管道履帶式機(jī)器人

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1、前言 油氣管道輸送是與鐵路、公路、水運(yùn)、航運(yùn)并列的五大運(yùn)輸行業(yè)之一，長輸油氣管道作為一種特殊設(shè)備廣泛應(yīng)用于石油、石化、化工等工業(yè)領(lǐng)域以及城市燃?xì)庀到y(tǒng)中，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。隨著“開發(fā)大西部”以及“西氣東輸”的戰(zhàn)略指導(dǎo)方針，長輸油氣管道的數(shù)量在不斷增加。由于歷史原因，國內(nèi)在役長輸油氣管道中部分管材制管質(zhì)量較差，加上施工建設(shè)過程中存在部分焊接缺陷和涂層缺陷，這給管道的安全運(yùn)行埋下隱患，即使部分投產(chǎn)驗(yàn)收合格的管道，在運(yùn)行過程中也難免受到介質(zhì)、溫度、疲勞、腐蝕、局部載荷等因素影響，服役一段時(shí)間后產(chǎn)生缺陷或?qū)е氯毕輸U(kuò)展，并可能最終發(fā)生失效，給人民生命財(cái)產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)穩(wěn)定構(gòu)成威脅。如何檢測發(fā)現(xiàn)

2、管道缺陷，事前對含缺陷管道進(jìn)行評價(jià)和預(yù)測(含缺陷管道的剩余強(qiáng)度評價(jià)，含缺陷管道的剩余壽命預(yù)測)，確保在役油氣長輸管道安全可靠運(yùn)行是目前世界各國普遍關(guān)注和迫切需要解決的重大課題。 由于在前面所述的一般工業(yè)、石油天然氣、軍事裝備等領(lǐng)域中，管道作為一種有效的物料輸送手段而廣泛應(yīng)用。為提高管道的壽命、防止泄漏等事故的發(fā)生，就必須對管道進(jìn)行有效的檢測維護(hù)等。而目前管道檢測和維護(hù)多采用管道機(jī)器人來進(jìn)行。所謂管道機(jī)器人就是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走、攜帶一種或多種傳感器件如位置和姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器等以及操作機(jī)械如管道裂紋與管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置、操作手、噴槍、刷子等。在工作人員

3、的遙控操縱或計(jì)算機(jī)控制下可在極其惡劣的環(huán)境中．能夠完成一系列管道檢測維修作業(yè)的機(jī)電一體化系統(tǒng)。管道機(jī)器人可完成的管道作業(yè)有：生產(chǎn)、施工過程中的管道內(nèi)外質(zhì)量檢測；管道內(nèi)部清掃、拋光、焊接、噴涂等維護(hù)；對接焊縫的探傷、補(bǔ)口作業(yè)；舊管道腐蝕程度、破損情況檢測和泄漏預(yù)報(bào)等等。 基于目前管道探傷機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，本課題主要研究目的是通過對管道X射線無損檢測探傷機(jī)器人設(shè)計(jì)，及相關(guān)技術(shù)的查閱和應(yīng)用，能夠研制一臺具有良好的彎道通過能力、視覺定位能力并能適應(yīng)較長距離檢測作業(yè)的實(shí)用樣機(jī)。1緒論 管道機(jī)器人在人類社會(huì)中已經(jīng)迅速的漫延開來，這一切都應(yīng)歸公于它自身的特點(diǎn)。因此，國內(nèi)外都在不斷的開發(fā)和研制

4、更適合管內(nèi)行走的管道機(jī)器人，并開始走向微型化、智能化，使之性能更宜人化，可控性更好，準(zhǔn)確性更高。但是管道機(jī)器人由于受到它工作環(huán)境的限制和沉重的任務(wù)負(fù)擔(dān)，致使它也不斷面臨著更多，更嚴(yán)重的困難和問題。如何解決？已經(jīng)成為現(xiàn)代人的責(zé)任和發(fā)展方向。 1.1管道機(jī)器人發(fā)展概況 國外管道機(jī)器人研究進(jìn)展 國外關(guān)于燃?xì)夤艿罊C(jī)器人的研究始于20世紀(jì)40年代，由于70年代的微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，管道檢測機(jī)器人技術(shù)于90年代初得到了迅猛發(fā)展并接近于應(yīng)用水平。一般認(rèn)為，法國的J．VERTUT較早從事管道機(jī)器人理論和樣機(jī)的研究，1978年他提出了輪腿式管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)模型IPRIV，該機(jī)構(gòu)雖然簡單，

5、但起了拋磚引玉的作用 。 日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期，70年代的實(shí)用期，到80年代進(jìn)入普及提高期，開始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。日本管道機(jī)器人眾多，東京工業(yè)大學(xué)航空機(jī)械系Shigeo Hirose和Hidetaka Ohno等于1993年開始研究管道機(jī)器人，先后研制成功適用于直徑50mm管道的Thes-Ⅰ、Thes-Ⅱ型管道機(jī)器人和適用于直徑150mm管道的Thes-Ⅲ型管道機(jī)器人。 Thes-Ⅰ型管道機(jī)器人的主要特點(diǎn)是輪子的傾斜角可以隨著阻力大小的改變而改變，當(dāng)機(jī)器人的負(fù)載較大時(shí)，輪子的傾斜角將產(chǎn)生變化，從而減小行走速度，增加推進(jìn)力。Thes-Ⅱ型管道機(jī)器人的總長為30

6、0mm，質(zhì)量只有3l0g。 Thes-Ⅱ型管道機(jī)器人的每一節(jié)機(jī)器人單元的左右兩側(cè)分別布置著由彈簧板支撐的一對輪子，輪子由帶減速齒輪箱的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道中的前進(jìn)和后退運(yùn)動(dòng)，Thes-Ⅱ型管道機(jī)器人可以很容易地在帶有幾個(gè)彎管接頭的管道中運(yùn)動(dòng)。 Thes-Ⅲ型管道機(jī)器人如圖1-1所示，其采用“電機(jī)一蝸輪蝸桿一驅(qū)動(dòng)輪” 的驅(qū)動(dòng)方案，同時(shí)每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都有一個(gè)傾斜角度測量輪，通過測量輪探測機(jī)器人的傾斜角度，并反饋給電機(jī)從而保證管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪以垂直的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。該管道機(jī)器人系統(tǒng)通過CCD攝像頭實(shí)現(xiàn)信息的采集，整個(gè)系統(tǒng)采用拖纜控制方式，檢測距離超過100m。 圖1-1 Thes-Ⅲ

7、型管道機(jī)器人 Fig.1-1 Thes-Ⅲ Pipeline robot 美國是機(jī)器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人，是世界上的機(jī)器人強(qiáng)國之一， 其基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)，并有很多管道機(jī)器人產(chǎn)品。美國Inuktun公司系列管道檢測機(jī)器人Versatrax是國外現(xiàn)有的已成型管道機(jī)器人。Versatrax 150 檢測管道最小直徑為150mm，防水深度30m，電纜范圍160m，速度0～10m／min，有效載荷92kg，CCD彩色直視攝像頭。Versatrax 300”VLR檢測管道最小直徑為3omm，防水深度30m，電纜范圍1830m，速度0～10m／min，有效載荷1

8、84kg，CCD彩色直視攝像頭。 美國紐約煤氣集團(tuán)公司(NYGAS)的DaphneD’Zurko和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人技術(shù)學(xué)院的HagenSchempf博士在美國國家航空和宇宙航行局(NASA)的資助下于2001年開發(fā)了長距離、無纜方式的管道機(jī)器人系統(tǒng)——EXLORER，專門用于檢測地下煤氣管道的情況， 如圖1-2所示。該管道機(jī)器人系列EXPLORER就有如下特征：(1)一次作業(yè)檢測距離長，采用無纜方式， 自帶電池并且電池可以多次反復(fù)充電，使管道機(jī)器人具有良好的自推進(jìn)能力。(2)可以在鑄鐵和鋼質(zhì)煤氣管道中，低壓和高壓條件下工作。(3)管道機(jī)器人的彩色攝像頭采用嵌入式“魚眼” 鏡頭，結(jié)構(gòu)非常緊

