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小内径管道检测用振动驱动机器人的设计与试验*

  • 郭瑞

    机 构：

    东北大学 机械工程与自动化学院,沈阳 110819

    ×
  • ，朱清东

    机 构：

    东北大学 机械工程与自动化学院,沈阳 110819

    ×
  • ，郭俞良

    机 构：

    东北大学 机械工程与自动化学院,沈阳 110819

    ×
  • ，姚红良

    机 构：

    东北大学 机械工程与自动化学院,沈阳 110819

    ×

东北大学 机械工程与自动化学院,沈阳 110819；

Design and Experiment of Vibration Driven Robot for Inspection of Small Inner Diameter Pipes*

  • Guo Rui

    Affiliation：

    School of Mechanical Engineering and Automation Northeastern University, Shenyang 110819 , China

    ×
  • ，Zhu Qingdong

    Affiliation：

    School of Mechanical Engineering and Automation Northeastern University, Shenyang 110819 , China

    ×
  • ，Guo Yuliang

    Affiliation：

    School of Mechanical Engineering and Automation Northeastern University, Shenyang 110819 , China

    ×
  • ，Yao Hongliang

    Affiliation：

    School of Mechanical Engineering and Automation Northeastern University, Shenyang 110819 , China

    ×

School of Mechanical Engineering and Automation Northeastern University, Shenyang 110819 , China；

通讯作者:

姚红良,E-mail:hlyao@mail.neu.edu.cn

中图分类号:TP242

文献标识码:A

文章编号:1672-6553-2023-21(1)-089-008

DOI:10.6052/1672-6553-2022-014

参考文献 1
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参考文献 6
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参考文献 15
ZHANG C,LIU H,LI H.Experimental investigation of intestinal frictional resistance in the starting process of the capsule robot [J].Tribology International,2014,70:11-17.
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目录contents

    摘要

    针对目前胶囊机器人普遍存在爬行速度慢、远程操控过程复杂的问题,开发了用于小内径管道检测的振动驱动机器人.基于非光滑多体动力学,建立了样机动力学特性的数学模型,在建模中考虑了摩擦和冲击两种非光滑非线性,数值分析了机器人的运动行为及参数影响.进行了机器人样机的研制,包含微控制器、无线控制模块等,并在透明亚克力管道中进行测试.机器人长50mm,直径28mm,可以达到7.5mm/s的最大前进速度和-3.5mm/s的最大后退速度.研究证明了该型振动驱动机器人进行小内径管道检测的可行性.

    Abstract

    Aiming at issues of slow crawling speed and complex remote control process of capsule robot, a vibration driven robot for small inner diameter pipeline detection is developed. Based on the non-smooth multi-body dynamics, a mathematical model of dynamic characteristics of the prototype is established. Two non-smooth nonlinearities , e.g., friction and impact, are considered in modeling, and the motion behavior and parameter influence of the robot are numerically analyzed. The robot prototype is developed, including microcontroller and wireless control module, and tested in a transparent acrylic pipe. With a length of 50mm and a diameter of 28mm, the robot can reach a maximum average forward speed of 7.5mm/s and a maximum backward speed of -3.5mm/s. The research proves feasibility of the vibration driven robot for small inner diameter pipeline detection.

  • 引言

  • 随着工业的快速发展，各行各业对化石燃料的需求量与日俱增，管道的大面积铺设、管道使用年限的增长，以及受自然环境、内部介质腐蚀、外界人工干预的影响，管道破裂和冲蚀事故时有发生.由于化学元素或高压，老化的管道容易产生内部腐蚀、裂纹和泄漏[1，2].一旦发生泄漏，极易引起火灾、爆炸及重大环境危害事故，对人民健康及国家财产带来巨大损失.为了保障人民的生命财产安全，社会环境的安定和自然环境不受到破坏，定期使用管道机器人对管道进行检测是一项重要的安全措施[3，4].

