自主变位履带式管道机器人GXJZ-I的研制和开发
龙 斌，毛立民
东华大学机械学院(200051)
email:[email protected]
摘 要：本文主要介绍东华大学研制开发的自主变位履带式管道清洗机器人GXJZ-I。主要包括机器人的系统功能、机械结构设计和控制系统设计。GXJZ-I以自主变位履带式管道机器人移动机构为运动载体，通过摇臂携带的毛刷等工作部件，可完成对通风管道进行探测、清扫等工作。
关键词：自主变位 管道 履带 机器人
1．引言
当前，人们已认识到中央空调风管内的灰尘是传播病毒的载体，重视了中央空调的清洗，但是结果不尽人意。原因有三：一是我国大多数中央空调普遍使用粗效过滤器，最多只能过滤空气中40%的可悬浮颗粒物，近60%的颗粒物进入中央空调，依然为病毒载体，当通风时，仍有可能产生交叉感染。二是目前人们只注重中央空调机组的，清洗和水处理，然而风管面积远远大于机组面积，而中央空调系统内95%以上的藏尘量在风管内，水洗仅降低机体内10%水垢的产生。三是没有机器人参与清洗，人进入风管清洗又存在二次污染。
正因为如此，管道清洗机器人应运而生。管道清洗机器人是用于高层楼宇、机场、宾馆等场所的中央空调通风管道以及纺织、石油、化工、电
子、矿山、市政等场合的通风管道、除尘管道、输送管道检测、清洗、喷涂等的作业装置。目前，国外如丹麦Danduct Clean公司、加拿大INUKTUN公司等都有比较成熟的管道清洗机器人产品。西方发达国家的管道清洗已初显产业化趋势，成立有诸多的清洗公司，有专门的空调保养公司来负责空调的定期清洗和消毒，而具体负责的空调保养工程师则由有关部门统
一管理，核发资质。国内也有相关的机器人研究。但是，目前国内外研制开发的管道机器人
- 1 -[2]
图1 自主变位履带式管道机器人GXJZ-I
移动机构大多以轮式和双履带式为主，仅适用于单一形状或口径的管道环境，适用性有限。
东华大学机械学院成功地解决了现有管道机器人对复杂管道环境适应性的不足，开发了具有自主知识产权的自主变位履带式管道机器人GXJZ-I。与国内外同类机器人相比，GXJZ-I机器人既适用于矩形也适用于圆形管道，具有优异的管内越障性能，能实现变径管道、阶梯管道、变截面形状管道的过渡行走；在圆管内行走时具有自适应管径和自动水平姿态调整功能，保持足够的牵引力；能自动保持水平状态，适应复杂的非结构化管道环境。
[3]
2．管道机器人关键技术
管道机器人关键技术包括对于复杂管道环境（圆形、锥形、阶梯管道、扁平管道等）的适应性、变截面形状管道（矩形管~圆形）过渡能力、管内越障能力、圆管弯道自主行走能力等。
目前，国内外现有的管道机器人都没有很好地解决这些非等径、变截面管道环境适应性问题，大多只适应于一些特定的单一管径管道环境。一般也不具备变截面形状管道（矩形管~圆形）过渡能力。管内越障能力一般为最大翻越障碍高度10mm左右。弯管自主行走主要采用通过红外传感器和倾斜计检测位姿来调整机体的形式。
[5]
3．GXJZ-I的机械结构设计
图2 GXJZ-I的总体结构
3.1 GXJZ-I的结构参数和特点
外 形 尺 寸： 250(宽)×210(高)×580(长)mm（不含清洗工具） 净 重： 12kg
行 走 速 度： 0~5m/min无级可调 适应矩形管道： 高度范围150~650mm 适应圆形管道： 直径范围350~650mm 有效行进距离： 30m 管内越障高度： ≥60mm
- 2 -
最大爬坡角度： 30度 毛刷工作转速： 800rpm
3.2 GXJZ-I的总体结构设计
GXJZ-I机器人系统采用线缆遥控，可采用控制箱控制或PC机直接操作，并可通过PC机进行监控和录像。机器人采用了四履带足结构的行走机构，具有较强的越障能力和复杂管道的适应能力。工作部件采用“ㄇ”字形摆杆，受力强度大，工作面稳定。矩形管与圆形管毛刷更换简单，适用性广泛。毛刷电机可更换成喷枪，进行通风管道的喷雾消毒作业。
3.3 行走机构的设计
GXJZ-I机器人行走系统采用的是具有自主知识产权的新型自主变位履带式管道机器人移动机构。该移动机构能跨越管内的阶梯管、锥形管接口、变截面形状管接口。可适用于矩形管和圆管，并可完成矩形管到圆管的自主过渡，能尽量小的适应管道尺寸，能实现直角方管转向和90°圆弧弯管行走，具有自适应圆管管径和自动水平姿态调整功能，环境适应性极强，能胜任复杂的管道环境。
