地下管道地质雷达检测机器人动力学仿真分析_李涛涛.pdf

2023 年第 42 卷7 月第 7 期机 械 科 学 与 技 术Mechanical Science and Technology for Aerospace EngineeringJulyVol422023No7http:/journalsnwpueducn/收稿日期:20210805基金项目:国家自然科学基金项目(52174155)、江西省自然科学基金项目(20212BAB214047)、煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放课题(SKLCSM20KFA08)及江西省教育厅科学技术研究项目(202710)作者简介:李涛涛(1988)，副教授，博士，研究方向为地质雷达装备及技术，litaotao pxueducn李涛涛，程志涛，徐茂轩，等地下管道地质雷达检测机器人动力学仿真分析 J 机械科学与技术，2023，42(7):1000-1008地下管道地质雷达检测机器人动力学仿真分析李涛涛1，程志涛1，徐茂轩2，何宇1，陈宏华1(1 萍乡学院 机械电子工程学院，江西萍乡337055;2 中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083)摘要:地下管道地质雷达检测机器人有效解决了地下管道管内外病害综合检测问题，而机器人的动力学分析是实现机械结构优化和性能改善的基础。对 600 mm 地下排水管道地质雷达检测机器人开展 Adams 下的动力学仿真和仿真结果的实测试验验证，分析机器人工作在管道内壁有障碍物时，滚轮、扭簧、摇杆转轴和防护罩等关键部件的受力情况。结果表明:底部探测器关键部件的全程受力大小和过障碍物时的受力振幅均高于顶部探测器;底部探测器滚轮受力差异较大，偏上滚轮在未遇障碍物时不起作用，承载力集中在下侧滚轮;机器人受 500 N 水平牵引力作用，遇障物瞬间关键部件的受力呈 360 倍激增，防护罩承载达 1 700 N 冲击力。分析结果为地下管道地质雷达检测机器人优化设计，尤其是不同位置探测器的关键部件设计、选材和加工提供了依据。关键词:地质雷达(GP);地下管道检测机器人;动力学;仿真分析中图分类号:TP24文献标志码:ADOI:1013433/jcnki1003-872820220073文章编号:1003-8728(2023)07-1000-09Dynamic Simulation Analysis of Ground Penetrating adarobot for Underground Pipeline DetectionLI Taotao1，CHENG Zhitao1，XU Maoxuan2，HE Yu1，CHEN Honghua1(1 School of Mechanical and Electronic Engineering，Pingxiang University，Pingxiang 337055，Jiangxi，China;2 State Key Laboratory of Coal esources and Safe Mining，China University of Mining and Technology-Beijing，Beijing 100083，China)Abstract:Underground pipeline detection robot(UPD)equipped with ground penetrating radar(GP)caneffectively realize the comprehensive detection of underground pipelines internal and external diseases In order toimprove its performance and mechanical structure，dynamic analysis should be firstly operated In this paper，dynamic simulation analysis of GP-UPD for 600 mm pipeline based on Adams and experimental verification ofsimulation results are carried out In detail，the stress of robots key components，such as rolling wheels，torsionalsprings，axles of rocker and antenna shells are analyzed，when it works in the underground pipeline with obstacleson inner wall The results show that the stress in the whole process and its variation amplitude at the stage of passingthrough obstacles of bottom detectors key components are greater than those of top detector The stress of bottomdetectors rolling wheels has great differences Specifically，the upper rolling wheels of bottom detectors dont workwhen they dont contact with obstacles，and the whole force is concentrated on lower rolling wheels In addition，when robot collides