  • 近年来，一些学者开始致力于管道检测机器人的研究.管道机器人可以分为三种类型，分别为带执行机构式、外部激励式、自激式管道机器人[5-8].

  • 对于依靠外部执行机构驱动的机器人研究中，Zhao等[9]设计了一种履带式机器人，其可以在光滑管道内快速移动; Tu等[10]建立了轮式管道机器人的越障模型，通过仿真与实验证明了轮式机器人可以在管道内定向移动.但是，由于管道的高压、液体环境等问题，轮腿或履带式机器人往往由于密封等问题而出现故障，振动驱动机器人由于具有全封闭等优点，具有天生的适应性.在自激式机器人研究方面，Yan等[11]设计了一种由振动和冲击驱动的自激式胶囊机器人系统，该机器人长度158mm、直径80mm，能够在密闭环境下工作; Guo等[12]进行了一种适用于胶囊机器人振动冲击自推进技术的研究，所研究的机器人的行进速度最大能达到8.49mm/s.在外部激励式机器人研究方面，Son等[13]和Tian等[14]均提出利用外部磁场对胶囊机器人产生激励，通过改变磁场参数可以改变机器人的运动状态.

  • 目前不依靠执行机构的振动驱动机器人如Zhang等[15]所研究的胶囊机器人摩擦阻力小，但普遍存在爬行速度慢、远程操控过程复杂的问题.而带执行机构的机器人虽然爬行速度得到了提升，但是又不可避免存在结构复杂、体积大的缺点，因此难以在机械设备的各种小管径管道中应用.为克服此矛盾，本文采用振动驱动的原理，设计了一种基于振动驱动的管道检测机器人，并通过Arduino芯片进行控制，在具备原有胶囊机器人体积小的优点的同时，还实现了机器人具有高的爬行速度和简易的操作系统.

  • 1 振动驱动机器人结构设计及原理

  • 1.1 振动驱动机器人结构设计

  • 本文所提出的振动驱动机器人结构包括:3D打印的外壳，传感器，前限位挡板，弹簧固定圈，弹簧，电磁铁等部件.机器人的长度为50mm，直径为28mm.振动驱动机器人具体结构如图1所示.

  • 图1 振动驱动机器人结构图

  • Fig.1 Structure diagram of vibration driven robot

  • 1.2 电磁驱动机器人工作方式及原理

  • 机器人的工作原理是通过Arduino产生脉冲信号从而控制驱动电路，使机器人中的振子（永磁铁）受到电磁铁的吸引时快速向电磁铁的方向移动.当电磁铁断电时，电磁铁与永磁铁之间的弹簧又将永磁铁弹开.通过周期信号控制电磁铁的通断电，从而使振子在系统内部做周期运动.

  • 根据动量定理，通过振子、弹簧、电磁铁与挡板配合实现驱动，其原理如图2和图3所示.在如图3所示的脉冲信号的驱动下，振子在系统内部做周期性运动.在矩形波a段，电磁铁通电，振子受磁铁引力向电磁铁方向移动.由于磁铁引力作用，振子与电磁铁之间的弹簧被压缩.在矩形波b段，电磁铁断电，振子受弹簧的弹力而被弹开.振子在运动过程中会产生惯性冲击，由于摩擦力的作用，当惯性冲击小于机械结构所受摩擦力时，机械结构保持不动.当惯性冲击大于摩擦力时，机械结构整体移动一小步.振子在系统内部前后运动过程中，振子受到电磁铁的引力与弹簧的回复力，振子会对系统产生前后两种惯性冲击，当一种惯性冲击大于摩擦力而另一种惯性冲击小于摩擦力时，机械结构整体会移动.在原理图中的一个工作周期以后整个机构向右移动一小步，如果继续施加这种周期性激励信号，可以实现机构的整体向右移动，从而实现大行程.