越障能力强是GXJZ-I机器人行走系统的特点。GXJZ-I机器人管内最大越障高度可达60mm以上，几乎是国内外其它同类机器人的数倍。在管道内，无论阶梯管、管接头、管内台阶和圆管凸肩等障碍都可直接翻越，极大地提高了机器人的应用范围。
3.4 工作机构的设计
图3 GXJZ-I工作平面的调整
GXJZ-I机器人的工作机构由摆臂和工作头组成。摆臂可以上下摆动使工作头处于不同的工作高度。摆杆采用“ㄇ”字形结构，相对于同类机器人一般采用的单臂结构具有更高的受力强度。摆杆长度可以手工调整，以适应不同的管径高度。
- 3 -
机器人的工作头可以选择安装毛刷部件或喷淋部件。毛刷部件可以适用于矩形管和圆管，只需更换毛刷即可。由于清洗矩形管与圆管需用不同的毛刷，清洗不同截面直径的管道时也需要更换不同长度刷毛的毛刷，清洗过程中由于毛刷的磨损也要更换毛刷，
工作头毛刷的安装采用了快装设计，以方便地进行清洗毛刷的更换。工作头的高度和水平度也可以单独调整，以保证圆管清洗时工作头的水平。
图4 GXJZ-I清洗毛刷的安装调整
4．GXJZ-I的感知和控制系统设计
4.1 视觉监控系统
在GXJZ-I机器人的前后，各安装了两个彩色CCD摄像头。操作人员可以通过监控PC的液晶显示屏，观察管道的清洁状况和机器人的工作情况。根据需要，还可以对相关管内情况进行录像，以备查询。由于管道内光线条件较差，GXJZ-I机器人安装了高亮度的LED照明灯。机器人前部安装了三组LED照明灯，后部安装了两组LED照明灯。
由于管道内情况复杂，有时仅通过摄像头无法掌握机器人在管内的工作情况。因此，GXJZ-I机器人还有声音探头，通过控制箱上的喇叭可以即时获知管内的电机和毛刷工作情况。
图5 摄像头和灯的安装
4.2 位姿检测和调整
为了适应复杂的管内环境，GXJZ-I机器人设计了完备的位姿检测和调整功能。在机器人的四个履带足上都有触发传感器，在矩形管与圆管的相互过渡时自动调节履带足工作状态。在圆管内行走时也能根据管径自动调节履带与管壁的接触位置，保持足够的牵引力。
- 4 -
机器人在圆形管道中工作时，如果行走方向偏离圆管轴线，机器人可能会倾斜甚至倾覆。尤其是在圆形管道转弯处，机器人更易发生倾覆。GXJZ-I机器人的车体内安装有倾斜传感器，
感知机器人发生倾斜后可自动调整左右两侧履带转速以恢复机器人平衡，从而使机器人在圆管中保持水平行走。
4.3 控制系统的设计
如图所示，GXJZ-I机器人的控制系统采用两级控制，由上位监控计算机、下位机主控制器、上下位机通讯三部分组成。机器人上位监控计算机不仅可以实现对机器人管内工作情况的监视观察，还可以实现对机器人的直接控制。机器人系统下位机主控制器采用可编程逻辑控制器（
Programmable Logic Controller，简称PLC），它被直接安装在机器人本体上，实现对机器人各个具体动作的控制，同时采集机器人
图7 GXJZ-I的控制系统
- 5 -
各个时刻的运动状态，传送给上位机。
5．GXJZ-I机器人的性能实验
图8 GXJZ-I越障实验
为了检验
GXJZ-I机器人实际使用的性能，我们对机器人系统进行了全面的性能实验。在实验中，GXJZ-I
机器人完全达到甚至大大超过了设计指标，表现出了优越的性能。在实验的各种表面上，GXJZ-I机器人可直接翻越70mm的垂直障碍。其中在木板面上的最大越障高度达到了93mm，这在目前是大多数同类机器人越障能力的近十倍。同样在木板面上，机器人最大爬坡度达到了34度，在其它平面上的爬坡度也在30度以上。
图9 GXJZ-I爬坡实验
6．结论
本文提出一种自主变位履带式管道机
图10 GXJZ-I矩形管与圆管的自主变位
器人，采用的是具有自主知识产权的新型自主变位履带式管道机器人移动机构。该机器人系统具有优越的越障能力和强大的管道环境适应性两大特点。下一步，我们将对该移动机构的越障平稳性进行进一步研究，同时对该型机器人在其它领域如行星探测的应用进行研究。
参考文献
[1] Koh K C, Choi H J, Kim J S, et al. Sensor-based navigation of air-duct inspection mobile robots[A].
