URT管道檢測機器人

2008071379機械087文城楠管道檢測機器人在城市污水、天然氣輸送、工業(yè)物料運輸、給排水和建筑物通風(fēng)系統(tǒng)等領(lǐng)域里，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，就必須對管道進行有效的檢測維護等，而目前管道檢測和維護多采用管道機器人來進行[1]。所謂管道機器人就是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動行走、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，在工作人員的遙控操縱或計算機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)的機電一體化系統(tǒng)。管道機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；對接焊縫的探傷、補口作業(yè)；舊管道腐蝕程度、破損情況檢測和泄漏預(yù)報等等[23]。1管道機器人的發(fā)展狀況1.1管道機器人的理論研究發(fā)展狀況管道機器人的研究所涉及的面很廣，隨著70年代電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動化技術(shù)的發(fā)展和進步，國外的管道機器人技術(shù)自90年代初以來得到了迅猛發(fā)展并接近于應(yīng)用水平。1987年日本學(xué)者T.Morimitsu等人成功研制了一種振動式管內(nèi)移動機器人。1999年西班牙JorgeMoraleda與AnibalOllero等人在西班牙軍工基金資助下，利用水流噴射產(chǎn)生的沖力作為驅(qū)動力研制成檢測地下輸水管道內(nèi)部狀況的管道機器人系統(tǒng)。2000年日本橫濱國立大學(xué)電子與計算機工程系ChiZhu等人研制成功用于檢測污水排放管道的管道檢測機器人，它適用于直徑為200mm的管道。2001年美國紐約煤氣集團公司的DaphneDZurko和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機器人技術(shù)學(xué)院HagenSchempf博士在美國國家航空和宇宙航行局的資助下開發(fā)了長距離、無纜方式的管道機器人系統(tǒng)。我國管道機器人研制工作起步較晚，已見報道的管道機器人多為國外進口，然而近些年來，管道機器人的經(jīng)濟、技術(shù)和社會意義逐漸為更多的人們所認識，也有一些單位開始進行研制，并在機構(gòu)模型、動力學(xué)分析以及實驗樣機等方面均有所建樹。較有代表性的有中科院、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)、大慶油建公司和中國石油天然氣管道局等，其中中科院蘭州分院于2004年成功研制出了我國第一臺管道機器人，提升了我國在機器人研究開發(fā)領(lǐng)域的地位和影響力[4]。1.2管道機器人的類型介紹目前國內(nèi)外已研制出的管道機器人類型很多,按能源供給方式可分為兩種:有纜方式和無纜方式。對于有纜方式供能的管道機器人,主要存在的問題是機器人行走距離遠、轉(zhuǎn)彎較多時，線纜與管壁的摩擦力會變得很大，嚴重影響了機器人作業(yè)時的最大行走距離，而且還會帶來可靠性等一系列的問題。而采用無纜方式的能源供給目前有兩種方案，一是攜帶蓄電池，二是攜帶燃油發(fā)電機組，這兩種方案除了體積龐大以及增加機器人本體的重量這些共有的缺點外，還有就是所儲存的能量畢竟有限，而且受電池質(zhì)量、充電工藝等因素的影響，因而機器人的行走距離仍然受限制[56]。管道機器人的驅(qū)動源大致有以下幾種：微型電機、壓電驅(qū)動、形狀記憶合金（SMA）、氣動驅(qū)動、磁致伸縮驅(qū)動、電磁轉(zhuǎn)換驅(qū)動等。管道機器人按照驅(qū)動方式大致可以分為自驅(qū)動型管道機器人、流體推動型管道機器人、彈性桿外加推力型管道機器人。管道機器人按其外型大小可分為大型、普通和微型三種，其中微型管道機器人又可按其電驅(qū)動技術(shù)種類劃分為基于正弦波動驅(qū)動的微型管道機器人、基于電磁驅(qū)動的管道魚鰭機器人、直流電機驅(qū)動的蛇行機器人、壓電元件驅(qū)動的微型管道機器人、GMA驅(qū)動的微型管道機器人、SMA驅(qū)動的蚯蚓蠕動管道機器人。