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管道检测机器人的设计和系统分析王伟 ,封立泽 管道检测机器人的设计和系统分析 王 伟 , 封立泽 , 刘占民 ( 北京石油化工学院 机械工程学院 ,北京 102617) 摘 要 :本文设计了一款两轮驱动的轮式管道机器人 ,并完成了样机的研制. 经实践证明 ,该轮式管 道检测机器人能够在检测管道中平稳行走 ,适合于管径为 = 300 mm～500 mm 管道的自动检测和 评价. 关键词 :管道检测机器人 ;缺陷检测 ;可变径管道 中图分类号 : TP242 文献标志码 :A 文章编号 :1001 - 2443 (2013) 06 - 0546 - 04 随着我国经济的快速发展 ,煤气 、输水 、油气 、通讯 、化工等行业使用管道急剧增加 ,而且对管道内表面质 量要求很高 ,但这些管道在长期使用过程中 ,由于受到管内 、管外介质的挤压 ,腐蚀等 ,容易出现裂纹 、漏孔等 故障. 为此 ,必须要对管道进行定期的排查和养护 . 由于污水等管道内部含有大量的有毒气体 ,人工长时间作 业容易引起中毒 ,所以需要用管道机器人来代替人工对那些环境恶劣 、管径较小的管道进行检修. 本文在分 析现有管道检测机器人的基础上 ,设计了检测内径为 = 300 mm～500 mm 的管道检测机器人 ,可以实现对 管道缺陷自动检测与评价 ,测量简单 、直观 、高效 、准确. 1 管道机器人系统 管道检测机器人系统如图 1 所示 . 它由机器人机械本体 、图像采集系统 、地面监控系统和电力供给系统 四大部分组成 . 其中 ,机器人机械本体包括机器人行走机构和云台 ,完成携带图像检测系统在管道中进行检 测的任务 ;图像采集系统主要由摄像镜头 、光源等组成 ,完成缺陷图像采集任务 ; 地面监控系统由计算机组 成 ,实时监控机器人在管道内运行情况 ,通过计算机的相应处理算法实现管道缺陷图像的识别 、定位 ,获得缺 陷等级 、危害程度以及缺陷位置 ,给出管道缺陷问题的解决方法 ;电力供给系统是管道机器人的能量源泉 ,是 其他各系统正常工作的重要保障. 图 1 管道机器人系统 其工作过程是 :管道机器人通过管道检查口进入管道 ,在计算机发出的指令控制下以一定的速度在管道 中运行 ,通过安装在管道机器人机械本体上的图像传感器 ,实时的把管道内的环境参数和管道机器人的自身 状态反馈给管外的监控系统 ,便于操作人员掌握 、控制管道机器人的工作过程. 1 . 1 管道机器人机械本体1 管道机器人机械本体是其实现目标功能的前提条件 ,同时在某种程度上会影响管道机器人的控制性能 . 收稿日期 :2013 - 10 - 05 基金项目 :国家自然科学基金 ( ;北京市大学生研究训练U R T 计划项目 ( 2011J 00094) . 作者简介 :王伟 ( 1968 - ) ,女 ,北京市人 ,副教授 ,硕士 ,从事测量与控制方面的教学和科研工作. 引用格式 :王伟 ,封立泽 ,刘占民. 管道检测机器人的设计和系统分析J . 安徽师范大学学报 :自然科学版 ,2013 ,36 ( 6) :546 - 549 . 54736 卷第 6 期王 伟 ,封立泽 ,刘占民 : 管道检测机器人的设计和系统分析因此 ,良好的机械本体结构有利于增强管道机器人的多样化 547 36 卷第 6 期 王 伟 ,封立泽 ,刘占民 : 管道检测机器人的设计和系统分析 因此 ,良好的机械本体结构有利于增强管道机器人的多样化运动 ,提高机器人对环境的适应能力. 管道检测 机器人的机械结构主要包括行走机构和云台系统两部分. 1 . 1 . 1 管道机器人的移动方式 管道机器人的移动方式可以分为 :轮式 、蠕动式 、蛇行式 、履带式 、多足行走 式 、螺旋驱动式等. 表 1 给出了上述移动方式的各自特点. 表 1 各种移动方式的特点比较 特点 轮式 蠕动式 蛇行式 履带式 多足行走式 螺旋驱动式 驱动能力 越障性 弯道通过性 主动转向性 运动效率 运动可靠性 结构 成本 操作性 截面空间阻塞比 管径适应性 携带检测设备 强 较好 好 好 高 好 简单 低 简单 较小 强 方便 较强 差 较好 差 低 不好 较复杂 较高 较简单 较小 弱 较方便 强 差 好 好 低 不好 复杂 较高 较复杂 小 强 不方便 强 好 较好 差 高 好 复杂 较高 较简单 大 弱 方便 强 好 好 较好 较高 不好 复杂 高 复杂 小 较强 不方便 强 差 较好 差 较低 较好 较复杂 较高 简单 大 弱 方便 综合比较管道机器人的移动方式 ,同时为了更好的设计出适合管道复杂环境的机器人 ,本课题所设计的 管道机器人的移动方式采用结构简单 、运动灵活的轮式移动结构且为四