一種礦用管道檢測機器人設計及牽引性能分析

趙鵬洋， 閆宏偉， 張登崤， 肖粲俊， 何勃龍

（1. 中北大學 機械工程學院，山西 太原 030051；2. 山西宏安翔科技股份有限公司，山西 運城 044000）

0 引言

隨著瓦斯抽采管道服役時間的增長，瓦斯管道內會出現漏點、凹坑、腐蝕等問題，引起管道薄弱處破損泄漏，使空氣進入管道內，當管道內瓦斯濃度降至爆炸極限時，可能引發爆炸事故，影響安全生產[1-4]。目前普遍采取人工巡查方式檢查井下瓦斯抽采管道運行情況，無法及時發現管道泄漏點，且效率低下。礦用管道機器人在煤礦瓦斯管道泄漏事故預防與應急防控領域有很好的發展潛力。礦用管道機器人是一種作業在狹小空間內的特種機器人，可搭載多種類型的傳感器，具備數據分析、存儲能力，能夠與遠程控制臺通信并保持良好的姿態控制，實現煤礦管道內作業[5-8]。然而，煤礦井下管道內部的爆炸性氣體環境、封閉受限空間、無線通信衰減等，均給礦用管道機器人的結構設計和巡檢作業帶來嚴峻挑戰[9]。

根據管道機器人結構不同，將管道機器人分為輪式和非輪式。輪式機器人根據運動方式又可分為直輪驅動式和螺旋驅動式[10]。文獻[11]設計了一種輪式管道封堵機器人，研究其通過焊縫時的動態特性，并通過鯨魚算法控制機器人通過焊縫時的傾角與振動。文獻[12]設計了一種履帶式管道檢測機器人，通過調整每個履帶足速度，實現機器人在管道內的姿態調節，以適應管道內幾何約束，同時調節履帶足的正壓力。文獻[13]設計了一種螺旋式管道機器人，通過拉繩結構變換螺旋角，實現在分支管道和曲率半徑為零的分支管道中運行。非輪式機器人包括腿式、蛇形式等結構。蛇形式機器人由多個關節模塊組成，具有很多自由度，但控制系統非常復雜[14]；腿式機器人具有更好的運動步態，但運行速度不如輪式機器人，且需要復雜的算法[15]。

煤礦井下作業環境復雜、惡劣，用于瓦斯抽采管道檢測的機器人設計應遵循輕量化、低功耗、易于控制的原則，且需具備良好的牽引性能[16-17]。履帶式機器人的履帶與管道接觸面積較大，能提供較大的摩擦力和良好的牽引力[18]，但其結構復雜，且容易出現“運動死點”現象，導致其轉彎時性能較差[19]。螺旋式機器人結構簡單、易于控制，在彎管中的通過性能較好，但通常僅有1 個驅動器，存在牽引力不足、載重能力有限等問題[20-21]。

基于瓦斯抽采管道檢測用機器人的設計原則，本文選用螺旋驅動式結構，設計了一種礦用管道檢測機器人，通過試驗平臺驗證了影響機器人牽引特性的因素，旨在提升礦用螺旋式管道機器人的工作效率和安全性。

1 礦用管道檢測機器人設計

1.1 機器人結構

礦用管道檢測機器人由螺旋運動單元、電動機驅動單元、支撐單元、前置檢測與控制單元、后置檢測與控制單元組成，如圖1 所示。機器人整體采用非金屬外殼封裝，具備防塵、防潮、抗腐蝕功能，以適應煤礦井下氣體環境、管道內封閉受限空間條件。

圖1 礦用管道檢測機器人模型Fig. 1 Model of mine pipeline inspection robot

螺旋運動單元結構如圖2 所示。其有3 個驅動模塊，彼此間隔120°。每個驅動模塊內置彈簧與舵機，驅動模塊上的驅動輪與管道軸線之間有一個夾角，稱為螺旋角。驅動輪旋轉可產生沿管道軸線方向的驅動力。中心電動機通過錐齒輪傳動，帶動同步帶與絲杠旋轉。絲杠螺母可在絲杠上移動，以調節彈簧壓縮量，從而控制驅動輪的正壓力。聯軸器用于連接電動機驅動單元，周向設有3 個電池倉，內置電池來保證續航。

