引用本文

郭兵, 李正男, 张静静, 王海波, 常宗瑜, 汤超. 仿生多关节管道机器人结构设计与系统控制研究. 自动化学报, 2026, 52(5): 1083−1091 doi: 10.16383/j.aas.c250510

Guo Bing, Li Zheng-Nan, Zhang Jing-Jing, Wang Hai-Bo, Chang Zong-Yu, Tang Chao. Research on structural design and system control of bionic multi-joint pipeline robots. Acta Automatica Sinica, 2026, 52(5): 1083−1091 doi: 10.16383/j.aas.c250510

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c250510

关键词

管道检测，仿生设计，多关节机器人，变管径

摘要

受自然界多关节生物运动机理的启发, 针对当前仿生管道机器人面临的结构紧凑性以及运动速率的问题, 设计一种新型仿生多关节管道检测机器人. 该管道机器人采用多关节串联与可变构型设计, 在保证管道机器人环境适应性的情况下, 提高管道机器人运动速率和结构的紧凑性. 管道机器人在最大伸展状态下的外观尺寸为446 mm×80 mm×71.2 mm (长×宽×高). 通过对管道机器人进行几何通过性分析, 确定其适用的管道范围: 在仅含竖直管的情况下, 适应管径为108 ~ 163 mm; 在仅含水平管且无弯曲段时, 最小适应管径为108 mm; 在含有水平弯曲段时, 最小适应管径增至213 mm, 且对应的最小弯曲半径为26 mm. 开展多种工况下的运动实验, 实验结果表明, 机器人在水平管道中的最大平均运动速度可达 107.5 mm/s, 并能够完成管径适应、翻滚运动、倾斜管道及直角弯管实验, 验证了仿生多关节管道检测机器人方案设计的可行性. 本文所提出的仿生多关节管道机器人为变管径管道检测机器人设计提供了借鉴.

文章导读

在城市不断发展的过程中, 管道作为城市运行的重要“血管”, 发挥着至关重要的作用. 因此, 对管道进行日常检测与维护, 是保障城市正常运转不可或缺的环节. 管道内的空间狭小, 而且人工操作存在安全隐患. 因此, 对管道检测辅助工具的需求日益增长, 管道机器人的概念应运而生, 并逐渐成为国内外研究的热点.

在二十世纪中期, 国外已经展开对管道机器人的研究与应用[1−2]. 目前, 国际上开发出多种结构的管道机器人, 可以携带多种传感器, 应用于多种场景[3]. 轮式机器人因结构简单、传动效率高而得到广泛研究[4−9]. 为进一步提高机器人与管壁的附着力, 一些学者提出履带式来替代轮式的管道机器人[10−11]. 但履带式管道机器人整体结构尺寸偏大, 运动灵活性偏差.

相较于传统的刚性机器人, 仿生机器人具有更强的环境适应性以及更高的运动灵活性. 在管道机器人领域, 研究人员受到生物运动机理的启发, 结合气动和折纸结构, 提出多种仿生管道机器人的设计方案[12−14]. 例如: Hayashi等[15]提出一种仿蠕虫气动管道机器人, 该气动管道机器人适用于直径为70 mm和50 mm的管道. Fang等[16]设计一款仿蚯蚓的管道机器人, 该机器人采用气动驱动, 在管道中的移动速度为9.5 ~ 12.7 mm/s. 南方科技大学团队从沙漠鬣蜥的皮肤获得灵感提出一种折纸轮式管道机器人, 该机器人适用于直径为50 ~ 150 mm 管道[17]. 采用气动和折纸结构的仿生管道机器人在一定场景下具有良好的适应性, 但整体结构和控制较为复杂, 运动速度也有待提高.

为简化仿生机器人的整体结构设计, 提高其在复杂环境中的灵活性, 研究者结合蛇、蜈蚣等多关节生物的运动机理, 提出采用多关节结构设计的管道机器人[18]. 表1展示了几款仿生多关节管道机器人研究进展, 进行多种参数的分析. 速度较快的仿生多关节管道机器人体长超过1000 mm, 导致机器人结构复杂度增加.

针对上述研究中传统管道机器人灵活性不足, 以及现有仿生管道机器人在结构紧凑性、复杂度和运动速率方面的普遍挑战, 并深度借鉴蛇类等多关节生物在极其狭窄和复杂的地形中的运动机理, 本文提出一种新型仿生多关节管道机器人的设计方案. 该管道机器人采用多关节串联设计, 通过两个主动关节的主动轮实现直线运动, 前后被动关节和球形轮的组合实现机器人的翻滚运动. 相较当前仿生多关节管道机器人, 在保证管道机器人环境适应性的情况下, 提高管道机器人运动速率和结构的紧凑性. 此外, 本文对管道机器人进行机构运动分析, 保证其在不同管道环境下的通过性. 并且搭建上位机用于管道机器人操控, 提高系统的人机交互效率和整体控制性能, 为复杂环境下的作业提供支持.

图1  管道机器人结构示意图

图2  管道机器人系统控制框图

图3  管道机器人上位机界面

本文设计了一种新型仿生多关节管道检测机器人. 该机器人主体由两个球形轮模块与主动轮模块构成, 模块之间通过被动关节实现连接, 而两个主动轮模块则通过主动关节舵机齿轮组耦合, 从而有效提升机器人在复杂管道环境中的自适应能力. 为进一步增强系统的整体控制, 为其配套上位机软件, 实现对机器人的高效监控与操作. 并且对管道机器人进行机构运动学和力学特性分析. 通过3D打印制作出管道机器人的主体, 进行多种类型实验测试. 结果表明, 机器人在水平管道中的最大平均速度为107.5 mm/s, 相较同类型小尺寸管道机器人具有较好的运动速率. 在相同管壁材质、不同管道倾斜角度和相同管道倾斜角、不同管壁材质的工况下进行运动实验, 并且在220 mm管径的90° 弯曲管道中完成管道机器人的运动实验. 证明了仿生多关节管道机器人方案设计对复杂弯曲管道的适应性. 在未来的工作中, 将在该管道机器人设计基础之上, 通过进一步增加控制算法, 提高机器人的自主运动能力.

作者简介

郭兵

中国海洋大学工程学院博士研究生. 主要研究方向为检测机器人结构设计以及性能优化. E-mail: thinkouc1027@stu.ouc.edu.cn

李正男

中国海洋大学工程学院硕士研究生. 主要研究方向为管道巡检机器人结构设计及性能优化. E-mail: lzn0925@stu.ouc.edu.cn

张静静

青岛理工大学机械与汽车工程学院副教授. 主要研究方向为复合材料结构设计与3D打印轻量化高性能成形制造, 复合材料精准成形制造中的界面强化技术, 复合材料高效低成本电子束、紫外光、微波固化技术. E-mail: zhangjingjing@qut.edu.cn

王海波

中国海洋大学工程学院讲师. 2022年获得天津大学博士学位. 主要研究方向为软体机器人, 变刚度技术, 机构学与机器人学和运动补偿技术. E-mail: wanghaibo@ouc.edu.cn

常宗瑜

中国海洋大学工程学院教授. 2000年获得天津大学博士学位. 主要研究方向为机构学与机器人学, 机械动力学和海洋装备动力学与控制. E-mail: zongyuchang@ouc.edu.cn

汤超

中国海洋大学工程学院副教授. 2019年获得西安交通大学机械工程专业博士学位. 主要研究方向为新形态机器人设计. 本文通信作者. E-mail: tangchao@ouc.edu.cn

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