  • 图2 振动驱动器驱动原理图

  • Fig.2 Driving schematic diagram of vibration driver

  • 图3 脉冲信号

  • Fig.3 Pulse signal

  • 2 振动驱动机器人系统动力学建模

  • 如图4所示为振动驱动机器人系统的动力学模型，该系统为二自由度非线性系统.其中，k1代表振子与电磁铁之间的刚度，c代表振子与电磁铁之间的相对速度导致的能量耗散的阻尼系数.将前向约束建模成刚度为k2的辅助弹簧，将后向约束建模成刚度为k3的第三弹簧，分别提供向前和向后的冲击.物理弹簧的预压缩距离定义为H1.振子和后向约束之间的间隙为H2，H3表示振子和前向约束之间的间隙，H4表示振子与电磁铁之间的初始距离.M1和M2分别是永磁铁的质量和机器人质量（除永磁铁外）.X1是永磁铁的位移，X2是机器人的位移.Pf代表机器人的摩擦力.

  • 根据牛顿第三定律，振子受电磁铁引力作用时有一个大小相等、方向相反的反作用力作用在胶囊上.当永磁铁的振荡振幅足够大时，振子（永磁铁）和前后挡板之间发生碰撞，由于本文仅用干管对数学模型进行了实验验证，因此库仑摩擦可以较好地反映胶囊与管道内壁的接触.由于间隙和摩擦带来的非光滑性，需要在不同阶段考虑胶囊系统的运动方程.由实验得到电磁铁引力与间距的曲线，并对曲线进行拟合.电磁铁通电时，振子受到的力为电磁铁对永磁铁的引力; 当电磁铁断电时，振子受到的力为永磁铁的引力.

  • 图4 振动驱动动力学模型

  • Fig.4 Vibration driven dynamic model

  • 图5 引力测试

  • Fig.5 Gravitation test

  • 我们采用实验的方式对振子受到的引力进行测量.图5为引力实验模型，将电磁铁与永磁铁分别固定在测力计的底座与上部.为了避免测力计上面的铁等金属元件对测量结果产生影响，我们通过3D打印材料将永磁铁、电磁铁与测力计隔出一段距离.转动摇杆均匀向下移动，通过调节摇杆角度改变电磁铁与永磁铁之间的间距，间距改变的同时二者之间的引力发生变化，每次调节可获得一组引力-间距数据.在测量过程中先测通电时所受的引力，然后立即断电测量此时所受的引力，使二者之间的间距从远至近、从近到远分别做两次，并将结果取平均值.将所记录的数据通过Matlab用最小二乘法进行三项式拟合.所以振子受到的引力Fe（t）可以表示为:

  • Fe=P11H4-Xr3+P12H4-Xr2+P13H4-Xr+P14,t∈[NT,NT+DT]P21H4-Xr3+P22H4-Xr2+P23H4-Xr+P24,t∈(NT+DT,NT+T)
    (1)

  • 其中，N是周期数，D∈（0，1）是方波的占空比，Xr=X1-X2和Vr=V1-V2分别代表振子与机器人的相对位移与相对速度，P为引力多项式中各项的参数，具体数值如表1所示.

  • 表1 磁铁引力各项参数值

  • Table1 Parameter values of magnet gravity

  • 振子在内部运动的过程中，当与前后挡板碰到时为非光滑性.M1和限位板之间的相互作用有三种不同的情况:无接触（Xr＜H2和Xr＞-H3）、右接触（Xr≥H2）和左接触（Xr≤-H3）.三种情况下振子M1的受力如下:

  • （1）不接触（Xr＜H2和Xr＞-H3）:

  • Fi=Fe-k1Xr+H1-cVr
    (2)

  • （2）右接触（Xr≥H2）:

  • Fi=Fe-k1Xr+H1-cVr-k2Xr-H2
    (3)

  • （3）左接触（Xr≤-H3）:

  • Fi=Fe-k1Xr+H1-cVr-k3Xr+H3
    (4)