Proceeding of the SPIE[C]. 2001, Vol.4190. 202-211. [2] 龚进峰,彭商贤,刘斌. PR-1履带式管道机器人双控制系统的设计与实现[J]. 制造业自动化, 2000, Vol.12. [3] 吕恬生,宋钰. 履带式管道机器人的自适应模糊控制[J]. 上海交通大学学报, 1997, 31(9): 68-71. [4] 周大威,高学山,王炎,等. 全方位移动清扫机器人控制技术的研究[J]. 高技术通讯, 2000, 10(6): 66-67. [5] 宋章军,陈恳,杨向东,等. 通风管道智能清污机器人MDCR-I的研制与开发[J]. 机器人, 2005,27(2):
142-146.
- 6 -
Research and Development of Automatic Position Changing
Tracked Duct Robot GXJZ-I
Long Bin
Mao Limin
College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai, PRC, 200051
1. Abstract
This paper presents a new duct robot which is developed by Donghua University - GXJZ-I. The system function, mechanical architecture and control system of GXJZ-I. It which applies the position changing tracked pipe robot mobile mechanism can inspect, clean the duct with corresponding tool on the rocker. Keywords: automatic position changing pipe tracked robot
龙斌：男。硕士研究生，专业方向机械设计及理论，主要进行机体变结构机器人及爬壁机器人等方面的研究。
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自主变位履带式管道机器人GXJZ-I的研制和开发
龙 斌，毛立民
东华大学机械学院(200051)
email:[email protected]
摘 要：本文主要介绍东华大学研制开发的自主变位履带式管道清洗机器人GXJZ-I。主要包括机器人的系统功能、机械结构设计和控制系统设计。GXJZ-I以自主变位履带式管道机器人移动机构为运动载体，通过摇臂携带的毛刷等工作部件，可完成对通风管道进行探测、清扫等工作。
关键词：自主变位 管道 履带 机器人
1．引言
当前，人们已认识到中央空调风管内的灰尘是传播病毒的载体，重视了中央空调的清洗，但是结果不尽人意。原因有三：一是我国大多数中央空调普遍使用粗效过滤器，最多只能过滤空气中40%的可悬浮颗粒物，近60%的颗粒物进入中央空调，依然为病毒载体，当通风时，仍有可能产生交叉感染。二是目前人们只注重中央空调机组的，清洗和水处理，然而风管面积远远大于机组面积，而中央空调系统内95%以上的藏尘量在风管内，水洗仅降低机体内10%水垢的产生。三是没有机器人参与清洗，人进入风管清洗又存在二次污染。
正因为如此，管道清洗机器人应运而生。管道清洗机器人是用于高层楼宇、机场、宾馆等场所的中央空调通风管道以及纺织、石油、化工、电
子、矿山、市政等场合的通风管道、除尘管道、输送管道检测、清洗、喷涂等的作业装置。目前，国外如丹麦Danduct Clean公司、加拿大INUKTUN公司等都有比较成熟的管道清洗机器人产品。西方发达国家的管道清洗已初显产业化趋势，成立有诸多的清洗公司，有专门的空调保养公司来负责空调的定期清洗和消毒，而具体负责的空调保养工程师则由有关部门统
一管理，核发资质。国内也有相关的机器人研究。但是，目前国内外研制开发的管道机器人
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图1 自主变位履带式管道机器人GXJZ-I
移动机构大多以轮式和双履带式为主，仅适用于单一形状或口径的管道环境，适用性有限。
东华大学机械学院成功地解决了现有管道机器人对复杂管道环境适应性的不足，开发了具有自主知识产权的自主变位履带式管道机器人GXJZ-I。与国内外同类机器人相比，GXJZ-I机器人既适用于矩形也适用于圆形管道，具有优异的管内越障性能，能实现变径管道、阶梯管道、变截面形状管道的过渡行走；在圆管内行走时具有自适应管径和自动水平姿态调整功能，保持足够的牵引力；能自动保持水平状态，适应复杂的非结构化管道环境。