9、湊。(4)可以順利通過90。的彎管接頭和垂直管道。(5)與外部操作人員采用無線通訊方式。(6)該管道機(jī)器人可以探測煤氣管道內(nèi)部是否水滲透、碎片堆積；可以確定管道內(nèi)部缺陷的確切位置并且定位相應(yīng)的作業(yè)裝置；采用視頻圖像的形式準(zhǔn)確地反映管道內(nèi)部的狀況條件。 圖1-2 EXLORER管道機(jī)器人 Fig.1-2 EXLORER Pipeline robot 德國工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。德國學(xué)者Bemhard Klaassen、Hermann St—reich和Frank Kirchner等人在德國教育部的資助下于2000年研制成功了多關(guān)節(jié)蠕蟲式管道機(jī)器人系統(tǒng)——

10、 MAKRO。該機(jī)器人由六節(jié)單元組成，其頭部和尾部兩個(gè)單元體完全相同，每個(gè)單元之間的節(jié)點(diǎn)由3個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得MAKRO可以抬起或者彎曲機(jī)器人個(gè)體，從而可以輕松越過障礙物或?qū)崿F(xiàn)拐彎運(yùn)動(dòng)，該管道機(jī)器人系統(tǒng)MAKRO具有21個(gè)自由度，長度為2m，質(zhì)量為50kg，采用無纜控制方式，MAKRO系統(tǒng)使用于直徑為直徑300～直徑600mm的管道。 加拿大INUKTUN公司的雙履帶式管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，履帶采用剛性支承結(jié)構(gòu)，兩履帶的夾角可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的作業(yè)管徑。兩履帶調(diào)節(jié)到平行位置時(shí)，可以在平地或矩形管道內(nèi)行走。但這種剛性支承的雙履帶式管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的兩履帶夾角在行走過程中是無法改變的，因此不適

11、應(yīng)管徑變化的作業(yè)場合。Kawaguch等研制的管道檢測機(jī)器人系統(tǒng)只適用于200mm的管道，而且一次作業(yè)的檢測距離不大于500m；Kuntze等采用四輪獨(dú)立伺服驅(qū)動(dòng)方案研制成管道檢測機(jī)器人系統(tǒng)KARO，該機(jī)器人系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)對200mm管徑的地下輸水管道的檢測，一次檢測距離為400m，系統(tǒng)采用拖纜控制方式。 國內(nèi)管道機(jī)器人研究進(jìn)展 國內(nèi)管道機(jī)器人研究進(jìn)展國內(nèi)在管道機(jī)器人方面的研究起步較晚，而且多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室階段。哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授在國家“863”計(jì)劃課題“X”射線檢測實(shí)時(shí)成像管道機(jī)器人的研制” 的支持下，開展了輪式行走方式的管道機(jī)器人研制。該機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：(1)適應(yīng)大管徑(大于或

12、等于直徑900mm)的管道焊縫X射線檢測。(2)一次作業(yè)距離長，可達(dá)2km。(3)焊縫尋址定位精度高為±5mm。(4)檢測工效高，每道焊縫(直徑900mm為例)檢測時(shí)間不大于3min；實(shí)現(xiàn)了管內(nèi)外機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)作業(yè)無纜操作技術(shù)，并研制了鏈?zhǔn)胶弯搸絻煞N新型管外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，課題研究成果主要用于大口徑管道的自動(dòng)化無損檢測。 上海大學(xué)研制了“細(xì)小工業(yè)管道機(jī)器人移動(dòng)探測器集成系統(tǒng)”。其主要包含20mm內(nèi)徑的垂直排列工業(yè)管道中的機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制技術(shù)(包括螺旋輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)、行星輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓電片驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)等)、機(jī)器人管內(nèi)位置檢測技術(shù)、渦流檢測和視頻檢測應(yīng)用技術(shù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成管內(nèi)自動(dòng)探測機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可

13、實(shí)現(xiàn)20mm管道內(nèi)裂紋和缺陷的移動(dòng)探測。 上海交通大學(xué)研制出一種呈正方形體，由12個(gè)蠕動(dòng)元件組成的管內(nèi)蠕動(dòng)機(jī)器人，外形尺寸為35mm×35mm×35mm，體重19．5g(包括控制電路)，步行速度為15mm／min，共有12個(gè)自由度，由SMA(形狀記憶合金)與偏置彈簧組成一個(gè)驅(qū)動(dòng)源，共12個(gè)驅(qū)動(dòng)源。能實(shí)現(xiàn)管內(nèi)上、下，左、右，前、后的全方位運(yùn)動(dòng)，能通過直管、曲率半徑較大的彎管，以及L型、T型管。 在北京市優(yōu)秀人才項(xiàng)目的資助下，進(jìn)行了仿蝎型管道機(jī)器人的研究工作。選擇蝎子作為管道機(jī)器人模仿的對象，一方面是因?yàn)樾幽茉谳^復(fù)雜的地形上輕易而順利地行走，另一方面是因?yàn)樾拥姆瓷渥饔靡饶切┎溉閯?dòng)物要簡單

14、得多，控制算法較易實(shí)現(xiàn)。仿蝎管道機(jī)器人可以相對較易地跨過比較大的障礙，并且機(jī)器人的足所具有的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，可以在可達(dá)到的管面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在管面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如，對凹凸不平表面的適應(yīng)能力更強(qiáng)，機(jī)構(gòu)模型如圖1-3所示。 圖1-3仿蝎管道機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型 Fig.1-3 Model for imitation robot scorpion pipe 1.2典型的管道機(jī)器人 1） 蠕動(dòng)式管道機(jī)器人 1988年，Ikuta等引用蚯蚓運(yùn)動(dòng)的原理開發(fā)出了蠕動(dòng)機(jī)器人，后來隨著蠕動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的不斷完善

15、，其開始向大型化發(fā)展，目前已可在200～300 mm的管道內(nèi)應(yīng)用。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人主要由蠕動(dòng)部分、頭部、尾部組成，如圖1-4所示，1—頭部，2—蠕動(dòng)部分，3—尾部。前部和尾部支撐分別裝有超越離合鎖死裝置，實(shí)現(xiàn)單向運(yùn)動(dòng)自鎖。中問蠕動(dòng)部分提供機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。對于蠕動(dòng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)，目前有很多實(shí)現(xiàn)形式：如上海大學(xué)利用氣壓伸縮驅(qū)動(dòng)；上海交通大學(xué)利用形狀記憶合金伸縮驅(qū)動(dòng)；昆明理工大學(xué)利用電磁吸合驅(qū)動(dòng)如圖1-5，1—磁鐵，2—彈簧，3—線圈等。 下面以電磁驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)式管道機(jī)器人為例，分析蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理如圖1-6所示，1—頭部，2—蠕動(dòng)部分，3—尾部，一個(gè)動(dòng)作循環(huán)分為3

16、個(gè)步驟： (1)當(dāng)初始狀態(tài)時(shí)，電磁鐵失電，彈簧處于自由狀態(tài)，故頭部與尾部分離； (2)當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，磁鐵與線圈吸合，安裝在頭部上的超越單向行走方式使頭部原位不動(dòng)，尾部由于電磁吸力的作用向前移動(dòng)； (3)斷開電源，電磁力作用消失，彈簧促使磁鐵與線圈分開，安裝在尾部上的超越單向行走方式使尾部原位不動(dòng)，頭部由于彈簧力的作用向前移動(dòng)。 至此，機(jī)器人回到了初始狀態(tài)，機(jī)器人前進(jìn)了一步。 蠕動(dòng)機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)是可在細(xì)小的微型管道中行走。但由于速度的間斷性和緩慢性阻礙了它的發(fā)展。 圖1-4 蠕動(dòng)式機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖 Fig.1-4 The overall structure

