的通讯距离。项目管道机器人的开发应用，整合了磁吸附技术，管道自适应技术及稳定的可见光全方位视频检测技术，使该机器人具备在管道内行走、转弯、垂直攀爬能力，实现了管道的全方位检测。

参考文献：

[1]陈月强.磁吸附履带式攀爬钢缆机器人的分析与研究[D].北京：北京交通大学，2017.

[2]吕文彬.磁吸附链式爬壁机器人磁路系统设计与承载能力分析[D].南京：东南大学，2012.

[3]赵章焰，李钟谷，吴占稳.攀爬机器人磁吸附组件优化设计与仿真[J].机械设计与研究，2019.

作者简介：郑翠英，南京天创电子技术有限公司。