气动管道机器人的创新设计

气动管道机器人的创新设计摘要：该机器人由三部分组成，包括一个伸缩模块和两个支撑模块。伸缩模块主要由主运动气缸构成，利用驱动气缸的收缩来实现机器人的行走；两个支撑模块结构上完全一样，由支撑气缸产生推力，使机器人的脚与管壁压紧，从而产生机器人行走所需的静摩擦力。伸缩模块和支撑模块按一定的顺序循环工作，从而实现机器人在管道内的行走。控制电磁阀的通断电时间来实现调速的功能（有级调速，设计为高、中、低三档）。1引言管道在当今社会已经得到了广泛的应用，管道在长期的使用中难免会破裂、堵塞、积污，但是管道的检测、清理、维护却不是很方便，往往为了寻找管道上的一个裂纹而花费大量的人力和物力。我们的机器人可以在管道内自由地行走，具有一定的承载能力，可以成为管道检测、清洗设备的载体，使得管道的检测，清洁等工作易于实现。2国内外研究概况[1]管道机器人的驱动源大致有以下几种：微型电机、压电驱动、形状记忆合金（SMA）、气动驱动、磁致伸缩驱动、电磁转换驱动等。管道机器人按照驱动方式大致可以分为以下三种，如图1所示。1）自驱动（自带动力源）；2）利用流体推力；3）通过弹性杆外加推力；图1管道机器人的基本形式2.1自驱动管内机器人自驱动管内机器人包括图1所示的轮式、脚式、爬行式、蠕动式，还包括履带式等。2.1.1轮式日本东芝公司于1997年研制了一台轮式管内移动机器人，前部带有一部微型CCD摄像机，能分辨管内异物并用微型机械手实现清理。胶管联接可过弯管，适应管径：925mm；行走速度：0.36m/min；自重：16g。该机器人采用多轮驱动式为了增加牵引力，由于轮径太小，越障能力有限，而且结构复杂。脚式西门子公司WernerNeubauer等人研制的微管道机器人有4、6、8支脚三种类型，可在各种类型的管里移动，其基本原理是利用腿推压管来支撑个体，多腿可以方便地在各种形状的弯管道内移动。蠕动式

清华大学研制了一套小型蠕动机器人系统，其结构如图2,由1蠕动体和2、3、4电致伸缩位移器组成。蠕动体的蠕动变形形态由粘贴于柔性铰链部位的电阻应变实时感应，机器人的外形尺寸为150X61X46mm,重2Kg,图2蠕动体结构示意图最大步距10pm,行程40mm，运动精度0.2重2Kg,图2蠕动体结构示意图2.2利用管道流体压力利用管道流体压力对管道进行直接检测和清理技术的研究始于上世纪50年代，受当时的技术水平的限制，其主要的成果是无动力的管道清理设备一一PIG，此类设备依靠管内流体的压力差产生驱动力，随着管内流体的流动方向向前移动，并可携带多种传感器。但是PIG自身没有行走能力，其移动速度、检测区域不易控制。上海大学利用石油管道的石油高压研制成在役石油管道检测机器人如图3,该型机器人分成多节，利用与管道密封的橡胶环（皮碗），相当于活塞，在输油管内压力油作用下，推动检测机器人向前行走，主要由探头1、高压密封件2、电机仓3、电池仓4、仪器仓5、仪器仓6、万向节7、里程仓8、清管器9和皮碗10组成。图3图3利用管内流体压力的管道机器人2.3管外加推力日本东京科技学院利用外加推力研制成“螺旋原理”的微型机器人如图4。利用在管外的电机推动带有弹性的线推动驱动部件前进，该驱动部件可以越过小的台阶。图4图4管外加力的管道机器人3设计说明适应管道直径：200mm；爬坡能力：0〜90°；过弯能力：与直径200mm的PVC管对应的45°弯头；设计速度：高速档 0.4m/min，中速档 0.2m/min，低速档 0.13m/min；3.1机构组成Yr—C4\ 5机器人采用外接气源，多节蠕动的形式，其结构如图5所示，图中从上至下依次是：支撑模块、伸缩模块，支撑模块，三个模块之间用关节轴承4联接，关节轴承中的球面副使得两个支撑模块相对于伸缩模块可以绕动一个空间角度。，机器人因此具备了过弯的能力。导雌支裁检支醐关节解狠铀〜图5气动管道机器人机构示意图机器人的过弯能力由管道的弯曲程度和关节轴承所能提供的。角决定。市场容易买到关节轴承通常提供的。角为30°，并且弯头的尺寸都已标准化，考虑到。角的大小和弯头的尺寸，我们的机器人设计过弯能力为可以直接通过由45°弯头联而成的弯管。3.2行走原理采用蠕动前进方式，伸缩模块和支撑模块按照一定时序的工作，一个周期机器人移动一个驱动气缸的行程。具体行走步骤如图6所示（以在竖直管道内前进为例）。0Do+oQ0Do+oQ°[&FnOo图6气动管道机器人行走原理示意图各步骤动作：：初始状态，两个支撑模块均处于支撑状态，驱动气缸收缩，机器人靠摩擦力的作用停留在管道中;：上支撑模块收缩；：驱动气缸的气缸杆伸出，上支撑模块向上移动一个驱动气缸行程；：上支撑模块撑开；：下支撑模块收缩；：驱动气缸收缩，下支撑模块向上移动一个驱动气缸行程；第⑥步以后机器人的状态恢复至①，重复以上的动作，机器人不断前进。3.3气路设计气路设计如图7所示。从空气净化装置出来的压缩空气，经过一个四通将压缩空气分成三路分别给三个电磁阀，在图7中从上而下的电磁阀依次控制支撑气缸组1、驱动气缸和支撑气缸组2。通过电路控制电磁阀线圈的通断电来实现气路的切换，即控制气缸的伸缩。

