模块化同步自主变径输气管道机器人的研究设计*

2023-12-04尚祖跃窦益华

石油机械 2023年11期

郑杰尚祖跃窦益华杨旭

(1.西安石油大学机械工程学院 2.西安特种设备检验检测院 3.西北工业大学动力与能源学院)

0 引言

管道已成为能源输送、生活供水和生产化工等领域的主要运输载体[1-2]，但随着使用时间的延长，管道会由于运输物质的腐蚀、自身材料的老化以及施工质量等，出现泄漏或破损等情况，造成环境污染，甚至严重威胁人类的生存安全，给国家带来不可估量的经济损失，所以对管道进行检测很有必要[3-5]。然而，为了不占用土地资源，输气管道通常埋在地下，因此管线的维修检测和及时更换成为一大难题[6-9]。针对此类问题，管道机器人应运而生，并成为国内外相关领域研究的重点[10]。

我国在管道机器人领域的研究进展迅速[11]，一些高等院校和科研院所[7]致力于研发不同种类的管道机器人。孙乐辰等[12]基于超声波检测技术，设计了一种能够自主运行，保证较大范围变径及适应较小直径管道检测的内检测机器人。中国石油大学贾仕豪等[13]研究了一种油气管道内退磁检测机器人，该机器人采用电机驱动轮结构，可以通过携带磁体环的方式对管道进行在线退磁。韩传军等[14]设计了一种管道内封堵导流机器人，可快速解决管道的泄漏问题，并在管道不停输的情况下进行管道封堵。李智强等[15]设计了一种搭载独立驱动模块的支撑式机器人，该机器人在管道内可以完成直行、螺旋及转弯等运动，并能进行姿态调整，具有较强的适应性和稳定性；但其机构复杂且控制难度大。杨彩霞等[16-17]提出一种支撑式油气管道机器人，该机器人采用一种集齿轮机构、双旋向丝杠螺母机构、弹簧预紧机构于一身的变径机构，优化后螺母水平推力减小了 41.5%。

早在 20 世纪 90 年代，国外就开始了井下机器人的研制，目前技术已非常成熟[18]。国外学者研制出一种名为PIG的机械设备，俗称管道猪[19]。A.OYAMA等[20]针对小直径管道设计了一种蠕动式管道机器人，该机器人对不同管径具有良好的适应性，但牵引力不足导致应用有限。T.HALSTED等[21]设计了一种由双模块组成的管道机器人，该机器人的一种引导模块由一组平行于管道轴线运动的轮子引导，另一驱动模块由一组倾斜的轮子围绕管道的轴线而旋转，被迫跟随运动。上述成果主要是面向输气管道内部缺陷检测机器人的研究而形成，但仍然存在工作时牵引力不足、结构复杂、变径范围小等问题。本文针对以上几种不足，以直径300～400 mm管道为例，设计了一种能够实现同步自主变径的模块化输气管道检测机器人。

1 机构设计及工作原理

1.1 工况需求分析及整体结构设计

针对直径为300～400 mm的输气管道内壁进行检测而设计自主变径的管道机器人，设计要求机器人在行走过程中具有良好的力学性能，保证能够跨越多种障碍且能够通过≥90°弯管、45°斜坡和竖直管道；模块化设计可以使其能够搭载其他单元，促进其在实际工作时能够适应管径的变化，实现一定范围的变径功能。机器人单次工作距离不超过300 m，行走速度不低于16 cm/s，工作时所提供的最大牵引力不小于400 N。因此，为直观地了解机械结构，利用三维数字化建模软件SolidWorks对该机器人结构进行设计，根据实际工况需求，所设计的管道机器人结构主要包括伸缩变径机构、支撑机构，如图1所示。

图1 管道机器人三维图Fig.1 3D diagram of pipeline robot

1.2 支撑机构的设计及工作原理

通过对比几种支撑方式的优缺点，本设计支撑机构采用丝杠螺母支撑设计，其原理如图2所示。该支撑机构传动稳定，通过电机的转动带动丝杠左旋或右旋，从而达到根据管径变化主动调节支撑机构张开角度的目的。支撑机构包含有四杆机构、双四杆机构以及剪叉机构。在支撑机构机架上安装有支撑轮，可以随四杆机构共同运动；双四杆机构可以调节支撑轮的高度和角度，通过伸缩缸带动主动杆来带动支撑臂运动，从而达到变径适应的目的；剪叉机构通过中间2根交叉十字杆的剪叉运动实现支撑轮的升降。

图2 支撑机构原理图Fig.2 Schematic diagram of support mechanism

管道机器人的详细结构如图3所示。

1—伸缩电机；2—驱动杆；3—伸缩变径齿轮副；4—丝杠螺母；5—支撑臂连接杆；6—驱动腿；7—驱动轮；8—锥齿轮副；9—驱动电机；10—支撑腿。图3 管道机器人结构图Fig.3 Structure of pipeline robot

工作原理：机器人的伸缩电机驱动伸缩变径齿轮副运动，齿轮副的转动传递给丝杠螺母，通过支撑臂连接杆的作用，实现驱动腿和支撑腿的扩张和收缩运动。此时利用驱动杆实现两侧机构的同步运动，从而实现管内变径动作。当伸缩电机不再工作时，驱动电机开始运转，通过锥齿轮副将动力传递到驱动轮上，从而实现机器人的管内运动。

