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智能蜘蛛:用于管道检测的自主的在线机器人
摘要:本文介绍了一种自主式自驱动内联检测机器人智能蜘蛛的概念样机的设计与开发。主要目的是利用该机器人进行海上油气管道的检测，特别是对于常规智能清管系统无法或难以部署的管道。这款智能蜘蛛由它自己的车载MCU核心实时控制，并由一个巨大的电池供电，预计将以自主方式执行管道检查。采用柔性机构结构，实现了爬行器适应不同口径管道的灵活性，以及在穿越障碍物区域、转弯或交叉路口等不规则情况下的机动能力。这种自适应是由单片机控制器根据压力传感器的反馈自动控制的。详细讨论了所选配的电机、电池组以及人机界面。一些初步的实验室测试结果表明，这种设计和开发的可行性和成本效益是很有前途的。
关键词:管道巡检，嵌入式机器人，自主控制，柔性腿，人机界面
一、介绍
用于海上天然气、石油和水运输的管道，经过一段时间后容易腐蚀。许多管道位于海床上或海床下，甚至地下深处等恶劣的海洋环境中，管道系统的几何形状和配置可能非常复杂。这些管道的状态检查和完整性检查非常具有挑战性，甚至不可能通过部署传统的检查工具，如智能清管器系统，尽管通常经济成本也可能是巨大的，见Christian（2016）和Iszmir（2012）。许多现有的商业内联机器人需要配备用于数据传输和供电的系绳/电缆。因此，这些系绳/缆绳的检查几何结构非常有限。见Young（2012）。本文设计了一种履带式管道检测机器人，对直径80-100 mm的室内管道进行检测。采用四杆机构，保证了机器人的柔性直径能够扩张，从而牢牢地抓住管道内表面。然而，该机器人仍需要在远程工作站和机器人之间传输命令和检测数据的电缆。Jong（2010）描述了一种用于管道勘探的自主移动机器人FAMPER。采用四个独立悬架将履带与中心体连接起来，使履带部件能够在小范围内收缩以适应管路弯曲。由于四个毛毛虫的独立速度控制，它具有通过不同分支的管道的高效转向能力。然而，这种机器人只能用于固定直径的管道，即150毫米。MRINSPECT-V是一种用于8英寸内径管道的固定直径直列机器人，已在Se（2008）中开发并提出。该机器人可以实现部分自主导航，电子系统和电机的动力由车载电池提供。此外，在机构设计上采用差动驱动结构，使机器人的运动适应不同的管路形状。此外，离合器的应用也很突出，可以根据不同的工况选择合适的驱动方式，达到节能的目的。通过实验验证了机器人的移动性和效率性能。但是，尽管有些车轮安装在两个电池组上，但它们上没有执行器。因此，两个电池托架的运动不能由控制器直接控制，而仅取决于其他两个执行器托架的推拉。此外，该机器人缺乏适应不同管径的灵活性。Firas（2015）设计开发了一种新型的小口径工业管道检测仪表（PIG），其功能是对管道进行清洗和检测。拟用清管器的直径可通过调整其衬衫来调整，以适应内径为6“至14”的管道。采用超声波传感器和Arduino软件对管道直径进行检测。在所提出的机器人上配置多个手臂，以保持预期的移动速度和位置。利用Solidworks运动仿真工具验证了直线运动的可行性。然而，该机器人模型还处于仿真阶段，因此还没有物理模型和实验的报道。在不考虑使用任何系绳或缆绳的情况下，本文设计并开发了一种概念性的内联机器人原型，称为智能蜘蛛。设计了一种灵活的机械结构来处理多种管径，并设计了相应的控制核心、电子系统和图形用户界面（GUI）。本文第二节详细介绍了柔性机构的结构。第三节介绍了在单片机中实现的自动控制机制，根据车轮上的压力变化，实时调整支腿到不同的状态。第四节介绍了所提出的管道检测机器人平台的实现，包括控制器、部分设备的技术指标和初步实验结果，第五节给出了结论。
2.智能蜘蛛的体系结构
2.1整个智能蜘蛛系统
如图1所示，智能蜘蛛系统由机器人装置和工作站组成。Smar爬行器可以自动内联移动以执行某些任务，而无需任何系绳或电缆连接到工作站。对于蜘蛛本身，其机构结构由主体和柔性机构两部分组成。电子系统管理运动控制、腿部自动适应、数据采集和存储等。在远程工作站端，图形用户界面（GUI）主要用于两个目的：（1）在一个自动检测实验开始和结束时发送开始和结束命令；（2） 通过机器人与工作站之间的无线通信，在实验阶段监控（伪）实时信息。
图1