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2．管道机器人关键技术
管道机器人关键技术包括对于复杂管道环境（圆形、锥形、阶梯管道、扁平管道等）的适应性、变截面形状管道（矩形管~圆形）过渡能力、管内越障能力、圆管弯道自主行走能力等。
目前，国内外现有的管道机器人都没有很好地解决这些非等径、变截面管道环境适应性问题，大多只适应于一些特定的单一管径管道环境。一般也不具备变截面形状管道（矩形管~圆形）过渡能力。管内越障能力一般为最大翻越障碍高度10mm左右。弯管自主行走主要采用通过红外传感器和倾斜计检测位姿来调整机体的形式。
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3．GXJZ-I的机械结构设计
图2 GXJZ-I的总体结构
3.1 GXJZ-I的结构参数和特点
外 形 尺 寸： 250(宽)×210(高)×580(长)mm（不含清洗工具） 净 重： 12kg
行 走 速 度： 0~5m/min无级可调 适应矩形管道： 高度范围150~650mm 适应圆形管道： 直径范围350~650mm 有效行进距离： 30m 管内越障高度： ≥60mm
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最大爬坡角度： 30度 毛刷工作转速： 800rpm
3.2 GXJZ-I的总体结构设计
GXJZ-I机器人系统采用线缆遥控，可采用控制箱控制或PC机直接操作，并可通过PC机进行监控和录像。机器人采用了四履带足结构的行走机构，具有较强的越障能力和复杂管道的适应能力。工作部件采用“ㄇ”字形摆杆，受力强度大，工作面稳定。矩形管与圆形管毛刷更换简单，适用性广泛。毛刷电机可更换成喷枪，进行通风管道的喷雾消毒作业。
3.3 行走机构的设计
GXJZ-I机器人行走系统采用的是具有自主知识产权的新型自主变位履带式管道机器人移动机构。该移动机构能跨越管内的阶梯管、锥形管接口、变截面形状管接口。可适用于矩形管和圆管，并可完成矩形管到圆管的自主过渡，能尽量小的适应管道尺寸，能实现直角方管转向和90°圆弧弯管行走，具有自适应圆管管径和自动水平姿态调整功能，环境适应性极强，能胜任复杂的管道环境。
越障能力强是GXJZ-I机器人行走系统的特点。GXJZ-I机器人管内最大越障高度可达60mm以上，几乎是国内外其它同类机器人的数倍。在管道内，无论阶梯管、管接头、管内台阶和圆管凸肩等障碍都可直接翻越，极大地提高了机器人的应用范围。
3.4 工作机构的设计
图3 GXJZ-I工作平面的调整
GXJZ-I机器人的工作机构由摆臂和工作头组成。摆臂可以上下摆动使工作头处于不同的工作高度。摆杆采用“ㄇ”字形结构，相对于同类机器人一般采用的单臂结构具有更高的受力强度。摆杆长度可以手工调整，以适应不同的管径高度。
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机器人的工作头可以选择安装毛刷部件或喷淋部件。毛刷部件可以适用于矩形管和圆管，只需更换毛刷即可。由于清洗矩形管与圆管需用不同的毛刷，清洗不同截面直径的管道时也需要更换不同长度刷毛的毛刷，清洗过程中由于毛刷的磨损也要更换毛刷，
工作头毛刷的安装采用了快装设计，以方便地进行清洗毛刷的更换。工作头的高度和水平度也可以单独调整，以保证圆管清洗时工作头的水平。
图4 GXJZ-I清洗毛刷的安装调整
4．GXJZ-I的感知和控制系统设计
4.1 视觉监控系统
在GXJZ-I机器人的前后，各安装了两个彩色CCD摄像头。操作人员可以通过监控PC的液晶显示屏，观察管道的清洁状况和机器人的工作情况。根据需要，还可以对相关管内情况进行录像，以备查询。由于管道内光线条件较差，GXJZ-I机器人安装了高亮度的LED照明灯。机器人前部安装了三组LED照明灯，后部安装了两组LED照明灯。
由于管道内情况复杂，有时仅通过摄像头无法掌握机器人在管内的工作情况。因此，GXJZ-I机器人还有声音探头，通过控制箱上的喇叭可以即时获知管内的电机和毛刷工作情况。
图5 摄像头和灯的安装
4.2 位姿检测和调整
为了适应复杂的管内环境，GXJZ-I机器人设计了完备的位姿检测和调整功能。在机器人的四个履带足上都有触发传感器，在矩形管与圆管的相互过渡时自动调节履带足工作状态。在圆管内行走时也能根据管径自动调节履带与管壁的接触位置，保持足够的牵引力。