17、of Figure creeping robot 圖1-5 蠕動(dòng)驅(qū)動(dòng)電磁鐵圖 圖1-6 蠕動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理圖 Fig.1-5 Peristaltic drive solenoid map Fig.1-6 Creeping robot schematics 2） 輪式管道機(jī)器人 目前，輪式管道機(jī)器人是實(shí)際工程中應(yīng)用最多的一種。輪式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人行走的基本原理是驅(qū)動(dòng)輪靠彈簧力、液壓、氣動(dòng)力，磁性力等壓緊在管道內(nèi)壁上以支承機(jī)器人本體并產(chǎn)生一定的正壓力，由驅(qū)動(dòng)輪與管壁之間的附著力產(chǎn)生機(jī)器人前后行走的驅(qū)動(dòng)

18、力，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)。輪式管道機(jī)器人的行走方式有2種：直進(jìn)式和螺旋運(yùn)動(dòng)方式。 如果驅(qū)動(dòng)輪軸線與管道軸線垂直，驅(qū)動(dòng)輪沿管道母線滾動(dòng)，機(jī)器人在管內(nèi)做平移運(yùn)動(dòng)，此為輪式直進(jìn)式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人，它的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器人行走時(shí)，不產(chǎn)生姿態(tài)旋轉(zhuǎn)。下面以上海交通大學(xué)研制的輪式管道機(jī)器人(圖1-7，1—蝸桿，2—驅(qū)動(dòng)電機(jī)，3—驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝座，4—調(diào)整電機(jī)，5—鉸鏈，6—推桿，7—絲杠螺母，8—絲杠，9—蝸桿，10—蝸輪，11—鏈條，12—車輪)為例說明其工作原理。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過軸驅(qū)動(dòng)與之相連接的蝸桿，蝸桿驅(qū)動(dòng)沿圓周方向成120度均勻分布的3個(gè)蝸輪，蝸輪又通過鏈輪和鏈條帶動(dòng)機(jī)器人本體的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體在管道內(nèi)的

19、前進(jìn)或后退。車輪與管道壁面之間的正壓力由調(diào)節(jié)部分提供，調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠螺母將在絲杠上來回軸向移動(dòng)，并帶動(dòng)推桿通過鉸鏈?zhǔn)箵u桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的調(diào)節(jié)。 圖1-7輪式直進(jìn)式管道機(jī)器人的動(dòng)作原理 Fig.1-7 Wheel Straight pipe robot action principle 如果驅(qū)動(dòng)輪軸線不與管道軸線垂直，驅(qū)動(dòng)輪實(shí)際上沿著管道中某一螺旋線行走，機(jī)器人在管中一邊向前移動(dòng)，一邊繞管道軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。螺旋運(yùn)動(dòng)沿管軸上的速度分量即為機(jī)器人本體的移動(dòng)速度，降低速度來提高驅(qū)動(dòng)力，其行走機(jī)理如圖1-8所示，1—旋轉(zhuǎn)體，2—驅(qū)動(dòng)輪，3—支撐輪

20、，4—支撐體，5—電機(jī)，它由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)體和支撐體組成。3組驅(qū)動(dòng)輪均勻分布于旋轉(zhuǎn)體上，且與管壁呈一定的傾斜角θ．隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)輪沿管壁作螺旋運(yùn)動(dòng)，保持機(jī)構(gòu)沿管道中心軸線移動(dòng)。改變施加于電機(jī)的電流極性，可改變機(jī)器人的移動(dòng)方向，從而使機(jī)器人在管內(nèi)進(jìn)退自如。 圖1-8螺旋行走方式的管道機(jī)器人 Fig.1-8 Walking the way of spiral pipe robot 上述2種輪式管道機(jī)器人的主要難點(diǎn)是機(jī)器人的能源供應(yīng)問題，即對于幾百千米的油氣管道，不能采取拖電纜的方式。此外。螺旋管道機(jī)器人對于檢測信號的處理及空間定位也是一個(gè)難點(diǎn)。 3）

21、無纜管道機(jī)器人 20世紀(jì)50年代，由于電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)等還很落后，美、德、日等國開發(fā)了無動(dòng)力管內(nèi)檢測設(shè)備。此種設(shè)備依靠首尾兩端管內(nèi)流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，隨管內(nèi)流體的流動(dòng)向前移動(dòng)。這就是所說的無纜管道機(jī)器人。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，此類機(jī)器人也有了很大發(fā)展，下面介紹廣州工業(yè)大學(xué)楊宜民等的研究成果。 無纜管道機(jī)器人由3部分組成，如圖1-9所示，1—姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，2—制動(dòng)機(jī)構(gòu)，3—發(fā)電機(jī)，4—機(jī)器人本體，5—調(diào)速機(jī)構(gòu)，包括調(diào)速機(jī)構(gòu)，機(jī)器人本體及姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，發(fā)電機(jī)及制動(dòng)機(jī)構(gòu)，不同部件之間用柔性連軸器連接，以對各個(gè)部分起到緩沖的作用。 調(diào)速機(jī)構(gòu)如圖1-10所示，前面部分如能向前張開的雨傘，可按

22、需要收放，柔性面料蒙在傘的骨架上，當(dāng)傘架張開時(shí)，傘面能有效地封閉管道，增加承受流體速度壓力的橫截面積，推動(dòng)管道機(jī)器人快速前進(jìn)。傘的骨架由電磁鐵元件驅(qū)動(dòng)，這樣通過傘面的受力面積即可調(diào)整管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度。 圖1-9 管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖 圖1-10 調(diào)速機(jī)構(gòu)示意圖 Fig.1-9 Pipeline robot Chart Fig.1-10 Speed body diagram 當(dāng)機(jī)器人在接到指令要通過某個(gè)三岔管時(shí)，控制指令輸出信號給電磁元件，電磁元件拉動(dòng)張緊絲，使在它前面的引導(dǎo)機(jī)構(gòu)圍繞支撐彈簧發(fā)生偏擺，如圖1-1

23、1所示，1—姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，2—機(jī)器人本體，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎導(dǎo)向。 當(dāng)機(jī)器人內(nèi)部檢測設(shè)備需要補(bǔ)充電能時(shí)，管道機(jī)器人上的制動(dòng)機(jī)構(gòu)將管道機(jī)器人穩(wěn)穩(wěn)地固定在管道的某個(gè)位置，如圖1-12所示，1—電磁驅(qū)動(dòng)，2—制動(dòng)機(jī)構(gòu)，3—發(fā)電機(jī)，這時(shí)管內(nèi)介質(zhì)沖擊發(fā)電機(jī)的螺旋槳葉使之平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人的電能補(bǔ)充。 圖1-11 本體與姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖 Fig.1-11 Schematic diagram of body and posture adjusting mechanism 圖1-12 制動(dòng)及發(fā)電機(jī)構(gòu)示意圖 Fig.1-12 Schematic d

24、iagram of brake and power generation sector 1.3所需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題 1） 能源供給問題 常規(guī)管道機(jī)器人能源供給一般采用有纜方式，拖纜的摩擦力并未對機(jī)器人的行走帶來太大的影響，至少在幾百米以內(nèi)是可以作業(yè)的。但對于幾百km長的石油天然氣管道，機(jī)器人后部拖纜顯然不可行。目前，據(jù)報(bào)道的拖纜管道機(jī)器人最多也只能在管道內(nèi)行走2km．所以要想開發(fā)出具有實(shí)用意義的在線管道機(jī)器人，必須首先解決能源供給問題。 2） 可靠性問題 石油天然氣管道是很重要的能源命脈，對于現(xiàn)有的大口徑管道，管道事故將直接影響管道公司的經(jīng)濟(jì)效益及國家的能源供給。為此，管道機(jī)器人在

