管道机器人介绍.docx

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1、管道机器人1 .管道机器人的定义和发展历史管道机器人是一种有人操作，可以沿着管道移动、携带一种或多种传感器，可以完成各种管道维护操作的机器人系统。20世纪70年代末美国斯坦福大学研制出了世界上第一款人工智能移动机器人，并在同时期设计和研制出了管道机器人。20世纪80年代韩国的大学开始研究天然气管道检测机器人。20世纪90年代管道机器人在实际的应用中表现出了巨大的潜力，各国都大力研发管道机器人。我国管道机器人的研究起步相对于发达国家晚了近10年，1989年哈尔滨工业大学的邓宗全等人最先开始了国内的管道机器人的有关研究，为我国的管道机器人研究开创了先河。之后清华大学成功研制的V型、TH型管道清洁机

2、器人，已达到智能管道机器人的范畴。2 .管道机器人的模块2.1. 爬行器2.1.1 轮式管道机器人轮式管道机器人是将滚轮作为行走机构，由于其结构简单、行走速度快，驱动和控制相对简单，成本相对较低，滚轮式管道机器人目前广泛引用于商业机构。然而滚轮式管道机器人的缺点也非常明显，它的越障能力差，而管道中的地形复杂，滚轮式管道机器人适用于地形不复杂的管道，对于地形复杂的管道场景，滚轮式管道机器人较难适用。按照行走机构划分，轮式管道机器人可分为支撑轮和车型式两类。（1）支撑轮式管道机器人：采用对称分布的行走结构，支撑轮紧贴在管道表面，对管道表面有较大压力，行走能力强，可在有较大倾角的排水管道中行走。在理

3、论上，该机器人的中心与管道中心重合，机器人运动稳定性好。支撑轮式管道机器人一般具有变径机构，以适应不同管径的管道。例如MRlNSPECTH采用多节方式，各节间通过可控万向钱连接，可通过弯管接头，采用弹簧支撑式连杆机构。（2）车型式管道机器人在管道底部行走，具有结构简单、行走连续平稳、运动灵活等优点。车型式管道机器人靠自身重量提供正压力，因此不能在大倾角的管道中行走。与支撑轮式管道机器人相比，其结构更加简单，控制更加方便。根据能否改变运动方向，车型式管道机器人可分为可变向车型式管道机器人和不可变向车型式管道机器人。现有的轮式管道机器人多数为车型式管道机器人，主要为四轮管道机器人和六轮管道机器人，

4、以四轮管道机器人最为常见。2L2.履带式管道机器人（3）履带式管道机器人履带与管壁间的接触面积大，附着力大，具有牵引力大、可以形成360。原地转体、不易打滑、越障性能好等优点，履带式管道机器人适合管道内地形复杂的场景。但是履带式驱动机构的复杂性，导致其机械结构尺寸较大，不易小型化，结构复杂、重量大、消耗大、驱动和控制比较困难。因此，在实际应用中，该机器人大多用于大直径的管道内。2.13 .流体驱动式管道机器人利用管道流体压力对管道进行直接检测和清理技术的研究始于上世纪50年代，受当时的技术水平的流动式管道机器人利用流体的压力能实现行走功能。滚轮式管道机器人和履带式管道机器人行走速度较难控制，容

5、易大幅度波动，并且携带的能量有限，很难长时间在管道内工作，严重制约了管道机器人的工作时间和工作距离。流体式管道机器人利用流体的压力来实现行走功能，速度精确控制也比较容易，能够稳定行驶，并且能够利用与管道内壁的摩擦在线获取能量，提高了管道机器人工作时间和工作距离。但是，由于流体驱动式管道机器人以流体的压力为驱动方式，导致流体式管道机器人只能在具有足够压力的大管径管道内才能得到有效的驱动。例如上海大学利用石油管道的石油高压研制出了石油管道检测机器人如下图，该型机器人分成多节，利用与管道密封的橡胶环（皮碗），相当于活塞，在输油管内压力油作用下，推动检测机器人向前行走。主要由探头1、高压密封件2、电机

