摘 要:针对核电厂二回路汽水管道检查需求，研究设计了一种支撑式管道攀爬机器人，利用压杆支撑的方式实现了竖直管道中攀爬，可用于内径100-300mm范围管道的内部检查。介绍了机器人的结构组成，分析了机器人在管道中的受力情况，并推导出了机器人稳定攀爬的最小支撑力需求，完成了样机制作和样机实验。
关键词 :管道机器人；支撑式；竖直攀爬
0 引言
管道作为气态和液态物资的重要输送设施，广泛应用于石化、天然气、热力发电厂、市政等多个领域[1]。为了应对管道内大量的检测和维修工作，管道机器人应运而生。根据实际需求，管道机器人工作的管道形式通常复杂多样，如倾斜管、竖直管、弯管、三通管、变径管等[2]。目前国外对管道机器人的研究较为先进，如德国Endo公司的Crab-Robot管道机器人、加拿大Inuktun公司的Versatrax管道机器人[3]，通过一系列的产品来应对不同管径的管道，但单个机器人的应用管道范围却有限。国内一些公司也研发了各种管道机器人，但大多还是应用于市政排水管等大口径、小坡度管道，无法攀爬各种管径的竖直管道。针对核电厂二回路各种汽水管道的检查需求，研究了一种支撑式管道攀爬机器人，能够满足内径100-300mm范围管道的检查需求。
1 机器人总体结构
该管道攀爬机器人的总体架构如图1所示，主要由便携式控制箱、一体化光缆、机器人车体构成。便携式控制箱内安装有控制器和视频显示器。通过操作便携式控制器向机器人发送各种控制指令，从而控制管道机器人的各个部件，实现机器人前进、后退、转弯，摄像头旋转、缩放，以及灯光亮度调整等功能。同时，机器人摄像头拍摄的视频以及各种传感器数据也通过一体化电缆传回控制箱上实时显示。机器人视频传输、控制和供电通过一体化光缆实现。同时，该一体化光缆还充当安全绳的作用，当机器人在管道中故障时，能够通过光缆将其救出。
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图1 管道攀爬机器人总体架构
管道机器人的车体部分如图2所示。机器人车体主要包括支撑压杆、旋转云台、行走驱动几个部分。支撑压杆用来增加车轮和管壁之间的压力，保证了机器人具有足够的摩擦力在竖直管道中攀爬。通过更换不同长度的合适压杆，机器人可以适应不同管径的管道。旋转云台主要有一个水平360度，俯仰180度的高清摄像头组成，该摄像头具有4倍光学变焦能力，可以对管道中特定部位放大检查。为保证在管道中暗黑环境下的检查效果，云台上还配备有辅助照明LED灯。行走驱动部分主要由两个电机及前后驱动车轮组成。机器人采用后轮驱动，通过控制左右车轮的速度差可以控制机器人前进、后退和转弯。
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图2 支撑式管道机器人车体
2 机器人外形尺寸控制
为保证机器人在管道中自由运动，机器人本体的尺寸必须有所限制。根据应用的管径范围，可利用CAD软件快速计算出机器人的最大尺寸。为保证机器人在弯管中通过性，机器人本体最佳尺寸应控制在管道120°的范围内，则在内径100mm的管道中机器人宽度尺寸应控制在86.6mm范围内。现场管道一般采用长半径弯管，即弯管的曲率半径为管道公称通径的
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倍。为保证机器人能正常通过弯管，机器人最佳长度应控制在144.7mm范围内。
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图5 管道机器人外形尺寸控制示意图
3 机器人受力分析
管道攀爬机器人通过后轮驱动前进，同时依靠支撑杆支撑能够在各种坡度的管道中攀爬。机器人在倾斜管道中的受力情况如图6所示。图中，G为机器人本体和负载的重力；F为磁铁和管壁之间的吸附力，N1、N2为管壁对机器人的支撑力，N3为支撑杆的支撑力，F
f为车轮和管壁之间的摩擦力。
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图6 机器人受力分析
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由上式分析可知，L为机器人重心距离后轮的距离，d
2为机器人车体前后轮轴距。机器人制作完成后L和d
2均为常量，支撑力N
3仅和其力臂d
3有关。因此，根据应用的管道内径不同，应分别采用不同长度的支撑杆，而且设计支撑杆时应使支撑点相对于机器人后轮中心线的力臂尽量短。
4 管道攀爬实验
根据上述机器人设计方案和管道中的受力分析，完成了样机模型的制作，设计了长度分别为75mm、100mm、200mm、250mm的四个支撑杆。通过搭配四种不同长度的支撑杆，可以适应内径100-300mm范围的管道。最终分别在内径125mm和内径250mm的竖直管道中进行了攀爬实验。该管道机器人样机整体设计重量约为1kg，实验时机器人行走速度约3m/min，支撑杆的支撑力足够，机器人攀爬平稳，未出现车轮打滑和翘起的情况。
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图7 机器人样机实验（左：125mm管道 右：250mm管道）
5 结束语
随着各行业管道检查工作的日益增加，管道机器人势将成为一种广泛应用的新型工具。该支撑式管道机器人利用支撑杆增大车轮与管壁之间的摩擦力，实现了在竖直管道中攀爬，且能够适应100-300mm的多种管径。通过样机制作和管道攀爬实验，验证了该机器人方案的具有一定的可行性。
参考文献
[1] 王永雄. 管道机器人控制、导航和管道检测技术研究[D].上海交通大学,2012.
[2] 费振佳,张继忠,张磊,王潇,卢群.履带式管道机器人设计及仿真研究[J].青岛大学学报(工程技术版),2016,31(02):37-42.
[3] 王伟,赵少魁.管道机器人的研究现状及其展望[J].兵工自动化,2019,38(12):24-30.
[4] 胡相胜,张文静,李紫嫣,邓志刚,袁芳.履带式磁吸水下清刷机器人系统[J].机电工程技术,2019,48(12):9-13.
[5] 李杰超,曹力科,肖晓晖.轮式磁吸附超声检测爬壁机器人的设计与吸附稳定性分析[J].中南大学学报(自然科学版),2019,50(12):2989-2997.