25、線作業(yè)時(shí)，不能影響管內(nèi)介質(zhì)的正常輸送，在線管道機(jī)器人的運(yùn)行可靠性必須給予保證。 3） 速度及位置識別 常規(guī)管道機(jī)器人一般采用與驅(qū)動(dòng)輪連接的光電碼盤構(gòu)成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)速度和位置檢測。但管道機(jī)器人在一些工況復(fù)雜的管道內(nèi)，驅(qū)動(dòng)輪在管道壁面上有時(shí)會(huì)產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，這將影響光電碼盤的檢測精度。除了速度位置檢測問題外，由于管內(nèi)的信號屏蔽，通信問題對于石油天然氣管道尤為重要。 4） 管道機(jī)器人的越障能力 在管道內(nèi)，由于施工，維修或工藝等原因，一條管道不可能是光滑筆直的，這就需要管道機(jī)器人有越過障礙(如閥門、三通、彎管)的能力。另外，對于石油天然氣管道運(yùn)輸行業(yè)而言，為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要，已逐步形成了城市管

26、網(wǎng)、地區(qū)管網(wǎng)，甚至是整個(gè)世界能源運(yùn)輸管網(wǎng)，因此，目前的石油天然氣管道已經(jīng)不是單一的一條線路。為此，要想設(shè)計(jì)出能大范圍應(yīng)用的管內(nèi)機(jī)器人，管道機(jī)器人在分叉點(diǎn)時(shí)的自動(dòng)選擇路徑的能力應(yīng)進(jìn)行研究。 5） 高度自治的控制系統(tǒng) 對現(xiàn)有的管道機(jī)器人的研究仍然停留在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)、檢測等方面，而對工程有實(shí)用價(jià)值的是管道機(jī)器人的管內(nèi)運(yùn)動(dòng)、檢測、修復(fù)一體化作業(yè)，因此必須考慮管道機(jī)器人的高度自治的實(shí)時(shí)檢測修復(fù)功能，這將使管道機(jī)器人有顯著的應(yīng)用前景。 1.4 管道X射線探傷技術(shù)最新進(jìn)展 在五大常規(guī)無損檢測方法中，射線檢測和超聲檢測是比較可靠和有效的管道焊縫檢測方法。射線檢測主要用于鑄件及焊接件的檢測，幾乎適用于所有

27、材料，對檢測物體形狀及表面粗糙度均無嚴(yán)格要求。射線檢測對管道焊縫中的氣孔、夾渣、疏松等體積型缺陷的檢測靈敏度較高，對平面缺陷的檢測靈敏度較低，如當(dāng)射線方向與平面缺陷（如裂紋）垂直時(shí)就很難檢測出來，只有當(dāng)裂紋與射線方向平行時(shí)才能對其進(jìn)行有效的檢測。對此，為了彌補(bǔ)X射線探傷的一些缺陷，大量的研究對其進(jìn)行了分析和優(yōu)化。 X射線照相檢測技術(shù) 目前，工程中應(yīng)用的管道對接焊縫無損檢測方法都是基于X射線檢測技術(shù)的，如外部透照法，采用定向X射線源從管道外側(cè)透照，在管道另一側(cè)的膠片上感光成像，每道環(huán)形焊縫的檢測需轉(zhuǎn)換多次X射線源的投照角度。應(yīng)用于小管徑管道對焊縫的無損探傷，該方法存在雙層壁投影而導(dǎo)致評片困

28、難的特點(diǎn)。而又如內(nèi)部透照法，智能移動(dòng)載體攜帶周向X射線源進(jìn)入管道，將X射線源焦點(diǎn)對準(zhǔn)于管道環(huán)狀焊縫處，如圖1-13所示。該機(jī)器人采用CCD實(shí)現(xiàn)精確定位。 圖1-13 管道射線檢測機(jī)器人 Fig.1-3 the radial inspection pireline robot. X射線實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù) X射線實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù)主要有兩大類：一種是基于X射線圖像增強(qiáng)器的實(shí)時(shí)成像技術(shù)的，另一種是X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù)?；赬射線圖像增強(qiáng)器的實(shí)時(shí)成像技術(shù)如圖1-14所示，1—X射線源，2—被檢測件，3—圖像增強(qiáng)器，4—圖像采集卡，5—計(jì)算機(jī)，被檢測件的X射線圖像經(jīng)圖像增強(qiáng)器

29、成像后，由圖像采集系統(tǒng)采集并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中[16]。 圖1-14 基于圖像增強(qiáng)器的X射線實(shí)時(shí)面像檢測系統(tǒng) Fig.1-14 X-ray real-time imaging inspection system based on image intensifier 一種是X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù)，如圖1-15所示，1—X射線源，2—被檢測件，3—計(jì)算機(jī)，4—CMOS數(shù)字成像板，亦稱為X射線數(shù)字照相。被檢測件的X射線圖像經(jīng)由CMOS數(shù)字成像后，直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。 圖1-15 X射線數(shù)字照相檢測系統(tǒng) Fig.1-15 The sketch

30、 kf digital X-ray radiography system 圖像增強(qiáng)器誕生于20世紀(jì)50年代初，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，主要是改進(jìn)圖像增強(qiáng)器輸入屏材料以提高亮度?，F(xiàn)在圖像增強(qiáng)器的亮度增益提高了10幾倍，亮度增益高達(dá)10000以上，輸出屏上的圖像亮度可達(dá)0.3x103cd/m2 [17]。 雖然X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù)的顯像元件的像元尺寸達(dá)到極小，因而成像質(zhì)量及分辨率優(yōu)于基于圖像增強(qiáng)器的X射線系統(tǒng)，但目前市場上的CMOS圖像傳感器，一直沒有擺脫光照靈敏度低、信噪比低和圖像分辨率低的缺點(diǎn)，且受該系統(tǒng)檢測面積小、透照厚度薄痼素的影響，X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù)的檢測系統(tǒng)還只能應(yīng)用于密度

31、較小、尺寸也較小的被檢工件。同時(shí)由于價(jià)格因素的影響，這種數(shù)字成像檢測系統(tǒng)在國內(nèi)工業(yè)中幾乎還未得到使用。在國外，這種系統(tǒng)也在美國、德國等國家得到應(yīng)用。 盡管如比，隨著CMOS技術(shù)的不斷完善，X射線數(shù)字照相是X射線實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù)最終發(fā)展目標(biāo)，也必將在我國得到應(yīng)用。 比較兩種X射線實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù)，當(dāng)采有微(小)焦點(diǎn)X射線機(jī)成像、高清晰度圖像增強(qiáng)技術(shù)、高分辨率數(shù)字采集技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)字化圖像處理技術(shù)、高分辨率圖像顯示技術(shù)以及采用投影放大的透照工藝時(shí)，并考慮到經(jīng)濟(jì)性，可以說，基于X射線圖像增強(qiáng)器的實(shí)時(shí)成像技術(shù)，就目前技術(shù)水平而言，比X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像檢測技術(shù)更具有工程意義，并且，其成像質(zhì)量與膠片照

32、相底片相當(dāng)甚至更好。 1.5本次設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容和研究意義 本課題是針對中型管道安全檢測探傷的實(shí)現(xiàn)而提出的，并結(jié)合當(dāng)今機(jī)器人的發(fā)展趨勢，利用現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，對管內(nèi)X射線無損檢測機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，充分利用現(xiàn)代視覺傳感器和人工智能方面的優(yōu)勢，對機(jī)器人的智能化做一些有意義的研究工作。其目的是通過對管道X射線無損檢測探傷機(jī)器人設(shè)計(jì)，及相關(guān)技術(shù)的查閱和應(yīng)用，能夠研制一臺具有良好的彎道通過能力、視覺定位能力并能適應(yīng)較長距離檢測作業(yè)的實(shí)用樣機(jī)。 課題要求該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)基本的管內(nèi)定位、視覺監(jiān)測，要求適應(yīng)管徑范圍較大，性能穩(wěn)定，有良好的越障能力。 本論文主要設(shè)計(jì)內(nèi)置動(dòng)力的履帶式管內(nèi)X

