一種支撐式管道檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)含6張CAD圖

一種支撐式管道檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)含6張CAD圖,一種,支撐,管道,檢測(cè),機(jī)器人,設(shè)計(jì),CAD 文獻(xiàn)綜述 摘要：管道檢測(cè)機(jī)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(tái)階、凹槽、斜坡等為障礙管中常見的運(yùn)動(dòng)障礙，臺(tái)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(cè)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，了解管道檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，了解管道檢測(cè)機(jī)器人的移動(dòng)方式，并根據(jù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出管道機(jī)器人的總體方案方案。 關(guān)鍵詞：管道機(jī)器人；支撐式管道；管道障礙； 前言 管道在石油天然氣運(yùn)輸過程中擁有非常重要的作用，因此管道的安全問題對(duì)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(cè)需要較大的工作量，檢測(cè)管道的效率也非常低，人工檢測(cè)管道危險(xiǎn)性也很高。所以研發(fā)一種管道檢測(cè)的機(jī)器人對(duì)管道進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控、檢測(cè)、反饋是很有必要的。 1 管道檢測(cè)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 1.1管道機(jī)器人在國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)外對(duì)于管道機(jī)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(jī)器人按其行走方式主要可以分為輪式、履帶式、蠕動(dòng)式、多足式等；按能源供給方式可以分為拖纜管道機(jī)器人和無纜管道機(jī)器人。例如美國(guó)、加拿大、韓國(guó)、德國(guó)等國(guó)家研究了各種類型的管道機(jī)器人。 美國(guó)早期研制的防水管道檢測(cè)機(jī)器人—P350 Flexitrax，采用輪子作為行走機(jī)構(gòu)，具有一定的靈巧性。其采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，機(jī)器人的本體和驅(qū)動(dòng)輪應(yīng)用了獨(dú)立設(shè)計(jì)的方法，驅(qū)動(dòng)輪可以自由更換，通過更換不同的驅(qū)動(dòng)輪可以實(shí)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(dòng)輪只能適應(yīng)一種工作環(huán)境，使用效率不高。該管道機(jī)器人主要用于水下管道的檢測(cè)，通過前端攜帶的高清CCD攝像機(jī)和LED燈可以清晰的檢測(cè)管道內(nèi)的情況。 加拿大Inuktun Services公司設(shè)計(jì)了Versatrax系列管道機(jī)器人用于管道內(nèi)部檢測(cè)，其中一款履帶式管道機(jī)器人。該管道機(jī)器人采用履帶作為行走機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)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(jī)器人周身尺寸的大小，以適應(yīng)不同的管徑。缺點(diǎn)是不能實(shí)時(shí)的根據(jù)管徑的變化調(diào)整行走機(jī)構(gòu)夾角的大小，同時(shí)，履帶式的管道機(jī)器人一般只能適應(yīng)大管徑的管道。 韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)Young-Sik-Kwon等人研制了適用于100mm的機(jī)械離合式滾輪管道檢測(cè)機(jī)器人，三組滾輪呈空間對(duì)稱分布，滾輪處安裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)和機(jī)械離合裝置，可差速驅(qū)動(dòng)，有較好的轉(zhuǎn)向能力。韓國(guó)延世大學(xué)研制了履帶式管道機(jī)器人PAROYS-Ⅱ，適用于Ф400mm-Ф700mm的管道，其履帶較為特殊，由一個(gè)前置履帶和后置履帶組合而成，可通過彎管和錐形管。韓國(guó)的研究者設(shè)計(jì)了一種多體合作式的管道機(jī)器人collaboration-type。這種管道機(jī)器人采用周向均勻分布的三組履帶作為行走機(jī)構(gòu)，電機(jī)布置在一組履帶中間直接通過齒輪驅(qū)動(dòng)履帶。每組履帶通過可變形連桿機(jī)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(jī)器人的另一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是采用多體組合的方式通過彈簧連接，可以提高管道機(jī)器人的拖動(dòng)力。 2000年，德國(guó)成功研制了一種六關(guān)節(jié)管道機(jī)器人—MAKRO。該管道機(jī)器人的頭部和尾部是兩個(gè)完全相同的單元體，中間由四個(gè)相同的單元體連接而成，每個(gè)單元體之間由3個(gè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，共具有21個(gè)自由度，可以輕易實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人的前進(jìn)、后退、越障和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng),適應(yīng)較小的管道。該管道機(jī)器人依靠其多自由度的結(jié)構(gòu)，以蠕動(dòng)的方式運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度較慢。 美國(guó) Weatherford 公司開發(fā)了一種用于檢測(cè)管道幾何缺陷的管道機(jī)器人PIG -type。該管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力來自于管道內(nèi)介質(zhì)的壓差，機(jī)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(gè)彈性臂的周向均勻布置保證了管道機(jī)器人軸線與管道軸線重合，也提高了機(jī)器人的速度穩(wěn)定性。機(jī)器人安裝了兩組里程輪，每個(gè)里程輪單獨(dú)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(dòng)的方式有效地提高了能源的利用率，但同時(shí)使得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度不易控制。 