0 引 言
为解决垂直或无重力管道环境运动问题，利用自身动力或结构特性主动地或被动地对管壁施加压力是有效的解决方案之一。日本立命馆大学的Kakogawa团队开发了一款具备可折叠连杆机构的履带式管道机器人[6]，其采用弹簧推动折叠连杆伸长，以产生对壁面的压力。其在履带处还设置了可以主动调节履带构型的电机，使其形成平行四边形结构，进一步伸长连杆，可调节范围覆盖68~113 mm。该团队还利用被动支撑悬架，开发了一款轮式管道机器人[7]，但该轮式机器人可调节范围很小，仅为109~129 mm。悬架机构的设计不仅使管道机器人具备了利用自身机械特性产生对壁面压力的功能，还使其具备被动适应连续渐变管径的能力，但其适应范围受悬架结构行程范围的约束。该管道机器人采用螺旋推进方式进行运动，在直管中具有天然的稳定性，同时头部设有偏航关节，使其具备通过弯管的能力。由于其仅由头部螺旋驱动，当头部形成稳定且力封闭的接触时，可以驱动身体运动；但是，当其头部处于T型管中时，特别是在微重力环境下，无法与壁面形成有效接触，从而失去动力，导致无法通过。
清华大学刘辛军等针对小直径管道开发了一款蠕动式软体管道机器人[8]，其采用高功率密度、长寿命的介电弹性体致动器作为人造肌肉，采用基于智能复合微结构的高效锚定单元作为传动装置，通过周期性通电，首先使其头部锚定单元扩张，挤压管壁，然后收缩人造肌肉，再扩张尾部锚定单元，放松头部锚定单元后，扩张人造肌肉，实现周期性蠕动。其锚定单元直径为5 mm调节范围覆盖5~10 mm，在直径9.8 mm的管道中实现了运动，且自身重量仅有2.2 g。但其锚定单元变形范围有限，仅适合小型管道，且其采用的单条人造肌肉目前无法控制弯曲方向，导致无法主动寻找T型管道分支方向，只能顺应单向管道通路方向蠕动。许多软体管道机器人都采用相似的思路[9–14]。
为解决通过T型管的问题，采用多节具备驱动能力的行走单元串联是较好的解决方案之一。韩国汉阳大学Kwon等[15]开发了具备串联驱动单元的履带式管道机器人。其采用可压缩弹簧连接2个驱动单元。当通过T型管道时，通过尾部驱动单元支撑和推动，头部驱动单元选择其中一条分支实现转向通过。但其2个驱动单元之间采用弹簧连接，导致其无法主动控制转向方向，特别是在空间微重力环境下，通过管道中间时，头部无法利用重力倒向一边，当出现悬空时，无法保证机器人能准确选择T型管道方向。
针对通过T型管道出现悬空环节或无法调整弯曲角度导致无法选择前进方向的问题，采用主动转向关节是可行方法之一。日本立命馆大学Ma等[16]开发了AIRo系列轮式管道机器人，其中最新一代的AIRo-5.2，首次为管道机器人引入串联弹性执行器（SEA），在机器人SEA关节被动产生角度变化时，可用于判断机器人正处在T型管中，从而改为角度控制模式，实现顺畅通过T型管。但该机器人仍需进行人为提前干预，以使其头部在进入T型管时面向的是需进入的分支方向。但由于其只有中间一个弯曲关节有SEA，其余两个弯曲关节为被动弹性关节，因此当遇到管道间隙和限流环时，无法通过改变关节角度和支撑关节数量来躲避或越过。
针对限流环和管中间隙的通过性问题，采用多节串联机构并配置主动弯曲关节是可行的解决方案之一。以卡耐基梅隆大学Schempf等[17]研发的管道机器人为例，该机器人采用多节串联结构，配备头部摄像系统，包含2个支撑模块和2个驱动模块，各模块间通过俯仰关节和滚转关节连接，实现主动弯曲转向功能。通过多节支撑模块和移动模块的协同工作，该机器人可通过支撑臂的反复收缩动作越过限流环和管中间隙，但目前仍需人工干预，尚未实现自主通过限流环或间隙等管径不连续障碍。该机器人的支撑臂采用单连杆机构，具有一定的变形能力，可适应152.4~203.2 mm的管道直径范围。为提高对限流环、T型管等复杂环境的适应性，该设计采用7节模块，6个转向机构搭配12个转向电机，但未对其自由度数量进行优化配置，导致系统重量达28.8 kg，体积也相对较大，影响了其实际应用性能。
