URT管道检测机器人

2008071379机械087文城楠管道检测机器人在城市污水、天然气输送、工业物料运输、给排水和建筑物通风系统等领域里，管道作为一种有效的物料输送手段而广泛应用。为提高管道的寿命、防止泄漏等事故的发生，就必须对管道进行有效的检测维护等，而目前管道检测和维护多采用管道机器人来进行[1]。所谓管道机器人就是一种可沿管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器件如位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器等以及操作机械如管道裂纹与管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、操作手、喷枪、刷子等，在工作人员的遥控操纵或计算机控制下可在极其恶劣的环境中，能够完成一系列管道检测维修作业的机电一体化系统。管道机器人可完成的管道作业有：生产、施工过程中的管道内外质量检测；管道内部清扫、抛光、焊接、喷涂等维护；对接焊缝的探伤、补口作业；旧管道腐蚀程度、破损情况检测和泄漏预报等等[23]。1管道机器人的发展状况1.1管道机器人的理论研究发展状况管道机器人的研究所涉及的面很广，随着70年代电子技术、计算机技术、自动化技术的发展和进步，国外的管道机器人技术自90年代初以来得到了迅猛发展并接近于应用水平。1987年日本学者T.Morimitsu等人成功研制了一种振动式管内移动机器人。1999年西班牙JorgeMoraleda与AnibalOllero等人在西班牙军工基金资助下，利用水流喷射产生的冲力作为驱动力研制成检测地下输水管道内部状况的管道机器人系统。2000年日本横滨国立大学电子与计算机工程系ChiZhu等人研制成功用于检测污水排放管道的管道检测机器人，它适用于直径为200mm的管道。2001年美国纽约煤气集团公司的DaphneDZurko和卡内基梅隆大学机器人技术学院HagenSchempf博士在美国国家航空和宇宙航行局的资助下开发了长距离、无缆方式的管道机器人系统。我国管道机器人研制工作起步较晚，已见报道的管道机器人多为国外进口，然而近些年来，管道机器人的经济、技术和社会意义逐渐为更多的人们所认识，也有一些单位开始进行研制，并在机构模型、动力学分析以及实验样机等方面均有所建树。较有代表性的有中科院、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、东华大2008071379机械087文城楠学、大庆油建公司和中国石油天然气管道局等，其中中科院兰州分院于2004年成功研制出了我国第一台管道机器人，提升了我国在机器人研究开发领域的地位和影响力[4]。1.2管道机器人的类型介绍目前国内外已研制出的管道机器人类型很多,按能源供给方式可分为两种:有缆方式和无缆方式。对于有缆方式供能的管道机器人,主要存在的问题是机器人行走距离远、转弯较多时，线缆与管壁的摩擦力会变得很大，严重影响了机器人作业时的最大行走距离，而且还会带来可靠性等一系列的问题。而采用无缆方式的能源供给目前有两种方案，一是携带蓄电池，二是携带燃油发电机组，这两种方案除了体积庞大以及增加机器人本体的重量这些共有的缺点外，还有就是所储存的能量毕竟有限，而且受电池质量、充电工艺等因素的影响，因而机器人的行走距离仍然受限制[56]。管道机器人的驱动源大致有以下几种：微型电机、压电驱动、形状记忆合金（SMA）、气动驱动、磁致伸缩驱动、电磁转换驱动等。管道机器人按照驱动方式大致可以分为自驱动型管道机器人、流体推动型管道机器人、弹性杆外加推力型管道机器人。管道机器人按其外型大小可分为大型、普通和微型三种，其中微型管道机器人又可按其电驱动技术种类划分为基于正弦波动驱动的微型管道机器人、基于电磁驱动的管道鱼鳍机器人、直流电机驱动的蛇行机器人、压电元件驱动的微型管道机器人、GMA驱动的微型管道机器人、SMA驱动的蚯蚓蠕动管道机器人。