33、射線無損檢測機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。其主要內(nèi)容為： 1)通過查閱資料，了解管內(nèi)機(jī)器人常用機(jī)構(gòu)和先進(jìn)技術(shù)，融合自己的知識，對內(nèi)置動(dòng)力源的管內(nèi)X射線無損檢測機(jī)器人總體設(shè)計(jì)提出方案和實(shí)現(xiàn)辦法；并闡述機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、工作原理； 2)通過利用最優(yōu)化設(shè)計(jì)和機(jī)械手冊，并結(jié)合一些相似結(jié)構(gòu)，對設(shè)計(jì)的機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，讓機(jī)體內(nèi)耗減到最小，包括機(jī)構(gòu)之間的摩擦，自身的重量，而有效的加強(qiáng)履帶與管壁之間的接觸面積，加大摩擦力，提高本體的牽引力和推動(dòng)力； 3)通過利用三維軟件，將管道內(nèi)檢測機(jī)器人各機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，同時(shí)進(jìn)行各部分的裝配，目地是調(diào)整各配合部分、連接部分之間的配合尺寸，使各機(jī)構(gòu)能夠相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，使

34、整個(gè)機(jī)體能夠協(xié)調(diào)平穩(wěn)的工作。 其主要目標(biāo)設(shè)計(jì)管內(nèi)X射線無損檢測機(jī)器人調(diào)整機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。繪制二維原理圖和裝備圖，并進(jìn)行引導(dǎo)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的三維總體裝配。 通過對管道內(nèi)X射線無損檢測機(jī)器人設(shè)計(jì)，使我對各種機(jī)械機(jī)構(gòu)的組合，及機(jī)械機(jī)構(gòu)之間協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)有了更深層次的掌握，還能夠利用所學(xué)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化；而且，設(shè)計(jì)的這種模塊化檢測機(jī)器人，可以靈活的安裝、配對，可攜帶其它一種或多種檢測儀器儀表進(jìn)行管道檢測，管道的材料也不會(huì)受到限制，實(shí)現(xiàn)檢測和行走也是非常容易的。就是說這種機(jī)器人的通用性比較高，適應(yīng)性比較強(qiáng)。 2管內(nèi)X射線檢測機(jī)器人方案的確定 管道機(jī)器人通常是由驅(qū)動(dòng)器、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)

35、向機(jī)構(gòu)和工作裝置等幾部分組成。其中驅(qū)動(dòng)機(jī)械和移動(dòng)方式有較大程度上決定了機(jī)器人的整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)。管道機(jī)器人的移動(dòng)方式可以分為輪式、履帶式、足式、蠕動(dòng)式、螺旋式和流體推動(dòng)式等，各自有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 2.1 管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式 管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式 由于管道機(jī)器人是在管道限定的環(huán)境里運(yùn)行，尤其是在有彎曲的管道里運(yùn)行，一方面，機(jī)器人在彎管(包括垂直管道)行走中要有足夠的摩擦力來克服重力的影響，另一方面需要提供足夠大的驅(qū)動(dòng)力來克服各種阻力。驅(qū)動(dòng)器的選擇在很大程度上決定了管道機(jī)器人的體積、重量和性能指標(biāo)。 現(xiàn)在使用的驅(qū)動(dòng)方式主要有： （1）電磁驅(qū)動(dòng)。最常用的是微電機(jī)，微電機(jī)又分為有刷直流電機(jī)、

36、無刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)等。步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)的主要區(qū)別在于它們的驅(qū)動(dòng)方式。步進(jìn)電機(jī)采用直接控制方式，它的主要命令和控制變量都是步階位置（step position）；直流電機(jī)則是以電機(jī)電壓或電流作為控制變量，以位置或速度作為命令變量，小尺寸可以產(chǎn)生較大的扭矩。直流電機(jī)需要反饋控制系統(tǒng)，它會(huì)以間接方式控制電機(jī)位置，步進(jìn)電機(jī)可以產(chǎn)生精確控制，一般采用開環(huán)方式。無刷直流電機(jī)以電子組件和傳感器取代電刷，不但延長電機(jī)壽命和減少維護(hù)成本，而且也沒有電刷產(chǎn)生的噪音，因此無刷直流電機(jī)可以達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速。對電機(jī)的控制比較成熟，目前小型電機(jī)常采用 PWM 控制方法，控制方法比較簡單，精度比較高

37、。 （2）壓電驅(qū)動(dòng)。壓電材料是一種受力即產(chǎn)生應(yīng)變，在其表面出現(xiàn)與外力成比例電荷的材料，又稱壓電陶瓷。反過來，把一電場加到壓電元件上，則壓電元件產(chǎn)生應(yīng)變，輸出力或變位。通常壓電元件的能量變換率高（約50%），驅(qū)動(dòng)力大（3500N/cm2），響應(yīng)速度快（幾十毫秒），穩(wěn)定性好，驅(qū)動(dòng)精度高。故通常壓電元件有兩種驅(qū)動(dòng)方式：一種是利用動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)，作高頻振動(dòng)，把振動(dòng)作為動(dòng)力源；另一種是利用驅(qū)動(dòng)力大、精度高的特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)位移或力作為驅(qū)動(dòng)源。 （3）形狀記憶合金。形狀記憶合金是一種特殊的合金，其形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因是相變，其相變是由可逆的熱彈性馬氏體的相變產(chǎn)生，一旦使他記憶了任意形狀，當(dāng)加熱到某一

38、適當(dāng)?shù)臏囟葧r(shí)，則恢復(fù)為變形前的形狀。它的特點(diǎn)：一是變化率大，是普通金屬的近十倍，達(dá)到 4mm 每100C；二是變位方向的自由度大，由兩種金屬片貼合而成的雙金屬片的變位方向只能是垂直于貼合面的方向，形狀記憶合金是單一材料，沒有方向的依賴性，可向任何方向變位，如做成線圈狀擴(kuò)大動(dòng)作行程；三是在特定的溫度下，變位急劇發(fā)生，并且具有溫度的遲滯性，適合于開關(guān)動(dòng)作。 （4）超聲波驅(qū)動(dòng)是利用超聲波振動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)力，即由振動(dòng)部分和移動(dòng)部分組成，靠振動(dòng)部分和移動(dòng)部分之間的摩擦力來驅(qū)動(dòng)的一種驅(qū)動(dòng)器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、響應(yīng)快、力矩大，不需要減速就可以低速運(yùn)行，常用于照相機(jī)快門的動(dòng)作等。超聲波驅(qū)動(dòng)由三種驅(qū)動(dòng)方式：

39、振動(dòng)方向變換型、行進(jìn)波型和復(fù)合振動(dòng)型，這兩種驅(qū)動(dòng)方式一般應(yīng)用在微機(jī)器人上。 （5）氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)馬達(dá)或氣缸運(yùn)動(dòng)，適合潮濕惡劣的環(huán)境，不需要電源，但運(yùn)動(dòng)精度比較低。 （6）人工肌肉是一種新型的氣動(dòng)橡膠驅(qū)動(dòng)器（仿生物肌肉驅(qū)動(dòng)），結(jié)構(gòu)是由內(nèi)部橡膠筒套及外部纖維編織網(wǎng)構(gòu)成，當(dāng)對橡膠筒套充氣時(shí)，橡膠筒套因彈性變形壓迫外部編織網(wǎng)，由于編織網(wǎng)剛度很大，限制其只能徑向變形，直徑變大，長度縮短。此時(shí)，如果將氣動(dòng)人工肌肉與負(fù)載相聯(lián)，就會(huì)產(chǎn)生收縮力；反之，當(dāng)放氣時(shí)氣動(dòng)人工肌肉彈性回縮，直徑變細(xì)，長度增加，收縮力減小，因此氣動(dòng)人工肌肉具有重量輕、輸出力大、柔順性好等特點(diǎn)。如圖2-1所示，1—橡膠筒

40、套，2—纖維層，3—螺絲口部，其缺點(diǎn)是：（1）氣動(dòng)人工肌肉與傳統(tǒng)氣動(dòng)執(zhí)行元件相比行程小（氣動(dòng)人工肌肉空載時(shí)可達(dá)20%，有載時(shí)只可達(dá)到10%，而有的傳統(tǒng)氣缸可達(dá)到40%）；（2）氣動(dòng)人工肌肉的變形為非線性環(huán)節(jié)，具有時(shí)變性，使準(zhǔn)確控制其位移十分困難；（3）在工作過程中，氣動(dòng)人工肌肉自身溫度會(huì)發(fā)生變化，隨著溫度的變化，其性能也會(huì)改變，這給高精度控制帶來困難。 圖2-1 人工肌肉結(jié)構(gòu)簡圖 Fig.2-1 structure diagram of man-made muscle 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 本課題的管道機(jī)器人選用電磁驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，采用微型直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，選用充電電池作為電源，即