而如果按行走機構(gòu)劃分，管道機器人可分為以下幾種方式[7]：（1）活塞移動式，其原理類似于活塞在汽缸內(nèi)的運動，即把管道看作汽缸，把具有一定彈性和硬度的PIG看作活塞。在結(jié)構(gòu)上，PIG其后面的流體壓力大于前面的壓力時，在壓差的作用下，PIG克服了管壁與活塞之間的摩擦阻力而向前運動。PIG可以攜帶各種傳感器，一邊行走一邊用于管道檢測。（2）滾輪移動式，利用滾輪驅(qū)動式的行走結(jié)構(gòu)，以電機作原動機，為了增加牽引力，一般采用多輪驅(qū)動式，由于輪徑太小，越障能力有限，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。（3）履帶移動式，仿造履帶式車輛行走原理，采用帶齒輪減速箱的直流伺服電機驅(qū)動。（4）足腿移動式，其基本原理是利用足腿推壓管壁來支撐機體，利用多腿可以方便地在各種形狀的彎管內(nèi)移動。由撐腳機構(gòu)、牽引機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)構(gòu)成，可在各種類型的管道里移動。（5）蠕動移動式，模仿昆蟲在地面上爬行時蠕動前進與后退的動作設(shè)計，機構(gòu)由蠕動絲杠、螺母、前后支撐足及前后封閉彈簧構(gòu)成。在行走時，分別使左右支撐足上端與管壁接觸，下端用滾輪與管壁接觸。驅(qū)動蠕動絲杠依次左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，使螺母在絲杠上左右移動。（6）螺旋移動式，利用螺旋原理使管外電機推動帶有彈性的驅(qū)動部件前進，該驅(qū)動螺旋部件可以自動越過小的臺階。國外管道機器人發(fā)展概況PEARPOINT公司開發(fā)的輪式自來水管道檢測機器人[6]圖1.1輪式自來水管道檢測機器人如圖1.1所示，該機器人具有六個行走輪，能在自來水管道內(nèi)前進或倒退行走,適應(yīng)管徑為Φ150-Φ750mm；行走速度為0-12m/min；行走距離大約600m左右。對于更大管徑的管道，加裝20W燈泡（選件），提供更明亮、精確的圖像，電纜使用質(zhì)地牢固重量輕的合成纖維，堅固、防水，可抵抗1.5kN的張力。配有電纜自動收放系統(tǒng)，高性能的帶馬達電纜盤，可提供超過50kg的牽引力。儀器精確確定電纜層數(shù)，可提高電纜回繞速度和增加電纜壽命。微處理器控制的離合器和剎車系統(tǒng)，減少電纜回繞的摩擦力，在整個測量過程中，使用操縱桿可精確控制爬行器及攝像機。RoboProbeTechnologiesInc的系列產(chǎn)品[7]此爬行器分為串聯(lián)式爬行器和并聯(lián)式爬行器兩種，如圖1.2和圖1.3所示。此爬行器系列采取不同結(jié)構(gòu)形式，適應(yīng)大范圍的管徑范圍，最小管徑Φ100mm，大管徑可至Φ900mm以上。該爬行器是用于管道對接焊縫X射線探傷的管道機器人，其驅(qū)動系統(tǒng)采用四輪車式結(jié)構(gòu)，由同位素137Cs及其接收器定位，在管道外進行全遙控操作，系統(tǒng)主要由機器人本體(牽引裝置)、可充電電池組、控制單元、遙控探測裝置和射線源等組成。該爬行器無須拖纜，作業(yè)距離較長。日本Osaka煤氣公司的Y.Kawaguchi等人于1995年研制成功的管道檢測機器人系統(tǒng)的行走裝置則采用內(nèi)外輪結(jié)構(gòu)，由電動機驅(qū)動的內(nèi)輪為磁性輪，系統(tǒng)攜帶彩色攝像頭，并通過棱鏡改變成像方向，該機器人采用光纖進行通信，可以檢測管徑為Φ200mm的鐵管，一次作業(yè)的檢測距離不超過500m，該管道檢測機器人系統(tǒng)自帶電源，電源有普通型電源（8.4V/1.5A）和增強型電源（16.8V/3.0A）兩種模式，在這兩種電源模式下，管道檢測機器人的牽引力、驅(qū)動輪的輸出扭矩和最大行走速度分別為：1.8kgf/1.5kgf、2.3kgf.cm/6.4kgf.cm和3m/min、5m/min。機器人的輪子由于具有磁力吸附，每個輪子的吸力達到30kg，因而可在管道的側(cè)面、頂面穩(wěn)定運行。管道檢測機器人的外形尺寸為：長410mm、寬90mm、高140mm，其重量為4.25kg，如圖1.5(a)所示。