圖2 螺旋運動單元結構Fig. 2 Structure of spiral motion unit

電動機驅動單元結構如圖3（a）所示。電池箱為主體支撐，具有4 個電池倉。驅動電動機由4 個連接桿固定。支撐單元結構如圖3（b）所示。3 個支撐模塊周向120°焊接在支撐座上，支撐輪可通過升降桿擠壓彈簧，從而主動適應不同管徑的管道。支撐單元可平衡螺旋運動單元旋轉過程中產生的反向轉矩，驅動電動機帶動前側的螺旋運動單元繞管道軸線做圓周運動，驅動機器人在管道內做螺旋運動。

圖3 電動機驅動單元與支撐單元結構Fig. 3 Structure of motor drive unit and support unit

礦用管道檢測機器人的主要技術參數見表1。

表1 礦用管道檢測機器人主要技術參數Table 1 Main technical parameters of mine pipeline inspection robot

1.2 檢測與控制系統

礦用管道檢測機器人檢測與控制系統包括管道信息采集單元、機器人運動控制單元、無線通信單元，如圖4 所示。

圖4 礦用管道機器人檢測與控制系統組成Fig. 4 Composition of detection and control system of mine pipeline inspection robot

管道信息采集單元可采集管道圖像信息和環境信息。圖像信息采集單元由2 個可自動對焦的紅外夜視攝像頭組成，攝像頭放置于機器人前側與后側，可在機器人螺旋前進過程中繞管道軸線不斷旋轉掃描，在昏暗的環境內捕捉管道內壁裂紋、漏點、凹坑、腐蝕等缺陷信息，滿足管道內壁360°檢測需求。環境信息采集單元包括瓦斯傳感器、溫度傳感器、測距傳感器，分別用于測量管道內瓦斯濃度、溫度、管徑。當檢測到瓦斯濃度降至爆炸極限時，機器人實時報警。管道信息采集單元還包含導航攝像頭，實現機器人定位導航功能。

機器人運動控制單元可控制3 個舵機的偏轉角度、驅動電動機轉速及中心電動機，從而調節機器人在管道內運行的位姿、速度及過彎方式。壓力傳感器用于測量驅動輪對管道內壁的壓力，計算當前壓力與目標壓力之間的誤差，將誤差信號作為PID 輸出信號來控制中心電動機調節正壓力，以達到設定的機器人牽引力，提高機器人在管道內的工作效率。

機器人CPU 選用STM32-F103。機器人與上位工控機之間通過無線方式通信。機器人可將采集數據上傳至工控機，并接收操作員通過上位機發出的指令，執行管道內運行、信息采集和缺陷檢測等任務。

2 機器人力學模型建立與分析

2.1 機器人直管牽引性能分析

管道機器人進入管道作業時，受制于管道內幾何形狀的約束，其產生的牽引力有限。機器人牽引力分析模型如圖5 所示。Fw為機器人牽引力，FT為驅動模塊旋轉過程中作用在驅動輪上的驅動力，Ff為機器人在螺旋行進過程中由于驅動輪發生側滑而產生的側向力，N為驅動輪與管道內壁間的法向力， α為螺旋角， θ為機器人實際運行方向與期望運行方向的夾角。

圖5 管道檢測機器人牽引力分析模型Fig. 5 Tractive force analysis model of mine pipeline inspection robot

機器人受到的側向力Ff計算公式為

式中： μ為動摩擦因數；Ky為驅動輪的偏轉剛度系數。

機器人能夠產生牽引力的條件為

考慮到理想狀況下，驅動輪可提供足夠的摩擦力，驅動輪不發生滑移，即θ=α，此時機器人的牽引力Fw計算公式為

由上述分析可知，機器人在管道內運行的牽引力與螺旋角、機器人所受的法向力、驅動輪與管道內壁接觸情況及管道材質相關。設定μ=0.2，機器人牽引力與螺旋角、法向力的關系如圖6 所示?？煽闯鰻恳﹄S法向力的增大而增大，隨螺旋角的增大先增大后減小，螺旋角約為40°時牽引力最大，為90°（驅動輪與管道軸線垂直）時牽引力為0。法向力約為100 N 時符合管道機器人牽引力設計需求，為后續仿真設置合理參數和初值奠定了理論依據。

