一種支撐式管道檢測機器人的設(shè)計含6張CAD圖

一種支撐式管道檢測機器人的設(shè)計含6張CAD圖,一種,支撐,管道,檢測,機器人,設(shè)計,CAD 文獻綜述 摘要：管道檢測機器人適用于管徑范圍在250mm-350mm的石油天然氣管道。管道環(huán)境通常分為障礙管和無障礙管；其中臺階、凹槽、斜坡等為障礙管中常見的運動障礙，臺階障礙式管道中最為普遍的障礙。此文主要介紹支撐式管道檢測機器人在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，了解管道檢測機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢，了解管道檢測機器人的移動方式，并根據(jù)機器人的機械結(jié)構(gòu)提出管道機器人的總體方案方案。 關(guān)鍵詞：管道機器人；支撐式管道；管道障礙； 前言 管道在石油天然氣運輸過程中擁有非常重要的作用，因此管道的安全問題對于人們的生產(chǎn)生活也非常重要。然而由于管道內(nèi)空間狹小，單憑人力無法到達(dá)，且人工檢測需要較大的工作量，檢測管道的效率也非常低，人工檢測管道危險性也很高。所以研發(fā)一種管道檢測的機器人對管道進行及時的監(jiān)控、檢測、反饋是很有必要的。 1 管道檢測機器人在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 1.1管道機器人在國外的發(fā)展現(xiàn)狀 國外對于管道機器人的研究較早，從20世紀(jì)40年代開始研究，90年代初得到了飛速的發(fā)展。管道機器人按其行走方式主要可以分為輪式、履帶式、蠕動式、多足式等；按能源供給方式可以分為拖纜管道機器人和無纜管道機器人。例如美國、加拿大、韓國、德國等國家研究了各種類型的管道機器人。 美國早期研制的防水管道檢測機器人—P350 Flexitrax，采用輪子作為行走機構(gòu)，具有一定的靈巧性。其采用模塊化的設(shè)計思想，機器人的本體和驅(qū)動輪應(yīng)用了獨立設(shè)計的方法，驅(qū)動輪可以自由更換，通過更換不同的驅(qū)動輪可以實現(xiàn)適應(yīng)不同的管徑和工況的目的。但其更換一種驅(qū)動輪只能適應(yīng)一種工作環(huán)境，使用效率不高。該管道機器人主要用于水下管道的檢測，通過前端攜帶的高清CCD攝像機和LED燈可以清晰的檢測管道內(nèi)的情況。 加拿大Inuktun Services公司設(shè)計了Versatrax系列管道機器人用于管道內(nèi)部檢測，其中一款履帶式管道機器人。該管道機器人采用履帶作為行走機構(gòu)，驅(qū)動力較大，兩側(cè)的履帶成一定的夾角布置，通過調(diào)節(jié)夾角的角度可以改變管道機器人周身尺寸的大小，以適應(yīng)不同的管徑。缺點是不能實時的根據(jù)管徑的變化調(diào)整行走機構(gòu)夾角的大小，同時，履帶式的管道機器人一般只能適應(yīng)大管徑的管道。 韓國漢陽大學(xué)Young-Sik-Kwon等人研制了適用于100mm的機械離合式滾輪管道檢測機器人，三組滾輪呈空間對稱分布，滾輪處安裝有驅(qū)動電機和機械離合裝置，可差速驅(qū)動，有較好的轉(zhuǎn)向能力。韓國延世大學(xué)研制了履帶式管道機器人PAROYS-Ⅱ，適用于Ф400mm-Ф700mm的管道，其履帶較為特殊，由一個前置履帶和后置履帶組合而成，可通過彎管和錐形管。韓國的研究者設(shè)計了一種多體合作式的管道機器人collaboration-type。這種管道機器人采用周向均勻分布的三組履帶作為行走機構(gòu)，電機布置在一組履帶中間直接通過齒輪驅(qū)動履帶。每組履帶通過可變形連桿機構(gòu)與本體相連，在彈性元件的作用下保證了履帶與管壁之間的壓力。該管道機器人的另一個設(shè)計優(yōu)點是采用多體組合的方式通過彈簧連接，可以提高管道機器人的拖動力。 2000年，德國成功研制了一種六關(guān)節(jié)管道機器人—MAKRO。