主要机构结构如图2所示，由管体和三个柔性离合器机构组成。这两个零件都是用铝合金加工的。管体内部是电子系统的机架和三个柔性离合器组。电子系统由一个电池和两层电子线路板和组件组成，固定在内部的管子上。在管体外表面，三套柔性离合器机构集成120度间隔角，可使智能卡盘很好地适应圆截面管道。另外，在管体的前后两侧分别装配了两个透明的丙烯酸穹顶。
图2
智能蜘蛛的长度为426毫米，外径为300毫米。在柔性机构的基础上，智能蜘蛛的外径可以从450毫米调整到575mm，这意味着柔性机构的变化可以达到78%。智能蜘蛛的直径传输范围如图3所示。因此，智能蜘蛛可以应用于该管径范围内的管道检测任务。
图3
2.2柔性机构
智能蜘蛛集成了三套柔性轮机构，结构完全相同。每个柔性车轮机构由三个单元组成：驱动机构、联动离合器机构和车轮单元，分别如图4和图5所示。为了更紧凑、更灵活，采用螺杆取代了Young（2010）和Young（2012）使用的传统弹簧轴，并与Fa（2015）的设计相比，改进了连杆离合器机构的四杆结构。每个车轮组由两组车轮组成，每个车轮组由两个车轮组成。各轮对由直流电动机驱动，直流电动机装有蜗轮箱，如图5所示。驱动机构负责驱动四杆联动离合器机构伸缩，跟随车轮单元调节不同的管路直径。螺杆由步进电机驱动顺时针或逆时针旋转。因此，螺杆上的U形滑块和连接器滑块可以分别向前和向后移动。然后，四杆联动离合器中的角度根据滑块的位置进行变换，从而确定智能十字轴的外径。
图4
图5
车轮上的力和滑块上的压力之间的力关系如图6所示。通过这种关系和压力传感器测量的压力，可以计算出车轮与管道内表面之间的压力和摩擦力。摩擦力是由压力引起的，适当的摩擦力保证了智能蜘蛛的平稳运动。因此，这些压力和摩擦力对机器人的动力学至关重要。棒PE的长度为l。ME和滑杆SE的长度可以认为是相同的，表示为l！。P点相对于E点（TP）的扭矩和M点相对于E点（TM）的扭矩相等，如等式（1）所示:
点P相对于点E的扭矩可计算为：
式中，fp为P点上的压力，ffi为车轮与管道内表面之间的摩擦，mu;为摩擦系数。与点E有关的点S上的扭矩为：
因此，f1可以算出。然后通过除以F1，滑块f2上的力为：
因为alpha;=180°-2theta;，f2可以表示为
滑块FS上的压力由压力传感器收集，可通过除以F2得到：
图6
- 实现
3.1柔性机构运动控制策略
柔性机构的运动由单片机根据车轮与管路内表面之间的压力数据进行控制，这些数据与接头滑块与U形滑块之间的压力有关。在没有变径的正常直管中，压力在阈值范围内。对于一些特殊的管道，如输油管道，车轮与管道内表面之间的摩擦力必须足够大，才能保证智能卡盘的正常滚动运动。然而，当管道内径改变时，轮子上的压力会改变，滑块之间的压力也会相应地改变。当管道内径变小，如有障碍物或转角时，当压力超过阈值范围时，柔性机构会收缩。相反，当压力降低到低于阈值范围时，柔性机构会伸长。
不同位置上不同柔性机构的压力阈值范围可以不同，即机器人主要以水平方向运动时，底部两种柔性机构的压力阈值远高于顶部一种。在某些情况下，智能蜘蛛在沿管道移动过程中姿态会发生变化，如果姿态变化足够大，就会发生滚动运动。因此，前两种柔性机构的位置可以互换。在MCU中，每个柔性机构的压力阈值范围需要根据具体的姿态方向进行调整，其中姿态传感器采集姿态，此时根据特定的实验经验设置阈值范围。
图7
MCU中柔性机构的运动策略如图7所示，这是一个控制周期周期。首先，根据所提出的机器人姿态测量方法来估计三种柔性机构的位置，并确定每种柔性机构的阈值范围，由姿态传感器采集姿态数据。在确定阈值范围的基础上，对各柔性机构的压力数据与阈值范围进行了比较。为了计算效率，这些范围是直接为滑块之间的压力定义的，它忽略了计算车轮上的压力。如果一个或多个压力超过或低于阈值范围，MCU将不会立即驱动电机转换智能蜘蛛的直径，但将存储的压力情况，直到几个采样周期后。如果所有这些压力都超过了阈值范围，MCU将在PI控制器之后通过向驱动板发送PWM信号来控制步进电机。三种柔性机构同时收缩或扩张，均能保证三种柔性机构的等边三角形机械结构，是智能蜘蛛适应运动要求的稳定结构，见Se(2008)。
3.2任务处理
电子系统的任务可以分为两类：实时任务和非实时任务，如图8所示。实时任务由单片机PCB实现，PCB上装有STM32F407控制核心。非实时任务由一个安装有Debian操作系统的Raspberry Pi实现。数据和命令通过UART在MCU和Raspberry Pi之间传输。