此外，Osaka煤氣公司還研制出鐵質(zhì)煤氣管道自動焊接修補機器人，該機器人采用多節(jié)方式，重量250kg，長度4.5m，可以通過彎管，具備焊接、打磨、探測的功能，拖纜控制，檢測距離300m，如圖1.5(b)(c)所示。日本橫濱國立大學(xué)的檢測污水排放管道的管道檢測機器人[10]圖1.6管道檢測機器人系統(tǒng)組成日本橫濱國立大學(xué)電子與計算機工程系ChiZhu等人于2000年研制成功用于檢測污水排放管道的管道檢測機器人[20]，該管道檢測機器人適用于管徑為Φ200mm的管道。如圖1.6所示，整個管道檢測機器人系統(tǒng)由四部分組成：管道檢測機器人行走裝置、作業(yè)操縱裝置、用于污水采集的注射器系統(tǒng)、機器人控制系統(tǒng)。該機器人采用視覺伺服定位方式，其工作原理為主控制計算機通過處理由攝像頭拍攝的管道內(nèi)壁圖像來獲得管道檢測機器人操作裝置和管壁上漏洞之間的相對位置，然后根據(jù)管道檢測機器人的逆動力學(xué)模型分別計算出每個電機所需轉(zhuǎn)動的角度，計算結(jié)果通過RS232C送到微處理器SH7050中，在SH7050的控制下，每個電機轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，從而使作業(yè)操縱裝置的位置正對著漏洞，進而將墊圈牢牢地壓入漏洞中，防止污水泄漏污染環(huán)境，注射器系統(tǒng)在電機的驅(qū)動下采集管道漏洞處的污水樣本。整個管道檢測機器人系統(tǒng)的規(guī)格為：長620mm、寬166mm、高158mm，其重量為24kg。德國的管道爬行機器人[11]圖1.7管道爬行機器人德國的InstituteforAppliedMechanicsTechnicalUniversityofMunich的Dipl.-Ing.AndreasZagler開發(fā)了管道爬行機器人，如圖1.7，該管道爬行機器人重量為20kg，采用八足爬6行驅(qū)動，驅(qū)動能力為15kg。機器人長為0.75m，寬為0.6m，高為0.6m，最大速度為0.1m/s，采用直流供電方式。5.俄羅斯的TARIS公司針對地下輸水管道的檢測、清理研制了多個系列管道機器人系統(tǒng)，參看圖1.8。這些管道機器人為輪式驅(qū)動，能源供給和通信采用拖纜方式，帶有可旋轉(zhuǎn)控制方向的彩色攝像頭，能進行視頻探測，采用防水材料制作，具有較好的密封防水性。P-100CCTVRoboticSystem適應(yīng)管徑Φ90mm～900mm，P-200CCTVRoboticSystem適應(yīng)管徑Φ150mm～1200mm，C-200CCTVRoboticSystem除了能進行視頻探測外，還可以進行切割、清理工作，適應(yīng)管徑Φ200mm～600mm，管道內(nèi)最大作業(yè)距離為300m。國內(nèi)管道機器人發(fā)展概況我國的管道機器人的研究始于20世紀80年代，與西方發(fā)達國家相比起步較晚,但近些年來取得了快速發(fā)展。其中開展工程管內(nèi)機器人技術(shù)研究的單位中，較有代表性的有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、清華大學(xué)等。1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)1995年，鄧宗全教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組受國家“863”計劃資助開發(fā)的野外大口徑管道對接焊縫X射線探傷機器人，是國內(nèi)第一臺X射線探傷機器人(如圖1.9所示)，該機器人已成功應(yīng)用于“陜—京”天然氣管線的無損探傷施工中，取得了較好的經(jīng)濟效益。該管道機器人在管內(nèi)一次作業(yè)行走距離為300米；作業(yè)位置處定位精度優(yōu)于±5mm；最大爬坡能力可達30°圖1.9Φ660管道X射線探傷機器人2000年，在國家“863”計劃資助下，鄧宗全教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組又研制成功了內(nèi)置動力源的X射線探傷機器人，如圖1.10所示。在該管道機器人中，引入CCD傳感器作為示蹤定位傳感器并以有纜方式供電；但是，定位過程中尚需要人工參與，有纜方式限制作業(yè)距離[13]圖1.11所示為哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授等人于1997年10月研制的航空輸油管內(nèi)噴涂機器人，該機器人已在上海浦東機場工程中投入使用。