文|芝士派讲解员

编辑|芝士派讲解员

工业运输管道因其广泛的适应性和经济性而在世界范围内得到广泛应用，但是管道中储存的物质大多易燃、易爆、有毒，尤其是在石油和化学品的储运中。

在长期使用期间，这些管道可能会发生泄漏、腐蚀和生锈，为确保安全运行，管道需要定期检查和维护。

但是由于管道分布复杂、距离长，人工检查耗时、危险且难度大，所以迫切需要高性能的爬管机器人，携带仪器和设备快速检查管道。

怎样的一款攀爬机器人，才可以应对复杂的管道清理工作呢？

①

攀爬机器人

攀爬机器人已被研究和应用于各种工作条件，它能够在钢表面上自由移动，携带传感器，收集数据，然后将数据实时发送到地面站进行监控和进一步处理。

基于轮子的爬杆机器人由一个三角形的身体组成，三角形身体的尖端有六个支架和轮子，它主要用于攀爬和清洁灯杆。

有人开发了一种笛卡尔腿履带式履带式履带式机器人，用于系泊链检查，采用了多种攀爬机器人代替人工操作，大大提高了工作效率。

其中包括轻型修剪机器人，塔架维护机器人，油箱检查机器人以及攀爬和杆线硬件安装机器人。

为了稳定攀登，现在我们已经开发了各种形式的吸附方法，比如由电磁铁驱动的可重构软爬墙机器人，具有多种连接模式的爬墙机器人，具有主动密封的爬墙机器人，用于核电站的辐射安全，集成关节臂的攀爬机器人。