41、可避免機(jī)器人拖纜線，減輕機(jī)器人的重量，減輕機(jī)器人在管道內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的阻力。 2.1.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。 本機(jī)構(gòu)兩個(gè)履帶足由獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，目的是為了簡化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使機(jī)構(gòu)更加緊湊。設(shè)機(jī)器人直線行走阻力、爬坡阻力和拖線阻力分別為F1、F2、F3。 本課題研究的管道機(jī)器入

42、主要應(yīng)用于硬質(zhì)管道環(huán)境，直線行走時(shí)的地面變形阻力和外部行駛阻力可以忽略不計(jì)，故直線行走阻力只考慮履帶裝置運(yùn)行內(nèi)阻力。履帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力主要表現(xiàn)為履帶與地面之間的摩擦力，即附著力。履帶裝置運(yùn)行內(nèi)阻力是由同步帶和帶輪，傳動(dòng)齒輪之間的摩擦阻力形成，一般可用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： F1=kGg (2-1) 式中： k—內(nèi)阻力系數(shù)； G—機(jī)器人重； g—重力加速度； 內(nèi)阻力系數(shù)可取0.03-0.07，考慮到本機(jī)構(gòu)的實(shí)際情況，取

43、0.06。設(shè)機(jī)器人機(jī)重G=15kg，則直線行走阻力： F1=9N。 其爬坡阻力為： （2-2） 式中： G—機(jī)器人重 —機(jī)器人爬坡坡度 則 F=73.5N 設(shè)爬坡坡度為30，線纜重8kg，線長25m，與地面問摩擦系數(shù)0.4，則拖動(dòng)一整根電纜所需要的拖線力F為31.4N。 則機(jī)器人的總阻力為： =F+F+F （2-3） 式中： F

44、—行走阻力 F—爬坡阻力 F—拖線所需的力 則 F0=113.9N 每只履帶上的阻力F為： F==57N。 （2-4） 履帶足電機(jī)輸出功率： P= （2-5） 式中： T—每支履帶所受阻力鉅 n—電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速 設(shè)帶輪節(jié)徑d=40mm，則每只履帶所受阻力矩T為1.14Nm。假設(shè)機(jī)器人行進(jìn)速度為6m/min，則電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n=48rpm。 則 P=5.8（KW）=

45、5.8（W） 考慮到管內(nèi)可能碰到比較惡劣的情況，而且為越障預(yù)留一些功率，以使其在拖線30m的情況下仍然可以比較輕松的攀爬障礙，取足夠的安全系數(shù)，確定步進(jìn)電機(jī)的步距角，靜力矩和電流，并考慮電機(jī)的性價(jià)比和安裝尺寸，選取適當(dāng)?shù)牟竭M(jìn)電機(jī)。 2.2管道機(jī)器人的移動(dòng)方式 2.2.1機(jī)器人移動(dòng)方式 管道機(jī)器人的移動(dòng)方式可以分為輪式、履帶式、足式、蠕動(dòng)式、螺旋式和流體推動(dòng)式等（如圖2-2）。A為輪式 ，B為履帶式 ，C為足式， D為螺旋式，E為張緊式， F為流體推動(dòng)式 ，G為蠕動(dòng)式。 圖2-2 管道機(jī)器人的移動(dòng)方式 Fig.2-2 Locomotion mode of pipe robo

46、t 輪式機(jī)器人以其運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性、平穩(wěn)性和車輛技術(shù)的成熟性而廣為應(yīng)用。然而對于輪式也還有限制：輪式越障礙能力比較差，牽引力相對履帶式要?。辉诓黄秸孛姝h(huán)境下，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，易傾斜；微型化比較難。 履帶式機(jī)器人具有牽引力大，抓地性好，適應(yīng)地面環(huán)境能力強(qiáng)的特點(diǎn)，同等條件下，可以跨越的障礙是所有驅(qū)動(dòng)方式中最大的。 足式是一種模仿昆蟲結(jié)構(gòu)功能的移動(dòng)方式，地形適應(yīng)能力強(qiáng)，能越過較大的壕溝和臺階，其缺點(diǎn)是速度和效率低，轉(zhuǎn)向比較困難，控制系統(tǒng)復(fù)雜，因?yàn)橥群偷孛娴慕佑|面積小而使得單位的壓強(qiáng)太大，所以應(yīng)用起來比較困難。日本用壓電元件制成的足式步行機(jī)器人采用雙壓晶片型的壓電元件，利用它的振動(dòng)直接蹬著地面前進(jìn)。如

47、圖2-3所示，1—三叉支架，2—三叉支架二。 螺旋式機(jī)器人是利用旋轉(zhuǎn)摩擦管壁產(chǎn)生推力。適合在管徑很小的管道中運(yùn)動(dòng)，缺點(diǎn)是效率低，推力比較小。 張緊式移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是適合在垂直管道或大坡度管道中運(yùn)動(dòng)，它通過可變形的機(jī)構(gòu)始終張緊管壁，保持與管壁的緊配合。一般與其他移動(dòng)方式（如輪式和履帶式）結(jié)合使用，缺點(diǎn)是不能適合L型等沒有圓弧過渡的彎道，適應(yīng)得管道直徑范圍比較小。如圖2-4所示，（適合直徑85-105mm）。 圖2-3 微型六足機(jī)器人 Fig.2-3 Hexapode micro-robot 圖2-4 Sungk

48、yunwan University 的管道機(jī)器人 Fig.2-4 Pipe robot of Sungkyunwan University 流體推動(dòng)式是一種無動(dòng)力或被動(dòng)式的移動(dòng)方式，利用管道內(nèi)的流動(dòng)液體的動(dòng)力運(yùn)動(dòng)，可以在管道不停止工作的狀態(tài)下進(jìn)行管道的檢測，一般沒有纜繩，因此不受行走距離的限制，缺點(diǎn)是難以控制速度和方向。 蠕動(dòng)式機(jī)器人是依靠柔性形體的變形產(chǎn)生移動(dòng)，具有較大的吸引力，運(yùn)用的驅(qū)動(dòng)元件不同，但蠕動(dòng)原理大致相同，對于不同的蠕動(dòng)機(jī)理，蠕動(dòng)規(guī)律及控制尚需深入研究，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)向困難，速度和效率低，牽引力小。蠕動(dòng)式有蛇行、仿蚯蚓等運(yùn)動(dòng)模型。 2.2.2移動(dòng)方式的選擇

49、由于管道內(nèi)避的情況復(fù)雜，會(huì)有許多突起的障礙，管壁的環(huán)境也可能較泥濘，行走條件苛刻，因此選擇履帶式為管道機(jī)器人的移動(dòng)方式 本課題的履帶式機(jī)器人具有以下特點(diǎn)： 1）履帶式移動(dòng)機(jī)器人支撐面積大，接地比壓小，適合于松軟或泥濘場地作業(yè)，下陷度小，滾動(dòng)阻力小，通過性能好；越野機(jī)動(dòng)性能好，爬坡，越溝等性能均優(yōu)于輪式移動(dòng)機(jī)器人。 2）履帶式移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向半徑極小，可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，其轉(zhuǎn)向原理是靠兩條履帶之間的速度差即一側(cè)履帶減速或剎死而另一側(cè)履帶保持較高的速度來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 3）履帶支撐面上有履齒，不易打滑牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。 4）履帶式移動(dòng)機(jī)器人具有良好的自復(fù)位和越障能力，帶有履