  • 对于机器人M2的受力（除摩擦力）

  • （1）不接触（Xr＜H2和Xr＞-H3）:

  • Fz=-Fe+k1Xr+H1+cVr
    (5)

  • （2）右接触（Xr≥H2）:

  • Fz=-Fe+k1Xr+H1+cVr+k2Xr-H2
    (6)

  • （3）左接触（Xr≤-H3）:

  • Fz=-Fe+k1Xr+H1+cVr+k3Xr+H3
    (7)

  • 摩擦力Ff可以表达为:

  • Ff=-sign⁡X˙2Pf,Vc≠0,-sign⁡FzPf,Vc=0,Fz⩾Pf,-Fz,Vc=0,Fz⩽Pf,
    (8)

  • 式中，Pf=μ（M1+M2）g是模型的静摩擦力，μ是滑动摩擦系数，g是重力加速度.因此，振动机器人的方程可以表达为:

  • M1X¨2=FiM2X¨2=Fz+Ff
    (9)

  • 3 振动驱动机器人系统动力学响应

  • 为了研究振动驱动机器人系统的响应，采用龙格-库塔法求解机器人系统的动力学方程.由机器人的动力学模型可知，系统具有前后两个方向.系统参数的数值如表2所示.

  • 图6 机器人位移-时间响应曲线

  • Fig.6 Robot displacement time response curve

  • 如图6所示为机器人系统在12.5Hz下时间-位移响应图.黄色On区域代表电磁铁通电，白色Off区域代表电磁铁断电.激励信号采用方波，占空比D为0.5，其他参数采用表2中数据.

  • 表2 机器人仿真参数

  • Table2 Robot simulation parameters

  • 在图6中一个周期内机器人有3个阶段，从电磁铁断电到通电的一个周期内，机器人的运动为前进-后退-静止.从图中可以看出，当振子开始向后移动时，机器人受到振子的反作用力从而开始向前移动.此时机器人受到的力总和（除摩擦力）的绝对值大于所受到的摩擦力绝对值且方向为正，机器人开始向前移动.振子在运动到一个周期的最低点前，机器人运动到周期的最高点，并随着振子向前运动机器人开始向后移动.后退阶段实质为机器人受到的力总和（除摩擦力）的绝对值大于所受到的摩擦力绝对值且方向为负，机器人开始向后移动.从图中可以看出，在机器人后退阶段，电磁铁未通电而振子向前运动其原因为永磁铁的引力大于此时弹簧的恢复力.在第三阶段，机器人处于静止状态，此时机器人受到的力总和（除摩擦力）的绝对值小于等于所受到的摩擦力绝对值，此时机器人静止.在一个周期内机器人向前移动的位移大于向后移动的位移，所以机器人整体向前移动.

  • 图7 机器人系统速度-频率响应曲线

  • Fig.7 Speed frequency response curve of robot system

  • 为了在频率方面比较机器人的速度，我们使用Vavg=Xc/Tc计算机器人的平均速度，其中Xc是胶囊的总位移，Tc是总时间消耗，相应的结果绘制在图7机器人系统的速度-频率曲线中.当激励频率超过39Hz后，机器人系统速度为零.此时机器人不会向前或向后移动.当频率为34.4Hz时，此时机器人处于最大前进速度12.5mm/s.当频率为19.2Hz时，此时机器人处于最大后退速度-6.0mm/s.其他小窗口显示振动机器人在不同激励频率下振动机器人与振子的运动轨迹图.

  • 由图7可知激励频率为34.4Hz时，机器人处于最大前进速度状态.如图8所示为34.4Hz激励下振子与机器人的时间位移曲线.机器人在一个周期内的运动状态只有前进-后退阶段，且在一个周期内后退位移小于前进位移，所以机器人在每个周期都向前移动一小段距离.图9为机器人与振子的时间-相对位移曲线.从图中可以看出激励信号频率为34.4Hz时，振子与前后挡板均发生碰撞.在每个激励周期内振子都会与前限位挡板撞击，每两个激励周期振子会与后限位挡板撞击一次.

