URT管道检测机器人(精).docVIP

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[2 3]。 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Jorge Moraleda与Anibal Ollero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Chi Zhu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Daphne D? Zurko和卡内基梅隆大学机器人技术学院Hagen Schempf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[5 6]。 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