劉增輝，馬正闊，彭磊

(河海大學(xué) a. 機(jī)電工程學(xué)院； b. 疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 常州213022)

0 引言

隨著我國城市現(xiàn)代化建設(shè)的步伐越來越快，城市的規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市用水量不斷地增多，排水量也越來越大，下水管道管理、養(yǎng)護(hù)、維修及疏通等工作也越來越多。下水管道內(nèi)的環(huán)境往往是狹小、復(fù)雜、危險(xiǎn)的，傳統(tǒng)的人工作業(yè)通常伴隨著工人中毒、刮傷和管道破裂的風(fēng)險(xiǎn)。隨著管道機(jī)器人的不斷發(fā)展，機(jī)器人逐漸取代了人工在管道內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)、維修和疏通的工作[1]。

管道機(jī)器人的種類繁多，但其中最常見的是履帶式管道機(jī)器人，分為三輪式和雙輪式兩種。三輪履帶式管道機(jī)器人雖然保證了其工作的穩(wěn)定性，但由于自身質(zhì)量較大，且靈活性較差，所以無法通過彎管、三通等特殊管道。相比之下雙輪履帶式管道機(jī)器人的靈活性更好，但在大管徑管道行進(jìn)過程中容易偏離管道中心，導(dǎo)致工作效率較低，且存在管道內(nèi)傾覆的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

本文針對雙輪履帶式管道機(jī)器人在管道中運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定、容易側(cè)傾的問題，設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)防側(cè)傾裝置，可以盡早地糾正機(jī)器人在管道內(nèi)工作的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)雙輪履帶式管道機(jī)器人的平穩(wěn)作業(yè)。

1 履帶式管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 履帶式管道機(jī)器人三維模型建立

基于目前主流的雙輪履帶式機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)，利用SolidWorks三維建模軟件對雙輪履帶式管道機(jī)器人外形進(jìn)行建模，模型如圖1所示。模型主要包括機(jī)器人的主體裝置、行走裝置和防側(cè)傾裝置3個(gè)部分。主體裝置包括為行走裝置、為防側(cè)傾裝置提供能量的動(dòng)力源和裝有控制電路的電子艙；行走裝置包括支撐、安裝機(jī)器人主體裝置的負(fù)重輪和支撐架，其可以通過控制兩邊履帶的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向做到小半徑轉(zhuǎn)向甚至原地轉(zhuǎn)向。防側(cè)傾裝置是為了保證

圖1 雙輪履帶式管道機(jī)器人 三維模型

管道機(jī)器人在復(fù)雜管道環(huán)境下工作的穩(wěn)定性，安裝在管道機(jī)器人主體裝置的上方。本文所設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 管道機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)

1.2 防側(cè)傾裝置以及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

管道機(jī)器人在管道內(nèi)工作時(shí)，一方面管道底部淤積物的高低不平會導(dǎo)致履帶傾斜；另一方面移動(dòng)過程中電纜放線時(shí)所產(chǎn)生的附加扭轉(zhuǎn)力矩也會破壞履帶配置平衡，進(jìn)而造成履帶逐漸偏離正常行進(jìn)軌跡，呈現(xiàn)出圖2所示的側(cè)傾狀態(tài)。側(cè)傾嚴(yán)重時(shí)，工作效率低，工作可靠性差，且存在傾覆造成機(jī)器損壞的風(fēng)險(xiǎn)。為了避免此類情況發(fā)生，需要在機(jī)器人產(chǎn)生較小偏離角時(shí)啟動(dòng)防側(cè)傾裝置，通過防傾桿與管壁接觸的反作用力將機(jī)器人推回到管道中心來保證其工作的穩(wěn)定性[3]。

