管道检测机器人的设计与开发

管道检测机器人的设计与开发
摘要：设计了针对管径为200 ～ 250mm的管道检测机器人，其中包括移动载体、总体技术路线、数据采集和传输系统的设计。

关键词管道检测机器人移动载体总体技术路线数据采集与传输
冶金、石油化工及城市水暖供应管道系统的工作环境十分恶劣，长久使用后易出现腐蚀、疲劳破坏最终引发泄漏事故。

对管道系统实行定期检测、诊断、清理和维护越来越受到人们的重视。

无损检测已成为管道检测的一项重要技术，尤其是管道在役和在线探查成为无损检测技术应用发展的重要方向之一，但是由于管道所处的工作环境常常是人力所不能及，检修非常困难，目前对重要和不允许泄漏的管道采用定期和提前报废的方法。

假如采用管道检测机器人对管道进行定期检测、诊断、清理和维护，可以避免巨大的人力、物力及财力的浪费。

笔者研究了管道检测机器人工作原理和检测系统设计方法，为开发管道检测机器人技术打下一定的基础。

1 管道检测机器人系统总体概述
管道检测机器人系统主要由移动载体(管道机器人)、传感器、信号传输、驱动、数据采集传输及管内环境识别装置等组成，其中传感器和信号传输装置是核心部分。

该机器人在操作人员的程序控制下对管道进行一系列的检测和诊断。

笔者设计与研发的机器人是一种较为理想的管道自动化检测设备，该管道检测机器人应满足以下几个
条件:
a．能够使检测方便、直观、高效;
b．在满足工作要求的前提下，机器人的成本经济适用、驱动方式应容易实现;
c．在设计过程中必须对移动载体、数据采集及传输系统和信号传输系统进行详细的研究和模拟，以便适应不同的工作环境;
d．硬件技术成熟，系统搭建简单，可靠性高;
e．软件开发工具和资源丰富，便于开发和算法的实现;
f．为了避免信号失真，确保数据传输质量，在实际工作中对信号采用无线传输。

2 管道检测机器人的设计
2． 1 移动载体
管道机器人作为检测系统的载体，是工作附件的运载工具，驱动电机、控制系统、检测模块都安装在其上，为保证其重量轻，采用了铝合金材料。

机器人动力系统采用直流自减速电机驱动，并通过蜗轮蜗杆输出动力。

为了使机械自适应管道机器人驱动单元有较大的负载能力、均匀的速度和较强的管道环境适应能力，通过对目前管道机器人结构特点进行分析比较，设计了一种具有管道自适应能力、单节单电机驱动的螺旋推进式管道机器人驱动系统，其三维模型如图 1 所示。

通过对弹簧的预紧计算校核，可以得到符合要求的支撑用弹簧，并对驱动体、行走机构和工作端采用周向排布，使机器人能在管道中有较好的附着力及运动稳定性。

2． 2 检测系统
控制系统、管道机器人系统、传输系统是检测系统的三大重要组成部分。

检测系统具体由传感器、数据采集及传输系统、信号采集系统、转换装置和检测装置组成。

管道检测机器人利用移动载体携带红外传感器、超声波传感器、磁探头和信号传输装置在管道内行走，对管内情况进行检测并将检测到的数据和图像通过无线传输系统传到PC 机上，由 PC 机处理后模拟出管内情况。

管道检测机器人总体技术路线框图如图 2 所示。

2．3 数据采集及传输系统
为了与数据采集设备的输入范围相匹配，传感器生成的电信号必须经过处理。

信号调理模块能放大低电压信号，并对信号进行隔离和滤波。

此外，某些传感器需要有电压或电流激励源来生成电压输出信号。

为满足机器人“高精度”和“人机交互”的特点，通过对国内外成熟方案的对比，笔者采用信号调理和数据采集卡相结合作为一个独立的前端数据采集系统，它通过 PC 的接口( 如串口) 接收指令和传输数据。

此时在前端机箱内应有一块控制模块，以管理前端机箱内各板卡的运行和与上位 PC 交换数据和指令。

这样可以在前端完成数字化，然后再输入 PC。

在计算机网络通信中，信号是以电磁波的形式进行传播的。

管道检测机器人
在管内进行检测时，需要随时与外界进行联系，将传感器采集到的数据及有关管内环境的信息传递给控制台，并接收操作人员的命令，这种信息的传递若采用有线传输，当通过管道时不方便，不便于移动，进行模拟信号传输时可能会出现相位滞后或重影现象，使信号到达接收器的时间不同，导致图像显示模糊。

因此，管道检测机器人的传输系统采用无线传输，无线传输具有很强的方向性，通信容量大，传输距离远，可靠性高。

机器人的数据采集及传输如图3所示。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息传给数据传输系统，数据传输系统经过处理后传给单片机，按一定的规律转换成模拟信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录及控制等需要。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

D/A 是数字信号转换成模拟信号的电子器件。

在工业控制过程中，它是控制系统与微机之间不可缺少的接口方式，要实现自动控制，就要检测有关参数，通过 D /A 转换为电压或电流信号送到驱动电路中，使驱动电机正常运行，达到工作所需的要求。

供电电路确保移动载体携带检测装置有足够的能源在管道内进行正常的工作。

3 结束语
宁波广强管道机器人设计开发的管道检测机器人适应管径200 ～ 250mm
管道的检测，该机器人系统在管道中运行平稳，具有检测精度高，检测方便、直观、高效，驱动效率高及成本低等特点。

系统电路容易实现，并且符合嵌入式 PC 机数据处理的要求，易调试，工作可靠。