1.3 模块化连接结构设计

应用模块化思维可将该机器人分为多个模块，每个模块可以发挥不同工况的检测、定位等作用。根据设计目标，该机器人需通过直径300～400 mm的直管、不小于90°的弯管、45°斜坡和竖直管道。在直管和弯管中的运动方式有所差异，直管中主要为直行运动，而弯管中的行进受管道影响，后续模块需要与相邻模块连接处有一定的角度偏差，所以选用的模块化连接机构必须具备可以360°转动的功能。参考相关文献与设计，决定选用万向节作为连接机构。其结构如图4所示。万向节保证了各机器人可以相互连接，适应模块化布置。结构设计中还可以通过增加机器人数量提升整机的牵引力，以确保该机器人在长距离作业时有足够的牵引力，从而满足长距离作业的要求。

图4 模块化连接结构图Fig.4 Modular connection structure diagram

2 常见工况力学分析

2.1 直管运动工作特性分析

管道机器人在实际工作时遇到最多的工况就是直管运动。假设机器人在工作时每个轮子与管道内壁充分接触，则此时机器人的中心轴线与管道中心轴线应为重合状态，如图5所示。

图5 管道机器人直管运动状态示意图Fig.5 Schematic diagram for motion state of pipeline robot in straight pipe

如图5所示，在管道内建立全局坐标系(x，y，z)，管道的中心轴线与z轴重合，通过右手定则确定坐标系方向；机身上建立局部坐标系(x1，y1，z1)，其中原点O1位于3个支撑轮与管道轴线相交点，该坐标系在全局坐标系中为(0，0，z)T，此时z轴与z1轴共线，x1轴与支撑臂平行。但在实际工作中机器人会受到外部因素干扰，局部坐标系会发生偏转，产生偏移夹角，将此时局部坐标系与全局坐标系之间所产生的偏移夹角称为姿态角α。机器人作业时2组轮腿上的驱动电机工作状态一致，在轮轴上建立第二个局部坐标系(x2，y2，z2)，取管道半径为R，轮子半径为r，则该局部坐标系原点O2在第一个局部坐标系(x1，y1，z1)中记作(R-r，0，0)T，此时2条x轴共线，2条y轴与z轴相平行。

由坐标变换原理可得，机器人的坐标变换关系可以由下式表示：

(2)

为了简便计算，将各个轮子与管道的接触看作点接触，接触点为P，P点即位于x2O2z2平面，该点坐标记为：

2P=(r00)T

(3)

由位置变换可以将P点转换到全局坐标系，其数学关系式为：

(4)

式中：

(5)

由式(4)和式(5)可以得到：

(6)

管道机器人作业时，其运行长度z可以表示为移动速度v与时间t的乘积，则机器人在直管内部的轨迹方程为：

(7)

式中：v为机器人移动速度，cm/s；t为机器人运行时间，s。

在MATLAB软件中对该轨迹方程进行求解，管道直径为300 mm，管道机器人行走速度为16 cm/s，计算得出机器人直管工作轨迹如图6所示。图6表明，机器人在直管中工作时运行平稳，运动轨迹始终为一条直线。

2.2 弯管运动分析

弯道运行也是管道机器人作业时常有的工况，管道机器人的最大外形尺寸必须满足弯管的几何约束。将输气管道的管道机器人类比为圆柱体(所有轮腿与管壁接触的最大面积)，则管道机器人直角弯道处的通行与卡死情况如图7所示。

图7 输气管道机器人通过90°弯管时的条件Fig.7 Conditions for gas pipeline robot to passe through 90° bend

依据图7建立数学模型，设管道的弯曲半径为R、弯曲角度为γ，管道内径为D，其中γ通常最小为90°，D取300～400 mm。管道机器人的主要参数有机器人的主体长度L、主体径向最大尺寸d。

由图7可知，输气管道机器人处于弯道时的卡死情况可分为2种(临界点选取弯管与直管交界处)：

(8)

管道机器人的2个端面在弯管的弯管部分时，如图7b所示，则该管道机器人的最大几何尺寸应该满足下式：

(9)

由于此次设计的输气管道机器人应用于300～400 mm管径，且选用的为轮式和支撑式相结合的结构，所以只需要考虑图7b的情况。

从式(9)可以得出结论：管道机器人的最大长度Lmax随弯道半径R的增大而增大，随主体最大径向尺寸d的增大而减小。

如在最小尺寸为300 mm的管道中行驶，则D=300 mm；根据GB 12459—1990《钢制对焊无缝管件90°弯头尺寸表》可知，若D=300 mm时R=305 mm，机器人宽度d可初步设定为250 mm，根据式(9)可得Lmax=415 mm。