圖2 雙輪履帶式管道機(jī)器人 側(cè)傾狀態(tài)示意圖

防側(cè)傾裝置安裝在履帶式管道機(jī)器人的上方，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪、齒條、水平導(dǎo)軌、防傾桿及可調(diào)支座等組成。可調(diào)支座通過雙頭銷軸將防傾桿固定在機(jī)器人主體裝置兩側(cè)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)與齒輪相連，齒輪與齒條嚙合，從而帶動(dòng)水平導(dǎo)軌水平運(yùn)動(dòng)。防傾桿上部有滑槽，通過銷軸與水平導(dǎo)軌固定，因此當(dāng)水平導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)，會帶動(dòng)防傾桿內(nèi)外收放，以適應(yīng)不同管徑的工作環(huán)境。

圖3 防側(cè)傾裝置結(jié)構(gòu)圖

1.3 防側(cè)傾裝置不同管徑適應(yīng)性

城市管道多數(shù)采用PE管，這類管材常被用于市政工程管道的建設(shè)，主要用于生活飲用水供給管道、污水處理管道等。因?yàn)槠淠透邏?、耐磨、耐高溫、防酸耐腐蝕、質(zhì)量輕、方便安裝與移動(dòng)等特點(diǎn)，所以是管道建設(shè)的較好選擇[4]。

PE材料按照國際統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可以劃分為5個(gè)等級：PE32級、PE40級、PE63級、PE80級和PE100級，其中PE100級有著更好的抗壓能力、更薄的管壁和更長的使用壽命，所以PE100級的使用范圍更廣。PE100級別管道的尺寸規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)如表2所示[5-6]，表中規(guī)格系列SDR數(shù)值表示公稱外徑與公稱壁厚的比值，其表示不同壓力，對應(yīng)不同壁厚。

表2 PE100級別管道的尺寸規(guī)格

如圖4所示，為了增大管道機(jī)器人的適應(yīng)范圍，通過調(diào)節(jié)零部件可調(diào)支座的安裝角度，即可在一定范圍內(nèi)不同直徑的管道實(shí)現(xiàn)，而不需要額外改變防傾桿、水平導(dǎo)軌等其他零部件的尺寸，操作便捷，適應(yīng)性強(qiáng)。

圖4 適應(yīng)不同直徑管道示意圖

1.4 履帶式管道機(jī)器人受力分析

履帶式管道機(jī)器人受力分析如圖5所示。在履帶式管道機(jī)器人側(cè)傾初期(圖5(a))，雙側(cè)履帶均受力，取其截面進(jìn)行受力分析。履帶受力點(diǎn)分別定義為點(diǎn)A和B，管道中心為點(diǎn)O，機(jī)器人質(zhì)心為點(diǎn)M，機(jī)器人垂直中心線MK與重力的夾角定義為側(cè)傾角θ，質(zhì)心M與中心點(diǎn)O的水平距離定義為l1，管道半徑定義為R。履帶受力點(diǎn)A、B承受管壁支撐力NA、NB及管壁摩擦力fA、fB，質(zhì)心M承受重力G。對管道中心點(diǎn)O求力矩，可得：

TO=fA·R+fB·R+G·l1

(1)

經(jīng)過分析可知，O點(diǎn)所受力矩TO為逆時(shí)針方向，表明履帶式管道機(jī)器人側(cè)傾初期，在外力不加劇傾斜的情況下，依靠自身重力可逐步調(diào)整至管道中心，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾偏。

圖5 履帶式管道機(jī)器人受力 分析圖

但如果管道機(jī)器人繼續(xù)傾斜，當(dāng)∠KMA=∠θ(重力方向與MA共線)，管道機(jī)器人達(dá)到側(cè)傾臨界點(diǎn)(圖5(b))，此時(shí)履帶上點(diǎn)B處于不受力狀態(tài)，只有點(diǎn)A承受支撐力和摩擦力。對點(diǎn)A求力矩，可得點(diǎn)A處的力矩為0，表明下一階段如果側(cè)傾角繼續(xù)增大，將打破臨界平衡，履帶機(jī)器人進(jìn)入傾覆狀態(tài)(圖5(c))。此時(shí)，對履帶A點(diǎn)求力矩，可得：