圖6 管道檢測機器人牽引力與螺旋角和法向力的關系Fig. 6 The relationship between traction force, spiral angle and normal force of mine pipeline inspection robot

2.2 機器人過彎分析

由2.1 節可知，機器人在直管中運行時保持螺旋角 α不變，則可以穩定運行。但在彎管中運行（過彎）時，若仍保持螺旋角不變，受制于管道內復雜的幾何約束，驅動輪會與管道內壁發生側滑，影響機器人過彎時的牽引性能。在直管中運行時，機器人的每個驅動輪沿管道軸線方向的速度是一樣的，過彎時可控制驅動輪的螺旋角不同，使驅動輪沿管道軸線方向速度不一致，即差速過彎。因此，提出一種變螺旋角過彎方式，即機器人主動控制螺旋角隨螺旋運動單元轉動以正弦式規律變化，使機器人在過彎時具有良好的牽引性能。機器人過彎牽引力分析模型如圖7 所示。 φ為螺旋運動單元旋轉過程中轉過的角度，R為管道曲率半徑，D為管道直徑， β為管道轉角。

圖7 管道檢測機器人過彎牽引力分析模型Fig. 7 Traction force analysis model of mine pipeline inspection robot navigating curved pipes

機器人在直管中的運行速度為[20]

dt時間內管道軸線內側驅動輪走過的弧長為

式中αmin為最小螺旋角。

dt時間內管道軸線外側驅動輪走過的弧長為

式中αmax為最大螺旋角。

構造變螺旋角函數：

式中m，n為構造系數，m，n＞0。

針對D=200 mm 的管道，設定管道曲率半徑R=600 mm，管道轉角β=π/2，則構造的螺旋角變化規律如圖8 所示，該曲線方程為

圖8 螺旋角變化規律Fig. 8 Variation of spiral angle

2.3 機器人最佳行進姿態分析

機器人在管道內作業時不僅前后運行，還會繞管道軸線轉動，負重作業時要求保持最佳的運行姿態角。機器人運行時所受法向力如圖9 所示。以管道截面中心點為原點建立三維坐標系OXYZ， ω為姿態角，即支撐單元與OXZ平面的夾角，N1，N2，N3為3 個驅動輪所受法向力，Fi為驅動輪與管道內壁之間的摩擦力。驅動輪與管道內壁總封閉力為

圖9 管道檢測機器人運行時的法向力分布Fig. 9 Normal force distribution during operation of mine pipeline inspection robot

式中：m為支撐單元的質量；g為重力加速度； γ為管道坡度（管道與水平面的夾角）。

定義Ig為驅動因子，即驅動輪與管道內壁總封閉力與機器人重力的比值。

由式（14）可知，機器人姿態角影響驅動因子。為了最大程度地利用驅動因子，可增加法向力并選擇最優姿態角來提升機器人的牽引性能。驅動因子與姿態角關系如圖10 所示。設定管道坡度γ=0，當姿態角 ω=0，120，240°時，機器人具有最大驅動因子。

圖10 驅動因子與姿態角關系Fig. 10 Relationship between driving factor and attitude angle

3 機器人牽引性能仿真

基于ADAMS 仿真軟件建立管道檢測機器人仿真模型，如圖11 所示。模型中刪除外殼等不必要零件，僅保留具有傳動部分的零件，添加相應的運動副。

圖11 管道檢測機器人仿真模型Fig. 11 Simulation model of mine pipeline inspection robot

3.1 管道材質對牽引力的影響

為擴大管道檢測機器人應用場景，仿真中選用鋼、鋁及有機玻璃作為管道材質。管道檢測機器人的牽引力取決于驅動輪與管道內壁的摩擦力，與管道材質、運輸介質、運輸壓力有關。

在ADAMS 中模擬不同工況下管道檢測機器人在直管中運動的牽引力。根據2.1 節分析可知，螺旋角在40°左右時機器人具有最大牽引力，因此設定螺旋角為40°。設置機器人各部件材料屬性：剛度系數為2 855，力的指數為1.1，阻尼系數為0.57，穿透深度為0.1。驅動輪材質為橡膠，其與管道接觸參數見表2。設定管道直徑為200 mm，機器人在不同材質管道中的靜平移速度均為1 mm/s，摩擦平移速度均為10 mm/s，運行時間為5 s。根據2.3 節分析結果可知，姿態角為0，120，240°時機器人的驅動因子最大，因此設置機器人姿態角為0。對管道與大地添加固定副，管道坡度為0。