根据计算和零件选型，得出输气管道机器人总体长度不大于415 mm时，该机器人能够顺利通过弯道，因此本文管道机器人的长度取400 mm。

3 动力学仿真分析

3.1 直管通过性分析

将建立的虚拟样机模型导入管径为400 mm的直管内，对其通过性进行分析。仿真过程如图8所示。运行过程中行走平稳，无运动干涉，图8中的白色线为机器人轮子的轨迹线。

图8 直管通过性仿真过程Fig.8 Simulation process of straight pipe passability

机器人各轮及样机质心在z轴方向位移随时间的变化曲线(s-t)如图9所示。

图9 各质心z方向位移变化曲线Fig.9 Shift variation curve of each centroid over time in the z axis direction

各轮质心在z轴方向上速度时间变化曲线(v-t)如图10所示。

图10 各轮质心在z轴方向上速度时间变化曲线Fig.10 Velocity variation of each wheel’s centroid over time in the z axis direction

当仿真开始后管道机器人的速度在极短时间增大到10 m/min，然后保持稳定，且此时各轮质心的曲线重合，位移时间变化曲线与速度时间变化曲线表明，管道机器人的轮子之间速度相同且无相对运动，该机器人结构设计合理；仿真过程中曲线比例稳定，说明管道机器人能够稳定工作，各轮子与管道内壁的接触无打滑现象。

为确保管道机器人工作时的稳定性，继续对其瞬时速度进行测量，得到的机器人质心x和y方向v-t变化曲线如图11所示，驱动轮质心的x和y方向速度变化曲线如图12所示。

图11 机器人质心x和y方向速度变化曲线Fig.11 Velocity variation of robot centroid in the x and y axes directions

图12 驱动轮质心x和y方向速度变化曲线Fig.12 Velocity variation of driving wheel centroid in the x and y axes directions

由图11和图12可见，驱动轮速度波动曲线的波动范围始终为-4.5～4.5 mm/s。在仿真过程中，x与y方向的速度曲线出现较大波动，这种情况在竖直管道内部的实际工作时是难以避免的。管道机器人的速度变化在9 mm/s范围内，位移在0.5 mm范围内，所得偏差在允许范围之内，可忽略不计。综上所述，管道机器人在直管内部能够实现平稳的运动，具有良好的直管通过性。

3.2 弯管通过性分析

对管道机器人通过弯管的极限情况(90°弯管)进行仿真分析，仿真过程如图13所示，机器人的质心位移变化曲线如图14所示。

图13 弯管通过性仿真过程Fig.13 Simulation process of bent pipe passability

图14 机器人的质心位移变化曲线Fig.14 Shift variation of robot centroid

由图14可见：样机在z轴方向的速度始终近似为0。在0～7.3 s样机还未进入弯道时，其在直管中匀速运动；在转弯初始时，由于各轮转弯半径不同，导致外轮转速高于内轮转速，即x方向速度小于y方向速度，同时机器人的质心速度也增大；在11.2 s之后样机完全走出弯管，继续匀速直线行走，x轴方向速度出现大幅度差值，这是因为样机在刚进入弯管时，机身向x方向倾斜，当机身完全走过弯管时，x轴方向的速度曲线逐渐平稳，此时y轴出现变化的原因与x轴相反。因此使得管道机器人在过弯时运行平稳。

图15为样机质心速度变化曲线。

图16为样机驱动轮的质心角速度变化曲线。如图16所示，样机在准备过弯时图线稳定，数据此时还无明显波动；行走至过渡阶段，前部3个轮子在刚进入弯道时会有轮子与管壁接触不充分的现象，所以图像中测得的位移、速度曲线会呈现一定的波动，这属于正常现象；当管道机器人走出弯管重新进入直管段时，其所有轮子与管壁充分接触，图像恢复平稳。

图16 样机驱动轮的质心角速度变化曲线Fig.16 Angular velocity variation of driving wheel centroid of prototype

3.3 竖直管道通过性分析

竖直管道内部的参数设置与水平管道参数设置相同，仅改变重力的方向，使管道中心轴线与重力的方向重合，其仿真过程如图17所示。

图17 竖直管通过性仿真过程Fig.17 Simulation process of vertical pipe passability

仿真得到了驱动轮2的质心在x及y轴方向位移随时间的变化曲线，如图18所示。

得到的驱动轮4的质心在x及y轴方向位移随时间的变化曲线如图19所示。

图19 驱动轮4质心在x及y轴方向位移随时间的变化曲线Fig.19 Shift variation of centroid of No.4 driving wheel over time in the x and y axes directions

2驱动轮的速度波动曲线不一致，但其波动范围均在-4.5～5.5 mm/s之间，此处选取驱动轮4进行说明。

由图18、图19可知，在仿真过程中，x与y方向的速度曲线出现较大波动，说明管道机器人在竖直管道内部的受力存在不稳定的现象，这在实际工作时难以避免，其运动过程中存在的震动会直接影响到管道机器人质心的位置变化，其在x及y方向的位移变化时间较短，且频率过高，导致管道机器人速度波动极为明显，这在误差范围内，属于正常现象。受重力影响，2图中机器人的速度波动曲线范围均不超过10 mm/s，这表明其在直管运动时运动方向上无重力阻碍，速度波动可以忽略不计。综上所述，管道机器人在竖直管道内部可以实现稳定行走，其具有良好的竖直管道通过性。