蠕动式气动软体管道机器人设计与实验

宋懋征，刘晓敏，赵云伟，田德宝，秦 鹏

(北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132021)

引言

管道机器人广泛应用在工业生产、医疗卫生、化工及勘探勘测等诸多领域[1]。传统的管道机器人多采用刚性结构，其中包含电控式[2-4]与气动式[5-7]管道机器人。电控式管道机器人主要以电机为原动机，通过齿轮或者丝杠驱动足部行走，存在刚性大，结构复杂，越障能力低等缺点。而气动式管道机器人主要通过外部气源对末端驱动器提供动力，结构相对简单。随着材料技术的发展，为解决刚性管道机器人结构复杂、柔性不足和适应性差等缺点，国内外学者设计了多种软体管道机器人[8-9]。该类软体机器人本体采用高分子软体材料制作，在空间内具有多个自由度，自身具有较好的柔性和适应性[10-12]。

本研究采用超弹性硅胶材料制作两种气动软体驱动器，基于所设计的两种驱动器研制一种蠕动式气动软体管道机器人。研究驱动器的结构及制作工艺，建立机器人运动模型，并在实验室环境下进行运动性能实验。

1 结构与功能

研究设计的软体管道机器人，主要由足部和躯干组成，结构如图1a所示，足部采用径向膨胀软体驱动器，躯干采用轴向伸缩软体驱动器。足部与躯干采用锥形台嵌入式连接方式，如图1b所示。在气压作用下，径向膨胀驱动器产生径向膨胀变形，轴向伸缩驱动器产生轴向伸长变形，通过足部与躯干部驱动器之间的相互配合交替通气，机器人可实现在管道内爬行。

图1 气动软体管道机器人结构组成Fig.1 Structure of soft pipe robot

1.1 驱动器设计

机器人足部与躯干驱动器内部结构如图1b所示。足部采用径向膨胀驱动器外形类圆柱形，且四周设有等间距排水(气)槽；其内部包含4个腔室，每腔室之间通过气道相互连接。通入压缩气体后，驱动器沿径向发生变形，膨胀后抵住管道内壁，支撑躯干。

躯干驱动器外形类波纹状，其内部包含2个锥形气腔，锥形气腔的顶部较厚，侧壁略薄，通入压缩气体后，驱动器轴向伸长，推动足部前移，从而实现机器人爬行，驱动器结构参数见表1。

表1 管道机器人几何参数与材料特性Tab.1 Geometric and material parameters of robot

1.2 机器人制作工艺

管道机器人主体采用硅胶(Dragon-Skin30)材料制作而成。其制作工艺共分为6步，模具制作、模具组装、浇注、脱模、粘接、装配。具体制作工艺如下：

(1) 制作气动软体驱动器模具，该模具均采用分离式结构，皆采用ABS塑料，经3D打印而成(图2 I-A、II-A)；

(2) 自下而上组装驱动器模具，并插入φ2 mm金属圆棒来制成气管通道(图2 I-B、II-B)；

(3) Dragon-Skin30硅橡胶A液、B液按1∶1混合经负压排气处理之后，将其注入模具，此时模具内壁喷涂脱模剂。浇注完成后，放置在25～30 ℃的恒温箱中固化16 h左右，待到硅胶固化成型后，将模具与硅胶剥离，得到足部驱动器下部；

(4) 其中，径向驱动器模具脱模得到足部驱动器下部，重复上述步骤，将径向驱动器完成的下部与上部进行粘接，完成足部驱动器的制作(图2 I1-I4)；

(5) 将制作完成的2个半波纹管状躯干驱动器用硅胶粘合剂做密封处理，完成躯干驱动器的制作(图2 I5-I6)；

(6) 将足部与躯干进行装配，并连接空气管道(图2 III-B)，固定气管(图2 III-C)，完成管道机器人的制作，如图2 I9-I12。

图2 管道机器人制作流程Fig.2 Fabrication of soft pipe robot

2 运动学建模

该管道机器人仿照蠕虫运动机理，通过足部与躯干交替充气，机器人可实现在管道内的爬行运动。机器人运动时序图如图3所示，其运动动作共分6步：初始态，后足充气膨胀抵住管道内壁(图3a)；躯干和前足依次充气伸长和径向膨胀(图3b和图3c)；后足径向膨胀驱动器与轴向伸缩驱动器相继放气收缩(图3d和图3e)；后足充气膨胀，前足放气收缩，回到最初运动状态(图3f)，至此完成一个运动循环，其前进位移为ΔL。