TA=G·l2

(2)

經(jīng)過分析可知，A點(diǎn)所受力矩TA為順時(shí)針方向，表明履帶式管道機(jī)器人將沿著履帶邊順時(shí)針傾覆。針對圖5(c)所示傾覆狀態(tài)，如果及時(shí)調(diào)整防側(cè)傾桿位姿，可阻止甚至預(yù)防機(jī)器人側(cè)傾情況的發(fā)生。防側(cè)傾桿受力狀態(tài)如圖5(d)所示，對履帶A點(diǎn)和中心點(diǎn)O分別求力矩，可得：

(3)

首先，點(diǎn)C處摩擦力fC克服傾覆力矩，使得機(jī)器人不再沿點(diǎn)A傾覆。然后在摩擦力fA、fC和重力G的共同作用下，使得管道機(jī)器人逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，逐漸完成復(fù)位。通過以上分析可知，臨界側(cè)傾角即為∠KMA，因此通過降低機(jī)器人質(zhì)心位置或增大機(jī)器人兩履帶間距均可增大臨界側(cè)傾角，一定程度上可降低管道機(jī)器人傾覆概率。但降低機(jī)器人質(zhì)心通常會導(dǎo)致履帶行走部底盤過低，降低履帶機(jī)器人的越障能力；增大履帶間距會導(dǎo)致履帶行走部拐彎半徑增大，增加其拐彎難度。因此，在管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，增加防側(cè)傾裝置，可實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人的平衡作業(yè)。

2 防側(cè)傾裝置智能控制

智能控制是一種擁有智能信息處理、智能信息反饋和智能控制決策的控制方式，是控制理論發(fā)展的高級階段，主要用來解決那些使用傳統(tǒng)人工處理難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)控制問題，以提高機(jī)械自動(dòng)化的水平。其中智能控制中信息的獲取主要是通過傳感器技術(shù)將物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺鬏數(shù)教幚砥髦羞M(jìn)行處理。

2.1 傳感器

在機(jī)器人行業(yè)內(nèi)傳感器的應(yīng)用已更加廣泛，為了實(shí)現(xiàn)防側(cè)傾裝置的智能控制，管道機(jī)器人的控制系統(tǒng)中需要添加不同的傳感器，來監(jiān)測管道內(nèi)部環(huán)境和機(jī)器人自身的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，其中最重要的是水平儀和應(yīng)變傳感器。

1)水平儀

傳統(tǒng)的氣泡水平儀并不能輸出電信號，所以在此機(jī)器人中采用圖6所示電感式水平儀，當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)傾斜時(shí)，水平儀跟著機(jī)器人一起傾斜，水平儀內(nèi)部擺錘磁芯與感應(yīng)線圈繞組發(fā)生相對位置變化，進(jìn)而導(dǎo)致感應(yīng)線圈電壓變化，從而輸出相應(yīng)的電信號，經(jīng)過信號傳輸處理，轉(zhuǎn)化成傾斜角度信號[7-8]。

圖6 電感式水平儀

2)電阻應(yīng)變式傳感器

由于履帶的不斷滾動(dòng)，難以測量機(jī)器人兩側(cè)的壓力差，所以采用兩側(cè)支撐架的應(yīng)變差代替壓力差。所使用的電阻應(yīng)變式傳感器如圖7所示，金屬電阻應(yīng)變絲隨著受力物體產(chǎn)生應(yīng)變，導(dǎo)致其電阻阻值變化，從而輸出電流電信號。

圖7 電阻應(yīng)變式傳感器

2.2控制系統(tǒng)