50、帶臂的機(jī)器人可以像腿式機(jī)器人一樣實(shí)現(xiàn)行走。 當(dāng)然，履帶式移動(dòng)機(jī)器人也存在一些不足之處，比如在機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)大彎，往往要采用較大的牽引力，在轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生側(cè)滑現(xiàn)象，所以在轉(zhuǎn)向時(shí)對地面有較大的剪切破壞作用。 2.3本課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容及注意的幾個(gè)問題 本課題設(shè)計(jì)的是利用X射線來完成對于油氣管道的檢測，其主要方面是對于管道機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過查閱相關(guān)資料和自身對知識的掌握，能夠研制一臺具有良好的彎道通過能力、越障礙能力、視覺定位能力并能適應(yīng)較長距離檢測及不同管徑范圍內(nèi)作業(yè)的實(shí)用樣機(jī)。 在設(shè)計(jì)管道機(jī)器人時(shí)需要重點(diǎn)考慮的幾個(gè)關(guān)鍵性問題是： 1）移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題。管道機(jī)器人在彎管

51、、支岔管中的通過性問題是一個(gè)難點(diǎn)，又要考慮到適應(yīng)不同管徑的問題。尋找一種既能夠提供較大牽引力，又快速靈活、可靠性高的機(jī)構(gòu)是一個(gè)值得研究的問題，還要在動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的小型化方面下功夫。除了在機(jī)械機(jī)構(gòu)上推陳出新之外，另外還應(yīng)該盡可能結(jié)合控制方案來考慮。 2）驅(qū)動(dòng)方式的選擇問題。對于管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器，常用的是微型直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，其響應(yīng)快，控制比較精確可靠，產(chǎn)生的扭矩比較大，成本相對低。因此本方案采用了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，可以在管道中，尤其在彎管中產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力來克服各種阻力。 3）信號、電力的傳輸和供給方式問題。在直管中，線纜可以順利進(jìn)出，但在彎管處，或多個(gè)彎道處必須考慮線纜的阻力。

52、如果采用無線方式傳遞信號，由于金屬管道具有一定的屏蔽作用，需要考慮發(fā)射信號的頻率。常用的電源供應(yīng)是高性能電池、蓄電池和管外線纜供電方式。這里考慮到需要的電量比較大和本身需要攜帶氣管，采用了管外線纜供電方式和線纜通信方式。 4）控制系統(tǒng)和傳感器的設(shè)置問題。管道內(nèi)部的復(fù)雜環(huán)境，可能導(dǎo)致傳感器無法正常工作，人工的介入是必要的，但又需要具有一定的智能化，因此控制系統(tǒng)應(yīng)該同時(shí)具有這兩種功能。經(jīng)過多年的實(shí)踐，人們已經(jīng)認(rèn)識到傳感器的集成，即多種傳感器的綜合運(yùn)用是解決這個(gè)問題的有效方法。 2．4本課題設(shè)計(jì)的管道射線探傷機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu) 經(jīng)過文獻(xiàn)查閱比較，履帶式行走機(jī)構(gòu)優(yōu)于其它機(jī)構(gòu)：首先，履帶與管壁之間的

53、接觸面積比較大，這樣可以在之間產(chǎn)生較大的摩擦力，防止打滑，減小無用功，提高效率，在越障礙能力上，履帶式有很大優(yōu)勢。機(jī)器人在行走過程中，受到行走阻力、轉(zhuǎn)彎阻力、爬坡阻力以及拖線阻力的作用，另外，越障因?yàn)檫^程復(fù)雜，其所受阻力不易詳細(xì)估計(jì)，因此驅(qū)動(dòng)器必須要產(chǎn)生足夠的扭矩，所以驅(qū)動(dòng)器的選擇也是至關(guān)重要的，在很大程度上決定了管道機(jī)器人的體積、重量和性能指標(biāo)，本課題選擇步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)方式。為了適應(yīng)不同的管徑范圍，本課題設(shè)計(jì)了調(diào)整機(jī)構(gòu)，在機(jī)器人支架的各兩邊，裝有螺旋絲杠結(jié)構(gòu)，他們通過中間的絲杠套相連，當(dāng)要求改變作業(yè)的管徑范圍時(shí)，可以調(diào)整絲杠套，來使機(jī)器人兩端的支架呈不同的角度，使履帶與管道壁間有最大的接觸面

54、積，從而適應(yīng)不同的管徑。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與支架之間也是可以相對轉(zhuǎn)動(dòng)的，通過絲桿套的調(diào)整和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)同支架之間角度的調(diào)整，可以改變機(jī)器的高度，使之適應(yīng)一些特殊的管道，如形狀較矮的管道等。如圖2-5所示，為本課題的結(jié)構(gòu)原理圖。 圖2-5 機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)原理圖 Fig.2-5 Whole structure principle diagram of the robot 3履帶式管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1管道機(jī)器人設(shè)計(jì)思想 如圖3-1所示，機(jī)器人每條擺腿都通過腿部關(guān)節(jié)與機(jī)器人本體相連。通過手動(dòng)調(diào)節(jié)兩側(cè)擺腿的張開角度，使管道機(jī)器人實(shí)現(xiàn)柔性適應(yīng)不同直徑圓管的功能，保證了履帶足與圓管管壁

55、充分接觸，使機(jī)器人在運(yùn)行中牽引力和穩(wěn)定性都得以保證。機(jī)器人出現(xiàn)傾斜時(shí)，還能通過水平傳感器的檢測，機(jī)器人自動(dòng)改變兩側(cè)履帶速度，糾正機(jī)器人機(jī)體位置，避免機(jī)器人傾覆。 圖3-1 管道機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 Fig.3-1 Schematic diagram of pipeline robot moving bodies 圖3-2所示為機(jī)器人不同管徑時(shí)調(diào)整擺腿角度的示意圖，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)移動(dòng)本體的擺腿機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)履帶足底面與管壁接觸位置，保持機(jī)器人履帶在圓管中接觸狀態(tài)良好，使機(jī)器人足夠的附著力和牽引力。由圖3-1可見當(dāng)管徑發(fā)生變化時(shí)機(jī)器人通過改變擺腿的角度，調(diào)整到履帶足平面與管壁充分接觸的

56、狀態(tài)。 圖3-2 管道機(jī)器人適應(yīng)管徑示意圖 Fig.3-2 Schematic diameter pipeline robot to adapt 其次，機(jī)器人履帶足部關(guān)節(jié)可以調(diào)節(jié)，使機(jī)器人整體高度降低，從而可以進(jìn)入更矮小的管道，完成相應(yīng)的作業(yè)，增強(qiáng)了機(jī)器人的適應(yīng)性。機(jī)器人調(diào)整高度過程如圖3-3所示。 圖3-3 管道機(jī)器人高度調(diào)整示意圖 Fig.3-3 Schematic diagram of pipeline robot height adjustment 3.2適應(yīng)管徑功能 普通雙履帶式機(jī)器人在圓管行進(jìn)過程中，履帶與管壁只是線接觸甚至

57、點(diǎn)接觸，使管道機(jī)器人的牽引力受到了很大影響。所以圓管內(nèi)移動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)能根據(jù)管徑不同調(diào)整位置，使履帶足面可以充分與管壁接觸，從而保證機(jī)器人有足夠的牽引力。 對于圓形管徑變化的情況，一般同一輸油管道中，管道的尺寸較統(tǒng)一，突然變徑的情況較少見，同時(shí)考慮到研發(fā)的成本和管道實(shí)際情況， 本課題提出的管道機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有可調(diào)整適應(yīng)管徑功能，以解決不同管徑環(huán)境下，履帶與管壁接觸不良的難題，如圖3-4所示，其基本原理是，事先根據(jù)管道的實(shí)際情況，調(diào)節(jié)長螺栓使得機(jī)器人的兩個(gè)擺腿作橫向擺動(dòng)而張開，再調(diào)節(jié)履帶足和擺腿的連接關(guān)節(jié)，確保履帶足的履帶面與管壁保持充分接觸，以提供履帶機(jī)器人行走時(shí)必要的摩擦力。 圖3-4