总之，现有的管道机器人尚无法适应微重力条件下航天装备通风管道，本文针对航天装备管道的微重力环境和管道复杂特点，从机构上综合各类机器人的优点，结构上采用具有SEA关节弹性支撑臂的多节串联驱动单元方案，并针对性地进行小型化和轻量化设计，保证机器人的稳定性和灵活性，实现复杂管道环境中的检测作业任务。本文分析了航天装备管道结构特点，从而得出所需的功能需求，并进行系统设计；针对性地提出了管道机器人的运动模式；在实际管道中进行了试验验证，证明了设计的管道机器人在复杂管道中的可通过性。
1 系统结构设计
1.1 航天装备管道结构分析
构成航天装备通风管道系统的6种基本单元如图1 所示。图1 （a）为锥型管道，用于连接不同直径的直管。图1 （b）为不同直径的直管道。图1 （c）表示用于空气分流的T型管道。图1 （d）表示用于改变气流方向的C型管。图1 （e）为不同管道间的管道间隙。图1 （f）为限制风速的限流环。
航天装备通风管道的特点：管道的类型主要包括直管、锥形管道、C型管道、T型管道等；管道的管径变化大；不同管道之间有柔性连接；部分管道中存在限流环，会引起管道直径的突然变化。
为了实现对管道的可靠稳定检测，管道检测机器人应满足以下三方面功能需求：一是管道检测机器人应具备脚部与管道的接触力控制能力，避免损伤管壁。二是针对管道系统中的不同管径的直管、锥型管和C型管，管道检测机器人要能够完成自适应。三是针对管道系统中的T型管、限流环和柔性连接等非连续管道，管道检测机器人应具备稳定支撑和转向的能力。
1.2 结构与功能设计
航天装备通风管道系统由多组不同直径的管道构成，为实现机器人在不同直径的管道内的自主运动，其机构须具备自动伸展功能。如图2 所示，所设计机器人采用剪叉伸缩机构，通过腿部伸缩机构重构实现管道直径的自适应调节。进一步，为提升退步机构的控制能力，系统利用波形弹簧的压缩量来衡量力的大小，使机器人具备快速适应外界力变的能力。
针对锥型管，机器人配备2套以上的腿部机构单元模块，保证机器人腿部可以协调运动，同时可根据管径的变化实时调整腿部长度，实现双腿同时接触管壁，为此设计模块1和模块2，2组具有腿部机构的模块完成铰接，保证机器人稳定行走。
针对管道中间隙和限流环引发的管道管径突变与结构非连续问题，传统模态难以保障机器人稳定通过。为此，本设计采用前后对称机器人结构，如图2 所示，模块1、2、3（前半部分）与模块6、5、4（后半部分）对称，每半部分均具备完整运动能力。当前半部分运动至管道非连续区域内时，采取前后两部分交替行走的运动策略，即前一半运动机构收拢，后半部分运动机构工作，使前半部分运动机构先行通过；当前半部分运动机构顺利通过后，前半部分机构工作，后半部分运动机构收拢，使机器人顺利通过非连续管道。
针对T型和C型管道，机器人在运动模块中配备了滚转和俯仰自由度，从而使其具备全向姿态的调节能力，实现了对多尺寸、多种类复杂管道的适应性。
1.3 腿部剪叉机构与SEA关节设计
管道检测机器人腿部采用剪叉机构和滚珠丝杆系统实现腿部的伸缩，如图3 所示，设计波形弹簧作为弹性机构，构成串联弹性驱动器（SEA）关节，通过压缩波形弹簧，控制压缩量，实现腿部关节的伸缩的同时完成对足端力的控制。
1.4 传感器配置
管道检测机器人的传感器配置如图4 所示，机器人的头部配备了1个相机，不仅用于获取管道内的图像和三维点云信息，而且用于管道实时建模与导航。机器人的各个关节均配备了绝对位置传感器测量关节的实时位置，其中包括2个扭转关节位置传感器和5个摆动关节位置传感器。机器人4个移动模块均配备了2个传感器，一个用于测量腿的伸展长度，一个用于测量腿与管壁的接触力，保证机器人能够与管壁可靠接触。机器人共有12条腿，每条腿末端即脚部滚动轮均配置有角位移传感器，用以估计脚部速度和机器人位移情况。
2 管道机器人运动模式设计
2.1 在直管运动
航天装备通风管道系统由不同直径的管道组成，为了在不同直径的管道内运动，并确保机器人脚与管道紧密接触，机器人以脚与管壁接触力期望值为目标，腿自动伸长，并在脚与管壁接触后保持期望接触力。同时机器人腰部扭转电机和摆动电机保持零位位置、脚部电机旋转，如图5 和图6 所示，实现在直管内的前后运动。
2.2 通过限流环或间隙
