管道爬行器的研究与设计

管道爬行器的研究与

设计

1 绪论

随着社会的发展和人民生活水平的提高，天然气管道以及各种输送管道的应用越来越多。在我国及世界各个国家内，由于地形的限制和土地资源的有限，在地下都埋设了很多的输送管道，例如，一方面天然气管道、石油管道等，在埋有管道的地面上都已经建成了很多的建筑物、公路等，给管道的维修和维护造成了很大的困难。当这些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等问题时，人们普通的做法是挖开道路进行维修，有些时候如果不能准确判断泄露和堵塞的具体位置时，会浪费很多的时间和精力，同时降低了工作效率[7]。另一方面石油、天然气、化工、电力、冶金等工业的管道工程大多采用焊接管路。为了保证焊接管路的焊接质量和运行安全,管道工程都要对焊缝进行检测,检测焊接部位是否存在虚焊、漏焊、伤痕等焊接缺陷。常用的焊缝检测方法是采用无损检测,如超声、射线、涡流等。对于管路检测,则大多采用管道内爬行探伤检验设备(简称爬行器) 对焊缝进行射线检测。这类爬行器由于受管道尺寸的限制,大多结构十分紧凑。在检测过程中,爬行器在其控制系统的控制下,可连续对同一管道不同位置上的焊缝质量进行检验。考虑管道焊缝检测的效率,常常当管道焊接具有一定长度之后,才集中对管道进行检测。如果一次要检测的管道比较长,爬行器的控制系统应采用车载式布置。使用时,通过外部的控制器对爬行器上的控制系统发出指令,决定爬行器的工作状态。

随着机电一体化技术的发展，以及机器人技术的发展和管道测试等技术的进一步发展，相互之间的渗透程度越来越深，管道爬行机器人是在狭窄空间中进行精密操作、检测或作业的机器人系统。其中机器人的作业环境一般是危险的。火力发电厂、核电厂、化工厂、民用建筑等用到各种各小管道，其安全使用需要定期检修。但由于窄小空间的限制，自动维修存在一定难度。仅以核电站为例，检查时工人劳动条件恶劣。因此管道内机器人化自动检查技术的研究与应用十分必要。人们不再为了维修、维护管道时挖开道路，节省了大量的人力，物力和财力。

目前的管道机器人都是以履带、轮子等实现在管道中的移动，其技术有着或多或少的缺陷，市场尚不成熟。例如：不能适应大范围的管道内径变化，运行中姿态的调整不够理想，在十字型、丁字型等较复杂的管道内径中不能较平稳的通过等等；结合目前管道机器人所存在的缺点，应用机械设计、机械原理等专业知识，设计出了新型管道爬行机器人。此机器人可实现大范围内的管道内径变化，顺利通过十字型、丁字型等较复杂管道；在运行中的姿态调整也得到了较好的解决。

2 设计方案初步分析

2.1 无线控制与有线控制的选择

2.1.1 有线控制及拖拽

该方式采用机器人尾部装夹电缆、信号线、安全绳、其他电路等等，这

样会造成机器人的牵引力增大，对爬行器的负载力和足轮的摩擦力提出了更高的

要求，尤其是随着机器人的深入，牵引绳会成为机器人的累赘和枷锁。牵引绳的

长短禁锢着机器人的爬行深度。其优缺点如下：

缺点：附着力会不断增大，爬行器负载变化大，不利于长距离爬行。

优点：爬行器本身初始载重小（本身不需携带能源等），信息反馈及时清晰，利于后期观察，也利于实现在线监控。观察结束时，可人工使用安全绳退出。

2.1.2 非拖曳

该方式不需跟随电缆线，本身有拍摄存储功能，并且本身携带电源等，其优缺点如下：

缺点：爬行器本身载重加大，需设计爬行器退出管道方式等。

优点：爬行器载重恒定，便于爬行器爬行。其在管道内行进方便，尤其在弯道时，拖曳式的过大的牵引力会使爬行器驱动轮打滑，不易通过。

根据要求，非拖曳虽有自己强大优点，但爬行器在管道内出现问题而不能移动时，需要花费很大力气将爬行器取出。

可以选择有线拖拽式。

2.2 驱动方式选择

根据设计要求现拟订2种爬行器驱动设计方案（如图1，2）：

图1 轮式爬行图2 履带式爬行

2.2.1 轮式爬行

设计制造简便，成本低廉。但其穿越障碍能力差，只能穿越高度小于其本身半径的障碍物。如图3。

图3 轮式爬行越障

2.2.2 履带爬行

越障碍能力高于轮式爬行，但本身设计制造较复杂，成本相应提高（一

个支点最少需4轮才可以爬行）[3]。

根据设计要求本机器人是在管道内行走的机器人，无需考虑台阶等障碍物的问题，尽量降低成本，在不影响设计本身功能时，尽可能采用制造工艺简单，成本低的设计方案。

可以采用轮式爬行。

2.3 姿态调整的选择

根据要求结合可行性，可以拟定3种方案如下：

2.3.1 加传感器的关节进行调整

在管道爬行时会出现爬行器偏移原来轨道，可用倾斜传感器进行控制。现拟订采用改变轮子（履带）前进方向一定角度来进行矫正（加关节）。

其原理为：通过电磁铁的吸合，从而控制爬行器的爬行轨迹。关节单元装配图如图4：

图4 关节调节

通过关节调整可实现如图5：

图5 关节调节的实现

2.3.2 利用吊篮方式进行调整

在爬行器内安装吊篮（内置摄像观察装置）。当爬行器偏斜时，吊兰因为和机座为铰链连接，保留一个自由度，由于重力的原因不会随着爬行器偏斜而偏斜，而是在任何时候都垂直与地面。其在爬行器内遇到倾斜时的自动调节如图6。

通过吊篮式调节，摄像装置始终保持与水平面平行

图6 吊篮式的实现

2.3.3 采用新式吊篮进行调整

根据吊篮的原理，结合鲁班的榫

卯结构，可以采用2个偏心圆环相扣，

进行重力自由调节，其原理如图7

如图7 小环直径为150mm，大

环直径为250mm，大环与小环相切，

小环的转动并不能带动大环的转动，并

且大环会由于重力的作用始终与地面

保持平行。可以在大环上安装照明器件和信号采集器件，是它们能够与地面保持平行。根据这种思路，可以3D 造型，进行新式吊篮调节如图8,图9。

2.4 自适应分析图7 吊环原理图