表2 驅動輪與管道接觸參數Table 2 Contact parameters of driving wheel and pipe

仿真時在機器人與管道之間放置一個拉壓彈簧，模擬機器人在運行過程中產生的牽引力（與彈簧彈力大小相等，方向相反）。拉壓彈簧放置于管道軸線上，一端連接機器人中心點，另一端連接管道截面中心點。設置彈簧的剛度系數為800，阻尼系數為0.5。機器人在直管中運行時的牽引力仿真結果如圖12 所示?？煽闯鲈? 種工況下，牽引力隨機器人運行逐漸增大，當機器人達到最大速度后牽引力逐漸穩定，并在小范圍內波動，此時機器人發生打滑；機器人牽引力隨摩擦因數的增大而增大；在相同材質的管道內，無運輸介質時機器人牽引力遠大于有運輸介質時。

圖12 管道檢測機器人在直管中不同工況下的牽引力仿真結果Fig. 12 Traction force simulation results of mine pipeline inspection robot in straight pipe under different working conditions

3.2 螺旋角對牽引力的影響

設置機器人過彎時的參數：管徑為200 mm，管道曲率半徑為600 mm，管道材質為鋼（干），其余參數與直管內運行時相同。

設定2 種運行工況：① 機器人以固定螺旋角40°過彎。② 機器人以變螺旋角過彎，螺旋角隨旋轉運動單元轉動以第2.3 節構造的余弦函數（式（12））變化，最小值為20°，最大值為60°。機器人過彎時牽引力仿真結果如圖13 所示?？煽闯鰴C器人過彎時產生的牽引力小于相同條件下在直管中運行時的牽引力，且在一定范圍內波動；機器人以變螺旋角過彎時，牽引力達到最大值的時間早于以定螺旋角過彎，且牽引力波動程度更小。變螺旋角過彎時，機器人與彎管截面呈圓形，而定螺旋角過彎時呈橢圓形。因此，變螺旋角過彎時機器人運行更平穩、高效。

圖13 管道檢測機器人過彎時牽引力仿真結果Fig. 13 Simulation results of traction force during mine pipeline inspection robot bending

3.3 法向力對牽引力的影響

管道檢測機器人的3 組支撐輪以周向間隔120°布置，管道內壁對每個支撐輪產生一個法向力。法向力過大會使機器人產生過多功耗，過小會導致機器人驅動輪無法與管道內壁產生足夠摩擦力。設定管道內無運輸介質，材質為有機玻璃，靜摩擦因數為0.2，動摩擦因數為0.15，仿真時間為10 s。根據2.1 節分析可知，機器人在40°螺旋角和100 N 法向力時具有較大牽引力。設定螺旋角為40°，其他參數為定值，法向力分別為100，110，120，130 N，機器人牽引力仿真結果如圖14 所示?？煽闯? 種法向力下牽引力分別為33，36，38，38 N，均大于牽引力設計需求30 N。驅動輪的牽引力隨法向力增大而增大，當法向力增大到一定值時，牽引力趨于穩定。為了保證機器人在管道內平穩運行，且具有較小功耗，可將法向力控制在100～120 N。

圖14 不同法向力下管道檢測機器人牽引力仿真結果Fig. 14 Traction force simulation results of mine pipeline inspection robot under different normal forces

4 機器人牽引性能測試

為了測試管道檢測機器人的牽引性能，搭建機器人牽引力測試平臺，組裝實物樣機，如圖15 所示。機器人驅動電動機采用42 系列電動機，其最大轉速為100 rad/min。測試平臺主要由上位機、機器人升降平臺、有機玻璃管道、鋼管等組成。通過機器人升降平臺使機器人對接不同材質的管道，分別為有機玻璃管道（干）、有機玻璃管道（濕）、鋼管（干）、鋼管（濕）。彈簧一端連接機器人，另一端連接SBT630 壓力傳感器。機器人開始工作后，牽引力數據通過壓力傳感器上傳至上位機測力軟件進行實時顯示。上位機控制機器人螺旋角變化及中心電動機壓縮彈簧量，壓力傳感器采集驅動輪與管道內壁的正壓力并發送至上位機界面進行顯示。