机器人通过限流环与通过间隙的策略相同，在遇到凸出或凹陷障碍时采取相同的运动策略，具体如下：
如图7 所示，第一步机器人靠近限流环或间隙时模块1的腿收缩，模块1与模块2之间的摆动关节保持角度固定，机器人脚电机转动，使机器人第一个运动模块通过限流环；第二步机器人模块1的腿伸长与管壁接触，并维持期望接触力；模块1稳定接触后模块2腿收缩，同时模块2与模块1、模块3之间连接的摆动关节固定角度；然后机器人脚电机转动，带动机器人模块2经过限流环或间隙；第三步机器人模块2腿伸长与管壁接触，并维持期望接触力；第四步模块2稳定接触后，模块5腿收缩，同时模块5与模块4、模块6之间连接的摆动关节固定角度，然后机器人脚电机转动，带动机器人的负载模块以及模块5经过限流环或间隙。重复以上的步骤，使机器人完全通过限流环。
2.3 过C型管
如图8 所示，通过弯管时，需摆动关节与腿部关节协同，机器人策略如下：
首先，机器人的腿伸长，直到机器人脚部与管壁接触力达到期望值后维持当前腿部位置和脚部接触力，确保机器人与管道紧密接触；然后机器人向前运动，并在机器人处于C型管道时减小摆动电机位置刚度，实现在C型管内的前后运动。
2.4 过锥型弯
如图9 所示，通过锥管时，机器人主要是腿部机构完成自适应伸缩，具体策略如下：
首先机器人的腿伸长，直到机器人脚部与管壁接触力达到期望值后腿停止伸长并维持脚部与管壁的接触力，确保机器人与管道紧密接触；然后机器人向前运动，同时机器人实时检测脚部与管壁的接触力，保持接触力始终保持定值，当管道变细，机器人腿部收缩；当管道变粗，机器人腿部伸长，实现在锥形管道的前后运动。
2.5 过T型弯
具有摆动关节和滚转关节以及4套独立腿机构对称构型在通过T型管时可依赖后2套独立腿机构形成稳定支撑，从而使头部自由选择分支，具体运动流程如下：
如图10 所示，第一步机器人模块1腿部收缩，并转弯，使模块1通过T型弯；第二步机器人模块2腿部收缩，并转弯，使模块2通过T型弯；第三步机器人模块1和模块2腿部伸展，撑住管壁，并向前运动；第四步机器人模块3和模块4依次转弯通过；第五步机器人模块5通过T型弯时收缩，摆动关节摆动一定角度完成转向；第六步机器人模块6通过T型弯时收缩，摆动关节摆动一定角度完成转向；第七步机器人模块5、6完成转向后腿部撑开。
3 试验验证
机器人设计最小直径为75 mm，设计直径90~180 mm间的直管、锥管、弯管等各类型测试管道，如图11 所示，以测试机器人的通过能力。
控制机器人向前运动，自动调节腿部长度，获得机器人腿部关节运动曲线，如图12 所示。其中图12 中（a）、（b）、（c）、（d）分别为模块1、2、5、6腿伸展长度。机器人腿部起始长度为90 mm，在管道中运动时，机器人4个腿关节依次伸至180 mm左右，根据管道内径变化逐渐调整至100 mm左右，行进至末端后，开始返回。比较图12 中（a）、（b）、（c）、（d）可以发现机器人四条腿的伸展至相同长度的时间具有一定的相位差，其原因是四个腿部机构单元在机器人上分布具有一定位置差，结果与预期相符。同时从图中可以观察到，腿伸展距离在90~180 mm的正常范围内，机器人腿部伸缩变径比达2。机器人腿长变化曲线连续，证明顺利流畅地通过了直管、弯管、锥管。
设置105 mm管道间隙如图13 所示，控制机器人自动进入管道。机器人通过撑开尾部支撑腿，收缩头部支撑腿向前运动后通过管道间隙后头部支撑腿撑开，继续前进，后腿至间隙时收缩，顺利通过间隙后撑开，完成管道间隙的通过。
4 结 语
设计的管道机器人根据过弯管、锥管、管道间隙以及过T型管道需求，设计了6个单元模块组合的管道机器人，通过前后支撑腿的交替支撑，完成对障碍物（包括突出的限流环或管道间隙）的跨越，通过配置摆动关节和滚转关节以及自身尺寸实现对弯管的通过。腿部伸缩机构可以有效适应锥形管道管径的连续变化，腿部剪叉机构变径比达2（180 mm∶90 mm）。此设计可以有效适应空间微重力环境下的航天器内部通风管路，同时，通过对控制算法的设计，可以适应地面通风管道、燃气管道等应用场景。未来，可通过更换腰部关节模块，携带毛刷等作业设备，实现检测作业一体化。