以往管內(nèi)機(jī)器人常采用手動(dòng)控制或固定模式控制，這種控制方法對于簡單已知的管道環(huán)境內(nèi)機(jī)器人的控制尚且有效，但當(dāng)面對未知的管道環(huán)境時(shí)，由于管道內(nèi)部情況復(fù)雜多樣，且管道內(nèi)部的空間有限，導(dǎo)致機(jī)器人無法對管道內(nèi)部的環(huán)境和自身的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行全面的實(shí)時(shí)檢測，并且機(jī)器人在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)具有不確定性，難以用固定模式進(jìn)行精確的控制，而手動(dòng)控制也非?？简?yàn)操作人員的反應(yīng)速度與經(jīng)驗(yàn)，從而難以完成設(shè)定的工作。因此管道機(jī)器人的智能控制不僅可以提高其工作效率，同時(shí)也大大提高了其工作的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

管道機(jī)器人的姿態(tài)與其自身尺寸、工作彎管半徑和

管內(nèi)工作情況等方面有關(guān)；管道機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整與機(jī)器人的本體質(zhì)量、質(zhì)心位置以及機(jī)器人與管壁的摩擦系數(shù)等方面有關(guān)。為了使機(jī)器人在環(huán)境復(fù)雜的管道內(nèi)平穩(wěn)行進(jìn)，管道機(jī)器人自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)的能力顯得尤其重要。

為使機(jī)器人在不同的傾斜角度下具有一定的回正能力，需要不斷地檢測機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，并根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)環(huán)境模式，由控制計(jì)算機(jī)發(fā)出圖3所示水平導(dǎo)軌平動(dòng)的指令，進(jìn)而伸出防側(cè)傾桿抵住管壁，自動(dòng)進(jìn)行機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整。

管道機(jī)器人仿側(cè)傾系統(tǒng)控制流程如圖8所示。將水平儀安裝于機(jī)器人防側(cè)傾裝置水平面上，用于測量機(jī)器人側(cè)傾角；同時(shí)將電阻應(yīng)變式傳感器安裝在機(jī)器人支撐架的兩側(cè)，通過支撐架兩側(cè)的變形量判斷履帶輪的受力大小。傳感器獲取的機(jī)器人定位、位姿及受力信息，通過Zigbee無線收發(fā)模塊[9]傳輸至管道機(jī)器人控制臺。通過與設(shè)定值比較判斷，如果機(jī)器人的側(cè)傾角過大或是兩側(cè)履帶應(yīng)變差值過大，控制臺判斷機(jī)器人已偏離管道中心，控制臺將給防側(cè)傾裝置中伺服電機(jī)發(fā)送啟動(dòng)信號，輸出合適轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)水平導(dǎo)軌平動(dòng)，進(jìn)而將防側(cè)傾桿伸出，逐漸將傾斜的履帶機(jī)器人回正。當(dāng)機(jī)器人回正，控制臺通過伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)防側(cè)傾桿收回復(fù)位，然后關(guān)閉伺服電機(jī)，機(jī)器人正常繼續(xù)前進(jìn)，直到步進(jìn)到設(shè)定移動(dòng)距離，機(jī)器人停止前進(jìn)[10]。

圖8 管道機(jī)器人防側(cè)傾系統(tǒng)控制流程圖

3 結(jié)語

本文結(jié)合國內(nèi)外管道機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，針對傳統(tǒng)履帶式管道機(jī)器人存在的傾覆問題，設(shè)計(jì)了一款能夠主動(dòng)防傾的雙輪履帶式管道機(jī)器人，尤其是對其防側(cè)傾裝置做了一定的優(yōu)化改善。通過調(diào)節(jié)零部件可調(diào)支座的安裝角度，即可實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)不同直徑管道的靈活適應(yīng)，結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，適應(yīng)性強(qiáng)。該機(jī)器人利用水平儀和電阻應(yīng)變式傳感器，實(shí)現(xiàn)了對其位姿及受力信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過Zigbee無線收發(fā)模塊和伺服電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的自動(dòng)糾偏和側(cè)傾預(yù)防，進(jìn)而保證雙輪履帶式管道機(jī)器人的平穩(wěn)作業(yè)，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。