  • 图8 34.4Hz激励下机器人系统响应图

  • Fig.8 Response diagram of 34.4Hz excitation robot system

  • 图9 34.4Hz激励下振子与机器人相对位移曲线

  • Fig.9 Relative displacement curve between 34.4Hz excited vibrator and robot

  • 综上所述，所设计的机器人可以在水平放置的管道中运行.通过调节机器人的激励频率可以改变机器人的运动速度与运动方向.从结构上来说，机器人的体积小可以在小内径的管道中运行，并且不依靠外部执行机构，仅依靠自身内部质量的振动，机器人向前后两个方向移动.

  • 4 振动机器人实验验证

  • 4.1 振动机器人模型设计

  • 机器人外壳通过3D打印制作，由电磁铁、永磁铁、弹簧、垫片、磁铁限位环组成.用Arduino UNO通过继电器控制大电压电源.机器人的位移通过激光位移传感器测量，并以电压信号的形式传递到LMS，最终通过PC端对信号进行处理与记录，实验过程原理如图10所示.系统的远程控制通过Wi-Fi模块实现.

  • 图10 实验过程原理图

  • Fig.10 Schematic diagram of experimental process

  • 图11 振动驱动机器人试验台

  • Fig.11 Vibration driven robot test bench

  • 4.2 控制系统设计

  • 基于Arduino构建的控制器电路如图12所示.控制系统由Arduino开发板、继电器、Wi-Fi模块、摇杆模块、12V直流电源组成.图13为控制系统实物图.

  • 4.3 实验结果分析

  • 通过激光位移传感器测量机器人在不同频率下10s的位移.每个频率测量三组，取平均数得到表3，并对稳态时典型频率下机器人0~10s内位移与时间进行记录得到图14.

  • 图12 控制电路连接图

  • Fig.12 Control circuit connection diagram

  • 图13 控制电路连接实物图

  • Fig.13 Physical diagram of control circuit connection

  • 图14 典型频率时间-位移曲线

  • Fig.14 Typical frequency time displacement curve

  • 图15 速度-频率仿真试验对比图

  • Fig.15 Comparison diagram of speed frequency simulation test

  • 通过实验数据计算各频率下机器人系统的平均速度，并与仿真进行对比，结果如图15所示.实验中最大前进速度为7.5mm/s，最大后退速度为-3.5mm/s.从图中可以看出，仿真与实验虽有一定的误差，但是整体的趋势相同，其原因可能是由于摩擦系数测量不准确、实验中电源线对机器人运动造成一定的影响.

  • 表3 不同频率机器人10s 位移

  • Table3 10s displacement of robots with different frequencies

  • 5 结论

  • 本文提出了一种基于磁铁的新型振动驱动机器人，建立了机器人系统的数学模型进行分析，并建造了机器人进行试验验证.

  • （1）对此机器人系统的运动进行分析，改变机器人的激励频率可以改变机器人的运动速度与方向;

  • （2）机器人系统在39Hz以后速度变为零; 系统的最大前进速度为12.5mm/s，最大后退速度为-6mm/s;

  • （3）进行移动试验，试验数据与仿真结果的整体趋势相同，证明此机器人有良好的运动效果.

  • 参考文献

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    • [15] ZHANG C,LIU H,LI H.Experimental investigation of intestinal frictional resistance in the starting process of the capsule robot [J].Tribology International,2014,70:11-17.

  • 基本信息

    中图分类号: TP242
    文献标识码: A
    DOI: 10.6052/1672-6553-2022-014
    文章编号: 1672-6553-2023-21(1)-089-008

    基金信息

    国家自然科学基金资助项目(52075084,U08257)；
    National Natural Science Foundation of China (52075084,U1708257)；

    引用信息

    稿件历史

    收稿日期: 2022-01-13

  • 参考文献

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