該管道機器人的頭部和尾部是兩個完全相同的單元體，中間由四個相同的單元體連接而成，每個單元體之間由3個電機獨立驅(qū)動，共具有21個自由度，可以輕易實現(xiàn)管道機器人的前進、后退、越障和轉(zhuǎn)彎運動,適應(yīng)較小的管道。該管道機器人依靠其多自由度的結(jié)構(gòu)，以蠕動的方式運動，其運動速度較慢。 美國 Weatherford 公司開發(fā)了一種用于檢測管道幾何缺陷的管道機器人PIG -type。該管道機器人的驅(qū)動力來自于管道內(nèi)介質(zhì)的壓差，機器人上聚氨酯密封碗結(jié)構(gòu)就是為了增大流體的壓力作用，36個彈性臂的周向均勻布置保證了管道機器人軸線與管道軸線重合，也提高了機器人的速度穩(wěn)定性。機器人安裝了兩組里程輪，每個里程輪單獨記錄數(shù)據(jù)，在較大程度上提高了缺陷的定位精度，缺陷的定位誤差小于2%。這種依靠介質(zhì)的壓力驅(qū)動的方式有效地提高了能源的利用率，但同時使得機器人運動速度不易控制。 日本設(shè)計了一種靠電池作為其動力的管道機器人—KANTARO所示。該管道機器人結(jié)合了其他管道機器人的一些優(yōu)點，四個驅(qū)動輪獨立驅(qū)動增加了其運動的靈活性。機械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)分開設(shè)計，實現(xiàn)了模塊化的思想。通過其自身攜帶的攝像傳感系統(tǒng)，可以捕捉周圍的工況，實現(xiàn)自主化的導(dǎo)航運動，不僅能適應(yīng)不同的管徑，對于各種L型和十字型的管道也有良好的通過性，且不需要拖纜，減小了負(fù)載損失。 1.2管道機器人在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)對管道機器人的研究開始于20世紀(jì)60年代，上海交通大學(xué)的顏國正等人研制了一種適用于煤氣管道檢測的管道機器人，通過調(diào)節(jié)電機和滾珠絲桿螺母來適應(yīng)管徑變化，行走機構(gòu)采用單電機全驅(qū)動的方式可實現(xiàn)差速過彎；并配有漏磁檢測裝置，裝置上有32個探頭，能一次采集32個信息點的信息。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授設(shè)計了一種三輪腿式的管道機器人。該管道機器人通過電機帶動滾珠絲杠，主動調(diào)節(jié)輪腿的開合，以達(dá)到在行走過程中適應(yīng)管徑變化的目的。這種調(diào)節(jié)方式可以使輪腿有較大范圍的開合，適應(yīng)管徑的范圍增大，但其主動調(diào)節(jié)存在一定的誤動作。驅(qū)動系統(tǒng)方面，三軸差速器的設(shè)計可以自動分配驅(qū)動輪末端的轉(zhuǎn)速，而不改變輸出力矩的大小，使管道機器人可以適應(yīng)管道在彎道處曲率的變化，減小功率損失，提高了管道機器人的機械自適應(yīng)能力。 上海交通大學(xué)利用SMA材料開發(fā)了一款管道蠕動機器人，該機器人整體呈正方形，邊長為35mm，由12根蠕動元件組成，重量約19.5g。通過控制機器人的12根蠕動元件可以使機器人具有12個自由度，輕易的完成上、下、左、右全方位的運動，適合于L型和T型管道較多的場合。但依靠蠕動元件作為驅(qū)動機構(gòu)，行走速度受到了很大的限制，該機器人的速度僅為15mm/min，且控制較復(fù)雜。 廣東工業(yè)大學(xué)研制了一種能源自給式機器人，機器人既可以靠流體的推動力進行運動，也可以把流體的能量轉(zhuǎn)化為電能儲存起來。管道機器人的牽引部分像一把雨傘一樣，流體介質(zhì)作用在傘面上，提供推力。通過調(diào)節(jié)傘面在管道截面上投影面積的大小，可以調(diào)節(jié)管道機器人的速度。當(dāng)機器人靠固定機構(gòu)固定在管道內(nèi)的某一位置時，流體會推動發(fā)電機工作，將流體的能量轉(zhuǎn)化為電能儲存起來。 2 管道檢測機器人的關(guān)鍵技術(shù) 管道機器人的研究主要表現(xiàn)在通過性和能源供給兩個方面。