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机器人在圆形管道中工作时，如果行走方向偏离圆管轴线，机器人可能会倾斜甚至倾覆。尤其是在圆形管道转弯处，机器人更易发生倾覆。GXJZ-I机器人的车体内安装有倾斜传感器，
感知机器人发生倾斜后可自动调整左右两侧履带转速以恢复机器人平衡，从而使机器人在圆管中保持水平行走。
4.3 控制系统的设计
如图所示，GXJZ-I机器人的控制系统采用两级控制，由上位监控计算机、下位机主控制器、上下位机通讯三部分组成。机器人上位监控计算机不仅可以实现对机器人管内工作情况的监视观察，还可以实现对机器人的直接控制。机器人系统下位机主控制器采用可编程逻辑控制器（
Programmable Logic Controller，简称PLC），它被直接安装在机器人本体上，实现对机器人各个具体动作的控制，同时采集机器人
图7 GXJZ-I的控制系统
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各个时刻的运动状态，传送给上位机。
5．GXJZ-I机器人的性能实验
图8 GXJZ-I越障实验
为了检验
GXJZ-I机器人实际使用的性能，我们对机器人系统进行了全面的性能实验。在实验中，GXJZ-I
机器人完全达到甚至大大超过了设计指标，表现出了优越的性能。在实验的各种表面上，GXJZ-I机器人可直接翻越70mm的垂直障碍。其中在木板面上的最大越障高度达到了93mm，这在目前是大多数同类机器人越障能力的近十倍。同样在木板面上，机器人最大爬坡度达到了34度，在其它平面上的爬坡度也在30度以上。
图9 GXJZ-I爬坡实验
6．结论
本文提出一种自主变位履带式管道机
图10 GXJZ-I矩形管与圆管的自主变位
器人，采用的是具有自主知识产权的新型自主变位履带式管道机器人移动机构。该机器人系统具有优越的越障能力和强大的管道环境适应性两大特点。下一步，我们将对该移动机构的越障平稳性进行进一步研究，同时对该型机器人在其它领域如行星探测的应用进行研究。
参考文献
[1] Koh K C, Choi H J, Kim J S, et al. Sensor-based navigation of air-duct inspection mobile robots[A].
Proceeding of the SPIE[C]. 2001, Vol.4190. 202-211. [2] 龚进峰,彭商贤,刘斌. PR-1履带式管道机器人双控制系统的设计与实现[J]. 制造业自动化, 2000, Vol.12. [3] 吕恬生,宋钰. 履带式管道机器人的自适应模糊控制[J]. 上海交通大学学报, 1997, 31(9): 68-71. [4] 周大威,高学山,王炎,等. 全方位移动清扫机器人控制技术的研究[J]. 高技术通讯, 2000, 10(6): 66-67. [5] 宋章军,陈恳,杨向东,等. 通风管道智能清污机器人MDCR-I的研制与开发[J]. 机器人, 2005,27(2):
142-146.
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Research and Development of Automatic Position Changing
Tracked Duct Robot GXJZ-I
Long Bin
Mao Limin
College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai, PRC, 200051
1. Abstract
This paper presents a new duct robot which is developed by Donghua University - GXJZ-I. The system function, mechanical architecture and control system of GXJZ-I. It which applies the position changing tracked pipe robot mobile mechanism can inspect, clean the duct with corresponding tool on the rocker. Keywords: automatic position changing pipe tracked robot
龙斌：男。硕士研究生，专业方向机械设计及理论，主要进行机体变结构机器人及爬壁机器人等方面的研究。
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