圖1.11航空輸油管內(nèi)噴涂機器人2.上海交通大學(xué)圖1.12履帶式管道機器人的運動機構(gòu)簡圖上海交通大學(xué)的履帶式管道機器人，該管道機器人仿造履帶式車輛行走原理，采用帶齒輪減速箱的直流伺服電機驅(qū)動。機器人上部裝有CCD圖像傳感器，由另一個直流伺服電機控制CCD圖像傳感器作俯仰運動，以擴大檢測范圍。另外，機器人上還裝有角度傳感器。如圖1.12所示：其相關(guān)參數(shù)如下：電機功率5w，減速箱減速比為100，輸出轉(zhuǎn)速為0～30r/min；最小管道直徑≤Φ120mm；運行速度可由計算機給定，一般為1.2m/min[14]。3.清華大學(xué)機器人[15]圖1.13清華大學(xué)研制的電致伸縮小型蠕動機器人和管道清淤機器人圖1.14清華特種機器人研究小組的Pipesbot-Ⅰ和Pipesbot-Ⅱ清華特種機器人研究小組（簡稱THSR）先后研制了①.電致伸縮小型蠕動機器人，②.管道清淤機器人（四輪驅(qū)動，單螺旋槳式作業(yè)）（圖1.13），③.小型長距離管道檢測機器人Pipesbot-Ⅰ和Pipesbot-Ⅱ。Pipesbot-Ⅰ適用管徑范圍Φ140-160mm，多級串連驅(qū)動方式，機器人本體前端攜帶CCD攝像頭，后部拖帶控制小車和電源小車；通過交流輸入和電源轉(zhuǎn)換模塊供電，采用PWM調(diào)速，RS422串行通訊。Pipesbot-Ⅱ為全驅(qū)動直進式結(jié)構(gòu)，由三個直流電機通過蝸輪蝸桿副，帶動三個徑向均布的驅(qū)動輪，通過一個剪形壓緊結(jié)構(gòu)使驅(qū)動輪撐緊管壁，依靠摩擦力運動。剪形壓緊機構(gòu)具有可調(diào)接合點，調(diào)節(jié)接合點的位置，可使機器人的驅(qū)動輪向內(nèi)縮進或向外擴張，適應(yīng)一定范圍的管徑，如圖1.14所示。4.東華大學(xué)的自主變位履帶式管道機器人GXJZ-I[16]圖1.15GXJZ-I的總體結(jié)構(gòu)GXJZ-I機器人系統(tǒng)采用線纜遙控，可采用控制箱控制或PC機直接操作，并可通過PC機進行監(jiān)控和錄像。機器人采用了四履帶足結(jié)構(gòu)的行走機構(gòu)，具有較強的越障能力和復(fù)雜管道的適應(yīng)能力。主要用于中央空調(diào)的管道清洗工作。此外，上海大學(xué)的錢晉武等人在2001年研制成了適用于管徑為Φ20mm的TubotⅡ型管道內(nèi)缺陷的自動探測微小機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個兩級計算機控制的管內(nèi)移動機構(gòu)攜帶渦流探頭，外加渦流分析儀和數(shù)據(jù)記錄設(shè)備等組成。中原油田研制了適用于管徑為Φ529～630mm埋地鋼質(zhì)管道的內(nèi)環(huán)焊縫區(qū)域噴涂常溫固化液態(tài)涂料的補口機。中國石油天然氣管道局管道技術(shù)公司經(jīng)過5年的科技攻關(guān)，研制出的管道在線智能漏磁檢測系列裝置。這家公司應(yīng)用這套裝置，已對我國在役的各種口徑油氣干線管道進行了上萬公里的腐蝕情況無損檢測。在國家自然科學(xué)基金的資助下，沈陽工業(yè)大學(xué)、新疆三葉管道技術(shù)有限責(zé)任公司的專家和工程技術(shù)人員于2000年5月研制成功高精度管道漏磁在線檢測系統(tǒng)?？傊鼛啄晡覈墓軆?nèi)機器人技術(shù)研究已取得了很多成果，在某些單項技術(shù)上已具有世界領(lǐng)先水平。但限于我國總體技術(shù)發(fā)展水平的限制，所研制的管內(nèi)機器人的綜合性能還遠不及發(fā)達國家，特別是在管內(nèi)機器人產(chǎn)品的實用化和商品化方面還有很大差距，除此之外，使用國外的管道機器人一般費用很高，不適合我國的國情；國內(nèi)這一領(lǐng)域的研究很少，還處于科研階段，所以本課題的研究非常必要，而且具有很大的社會效益和經(jīng)濟效益。盡管我國在研制多種形式的輪式管內(nèi)移動機器人方面已經(jīng)作出了很大努力，并取得了一定的成績，但仍存在不少的缺點，如管內(nèi)行程不夠大，力的提高受封閉力的限制，研究還有待進一步的完善和成熟，研制可適用于小