而如果按行走机构划分，管道机器人可分为以下几种方式[7]：（1）活塞移动式，其原理类似于活塞在汽缸内的运动，即把管道看作汽缸，把具有一定弹性和硬度的PIG看作活塞。在结构上，PIG其后面的流体压力大于前面的压力时，在压差的作用下，PIG克服了管壁与活塞之间的摩擦阻力而向前运动。PIG可以携带各种传感器，一边行走一边用于管道检测。（2）滚轮移动式，利用滚轮驱动式的行走结构，以电机作原动机，为了增加牵引力，一般采用多轮驱动式，由于轮径太小，越障能力有限，而且结构复杂。（3）履带移动式，仿造履带式车辆行走原理，采用带齿轮减速箱的直流伺服电2008071379机械087文城楠机驱动。（4）足腿移动式，其基本原理是利用足腿推压管壁来支撑机体，利用多腿可以方便地在各种形状的弯管内移动。由撑脚机构、牵引机构和转向机构构成，可在各种类型的管道里移动。（5）蠕动移动式，模仿昆虫在地面上爬行时蠕动前进与后退的动作设计，机构由蠕动丝杠、螺母、前后支撑足及前后封闭弹簧构成。在行走时，分别使左右支撑足上端与管壁接触，下端用滚轮与管壁接触。驱动蠕动丝杠依次左转和右转，使螺母在丝杠上左右移动。（6）螺旋移动式，利用螺旋原理使管外电机推动带有弹性的驱动部件前进，该驱动螺旋部件可以自动越过小的台阶。1）国外管道机器人发展概况1.PEARPOINT公司开发的轮式自来水管道检测机器人[6]图1.1轮式自来水管道检测机器人如图1.1所示，该机器人具有六个行走轮，能在自来水管道内前进或倒退行走,适应管径为Φ150-Φ750mm；行走速度为0-12m/min；行走距离大约600m左右。对于更大管径的管道，加装20W灯泡（选件），提供更明亮、精确的图像，电缆使用质地牢固重量轻的合成纤维，坚固、防水，可抵抗1.5kN的张力。配有电缆自动收放系统，高性能的带马达电缆盘，可提供超过50kg的牵引力。仪器精确确定电缆层数，可提高电缆回绕速度和增加电缆寿命。微处理器控制的离合器和刹车系统，减少电2008071379机械087文城楠缆回绕的摩擦力，在整个测量过程中，使用操纵杆可精确控制爬行器及摄像机。2.RoboProbeTechnologiesInc的系列产品[7]此爬行器分为串联式爬行器和并联式爬行器两种，如图1.2和图1.3所示。此爬行器系列采取不同结构形式，适应大范围的管径范围，最小管径Φ100mm，大管径可至Φ900mm以上。该爬行器是用于管道对接焊缝X射线探伤的管道机器人，其驱动系统采用四轮车式结构，由同位素137Cs及其接收器定位，在管道外进行全遥控操作，系统主要由机器人本体(牵引装置)、可充电电池组、控制单元、遥控探测装置和射线源等组成。该爬行器无须拖缆，作业距离较长。日本Osaka煤气公司的Y.Kawaguchi等人于1995年研制成功的管道检测机器人系统的行走装置则采用内外轮结构，由电动机驱动的内轮为磁性轮，系统携带彩色摄像头，并通过棱镜改变成像方向，该机器人采用光纤进行通信，可以检测管径为Φ200mm的铁管，一次作业的检测距离不超过500m，该管道检测机器人系统自带电源，电源有普通型电源（8.4V/1.5A）和增强型电源（16.8V/3.0A）两种模式，在这两种电源模式下，管道检测机器人的牵引力、驱动轮的输出扭矩和最大行走速度分别为：1.8kgf/1.5kgf、2.3kgf.cm/6.4kgf.cm和3m/min、5m/min。机器人的轮子由于具有磁力吸附，每个轮子的吸力达到30kg，因而可在管道的侧面、顶面稳定运行。管道检测机器人的外形尺寸为：长410mm、宽90mm、高140mm，其重量为4.25kg，如图1.5(a)所示。此外，Osaka煤气公司还研制出铁质煤气管道自动焊接修补机器人，该机器人采用多节方式，重量250kg，长度4.5m，可以通过弯管，具备焊接、打磨、探测的功能，拖缆控制，检测距离300m，如图1.5(b)(c)所示。3.日本横滨国立大学的检测污水排放管道的管道检测机器人[10]2008071379机械087文城楠图1.6管道检测机器人系统组成日本横滨国立大学电子与计算机工程系ChiZhu等人于2000年研制成功用于检测污水排放管道的管道检测机器人[20]，该管道检测机器人适用于管径为Φ200mm的管道。