同时对管道爬升机器人也有重要的研究，有人开发了一种一体式3D打印爬管机器人，由有序的新型软弯曲机构组成。

这种机器人利用软材料的小应变来实现大的弯曲变形，该机器人可以适应各种直径、曲率半径和倾斜度的管道。

还有人提出了一种爬管机器人来检查反应堆喷淋管道系统，它有一个五自由度机械手和两个夹持器，像尺蠖一样沿着圆柱形管道移动，绕过法兰和阀门等障碍物。

同时也有一种攀爬机器人来帮助人们检查高桅杆照明的灯，这种机器人由彼此相对排列的链条和链轮驱动，形成双履带机构。

压缩机构挤压履带，橡胶脚抓住钢丝绳产生足够的粘附力，悬挂机构用于补偿链条的收缩或延伸。

针对直径变化较大且需要穿越障碍物的攀爬杆物体，还有人设计了一种拥抱式攀爬机器人，设计出来的攀爬机器人可用于攀爬直径不同的杆，特别是变电站中的避雷针。

除此以外还有一些机器人可以爬进管道内部进行检查，然而攀爬机器人在管道外的通信和操作更方便。

因为管道外部可能会出现障碍物，这对攀爬机器人的性能提出了更高的要求，管道的直径和弧度多种多样，因此管道爬升机器人必须可调节和适应性强。

到目前为止，我们已经提出了各种结构简单、重量轻、承载能力强、运行稳定的爬坡机器人，适用于高空作业。

在人们的早期研究中，还开发了一种被三个手推车包围的三边轮攀爬机器人。

同时为了提高安装的便利性和操作灵活性，提出了一种创新的基于轮子的电缆检测机器人。

但是不管是球形罐外侧的管道是环形的，并且在管道的焊接位置存在许多高障碍物，因此攀爬机器人往往无法顺利克服障碍并保持持续稳定性。

②

机制设计与实施

由于大多数管道在安装就有距离长，管道分布复杂的特点，所以一旦需要检查的时候，人工检查就会费时费力。

这个时候使用爬管机器人可以提高检查效率，降低安全风险。

但是一些管道分布在高海拔地区，这使得检查和维护更加困难，如下图所示，石化工业中各种类型的管道分布在球形罐的外部和底部。

这些球罐外侧的管道是不同曲率的环形，通过L形支架焊接到球罐上，这对爬管机器人造成了更大的障碍，因为机器人需要沿着这些管道攀爬并克服路线上的障碍物。

图1.球形罐外的圆形管道。

在爬水管道机器人的机构设计中，需要满足以下要求：

曲线管道的适应性：机器人应该能够灵活地爬上不同曲率和直径的管道。

障碍克服能力：机器人需要避开和克服不同形式的障碍物，例如焊接的L形支架和管道上的不平整障碍物。

针对管道巡检的要求，有人提出了一种具有复合轮的弹性爬障爬管机器人，具有优异的适应性和障碍克服性能。

如图所示，设计的爬水机器人包括两个V形轮，两个复合轮，两个驱动电机，两个弹性减震悬挂机构，一个可调节的机器人框架和两个防偏转机构。

这样的话爬水机器人可以采用双面轮布局，上V形轮为驱动轮，下复合轮为被动轮。

图2.爬水机器人的机械结构：（a）整体视图;（b） 俯视图;（c） 侧视图。

基于双面V形轮和复合轮，机器人可以夹在管道上。V形轮子具有150 扇形表面，有利于与管道充分接触。

可调节的机器人框架可以改变V形轮和复合轮之间的距离，以适应不同直径的管道，机器人中间布置三个旋转关节机构，机器人可以通过旋转调节适应管道的曲率。

机器人的重心较低，可以防止爬升时倾覆，采用防偏转机构，防止机器人离开管道，确保安全运行，小轮子安装在防偏转机构的底部。

在正常爬坡状态下，防偏转轮与管道之间存在小间隙，当机器人偏离管道时，防偏转轮接触管道并引导机器人返回正常路线。

下图显示了机器人的驱动机构，它为爬坡提供动力：两个电机位于V形车轮上方，通过多个齿轮传输动力。

对称布局使电机的质量负载均匀分布在两个V形轮子上，避免机器人侧向晃动，这两组驱动机构可以通过旋转关节机构灵活旋转。

图3.爬水机器人的驱动机构。

下图显示了弹性减震悬挂机构和复合车轮，复合轮由三个小V形轮组成，可以沿自身轴线灵活旋转，弹性减震悬挂机构是四杆连杆。

可以通过改变连接连杆的形状和位置来调整复合轮的位置。四杆连杆的对角线接头由弹簧张紧，为复合材料车轮提供压紧力。

同样，两个弹性减震悬挂机构，还可以通过两个旋转关节机构灵活旋转。

图4.复合轮毂和弹性减震悬挂机构：（a） 整体视图;（b） 侧视图;（c） 俯视图。

为了适应弯曲的管道，机器人可以通过旋转关节机构改变前后轮的角度，爬水机器人的外径为78毫米，复合轮毂中小V形轮毂的外径为52毫米。

使用可调节的机器人框架，机器人可以爬上最大直径为250毫米的管道，机器人的最大爬坡速度为0.35米/秒。

双电机驱动提高了机器人的运动性能，弹性减震悬架和复合轮增强了机器人的障碍克服能力。

与我们之前的攀爬机器人相比，最大攀爬速度从0.22米/秒提高到0.3米/秒，克服障碍物的最大高度从13毫米提高到20毫米。

②

虚拟模型仿真分析

为了仿真所设计机器人的运动性能和障碍克服能力，在给定约束和外力条件下，通过建立该复杂机器人系统的运动学和动力学模型，进行了虚拟模型仿真分析。

这是一个复杂的动态过程，涉及碰撞、变形和摩擦，管道爬升机器人要克服高障碍，采用机械系统自动动态分析（ADAMS）模拟了机器人在管道上的爬升状态和障碍克服过程。

仿真结果验证了机器人机械机构的性能和可行性，基于障碍物克服力分析，可以通过设置机器人的预期速度和加速度来计算弹簧张力的值范围。

在穿越障碍物的过程中，弹簧力处于不断变化的状态，在克服障碍的过程中，弹簧的拉力是不断变化的，这是一个复杂的非线性变化。

图5.虚拟模型仿真分析。

在仿真过程中不断调整弹簧的初始长度和弹性系数，直到机器人能够爬升并克服障碍物，记录并分析了机器人的速度、位移和拉力。

由于机器人由许多机械部件组成，因此添加了大量约束，在初始阶段考虑到机器人携带的有效载荷，在机器人的下部增加了5公斤的额外质量，弹簧的初始拉力为20 N，电机速度为15 rpm，障碍物高度为20 mm。

图 6.机器人克服障碍物的模拟过程：（a-d）前复合轮克服障碍物;（e–h）后复合材料轮克服障碍物。

机器人在克服障碍过程中的速度和位移曲线如图所示，从1.8秒到4.6秒，前复合轮克服障碍;从6.3秒到8.9秒，后复合材料轮克服了障碍。

当前复合轮在1.8 s时遇到障碍物时，其小V形轮卡住，机器人速度从72.5 mm/s迅速下降;然后前复合轮旋转以克服障碍物，机器人速度约为50 mm/s。

最后机器人速度在完全克服障碍物后恢复到初始值，在6.3秒时，后复合材料轮开始克服障碍，机器人速度比以前更稳定，在整个障碍克服过程中，机器人的前向位移略有波动。

图 7.机器人速度和位移的仿真结果：（a）机器人前进速度;（b） 机器人前移。

下图显示了复合材料车轮克服障碍过程中弹簧拉力的变化曲线，初始给定的弹簧拉力为20 N，机器人夹紧管道后，弹簧拉力约为17 N，前后复合车轮克服障碍物的拉力变化相似。