在实时控制系统中，所有传感器数据的采集、分析以及步进电机和直流电机的运动控制均由单片机完成。由单片机采集三个压力传感器的压力数据和姿态传感器的姿态信息。在单片机的控制策略中，根据压力和各直流电机的转速来判断柔性机构的运动。然后，单片机将控制步进电机和直流电机的PWM信号发送到驱动板。同时，实时的传感器数据被传送到树莓Pi上显示在GUI上。对于非实时控制系统，在实验环境下，工作站通过Wifi与Raspberry Pi通信。图形用户界面（GUI）系统用于监控车载摄像机采集的图像，并显示智能蜘蛛的（伪）实时数据。此外，用户还可以通过图形用户界面（GUI）来配置嵌入式机器人的运动模式（自动或手动）和电机的运动情况，并将其发送给单片机。同时，将所有实时数据写入SD卡进行存储和后分析。
图8
3.3执行机构和电池
直流电动机带有蜗轮箱的直流电动机用于输出给定的扭矩，以驱动车轮以特定速度沿给定方向移动。每两个直流电机固定在一个柔性机构的顶部，因此智能卡盘中总共有六个直流电机。每台直流电机都配有蜗轮箱以增加输出扭矩，因此每台直流电机都配有一个齿轮箱，可以驱动两个车轮。直流电机的速度和方向由单片机控制，根据运动要求进行控制。带蜗轮箱的直流电动机的规格见表1。
表1
智能蜘蛛的步进电机组件的作用是驱动螺杆，使柔性机构可以拉伸或收缩。采用三台步进电机，每台步进电机组件安装在螺杆的末端，螺杆通过联轴器连接电机的运动。为了获得足够大的扭矩来驱动柔性机构，在步进电机组件中应用了一个齿轮箱。齿轮箱减速比为1/52，静转矩可达12.0 Kg.cm。带齿轮箱的步进电机的详细规格如表2所示。
表2
锂电池是整个电子系统的主要电源，其详细规格列于表3。容量可高达8400毫安，虽然尺寸小到足以固定在体内管。由于直流电机的额定电流为0.6 A，步进电机的额定电流为1.0 A，电池可支持智能蜘蛛在管道内移动约2小时。
表3
4.实验
本实验以PVC为原料，内径为500mm的实验管道为例，验证了智能蜘蛛的自动运动和柔性机构的可行性。所提出的内联机器人在简单发射后完全自动前进。
首先，智能蜘蛛在内表面光滑的管道中运动，即管道内部没有障碍物。在实验之前，智能蜘蛛的初始姿态是两个底部柔性机构接近水平平面，即顶部柔性机构垂直于水平平面。因此，内联机器人的初始俯仰(约-4度)和滚动(约1度)非常小，如图9所示。柔性机构上的初始压力分别约为118N、88N和10N，如图10所示。从图中我们可以看到，智能蜘蛛可以沿着内部管道平稳移动，虽然发生了小的滚动，机器人的姿态保持稳定。
管道机器人克服管道障碍的四个步骤如图13所示，过程中的压力数据和姿态信息如图11和图12所示。从0秒到20秒左右，智能蜘蛛一直在平稳前进，尽管由于管道的倾倒而产生一些小的频繁波动。20秒左右，机器人开始克服障碍。当压力增加并超过阈值，并保持10个采样周期，三个灵活的机制开始收缩的同时，由单片机驱动，直到压力再次回落到阈值波段。从大约42秒开始，机器人开始离开障碍物，因此柔性机构上的压力突然减小。因此，柔性机构开始拉伸，以调整管道直径。在这个过程中，智能蜘蛛的姿态变化很小，横摇小于1.5度，俯仰小于5度。因此，在整个实验过程中，可以忽略智能蜘蛛的滚动，因此不需要调整每个柔性机构的阈值范围。
智能蜘蛛系统的用户界面如图14所示。该界面不仅可以实时监控摄像头的图像、图形化的运动情况和一些传感器数据，还可以通过按键来处理一些运动命令。实验结果验证了智能蜘蛛的运动可行性和柔性机构的自动控制，较好地实现了智能蜘蛛的预期功能。
图9
图10
图11
图12
图13
图14
5. 结论
本文设计并开发了一种在线自动检测机器人原型——智能蜘蛛。由于单片机控制器的应用和灵活的机构设计，使其能够完全自动地实现流水线上的某些任务和处理某些特定的情况，如遇到障碍物等。此外，在不受任何绳索或电缆限制的情况下，该机器人的运动可以更灵活、距离更远，这是一些复杂工业管道检测的重要特点。最后，在实验管道中验证了机器人运动的稳定性和柔性机构自动控制的可行性，给出了实验结果并进行了分析。
对于未来的
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