with raised obstacles，the stress of the mentioned key components increase immediately by 360 times with simulated traction of 500 N，and the antenna shell bears a great impact force of 1 700 N The analysisresults provide scientific basis for optimal design，material selection and machining process of GP-UPD，especially key components of detectorsKeywords:ground penetrating radar;underground pipeline detection robot;dynamics;simulation analysis地下管道作为城市地下空间的重要组成部分，其健康状况是城市地下安全重点关注领域1。管道内检测是监测地下管道健康状况的有效方法，现有的管内检测以机器人搭载摄像头的视觉检测为主(CCTV)2-3，可实现裂缝、形变和错台等管壁病害检测，无法探测管道周边近邻土体中的空洞等管外第 7 期李涛涛，等:地下管道地质雷达检测机器人动力学仿真分析http:/journalsnwpueducn/病害。大量事故统计表明，管道周边病害是诱发城市路面坍塌的主要原因，因此管道质检不能只关注管壁病害，还应该延伸至管外近邻土体病害。为此，结合地质雷达4 和 CCTV 的管内检测机器人5 应运而生。它在管内病害探测的基础上，利用无损地质雷达技术实现了管外病害的探测。近年来，国产地质雷达研发机构中国矿业大学(北京)推出了自主研发的地下管道地质雷达检测机器人6，并为满足管内复杂工作环境需求，对机器人做了大量的结构设计和优化研究。为进一步优化地下管道地质雷达检测机器人结构，改善性能，开展机器人关键部件的动力学仿真分析是基础。目前专门针对地下管道地质雷达检测机器人开展优化设计或动力学仿真研究的较少，大多集中在油气管道检测、维护和清洁机器人方面7-9。文献 10采用并联机构和连杆式腿足机构分别作为管道机器人的移动载体和行走机构，并对其进行了运动学和静力学分析，得到腿部和载体间驱动力的映射关系。李颖欣等11对核设施通风管道检测机器人的双向越障问题开展研究，设计了双平行四边形的双向变径越障机构，并在 Adams 环境下进行动力学仿真，验证了机构的双向壁障和变径通过性能。美国卡内基梅隆大学与美国能源部联合研制的Explorer 系列多关节蛇形管道机器人12，同时搭载有视觉、涡流和漏磁 3 类传感器，实现对煤气管道的内部状态和管道病害情况进行检测。薛耀勇等13对履带式管道机器人的自适应机构开展优化设计，通过优化调整平行四边形支撑杆系中的铰点位置，来改善自适应机构的力作用效果。闫宏伟等14设计了管道机器人的螺旋驱动行走机构，重点研究了驱动轮螺旋角和直径对行走机构驱动力和行进速度的影响，仿真分析后得到驱动轮的最佳螺旋角和直 径 参 数。罗 继 曼等15设计了一种针对大直径管道的新型步进式机器人，采用液压伸缩加紧机构连接双模块的行走机构实现管内步进，并分析了其特定工况下的力学性能。该文对适用于 600 mm 管径的地下排水管道地质雷达检测机器人进行动力学仿真分析，构建机器人在 Admas 中的仿真环境和力学仿真模型，依次分析机器人在有障碍物的地下排水管道模型中工作时，滚轮、扭簧、摇杆转轴和防护罩等关键部件的受力情况，为机器人的进一步优化设计和关键部件的力学性能改善提供依据。1地下管道地质雷达检测机器人为了满足不同直径管道的内检测需求，管道地质雷达检测机器人的机械结构会有所不同。文中分析的机器人是中国矿业大学(北京)专为 600 mm 管径的管道综合内检测机器人，搭载有 1 个摄像头和3 个雷达探测器，可实现管内壁病害的视频检测和管道周边近邻土体病害的地质雷达探测，具体结构如图 1 所示。机器人机械结构包括机器人主体、3个雷达探测器、3 组自适应调节机构。机器人主体前端有摄像头视窗，后端有传输线缆的连接插头，四周环绕均匀分布有 3 个雷达探测器。雷达探测器外表为天线防护罩，罩内安装有地质雷达天线，罩底部有密封底板，两端各有两个斜侧滚轮。自适应调节机构一方面实现雷达探测器与机器人主体的连接;另一方面可伴随管壁凹凸变化，自适应调节雷达探测器与机器人主体高度，以实现雷达探测器与管道内壁的最佳贴合，保证地质雷达的探测效果。图 1地下管道地质雷达检测机器人Fig1The geological radar detection robot for underground pipelines2机器人越障及耦合贴壁结构设计地下排水管道内部环境非常复杂，长年的污垢和淤泥堆积、压力诱发的管道形变、铺设连接错台等，使得管道内检测难度很大，这对机器人的越障能力提出了较高的要求。此外，对于搭载有地质雷达的管道机器人而言，为了保证地质雷达的管外探测效果，要求探测器与管壁时刻具备良好的贴合效果。为此文中机器人对越障和雷达耦合贴壁结构进行了专门的设计。首先，将地质雷达天线的辐射面由以往的平面改进成弧面，弧面直径根据管道直径大小设计，使得天线与管壁接触时有最大的贴合面积。为了保证改进弧面天线在探测能量和方向性方面效果，对蝶形天线的形状和部分电性参数进行了调整。其次，设计了可随管壁形变自适应调节四连杆调节机构，实1001机 械 科 学 与 技 术第 42 卷http:/journalsnwpueducn/现了机器人越障的同时，保证了雷达探测器时刻与管壁贴合。自适应调节机构的设计图和简图见图 2。机构主体部分为平面四连杆，与机器人主体转动连接的#1、#2 摇杆转轴上，分别安装有扭簧。#1、#2 摇杆另一端通过#3 连杆(雷达探测器)连接，转轴上均安装有管轮，滚轮与管道内壁接触。扭簧随管壁形变引发能量的积蓄和释放，实现了机器人的双