管道机器人在检查和维护航天器通风管道、保障航天器内部环境安全方面具有很强的应用前景。然而，由于航天装备内高度集中的空间布局，管道需要根据空间约束进行布置，其通风管道有直管、锥型管道、C型管道、T型管道等多种类型，管道最小管径小且管径跨度大，管道不连续（管道之间有间隙），管径突变（管道中有限流环），导致航天装备通风管道结构非常复杂，同时微重力环境、机器人自身结构约束和功能约束为机器人实现航天装备通风管道内的运动作业带来困难。
目前大部分管道机器人由地面移动机器人改装而来，一般采用轮式或履带式底盘，附加照明、摄像和作业等装置，可实现水平管道的检测作业。但由于其利用重力生成对壁面的压力从而产生足够的摩擦力驱动机器人运动，因此不适用于垂直管道和微重力环境。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。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。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。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。目前管道机器人的机构设计主要采用仿蛇或蠕虫结构，其发展趋势正逐步向强环境适用性、通用性、自主化、智能化方向发展。然而，现有管道机器人在通过T型管道和限流环等管径突变区域时，仍依赖人工干预，其自主决策能力与复杂环境适应性仍需进一步提升。其中，基于无限节的连续性软体管道机器人因其质量小、可变形范围大的优势，其蠕动方式对复杂环境具备天然的自适应性，但受限于可靠性问题，离实际应用还有一定差距，但具有广阔的发展前景。此外，采用多节串联的驱动单元、支撑臂和转向机构的管道机器人可适应大多数环境，但由于关节数目多、电机数量大，其小型化和轻量化设计仍面临挑战。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。构成航天装备通风管道系统的6种基本单元如图1所示。航天装备通风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。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，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。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。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。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。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。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。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。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 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。
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。
图11 覆盖直径90~180 mm间的直管、锥管、弯管的7节管道的组装图
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12a~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。
图12 机器人腿部伸展距离图
比较图12a~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。
图13 通过105 mm管道间隙
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。 来源信息：
作者：冯甚尧1，黄强1，王翔2，李辉1，张兰涛2，田野1，金玮玮2，王宇轩1，纪伟业1