管道機器人的通過性主要是指管道機器人能夠以最優(yōu)的姿態(tài)通過管道的能力，通過性直接影響著管道機器人的定位精度、檢測質(zhì)量、能源利用率等方面，管道機器人的通過性主要包括行走機構(gòu)、過彎能力、適應(yīng)管徑能力和越障能力。能源供給是指為了滿足機器人運動的要求采取的各種形式的能源開發(fā)和利用，其代表著管道機器人工作能力的大小。 2.1行走方式 目前，管道機器人的行走方式主要有輪式、履帶式、蠕動式、多足式，每一種方式都有各自的優(yōu)缺點。 輪式管道機器人依靠驅(qū)動輪行走，具有運動靈活、速度快的特性。輪式管道機器人其輪子的設(shè)計大小在一定程度上決定了機器人的周向尺寸，所以其對大小管徑都有一定的適應(yīng)性。但輪式管道機器人其軸向尺寸與支撐面積的比值較大，會存在傾覆的缺點。履帶式的管道機器人由其結(jié)構(gòu)的原因一般適用于大管徑的管道或矩形管道，其驅(qū)動力較大，在轉(zhuǎn)彎過程中功率損失較大。蠕動式的管道機器人簡化了行走機構(gòu)，適用于小管徑的管道，尤其是在醫(yī)學(xué)等特殊環(huán)境中的應(yīng)用較廣。多足式管道機器人由步態(tài)算法決定了其運動的靈活性，其具有良好的越障和轉(zhuǎn)彎能力，但其機構(gòu)和控制較復(fù)雜。 結(jié)合各種行走方式的優(yōu)缺點，輪腿式管道機器人得到了廣泛的關(guān)注和研究，其具有輪式和多足式管道機器人的優(yōu)點，運動靈活且控制簡單。但其行走機構(gòu)還需要優(yōu)化設(shè)計。 2.2過彎能力 管道機器人其工作環(huán)境為一封閉空間，其在管內(nèi)轉(zhuǎn)向運動時，受到管道空間約束，不同類型接頭管道對其也產(chǎn)生了一定的影響。管道機器人在管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎時主要存在以下問題：1、如何正確識別彎道的類型，并向正確的方向轉(zhuǎn)動；2、轉(zhuǎn)彎時，管道機器人本體與管到空間的不相容性；3、彎道曲率對管道機器人運動性能的影響。 管道機器人在封閉的管道內(nèi)行走，其自身的尺寸必然受到管內(nèi)空間的影響，尤其是在轉(zhuǎn)彎時，管道機器人本體與管內(nèi)空間的不相容性。其原理簡圖如圖所示，假設(shè)最大直徑為d的管道機器人通過直徑為D的管道，在轉(zhuǎn)彎時往往會存在卡死的現(xiàn)象。研究表明，管道機器人的尺寸決定著其通過彎道的大小。 目前，大部分管道機器人還不能自主識別彎道類型，其運動主要是依靠操作者的判斷。對于各種T型和十字型等復(fù)雜的彎道類型，其主要依靠擺動前端的電磁導(dǎo)向頭向正確的方向運動，運動效率不高。 2.3適應(yīng)管徑能力 管道機器人在行走過程中為了適應(yīng)管徑的變化，其本體必須可以改變周向尺寸的大小，適應(yīng)管徑機構(gòu)的原理為把軸向運動轉(zhuǎn)化為半徑方向上的位移。 目前，適應(yīng)管徑變化的方式按驅(qū)動方式主要分為是主動調(diào)節(jié)和被動調(diào)節(jié)兩種。主動調(diào)節(jié)方式主要有渦輪蝸桿調(diào)節(jié)方式、升降機調(diào)節(jié)方式、滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式。渦輪蝸桿調(diào)節(jié)和升降機調(diào)節(jié)電機承受的輸出力矩太大，對電機要求較高，不易實現(xiàn)。滾珠絲杠螺母調(diào)節(jié)，改變了力的傳遞方向，減小了電機負(fù)載。主動調(diào)節(jié)的方式增大了管道機器人適應(yīng)管徑的范圍，但其增加了機器人軸向尺寸，影響了過彎性能，此外主動控制的方式無法保證管道機器人力封閉的特性，存在一定的延時和誤判。被動調(diào)節(jié)的方式主要是采用彈性元件來實現(xiàn)的，這種管道機器人具有實時的調(diào)節(jié)性能，但這種調(diào)節(jié)方式適應(yīng)管徑變化的范圍較小，而且在保證驅(qū)動壓力不變的方面還存在一些問題。 