可变径管道机器人结构及控制系统设计

刘勇

（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）

0 引言

当今，管道运输在现代工农业以及人们日常生活中发挥着巨大的作用，被广泛应用在核工业、农业灌溉、天然气、城市供水等多个领域,促进了工业和社会生活的发展[1]。管道运输安全一直是当今社会所关注的话题，管道一旦发生泄露，会严重影响工业发展和人们的正常生活，因此对管道的检测与维护意义重大。

但是在现实情况下，由于管道的长期使用和外部环境的影响，产生了一些安全隐患，这些管道安全问题极易引起管道的腐蚀、磨损变薄和破裂现象，造成生命和财产损失。但大多数管道安装在水下或者地下等人力不易到达的场所，检修难度很大导致成效甚微，因此管道一旦发生问题，通常只能提前报废，造成巨大的经济损失，因此设计一种能够适应管道内部环境的机器人对管道进行检测和维护是很有必要的。本文提出一种自适应管径的管道机器人，通过模块化功能集成，实现集多功能于一体。

1 管道机器人结构及控制简述

管道机器人系统应用在管道内部检测与维护工作中，代替工作人员进入一些人们不便直接到达的管道。通常情况下，管道机器人由机械本体、管道外监控、图像采集3 个部分组成。其中，管道机器人机械本体主要承担着支撑机器人行走的工作，同时作为系统云台辅助图像采集、地面监控完成工作任务；图像采集系统中除了摄像设备之外，还需要安装照明灯、传感器、扫描设备等部件[2]；管道外监控系统是由外部的计算机组成，对机器人在管道内的工作情况进行实时监控，判断管道内的实际情况，明确管道内出现缺陷的位置、缺陷的严重程度等[3]。

2 管道机器人机械结构设计

2.1 总体方案设计

如图1 所示，设计采用了模块化的设计思想，将管道机器人的本体机构按功能化分为可变径调节机构、机身、行走腿轮、支撑腿轮4 个模块。

图1 可变径管道机器人结构示意图Fig.1 Structure diagram of variable-diameter pipeline robot

由于履带式机器人体积较大，不能在较小的管道内通行，因此本文设计的管道机器人采用轮式驱动，能够适应120～220 mm 管径的变化。机器人为对称式结构，半边机身主体轴向120°均布3 个腿杆：下面的两个腿杆由直流电机驱动，上面的腿杆为支撑杆。车轮为橡胶车轮，保证有足够的摩擦力。可变径机构内置2 个预紧步进电机，步进电机通过丝杆螺母机构作用于可变管径调节机构中的预紧弹簧，从而将管道机器人轮子压紧管道内壁，使轮子和管壁间产生摩擦力，确保机器人能够平稳行进。

2.2 可变径结构工作原理

管道机器人可变径结构示意图如图2 所示。其中，丝杆1 和螺母2 组成了丝杆螺母机构，车轮和管壁的压力调节依靠对丝杆螺母机构的控制。连接件5 内侧光滑，只能在丝杆上做滑动；步进电机工作，丝杠转动带动螺母沿着丝杆移动一定的距离。

图2 管道机器人可变径机构示意图Fig.2 Schematic diagram of variable-diameter structure of pipeline robot

为了使管道机器人能够平稳运行在不同的管径里，步进电机通过驱动丝杆螺母机构压缩预紧弹簧使其产生支撑力，支撑力通过连接件5 作用于行走腿轮和支撑腿轮，使轮子压紧管道内壁。当管径变化时，紧贴在连接件5 上的环形压力传感器4 采集来自弹簧的压力信号，通过反馈调节改变步进电机的行程，从而使轮子和管壁间的压力保持在一定的范围内，使管道机器人不会因压力过小而脱离管壁或因压力过大而行进困难[4]。

3 管道机器人控制系统设计

可变径管道机器人的控制系统主要由上位机、供电装置、中央控制单元、摄像头和传感器组成[5]。其中，由于无线信号在金属管道内严重衰弱，系统稳定性差，因此上位机和下位机采用RS-485 总线方式进行通信连接，完成初始化等控制命令的传输；电源线负责管道机器人的电力供应；中央控制器单元通过CAN 总线输出控制指令，控制电机驱动器驱动电机运行；压力传感器将测得的压力变化通过CAN 总线反馈给中央控制单元，中央控制单元进行相应处理并调节步进电机的转动量，从而使机器人在管内能够得到变径控制；摄像头通过视频数据线直接传输到上位机。图3 所示为机器人控制系统结构图。

图3 管道机器人控制系统结构Fig.3 Control system structure of pipeline robot

3.1 管道机器人下位机控制

管道机器人控制系统部分下位机是以Arduino 单片机为主控制器，主要包括Arduino mega2560、L298N 直流电机控制器、步进电机控制器、压力传感器，经过软硬件的组合完成了传感器控制反馈，机器人速度信号的反应，摄像头视频信号的传输，同时控制着管道机器人行走整体驱动，如向速度调节、前进，后退，停止等。Arduino 单片机通过串口通讯，接收上位机传来的命令，并将管道内的数据传输到上位机等。

下位机主程序流程图如图4 所示。首先初始化上位机和下位机的串行接口以及与下位机相连的硬件设备。下位机等待上位机发出的命令，接收命令后对其进行校验，如果命令校验成功，则下位机执行命令，若校验失败，则返回等待上位机再次发送命令。下位机执行命令并对摄像头、直流电机、步进电机、传感器等硬件进行控制，当接收到结束命令时，下位机停止工作，关机结束，否则备份上一次接收的数据并等待接收下一条上位机传来的指令。

图4 下位机主程序流程图Fig.4 Main program flow chart of lower computer

3.2 上位机控制界面搭建

上位机控制界面如图5 所示。机器人上位机控制软件系统采用LabVIEW 开发，上位机界面分为控制面板和显示面板2 个部分，控制面板包括串口配置模块、驱动模块、变径模块，显示面板包括摄像头视频显示模块。上位机主程序结构为顺序结构+while 循环+事件结构，首先通过设置的串口号来初始化串口通信，波特率为9 600 Baud、数据位8、奇偶校验无、停止位1，然后程序进入While 循环和事件循环，不断检测是否有事件得到响应并执行[6]。最后关闭串口通信。在程序框图中，需要对串口进行配置，并根据不同的按键通过串口发出不同的命令，Arduino 单片机收到串口数据，然后解析命令代码执行相应的命令。

图5 上位机控制界面Fig.5 Upper computer control interface

4 结语

管道机器人在工业和社会领域具有较大的应用和研究价值，本文提出一种适应管径变化、具有良好操控性的可变径支撑轮式管道机器人。该管道机器人通过RS-485 总线和CAN 总线发送并接收数据信号，通过上位机操作界面可以对管道机器人进行控制并实现视频信号的传输，操作简单可靠，减小管道内部检测的难度，有较广阔的发展前景。