当机器人遇到障碍物时，复合轮旋转，弹性悬挂机构变形，变形最大时弹簧拉力达到最大值，在2 s和6.5 s时，弹簧拉力的最大值分别为100 N和92 N。

图 8.弹簧拉力的仿真结果。

机器人克服障碍物的仿真结果表明，最困难的时刻是车轮接触障碍物时，在给定的恒定电机转速下，V形车轮在爬升和越障期间没有打滑，仿真结果验证了机器人机构设计的可行性和障碍克服能力。

机器人控制系统的硬件包括：一个机器人运动控制器、一台工业个人计算机（IPC）、两个电机驱动器、两个直流无刷电机、一个陀螺仪、一个编码器、一个遥控单元和一个远程计算机。

机器人由锂电池（24V10AH）供电，开发机器人运动控制器是为了控制机器人的速度，记录运动状态，并处理传感器数据。

两者的速度由两个电机驱动器调节，编码器用于收集机器人的运行速度，陀螺仪记录机器人的姿态。

IPC连接到机器人运动控制器，并通过无线网络与远程计算机通信，远程计算机的功能包括：机器人运动控制、检测监控和数据存储。远程控制单元还用于控制机器人的运动状态和速度。

图 9.爬水机器人的控制系统。9

通过有效载荷实验和障碍克服实验等实验验证了机器人的稳定性和障碍克服能力，实验流水线如图所示。

管道直径为110 mm，有效载荷50 kg时没有明显的挠度变化，管道下方安装了一些不同高度的障碍物。

根据分析和仿真结果，选择并安装弹性减震悬挂机构的弹簧，以确保机器人在管道上稳定拧紧。

弹簧丝直径为1.0mm，长度为70 mm，弹性系数为8 N/mm，五个弹簧同时安装在弹性减震悬挂机构上。

图 10.实验平台及拉簧安装：（a）实验平台;（b） 弹簧安装。

不同的有效载荷（从 3 公斤到 30 公斤）安装在机器人框架上，机器人始终可以稳定地夹紧管道而不会侧向晃动。

如图所示，机器人的给定速度为0.27 m / s，当有效载荷小于20公斤时，机器人的爬升速度几乎没有衰减。

随着有效载荷的不断增加，机器人的爬升速度下降，实验结果表明，该机器人可以在管道上稳定爬升，最大有效载荷为30 kg。

图 11.爬管机器人的有效载荷实验：（a）机器人和有效载荷;（b） 具有不同有效载荷的机器人爬升速度。

通过搭建障碍物实验，测试了所设计的爬管机器人的爬障能力和稳定性。

机器人被夹在管道上，爬升速度为0.2 m/s，测试和评估了从2毫米到20毫米的不同障碍物高度。

下图显示了管道爬升机器人以20毫米的高度克服障碍物的过程。

在实验中，当前复合轮接触障碍物时，机器人有轻微的冲击和停滞，通过障碍物后，机器人迅速恢复到初始状态，后复合材料轮也可以顺利克服障碍。

图 12.障碍物克服实验：（a-e）前复合轮克服障碍物;（F-I）后复合材料轮克服障碍物。

在障碍克服过程中，机器人速度有两个波动，这是由前后复合轮的障碍克服引起的。

当障碍物低于4毫米时，机器人速度几乎不会波动，随着障碍物高度的增加（5毫米和8毫米），机器人的速度略有波动。

当障碍物大于10毫米时，机器人速度的波动很明显，但机器人仍然可以成功克服障碍物。

当克服这些高障碍物时，复合材料车轮通过旋转其小V形车轮来通过障碍物，这比提升整个车轮更容易。

图 13.机器人在障碍物克服实验中的速度。（a） 障碍物高度：2-8毫米;（b） 障碍物高度：10-20毫米。

在初始状态下，机器人的倾斜角为0 ，由于克服障碍物引起的振动，机器人的倾斜角度也会波动两次。

当障碍物低于8毫米时，角度波动很小，在 1 以内，障碍物越高，角度波动越大。

当机器人越过20毫米高的障碍物时，最大角度波动保持在 2 以内，所以机器人可以在克服障碍物的同时保持稳定性。

图 14.障碍物克服实验中的机器人角度。（a） 障碍物高度：2-8毫米;（b） 障碍物高度：10-20毫米。

虽然机器人样机的可靠性和实用性尚无法得到充分验证，但是在未来的研究中，将在各种工作条件下进行更多的实验，以测试机器人的运行状态、减震和检查能力。

同时将对携带测试工具和维修机械的机器人在工业球罐的管道上进行一些现场测试，以提高机器人的性能。

参考文献：

刘军，徐立，徐军，刘丽，程刚，陈淑贤，徐华，施杰：具有吸附系统和粘合带的爬墙机器人的分析与优化。 2020

金玟哉，金墉：一种多连杆履带机器人，具有用于攀爬和过渡的吸力粘附。2015

努希.马赫达维，巴加尼：基于轮子的攀爬机器人：建模和控制。2012

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