图7气动管道机器人气路设计图3.4电路设计控制电路十分精简，如图8所示，电路控制方面采用单片机和无线模块来控制，然后通过光耦和三极管来驱动电磁阀。采用单片机来控制管道机器人三个脚的时序和频率，采用单片机可以很方便的控制时序，响应无线遥控，准确定时。采用无线遥控来响应电路，用三个按钮来控制七个功能，很方便。本电路要注意的是电磁阀不停通断所产生的感应电动势对整个电路的影响。尤其是可能影响单片机的正常工作。本电路采用了完全将两个电路（一个是单片机的电路，一个是电磁阀的电路）隔绝的方法，使彼此不受影响。具体是用了一个DC24-5稳压模块，来使5v的电路和24v的电路隔离，单片机输出通过光耦和三极管来驱动电磁阀，这样就把24v电路和5v电路完全隔离了。单片机的程序写的也十分精简，但功能蛮多的。检测四个口的输入，然后来决定管道机器人的启动和停止，前进和后退，高，中，低速调节。

IkIkIkIkIkIkIkIk图8控制电路图单片机控制管道机器人脚详细时序：P1.0,P1.1,P1.2分别控制机器人前脚，中间身体和后脚。P1.0输出1时，前脚收缩；输出0时，前脚伸出。P1.1输出1时，中间伸出；输出0时，中间收缩。P1.2输出1时，前脚收缩；输出0时，前脚伸出。初始状态是前脚伸出，中间收缩，后脚伸出，当方向为前进时，每隔一定时间，进行一次变化。变化依次为：前脚伸出，中间收缩，后脚伸出；前脚收缩，中间收缩，后脚伸出；前脚收缩，中间伸出，后脚伸出；前脚伸出，中间伸出，后脚伸出；前脚伸出，中间伸出，后脚收缩；前脚伸出，中间收缩，后脚收缩；以后不断循环上面六步，即可实现前进。如须后退，只要将上面次序反一下即可。机器人的速度共有3种，高、中、低，分别对应时间0.5s，1s，1.5s（对应电磁阀变一次所用时间），对应管道机器人速度为0.4m/min，0.2m/min，0.13m/min。单片机响应遥控器4个输入来改变管道机器人状态。其中一个输入是无线模块解码信号（当有键按下时，解码信号将会输出高电平，直到按键停止），用来响应中断。当产生中断后，检测其他3个无线模块输入，如检测到是启停信号，则改变当前启停状态；如检测到是前进后退信号，则改变当前前进后退状态；如检测到是速度改变信号，则改变当前速度状态，往高速转变，如超过最高速则转向最低速。3.6主要优缺点3.6.1主要创新点气动驱动，动力较大，使得机器人具有承担一定负载的能力，通过调节气压可以实现动力大小的调节。电路板外接，机器人主体部分可以较好地适应潮湿的环境。气缸本身即可实