一种伸缩支撑式双目无线管道探测机器人的设计与实现
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摘 要：在管道运输中，管道的管壁常常会因为各异的介质侵蚀，导致管道漏孔、裂纹，发生泄漏事故，由于管道所埋设的位置和周遭环境的特殊性，传统的机器人难以满足探测需求。该文设计了一种新型管道探测机器人，利用特有的伸缩支撑式机械机构，实现在水平、竖直和弯道管道中的运行。此外，还设计了双目立体视觉系统，实现在复杂恶劣的管道环境中的三维立体识别和检测。实验结果表明，该机器人可以在管径为300～800mm的運输油、气、水或缆线的管道中实现故障检测和定位，具有适应各种管道环境且准确定位的优点。
关键词：管道探测 机器人 伸缩支撑式 视觉系统
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）01（b）-0018-03
Abstract： In pipeline transportation， the pipe wall often leaks due to various media， causing leakage， cracks and leakage accidents. Due to the location of the pipeline and the special environment around it， traditional robots are difficult to meet the detection requirements. Therefore， this paper studies and designs a new type of pipeline detection robot， which uses a unique telescopic support mechanism to achieve operation in horizontal， vertical and curved pipelines. In addition， a binocular stereo vision system is designed to achieve three-dimensional stereo recognition and detection in complex and harsh pipeline environments. The experimental results show that the robot can realize fault detection and positioning in the pipeline of transportation oil， gas， water or cable with the diameter of 300mm-800mm， which has the advantages of adapting to various pipeline environments and accurately positioning.
Key Words： Pipeline detection; Robot; Telescopic support; Vision system
管道运输[1-2]是一种重要的运输方式，为了提升管道使用的安全性，需要定期对管道进行有效的检测、探查和维护，故检测管道内部的探测机器人随之应运而生。目前，国内外都研制出了各种各样的管道机器人[3]，比如：日本东芝公司研制的轮式管道机器人，该轮式机器人具有稳定性强便于控制等优点，但由于其结构呈车型，故对于竖直管道的探测无法实现;但是，由于地下管道数量大、错综交织，作业难度大，目前现有的机器人并不能完全满足管道检测的需求。
针对上述问题和需求，该文设计并开发一款经济可靠的管道探查机器人，将机械结构设计为一种伸缩支撑式的四驱行走机构[4-5]，该结构能够适应300～800mm的任意运输管道。由于其4个运动结构均能够贴壁行进[6]，所以在竖直的管道中也可以自如行走。针对管道环境属于恶劣环境的问题，该文设计了双目立体视觉系统[7-8]，有效解决了复杂环境的目标识别与环境感知问题，提高了管道探查效率。
1 机械结构设计
1.1 整体结构设计
管道探测机器人需要在管道类恶劣环境中进行探查，故本体的机械结构设计至关重要。该文对机械结构进行设计时，首先采用SolidWorks软件建模，然后对各重要结构部件进行仿真。在软件仿真可以正常运行后，再购买相应器件搭建出实物。
管道探测机器人机械结构主要由一个腔体、4个运动机构以及其他各种传感器组成，其结构图如图1所示。
在图1中，管道机器人的主要结构部件有行走机构、伸缩结构、视觉系统以及腔体。该文设计的管道机器人共有4个行走机构，每个行走机构有2个轮子，采用2个独立的减速电机控制，驱动力强，控制精确。机器人腔体由4块侧板、下底板和上盖组成，下底板部分固定有用于驱动行走机构伸缩的丝杆步进电机。在机器人腔体上方，放置有用于检测的双目摄像头以及其他各种传感器。
1.2 伸缩结构设计
管道探测机器人采用特有的伸缩支撑式结构[9]，伸缩支撑式结构的工作原理是依靠中心丝杆步进电机的旋转，带动法兰螺母上下移动，从而带动固定在法兰螺母上的4个运动机构的连杆发生位移，根据杠杆原理，实现运动机构的伸缩，具体结构如图2所示。每侧运动机构都装有用来测量压力的传感器，经过计算使得压力总是稳定在一个定值N，保证管道壁能提供充足的摩擦力f来抵消重力。
管道探测机器人在管道中行进时，机器人本体最大重量为7.5kg，在竖直管道中运动时，该重量由管壁与轮子间的摩擦力来抵消，摩擦力计算方程如式（1）。
f=μN （1） 式中，μ为摩擦因数;N为管壁对轮子的正压力[10-11]，考虑到机器人共有8个相同的轮子，故每个轮子最少需要提供10N的摩擦力，才能保证机器人正常行进。
2 实物测试
根据对管道探测机器人的机械结构仿真、硬件电路设计以及復用式双目视觉系统的设计，完成了对管道探测机器人的仿真，整个系统运行效果良好。故实现实物搭建与测试，搭建完成的外观如图3所示。
为了模拟真实管道，该文在PE波纹管中进行目标物体的定位测试，测试选取的目标物的真实长宽高为：55.3mm、55.8mm、150.8mm，放置在距离管道探测机器人540mm处。
上位机测试界面我们观察到双目摄像头的左右目采集的图像以及视差图。计算后的物体三维坐标X=31，Y=150，Z=540。经双目视觉系统检测到深度Z=540mm，与实际的距离540mm一致，测量结果准确。
3 结语
该文研究的管道探测机器人针对两个问题进行了深入探究：一是针对传统管道机器人只能在水平管道作业的问题，提出了伸缩支撑式的新式机械结构，该结构不仅简化了传统管道机器人的复杂结构，而且丰富了作业环境，使机器人可以在各种符合尺寸的管道中工作。二是为了解决在管道这类恶劣环境中的目标识别问题，采用双目视觉系统，有效解决了管道中的目标物三维定位问题。
该文研究的管道探测机器人解决了可以在竖直、弯道[15]以及更多管道环境中运动，并且利用双目立体视觉系统实现目标物体的准确三维空间定位，做到在管道这类恶劣环境中，也能准确识别出安全隐患，达到检测目的。
参考文献
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