图3 管道机器人运动时序图Fig.3 Diagram of motion sequence

管道机器人按照规划步态进行运动时，其运动速度取决于机器人步频和步距。假设机器人足部与管壁接触无滑动且忽略供气管对机器人的影响，则在1个循环周期内的管道机器人平均运动速度为：

(1)

式中，S和T分别为管道机器人在1个周期内的前进位移和时间；ΔL为轴向伸缩驱动器气压下的形变量；λ为轴向伸缩驱动器变形修正系数，与制作工艺、驱动器内部管道摩擦阻力、重力有关；fi为机器人步频。

机器人步距由轴向伸缩软体驱动器伸长量所决定。轴向伸缩软体驱动器外形如同波纹管模型。轴向伸缩驱动器气压下的形变量ΔL与波纹状外形(类弹簧体)有关，其形变量为：

(2)

式中，K——轴向软体驱动器刚度

F——轴向伸缩驱动器产生的轴向力

通入压缩气体后，轴向伸缩驱动器产生轴向力为：

1.气泵 2.气动三联件 3、5.减压阀 4.数显压力表 6.二位三通电磁换向阀 7.气动软体管道机器人 8.气动控制系统 9.静力学实验平台 10.运动学实验平台图4 静力学与运动学实验原理图Fig.4 Schematic diagram of statics and kinematics experiment

F=pA

(3)

式中，p——作用在轴向伸缩驱动器上的压力

A——轴向伸缩驱动器的有效面积

据波纹管有效截面积公式[12]，伸缩驱动器的有效截面积为：

(4)

式中，D——轴向伸缩驱动器的外径

d——驱动器的内径

将式(3)、式(4)代入式(2)中得到轴向伸缩驱动器气压下的形变量为：

(5)

软体驱动器刚度K和结构参数C由轴向伸缩驱动器的外形尺寸决定，K与C[13]分别为：

(6)

(7)

式中,Ci(i=1,2,3,4)与模型的外形尺寸有关。

3 实验与分析

利用机器人进行仿真并搭建性能测试平台进行静力学及运动性能实验，实验原理如图4所示。实验平台主要由气动控制系统、磁致伸缩位移传感器、载荷传感器、六维力传感器、Optotrak Certus三维运动捕捉系统等设备组成，具体实验条件如表2所示。

表2 实验条件Tab.2 Experimental conditions

3.1 静力学实验

图5为径向膨胀驱动器形变量与气压的关系。由图5可知，驱动器径向膨胀量随气压的增加而增大且呈轻度非线性。其最大变形量可达12 mm，可知该机器人可适应一定范围(φ50～62 mm)的变径管道。

图5 径向膨胀驱动器径向形变量与气压值关系Fig.5 Relationship between radial expansion and air pressure

轴向伸缩驱动器伸长量随气压变化，如图6所示。由轴向伸缩驱动器外形尺寸得结构参数C1为0.046，C2为0.278，C3为-0.144，C4为0.083，实验数据与理论对比，变形修正系数λ为0.89。由图6可知，气压下驱动器轴向形变量的理论曲线与实验曲线趋势一致吻合较好，其伸长量随着气压的增加呈线性增加。由于受到硅胶材料的弹性约束，实验曲线在0.08 MPa之后增长趋势减缓。

图6 轴向驱动器轴向形变量L与气压值关系Fig.6 Relationship between axial elongation and air pressure

径向膨胀驱动器和轴向伸缩驱动器的驱动力与气压值关系，如图7所示。各驱动器的驱动力随着气压的不断增大，其中径向膨胀驱动器产生的膨胀力呈现较强的非线性，而轴向伸缩驱动器的驱动力与气压近似呈线性。在0.12 MPa气压下，径向膨胀驱动器和轴向伸缩膨胀器的最大驱动力分别为65.81 N和64.88 N。

图7 各驱动器驱动力与气压值关系曲线Fig.7 Relationship between generated force and air pressure of two actuators

3.2 运动性能实验

通过运动实验平台进行了不同频率、气压和负载工作条件下机器人蠕动爬行实验(图8～图11) ，测试了机器人不同工况下的运动性能。机器人末端设有标记点，其位移由3D捕捉系统测得。