日本設(shè)計(jì)了一種靠電池作為其動(dòng)力的管道機(jī)器人—KANTARO所示。該管道機(jī)器人結(jié)合了其他管道機(jī)器人的一些優(yōu)點(diǎn)，四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)增加了其運(yùn)動(dòng)的靈活性。機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)分開設(shè)計(jì)，實(shí)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(shí)現(xiàn)自主化的導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)，不僅能適應(yīng)不同的管徑，對(duì)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(jī)器人在國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)對(duì)管道機(jī)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(guó)正等人研制了一種適用于煤氣管道檢測(cè)的管道機(jī)器人，通過調(diào)節(jié)電機(jī)和滾珠絲桿螺母來適應(yīng)管徑變化，行走機(jī)構(gòu)采用單電機(jī)全驅(qū)動(dòng)的方式可實(shí)現(xiàn)差速過彎；并配有漏磁檢測(cè)裝置，裝置上有32個(gè)探頭，能一次采集32個(gè)信息點(diǎn)的信息。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授設(shè)計(jì)了一種三輪腿式的管道機(jī)器人。該管道機(jī)器人通過電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠，主動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)存在一定的誤動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，三軸差速器的設(shè)計(jì)可以自動(dòng)分配驅(qū)動(dòng)輪末端的轉(zhuǎn)速，而不改變輸出力矩的大小，使管道機(jī)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(jī)器人的機(jī)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(dòng)機(jī)器人，該機(jī)器人整體呈正方形，邊長(zhǎng)為35mm，由12根蠕動(dòng)元件組成，重量約19.5g。通過控制機(jī)器人的12根蠕動(dòng)元件可以使機(jī)器人具有12個(gè)自由度，輕易的完成上、下、左、右全方位的運(yùn)動(dòng)，適合于L型和T型管道較多的場(chǎng)合。但依靠蠕動(dòng)元件作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，行走速度受到了很大的限制，該機(jī)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(jī)器人，機(jī)器人既可以靠流體的推動(dòng)力進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，也可以把流體的能量轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來。管道機(jī)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(jī)器人的速度。當(dāng)機(jī)器人靠固定機(jī)構(gòu)固定在管道內(nèi)的某一位置時(shí)，流體會(huì)推動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，將流體的能量轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來。 2 管道檢測(cè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 管道機(jī)器人的研究主要表現(xiàn)在通過性和能源供給兩個(gè)方面。管道機(jī)器人的通過性主要是指管道機(jī)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(jī)器人的定位精度、檢測(cè)質(zhì)量、能源利用率等方面，管道機(jī)器人的通過性主要包括行走機(jī)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(jī)器人工作能力的大小。 2.1行走方式 目前，管道機(jī)器人的行走方式主要有輪式、履帶式、蠕動(dòng)式、多足式，每一種方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 輪式管道機(jī)器人依靠驅(qū)動(dòng)輪行走，具有運(yùn)動(dòng)靈活、速度快的特性。輪式管道機(jī)器人其輪子的設(shè)計(jì)大小在一定程度上決定了機(jī)器人的周向尺寸，所以其對(duì)大小管徑都有一定的適應(yīng)性。但輪式管道機(jī)器人其軸向尺寸與支撐面積的比值較大，會(huì)存在傾覆的缺點(diǎn)。履帶式的管道機(jī)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(dòng)力較大，在轉(zhuǎn)彎過程中功率損失較大。蠕動(dòng)式的管道機(jī)器人簡(jiǎn)化了行走機(jī)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(jī)器人由步態(tài)算法決定了其運(yùn)動(dòng)的靈活性，其具有良好的越障和轉(zhuǎn)彎能力，但其機(jī)構(gòu)和控制較復(fù)雜。 結(jié)合各種行走方式的優(yōu)缺點(diǎn)，輪腿式管道機(jī)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(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)靈活且控制簡(jiǎn)單。但其行走機(jī)構(gòu)還需要優(yōu)化設(shè)計(jì)。 2.2過彎能力 管道機(jī)器人其工作環(huán)境為一封閉空間，其在管內(nèi)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到管道空間約束，不同類型接頭管道對(duì)其也產(chǎn)生了一定的影響。管道機(jī)器人在管道內(nèi)轉(zhuǎn)彎時(shí)主要存在以下問題：1、如何正確識(shí)別彎道的類型，并向正確的方向轉(zhuǎn)動(dòng)；2、轉(zhuǎn)彎時(shí)，管道機(jī)器人本體與管到空間的不相容性；3、彎道曲率對(duì)管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的影響。 管道機(jī)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(shí)，管道機(jī)器人本體與管內(nèi)空間的不相容性。其原理簡(jiǎn)圖如圖所示，假設(shè)最大直徑為d的管道機(jī)器人通過直徑為D的管道，在轉(zhuǎn)彎時(shí)往往會(huì)存在卡死的現(xiàn)象。