上海大學(xué)根據(jù)行星輪系的特性設(shè)計了一種適應(yīng)管徑的欠驅(qū)動機構(gòu)，其管道機器人由單電機驅(qū)動，既可以實現(xiàn)前進又可以適應(yīng)管徑的變化。當(dāng)管徑發(fā)生變化時驅(qū)動輪與管壁之間的壓力會迫使行星輪的L型架發(fā)生旋轉(zhuǎn)，迫使行星輪始終與管壁接觸，保證了其正壓力恒定。但這種設(shè)計方案中行星輪的大小對管道機器人適應(yīng)管徑變化的范圍起著決定性的作用。 2.4越障能力 針對管道的復(fù)雜工況，管道機器人應(yīng)具有良好的越障能力。管道機器人的越障能力不僅包括管道壁的缺陷導(dǎo)致的障礙，還包括豎直管道和水平管道造成的運動狀態(tài)的改變。 管道壁的缺陷阻礙了管道機器人的運動，使機器人產(chǎn)生震動、卡死等現(xiàn)象，影響了管道機器人對管道的檢測和維護。管道機器人在豎直管道上的運動與水平管到相比還需要克服自身的重力，增加了負(fù)載損耗，需要時刻調(diào)整行走機構(gòu)的位姿，以保證機器人在豎直管道中不會下滑。 多足式管道機器人，由于其靈活的機構(gòu)設(shè)計，可以優(yōu)化步態(tài)適應(yīng)各種障礙物。但其算法的研究和控制較復(fù)雜。平面上全向輪的結(jié)構(gòu)為管道機器人越障提供了一個很好方案，曲面上全向輪系的應(yīng)用或輪系的組合可以實現(xiàn)被動的越障功能。 3 管道檢測機器人設(shè)計的目的及意義 管道廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工及城市水暖供應(yīng)等領(lǐng)域，承擔(dān)著水、天然氣、石油等運輸工作，然而管道所在的位置往往是人所不及的，狀況復(fù)雜，檢修難度很大，因此為了減少和防止管道爆漏事故發(fā)生，提高設(shè)備運行的可靠性，設(shè)計并優(yōu)化能代替人工檢測作業(yè)的管道內(nèi)檢測機器人具有十分重要的意義。 通過對管道機器人的分析，此次設(shè)計的管道檢測機器人應(yīng)具有以下的發(fā)展： （1）被動自適應(yīng)性 被動自適應(yīng)理念的引入可以增加管道機器人的自由度，有效地提高管道機器人在管道內(nèi)的靈巧性。被動自適應(yīng)機構(gòu)的設(shè)計旨在改善管道機器人在管道內(nèi)的通過性。直線行走時，可以適應(yīng)管徑的變化，并且始終保證行走機構(gòu)與管壁的有效壓力維持恒定。通過彎道時可以根據(jù)彎道處各點的曲率變化調(diào)整行走的速度，減小滑動摩擦造成的能量損失。越障時可以根據(jù)障礙物的實際情況被動的繞過障礙物繼續(xù)前進。 （2）單體模塊化 針對目前管道復(fù)雜化和多樣化的問題，提高管道機器人的利用率，將管道機器人的機構(gòu)分模塊化設(shè)計，各模塊之間采用通用的連接方式。實際應(yīng)用時，根據(jù)管道的不同選擇不同的組合方式，可以提高各模塊的利用率。還可以根據(jù)工作任務(wù)的不同攜帶不同的檢測和維護設(shè)備。同時，多體組合的方式提高了管道機器人的拖動力，增加了管道機器人的穩(wěn)定性，防止其在管道內(nèi)傾覆。 3）能量優(yōu)化 提高機器人的能耗比一直是研究者追求的目標(biāo)。能量的損耗主要表現(xiàn)在負(fù)載損失和傳遞損失兩個方面。拖纜管道機器人應(yīng)該減小其拖纜的負(fù)載損失，提高管道機器人各機構(gòu)的傳遞效率。對無纜管道機器人應(yīng)該進行其能源供應(yīng)的可靠性設(shè)計。研究新的更加高效的能源供應(yīng)方式，提高能量利用率也將是管道機器人的一個發(fā)展趨勢。 因此此次研究設(shè)計是為了能夠有效提高管道機器人在管道內(nèi)的靈活性以及穩(wěn)定性，并且設(shè)計機器人在管道中越過臺階障礙等的結(jié)構(gòu) 參考文獻 [1] 陳瀟.管道內(nèi)支撐式檢測機器人運動控制與檢測研究.武漢大學(xué)，2018. 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