图8 位移随时间变化Fig.8 Relationship between displacement and air pressure

在径向膨胀驱动器气压值0.06 MPa，轴向伸缩驱动器气压值0.07 MPa，频率0.28 Hz下，机器人位移随时间变化如图8所示。依据规划步态，随着循环次数的增加，机器人前行位移随之递增。由于机器人蠕动爬行，其前进时出现上下波动，与理论计算相比实际前进位移存在一定波动，机器人整体的移动速度为3.46 mm/s。

图9为管道机器人在同气压不同步频下位移随时间变化。随着步频增加，机器人前进位移随之增大。机器人在频率0.42 Hz下的最大速度可以达到4.64 mm/s。步频是是影响机器人行进速度的重要因素。

图9 频率对机器人爬行的影响Fig.9 Influence of step frequency on robot’s speed

图10为频率0.27 Hz时，不同足部气压值对机器人前进位移的影响。由于机器人轴向伸长量随通入气压的增大而增加，机器人前进的位移随之增大。在气压0.065 MPa时，由于足部与管壁摩擦力过小，机器人出现向下滑动。若使机器人稳定前进，足部气压值不可低于0.070 MPa。在气压0.072 MPa下，运动中最大速度可达3.46 mm/s。驱动器内气压是影响机器人运动性能的关键因素。

图10 气压对机器人爬行的影响Fig.10 Influence of air pressure on robot’s speed

图11为机器人在不同负载下前进位移随时间变化，各驱动器在不同状况下的气压值如表3所示，机器人频率为0.21 Hz。

图11 负载对机器人爬行的影响Fig.11 Influence of air pressure on robot’s speed

表3 负载下各驱动器工作压力参数Tab.3 Working air pressure of each actuator with different work loads

当机器人空载时，其速度为2.55 mm/s；负载200 g，500 g及1000 g时速度分别为2.00，1.62，1.23 mm/s。管道机器人最大负载为1000 g。

由图11所示，随着负载的增加，轴向伸缩驱动器运动时受到的阻力和惯性力随之增加，其轴向伸长驱动器运动受限其伸长量减小，导致机器人爬行速度随之下降。相比较空载情况，在负载200 g下，机器人前行波动量小其运动较为平稳，表明一定负载可以增加管道机器人的行走的稳定性。

机器人在直管内爬行时，由于管道倾角(0°～90°范围)变化可分为水平、倾斜和垂直三种工况，其中垂直工况为不利爬行的极端工况。图12和图13分别为机器人在空载和负载时不同工况下直管内的爬行。

图12 不同工况下空载爬行Fig.12 Robot’s crawling under different working conditions without load

图13 不同工况下负载爬行Fig.13 Robot’s crawling under different working conditions with work load

图14为不同工况下，空载时机器人爬行位移随时间的变化。由下图可知，随着管道倾角的增加，由于重力影响机器人爬行速度随之下降。在水平管道(图12a)、倾斜45°管道(图12b)和垂直管道(图12c)中速度分别为5.50 mm/s，5.03 mm/s和4.64 mm/s。

图14 不同工况下机器人空载爬行Fig.14 Displacement vs.time under different working conditions without load

图15为机器人在不同工况下负载爬行位移随时间的变化。由图13和图15可知，随着管道倾角的增加，相对水平工况(图13a)，倾斜和垂直工况(图13b和13c)机器人稳定爬行时的负载能力减弱，同时爬行速度大幅降低。三种工况下的负载重物分别为1750 g，1350 g和1000 g。

图15 不同工况下机器人负载爬行Fig.15 Displacement vs.time under different working conditions with work load

综上，该管道机器人具有较好的柔顺性、灵活性和适应能力强的特点，可在一定直径范围的管道内稳定爬行。极端工况下爬行速度最大速度为4.64 mm/s，且负载能力可达1000 g。

4 结论

研究设计了径向膨胀驱动器和轴向伸缩驱动器，并采用该软体驱动器研制了一种蠕动式气动软体管道机器人。建立了机器人运动学模型并进行了运动性能实验。结果表明：该管道机器人具有较好的柔顺性和灵活性。随着气压和运动频率的增加，机器人爬行速度随之增加，一定负重可增加机器人的行进的稳定性。在足部与躯干气压值分别为0.07 MPa和0.06 MPa下，其动作频率为0.42 Hz时，极端工况下机器人最大运动速度可达4.64 mm/s，负载能力可达1000 g。