圖15 管道檢測機器人牽引力測試平臺Fig. 15 Test platform of traction force of mine pipeline inspection robot

選取鋼管和有機玻璃管道作為測試管道，涂抹工業潤滑油來模擬實際運輸介質。設計2 組正交實驗，研究因素A 為螺旋角，因素B 為法向力，因素C 為管道工況。設驅動電動機轉矩為10 N·m。測試組1 以固定法向力100 N 進行測試，研究螺旋角和管道工況對牽引力的影響；測試組2 為鋼管（干）工況，研究螺旋角和法向力對牽引力的影響。

測試組1 測試結果如圖16 所示?？煽闯鲭S著螺旋角增大，牽引力先增大后減小，與理論分析結果基本相符。在螺旋角較?。?0～30°）時，管壁不能提供足夠摩擦力，驅動輪與管道內壁存在側向力，機器人運行時螺旋角小于設定值，驅動輪發生滑移，導致機器人運行不平穩。隨著螺旋角增大，機器人打滑現象逐漸消失。4 種管道工況中，機器人運動的最佳螺旋角均不同，因此實際運行中應根據管道材質設定螺旋角。機器人在鋼管（干）、有機玻璃管（干）中運行的牽引力大于在鋼管（濕）、有機玻璃管（濕）中，可見在管道材質相同的情況下，機器人在有運輸介質的管道中運行時牽引力小于在無介質運輸的管道中運行時的牽引力。

圖16 不同管道工況下機器人牽引力測試結果Fig. 16 Ttraction force test result of mine pipeline inspection robot under different pipe conditions

測試組2 中管道工況為鋼管（干），分別設定驅動輪的法向力為100，110，120 N，記錄牽引力峰值與螺旋角的關系，如圖17 所示?？煽闯鲈摴艿拦r下，機器人的最佳螺旋角約為40°，且隨著法向力增大，最佳螺旋角沒有顯著變化。

圖17 不同法向力下機器人牽引力測試結果Fig. 17 Traction force test results of mine pipeline inspection robot under different normal forces

選擇曲率半徑為600 mm 的彎管，測試機器人在不同電動機轉速、不同螺旋角情況下的運動性能，結果見表3，其中“√”表示通過彎管，“○”表示未通過彎管。選擇變螺旋角過彎方式時，機器人未出現明顯的停滯及波動現象，順利完成過彎。選擇定螺旋角過彎方式時，在螺旋角為10，20°情況下，由于機器人牽引力較小，過彎性能較差；螺旋角為30，40°時機器人具有較好的彎管通過性，未出現明顯的停滯現象；螺旋角為50，60°時，機器人在低速情況下對彎管的通過性較差；螺旋角為70，90°時機器人牽引力不足，無法通過彎管?？梢?，變螺旋角過彎較定螺旋角過彎具有更好的通過性與穩定性。

表3 管道檢測機器人過彎測試結果Table 3 Test results of mine pipeline inspection robot bending

5 結論

1） 設計了一種螺旋式礦用管道檢測機器人，構建了力學模型，并通過動力學仿真探討了機器人的牽引性能。研究結果表明，牽引力與法向力、螺旋角、驅動輪與管道接觸情況、管道材質密切相關。在較小的螺旋角范圍（10～30°）內，機器人容易出現打滑現象。隨著螺旋角增大，打滑現象逐漸減少，牽引力呈先增大后減小趨勢，當螺旋角達到90°時，牽引力為0。

2） 機器人在不同材質的管道中運行時最佳螺旋角不同，因此實際運行時需根據管道材質設置螺旋角。在相同材質的管道中，無介質運輸情況下機器人的牽引力明顯高于有介質運輸情況。

3） 在相同的工況下，通過調整驅動輪的法向力可以改變機器人的牽引力。牽引力隨著法向力增大而增大。當法向力發生變化時，最佳螺旋角沒有明顯變化。

4） 變螺旋角過彎時，機器人主動控制螺旋角隨螺旋運動單元轉動以正弦式規律變化，使得管道內側的螺旋角小于外側。采用變螺旋角過彎方式時機器人在彎管內具備良好的通過性和穩定性。