研究表明，管道機(jī)器人的尺寸決定著其通過彎道的大小。 目前，大部分管道機(jī)器人還不能自主識(shí)別彎道類型，其運(yùn)動(dòng)主要是依靠操作者的判斷。對(duì)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(dòng)前端的電磁導(dǎo)向頭向正確的方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)效率不高。 2.3適應(yīng)管徑能力 管道機(jī)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(jī)構(gòu)的原理為把軸向運(yùn)動(dòng)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(dòng)方式主要分為是主動(dòng)調(diào)節(jié)和被動(dòng)調(diào)節(jié)兩種。主動(dòng)調(diào)節(jié)方式主要有渦輪蝸桿調(diào)節(jié)方式、升降機(jī)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(jī)調(diào)節(jié)電機(jī)承受的輸出力矩太大，對(duì)電機(jī)要求較高，不易實(shí)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(jī)負(fù)載。主動(dòng)調(diào)節(jié)的方式增大了管道機(jī)器人適應(yīng)管徑的范圍，但其增加了機(jī)器人軸向尺寸，影響了過彎性能，此外主動(dòng)控制的方式無法保證管道機(jī)器人力封閉的特性，存在一定的延時(shí)和誤判。被動(dòng)調(diào)節(jié)的方式主要是采用彈性元件來實(shí)現(xiàn)的，這種管道機(jī)器人具有實(shí)時(shí)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(dòng)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(jì)了一種適應(yīng)管徑的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其管道機(jī)器人由單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，既可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)又可以適應(yīng)管徑的變化。當(dāng)管徑發(fā)生變化時(shí)驅(qū)動(dòng)輪與管壁之間的壓力會(huì)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(jì)方案中行星輪的大小對(duì)管道機(jī)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(duì)管道的復(fù)雜工況，管道機(jī)器人應(yīng)具有良好的越障能力。管道機(jī)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。 管道壁的缺陷阻礙了管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人產(chǎn)生震動(dòng)、卡死等現(xiàn)象，影響了管道機(jī)器人對(duì)管道的檢測(cè)和維護(hù)。管道機(jī)器人在豎直管道上的運(yùn)動(dòng)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(shí)刻調(diào)整行走機(jī)構(gòu)的位姿，以保證機(jī)器人在豎直管道中不會(huì)下滑。 多足式管道機(jī)器人，由于其靈活的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jī)器人越障提供了一個(gè)很好方案，曲面上全向輪系的應(yīng)用或輪系的組合可以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)的越障功能。 3 管道檢測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)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(yùn)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(yùn)行的可靠性，設(shè)計(jì)并優(yōu)化能代替人工檢測(cè)作業(yè)的管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人具有十分重要的意義。 通過對(duì)管道機(jī)器人的分析，此次設(shè)計(jì)的管道檢測(cè)機(jī)器人應(yīng)具有以下的發(fā)展： （1）被動(dòng)自適應(yīng)性 被動(dòng)自適應(yīng)理念的引入可以增加管道機(jī)器人的自由度，有效地提高管道機(jī)器人在管道內(nèi)的靈巧性。被動(dòng)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)旨在改善管道機(jī)器人在管道內(nèi)的通過性。直線行走時(shí)，可以適應(yīng)管徑的變化，并且始終保證行走機(jī)構(gòu)與管壁的有效壓力維持恒定。通過彎道時(shí)可以根據(jù)彎道處各點(diǎn)的曲率變化調(diào)整行走的速度，減小滑動(dòng)摩擦造成的能量損失。越障時(shí)可以根據(jù)障礙物的實(shí)際情況被動(dòng)的繞過障礙物繼續(xù)前進(jìn)。 （2）單體模塊化 針對(duì)目前管道復(fù)雜化和多樣化的問題，提高管道機(jī)器人的利用率，將管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)分模塊化設(shè)計(jì)，各模塊之間采用通用的連接方式。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(cè)和維護(hù)設(shè)備。同時(shí)，多體組合的方式提高了管道機(jī)器人的拖動(dòng)力，增加了管道機(jī)器人的穩(wěn)定性，防止其在管道內(nèi)傾覆。 3）能量?jī)?yōu)化 提高機(jī)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(gè)方面。拖纜管道機(jī)器人應(yīng)該減小其拖纜的負(fù)載損失，提高管道機(jī)器人各機(jī)構(gòu)的傳遞效率。對(duì)無纜管道機(jī)器人應(yīng)該進(jìn)行其能源供應(yīng)的可靠性設(shè)計(jì)。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(jī)器人的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。 因此此次研究設(shè)計(jì)是為了能夠有效提高管道機(jī)器人在管道內(nèi)的靈活性以及穩(wěn)定性，并且設(shè)計(jì)機(jī)器人在管道中越過臺(tái)階障礙等的結(jié)構(gòu) 參考文獻(xiàn) [1] 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