58、 管道機(jī)器人管徑調(diào)整示意圖 Fig.3-4 Schematic diagram of the robot to adjust pipe diameter 如圖3-4所示，設(shè)機(jī)器人機(jī)體寬度b，腿長a，履帶足關(guān)節(jié)距履帶底面x，履帶足關(guān)節(jié)距履帶足中心線p，兩側(cè)擺腿角度均為0。一般來說履帶寬度遠(yuǎn)小于管道半徑，所以可以近似的認(rèn)為圓心O到履帶足中心線底部O1的連線為管道半徑。履帶足裝置置于擺腿之外時(shí)，可視為一個(gè)寬度為B，擺腿長度為A的等效機(jī)構(gòu)，如圖3-5所示。 可以根據(jù)幾何關(guān)系算得： B=b+ （3-1） A=

59、a+x-ptan （3-2） 則相應(yīng)的管徑為： R=+a+x-ptan （3-3） 該式可以在做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選用尺寸參數(shù)，也可用于確定機(jī)器人的適用管道范圍。 圖3-5 管道機(jī)器人簡化機(jī)構(gòu)圖 Fig.3-5 Simplified organization chart pipe robot 圖3-6 管道機(jī)器人受力分析圖 Fig.3-6 Force diagram pipeline robot 如圖3-6所示為管道機(jī)器人在圓形管道內(nèi)的受力分析，圖中G為機(jī)器人機(jī)重，N為管壁對機(jī)

60、器人履帶的支撐反力。根據(jù)力平衡關(guān)系易得管道壁面對履帶的正壓力N與擺腿擺角的關(guān)系為： N= （3-4） 隨著擺角的增大，管道壁面對履帶的正壓力N也隨之增大，當(dāng)擺角為90時(shí)，N將為無窮大。因此機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)限定擺角不超過60，并由此確定機(jī)器人能進(jìn)入的最小管道直徑。 3.3高度調(diào)整功能 將機(jī)器人兩腿向兩側(cè)對稱擺開，再調(diào)整機(jī)器人履帶足的相對位置，即可降低機(jī)器人的整體高度，如圖3-7所示。 圖3-7 管道機(jī)器人高度調(diào)整示意圖 Fig.3-7 Schematic diagram of pipeline robot height adjustment 設(shè)機(jī)器

61、人機(jī)體寬為b，腿長為a，機(jī)器人擺腿角度為，履帶足部關(guān)節(jié)到地面距離為x，尺寸如圖3-8所示。 圖3-8 管道機(jī)器人高度調(diào)整尺寸示意圖 Fig.3-8 Schematic diagram of pipeline robot height adjustment size 設(shè)機(jī)器人原始高度為H，調(diào)整后高度為h，則 H=a+x （3-5） h=acos+x （3-6） 高度差△h為：

62、 △h=H-h=a（1-cos） （3-7） 此時(shí)機(jī)器人兩側(cè)履帶寬度變?yōu)閎+2asin，因此當(dāng)機(jī)器人高度降低后，彎管的通過性會(huì)發(fā)生變化，對于進(jìn)入扁平管道的機(jī)器人要注意管道寬度是否滿足要求。 3.4車載傳感器 紅外攝像機(jī)： 日/夜兩用,在正常光線下和普通攝像機(jī)一樣工作;在無光線情況下紅外燈自動(dòng)打開,攝像機(jī)進(jìn)入夜色視狀態(tài)。 氣體傳感器： 一氧化碳、二氧化碳、氮?dú)?、甲烷等四種傳感器，需要時(shí)可增加氣體傳感器種類。 測距傳感器： 測距傳感器采用紅外測距傳感器，分別安裝在機(jī)器人的兩側(cè)和最前端，分別測出機(jī)器人到兩側(cè)管道或障礙的距離和到正前方管道或障礙的距離。 機(jī)器人傾

63、斜傳感器： 當(dāng)機(jī)器人在X’O’Y’、Y’O’Z’平面傾斜時(shí)，機(jī)器人傾斜傳感器就可以檢測出兩個(gè)方面的傾斜角，分別是管道軸線的水平面和管道軸線垂直面，機(jī)器人傾斜傳感器采用數(shù)字式傾斜計(jì)，安裝在機(jī)器人的中央主箱體內(nèi)，用于測量機(jī)器人管道截面上與垂直線的夾角。 電機(jī)編碼器：測量電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度值。 3.5擺腿設(shè)計(jì) 圖3-9 管道機(jī)器人擺腿設(shè)計(jì)示意圖 Fig.3-9 Schematic design of pipeline robot leg swing 在機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，擺腿的作用是不容忽視的。擺腿有兩個(gè)關(guān)節(jié)，一個(gè)是與機(jī)體連接處，一個(gè)是與履帶足連接處，分別實(shí)現(xiàn)適應(yīng)管徑和調(diào)整高度的作用。

64、 如圖3-9所示，由于自適應(yīng)管徑是自主適應(yīng)，而進(jìn)入扁平管道是需要手工調(diào)節(jié)的，故關(guān)節(jié)l，關(guān)節(jié)2為手動(dòng)調(diào)節(jié)。關(guān)節(jié)1的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循機(jī)械傳動(dòng)的基本規(guī)則和原理，關(guān)節(jié)2在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到手工操作的方便性以及調(diào)整以后結(jié)構(gòu)的自鎖性。 3.6履帶的越障礙分析 履帶行走裝置的越野通過性是指在不用任何輔助裝置而能克服各種天然和人工障礙的能力，履帶的通過性主要取決于履帶本身的性能參數(shù)和幾何參數(shù)。履帶通過性的評價(jià)性能主要由跨越壕溝和克服垂直壁。 對于不同結(jié)構(gòu)形式的履帶行走裝置，它們的越障礙性能也不同。一般來說雙節(jié)式要比單節(jié)式具有更好的越障礙性能，針對本課題的管道機(jī)器人，對單節(jié)式的進(jìn)行分析。 跨越壕溝能力 1）

65、跨越水平壕溝 履帶通過壕溝的寬度與履帶的接地長度，重心位置有關(guān)。 克服壕溝可以用靜力法（即履帶緩慢行駛）和動(dòng)力法（履帶高速行駛或利用動(dòng)能來克服）。壕溝的靜力克服受履帶穩(wěn)定性喪失的限制。穩(wěn)定性的喪失是在履帶的重力作用線超出負(fù)重面的界限的情況下發(fā)生。如果重力作用線是在車首和對面壕壁之前超出負(fù)重面的，那么履帶行走裝置的前部就落入壕溝中。如果重力作用線還未到達(dá)對面的壕壁，而履帶行走裝置的尾部已經(jīng)和第一壁脫離，那么履帶行走裝置的尾部就落入壕內(nèi)。 所以用靜力法克服壕溝的可能性決定于履帶行走裝置兩端支撐點(diǎn)和履帶重心在行駛平面上的投影間的距離。 3-11履帶行走裝置以靜力法通過壕溝 Fig.3-

66、11 Walking device to track through the trenches of static method 如圖3-11所示，如果要克服寬為B=b。且ab的壕溝時(shí)，當(dāng)履帶行走裝置尾部已失去壕溝后緣的支撐時(shí)，履帶行走裝置中心尚未靠近壕溝之前緣，于是履帶行走裝置尾端就落入壕溝中。為了能克服較寬的壕溝，在設(shè)計(jì)履帶行走裝置時(shí)應(yīng)盡量使其中心布置在履帶接地段中心處。 用動(dòng)力法克服壕溝就是以較高的速度駛過壕溝，這樣可以增加越壕的寬度。在履帶高速通過壕溝時(shí)，當(dāng)?shù)谝回?fù)重輪脫離支撐面后，車體便開始向溝底下傾。顯然，如果履帶的行駛速度越高，在同一距離內(nèi)，履帶車體前部向溝底下落的程度便越小。 應(yīng)用動(dòng)力法克服壕溝兩邊緣的相互位置和形狀有很大的關(guān)系，如果壕溝的前邊緣比后邊緣高則難以克服，反之則較容易克服。如果后邊緣成下坡的斜面，則不易通過。如果上坡狀斜面，則較易克服。 3-12壕溝邊緣呈坡狀時(shí)越壕 Fig.3-12 W