如图1.6所示，整个管道检测机器人系统由四部分组成：管道检测机器人行走装置、作业操纵装置、用于污水采集的注射器系统、机器人控制系统。该机器人采用视觉伺服定位方式，其工作原理为主控制计算机通过处理由摄像头拍摄的管道内壁图像来获得管道检测机器人操作装置和管壁上漏洞之间的相对位置，然后根据管道检测机器人的逆动力学模型分别计算出每个电机所需转动的角度，计算结果通过RS232C送到微处理器SH7050中，在SH7050的控制下，每个电机转过相应的角度，从而使作业操纵装置的位置正对着漏洞，进而将垫圈牢牢地压入漏洞中，防止污水泄漏污染环境，注射器系统在电机的驱动下采集管道漏洞处的污水样本。整个管道检测机器人系统的规格为：长620mm、宽166mm、高158mm，其重量为24kg。4.德国的管道爬行机器人[11]图1.7管道爬行机器人德国的InstituteforAppliedMechanicsTechnicalUniversityofMunich的Dipl.-Ing.AndreasZagler开发了管道爬行机器人，如图1.7，该管道爬行机器2008071379机械087文城楠人重量为20kg，采用八足爬6行驱动，驱动能力为15kg。机器人长为0.75m，宽为0.6m，高为0.6m，最大速度为0.1m/s，采用直流供电方式。5.俄罗斯的TARIS公司针对地下输水管道的检测、清理研制了多个系列管道机器人系统，参看图1.8。这些管道机器人为轮式驱动，能源供给和通信采用拖缆方式，带有可旋转控制方向的彩色摄像头，能进行视频探测，采用防水材料制作，具有较好的密封防水性。P-100CCTVRoboticSystem适应管径Φ90mm～900mm，P-200CCTVRoboticSystem适应管径Φ150mm～1200mm，C-200CCTVRoboticSystem除了能进行视频探测外，还可以进行切割、清理工作，适应管径Φ200mm～600mm，管道内最大作业距离为300m。2）国内管道机器人发展概况我国的管道机器人的研究始于20世纪80年代，与西方发达国家相比起步较晚,但近些年来取得了快速发展。其中开展工程管内机器人技术研究的单位中，较有代表性的有哈尔滨工业大学、上海交通大学、清华大学等。1.哈尔滨工业大学1995年，邓宗全教授领导的课题组受国家“863”计划资助开发的野外大口径管道对接焊缝X射线探伤机器人，是国内第一台X射线探伤机器人(如图1.9所示)，该机器人已成功应用于“陕—京”天然气管线的无损探伤施工中，取得了较好的经济效益。该管道机器人在管内一次作业行走距离为300米；作业位置处定位精度优于±5mm；最大爬坡能力可达30°。2008071379机械087文城楠图1.9Φ660管道X射线探伤机器人2000年，在国家“863”计划资助下，邓宗全教授领导的课题组又研制成功了内置动力源的X射线探伤机器人，如图1.10所示。在该管道机器人中，引入CCD传感器作为示踪定位传感器并以有缆方式供电；但是，定位过程中尚需要人工参与，有缆方式限制作业距离[13]。图1.11所示为哈尔滨工业大学邓宗全教授等人于1997年10月研制的航空输油管内喷涂机器人，该机器人已在上海浦东机场工程中投入使用。图1.11航空输油管内喷涂机器人2.上海交通大学图1.12履带式管道机器人的运动机构简图上海交通大学的履带式管道机器人，该管道机器人仿造履带式车辆行走原理，采用带齿轮减速箱的直流伺服电机驱动。机器人上部装有CCD图像传感器，由另一2008071379机械087文城楠个直流伺服电机控制CCD图像传感器作俯仰运动，以扩大检测范围。另外，机器人上还装有角度传感器。如图1.12所示：其相关参数如下：电机功率5w，减速箱减速比为100，输出转速为0～30r/min；最小管道直径≤Φ120mm；运行速度可由计算机给定，一般为1.2m/min[14]。3.清华大学机器人[15]图1.13清华大学研制的电致伸缩小型蠕动机器人和管道清淤机器人图1.14清华特种机器人研