6、仓3、电池仓4、仪器仓5、仪器仓6、万向节7、里程仓8、清管器9和皮碗10组成。2.14 行走式管道机器人行走式管道机器人通过一些伸缩杆结构使得足腿压在管壁上，足腿上附有橡胶材料能够增大摩擦力固定在管壁上，从而支撑住机器人的主体。采用多腿的结构能够使该结构在各类曲线型管道中移动，也可在各种断面形式的管道里移动，其运动较为方便灵活，越障能力较高，由于结构的限制，。多足行走是一种高级行走方式，有较好的动作灵活性，理论上可以适应各种形状的管道，但其较复杂的运动学和动力学特征，使得机器人在步态规划和关节间协调运动控制等方面存在一定难度，而且，机器人结构非常复杂，对传感器要求高，需要大量的精密传感器，研

7、究成本和制造成本都很高，且牵引能力有限，存在移动速度低、驱动效率不高，控制复杂等缺点，不适合长距拖缆作业。以太原理工大学研制成功的管内行走式机器人为例，该机器人由撑脚机构、牵引机构和转向机构构成。撑脚机构由电机16）、小齿轮（15）、齿圈及平面螺纹（14）、滑杆（13）、脚靴（12）组成。牵引机构由电机（1）、螺杆（2）、螺母（5）、拔销（4）、拔杆（7）和支撑杆（9）组成。转向机构由万向节（21）组成。当电机（1）带动螺杆转动时，螺母受拨杆的约束不能转动而沿螺杆轴向移动，固连其上的拨销（4）拨动拨杆（7）顺时针方向转动，由于脚靴（12）锁死在管壁上，支撑杆（9）不能向后运动，拨杆（7）通过销

8、（6）带动支架（3）及其固连在（3）上的套筒（11）在简体（10）内向前滑动，同时通过万向节（21）拖动机器人的后单元（此时后单元的脚靴在抬起状态）向前运动，整个机器人前进。当脚靴（12）处在抬起的位置时，拨杆（7）通过支承杆（9）推动简体在套筒（11）上万向节方向滑动、改变了腿的姿势。1O2.L5.支撑式管道机器人2. 支撑式管道机器人也是轮式管道机器人的一种变形。支撑式管道机器人周向均匀布置的支撑臂紧贴管壁，为机器人提供足够的牵引力，甚至可以克服机器人自身重力，实现在垂直管道内的运动。对称的支撑臂有效地保证了机器人中心轴线与管道中心轴线的一致性，因此，在运动稳定性上远超过轮式和履带式管道机

9、器人。3. 1.6.蠕动式管道机器人行走式管道机器人在运行时必然与管道内壁发生接触，某些对管道内壁损伤要求严格的场合不宜采用。因此，模仿爬虫、蚯蚓等生物的运动方式，产生了蠕动式的管道机器人，其原理设计是模仿昆虫移动。在行走时，分别使左右支撑足上面与管壁接触下面通过管壁接触滚轮使蠕动丝杠左转和右转，使螺母在丝杠上左右移动，蠕动式管道机器人虽然与管道内壁仍有接触，但对内壁的损伤较小，但是无法完成快速检测，检测效率低，在排水管道检测中很少用到。下图为所设计管道机器人的结构.由下图可见，机器人共分3个部分，即前、后支撑结构和中间的伸缩结构.前、后支撑结构采用伞架结构，实现机器人对管壁的支撑与行进；中间

10、伸缩结构采用平行四边形结构，在电机、丝杆的带动下实现伸缩，从而使机器人完成行进动作.机器人的3个部分之间用弹簧进行软性连接，使其不但能满足转弯的要求，而且转弯后能使机器人恢复到原始状态，有利于机器人的行进。由下图可见，从中间的平行四边形处于伸长状态开始，机器人的行进的一个周期要完成如下6个动作：前支撑张开、后支撑收缩、平行四边形收缩、后支撑张开、前支撑收缩、平行四边形张开.应当指出，前后支撑的伸长与收缩，其动作副度的大小并不需图2所示大小，收缩的目的是减小支撑物与管壁之间的摩擦力。3.1. 7.不同运行结构管道机器人对比运动方式原理优点缺点适用范围轮式采用电机直接驱动机器人轮子运动速度调节方便

11、、运动灵活轮子与管壁的摩擦力有限，不适大部分平直干净的管道用于油气管道内履带式采用电机直接驱动机器人可以有效地提高机器人牵引力、越障能力机器人结构变得复杂，控制难度加大，体积增大，灵活性受到影响大管径、复杂管道检测行走式如动物腿一样的结构，实现机器人管内爬行结构行走灵活，能完成许多复杂的运动需要非常复杂的机械结构和多组驱动器，制造难度、控制难度大十分精密的管道或特殊作业要求支撑式四周均匀布置的支撑臂紧贴管壁，为机器人提供足够的牵引力机器人管内运动稳定性好结构复杂，速度控制难度大可用于垂直管道，克服机器人自身重力蠕动式通过不断重复的收缩和伸长运动，实现前进与管壁摩擦较小、越障性能好驱动牵引力有限

12、，能量损失较大小管径、短距离管道流体驱动式管内流体给与足够压力驱动不需要外界给与动力条件受管内流动介质影响，运动较难控制原油管道、天然气集输管道螺旋驱动式驱动轮轴线与管道轴线之间形成夹角，使驱动轮沿管道壁的某一螺旋线行走轴向驱动力大，驱动力大小和速度快慢的调整方便设计制造复杂、成本高适应小范围管径变化2.2.上位控制单元上位控制单元是管道机器人系统的人机交互部分。操作者可通过上位控制单元向管道机器人发送控制命令，管道机器人将采集的管道信息传送到上位控制单元，经过处理后，通过显示器等信息输出单元呈现给操作者。下图为IBAK公司BK3.5上位控制单元。2.3.检测单元管道机器人检测单元可以分为摄像

13、单元和辅助检测单元。摄像单元为主要的检测单元，负责采集管道图像信息。辅助检测单元由各类传感器组成，主要检测爬行器的状态及辅助测量管道损伤，一般包括内部压力传感器、倾角传感器、激光传感器、超声波传感器等。2.3.1.摄像单元摄像头按获取视角范围可划分为全景摄像单元和非全景摄像单元。现有的管道机器人以非全景摄像单元为主，但是非全景摄像单元需配套相应的执行机构以满足对管道全面检测的需求，增加了管道机器人设计难度和重量。全景摄像单元按实现方式可分为鱼眼摄像头、多摄像头图像拼接、折反射式全景成像系统。鱼眼摄像头具有焦距短、大视角的特点。焦距一般小于16mm,视角为180o以上，可获得较大视野。但鱼眼摄像

14、头获得的图像存在较大的畸变，需经过校正才能获得无畸变的图像，且价格昂贵。多摄像头图像拼接是将多个普通摄像头获得图像进行整合，获得大视角的图像。该方法获得图像畸变小，分辨率高，结构设计复杂，图像数据量大，拼接算法复杂。折反射式全景成像系统由摄像头和反射镜面组成。具有大于半球的空间视场、结构简单、光能损失低、系统设计柔性好、成本低的优点，较好地解决了鱼眼镜头和多摄像头图像拼接存在的问题。常用的反射镜面有锥形镜面球形镜面、双曲线镜面、抛物线镜面。锥形镜面在锥形顶点附近存在一定的观察盲区；球形镜面全景图像严重失真；双曲线镜面的加工比较困难，存在一定的安装难度；抛物线镜面不利于建立一个紧凑和廉价的系统。

15、例如下图为RemoteReality公司的OiTIniAIert360相机。该摄像头采用单视点折反射成像技术，视场为360,环境适应能力强。2.3.2.辅助检测单元管道机器人在管道运行过程中，由于管道环境的恶劣性，需对机器人的内部压力、倾角等状态进行监测。压力传感器通过监测机器人内部压力判断机器人内部结构的气密性状况，及时发现机器人内部进水等状况。倾角传感器监测管道机器人倾斜角度，将机器人倾角信息实时传送到上位控制单元，操作者可及时对机器人进行位姿调整，防止机器人侧翻。排水管道检测以摄像头为主，当摄像头确定损伤点后,则结合无损探伤技术对管道损伤点进行精确检测。无损探伤的技术有射线检测、超声波检测、涡流检测、磁粉检测、渗透检测、微波检测、激光检测。由管道机器人爬行器搭载的检测方法通常为射线检测、超声波检测和激光检测。由于射线检测会对人体造成伤害，所以管道机器人探伤常用的检测方法为超声波检测和激光检测。超声波探伤检测的优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、人体无害，能对缺陷进行定位和定量。然而，超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主、客观因素的影响，探伤结果不便保存。因此，超声波探伤也有其局限性。激光点扫描轮廓测量技术是一种准确高效的表面无损检测方法，主要用于管道的探伤。与