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 吊环原理图图8 吊篮分装图图9 吊篮装配图2.4.1 伸缩臂长和加弹簧方式大范围内径变化（400-1100）在支撑臂上添加变长杆，小范围内在支撑臂上添加弹簧。

2.4.2 伸缩臂长和“伞”型摇杆在400—1100大范围内的管道中爬行，可通过使支架伸缩来改变。

在管道直径改变不大处爬行，十字型、丁字型等较复杂管道内径时可通过“伞”型摇杆闭合控制支撑臂移动以适应，通过“伞”型摇杆与伸缩杆的结合就可以变换出很多适应不同管道内径的条件。

以上2方案各有其优点，相比较下，第2种方案更符合要求，但其需要独立的驱动单元，因此制造成本远高于第1种方案。

在普通情况下，第1种方案足可以适应。

故再做出三维造型后进一步进行运动分析。

2.5 方案的基本确定通过以上分析，初步确定采用有线拖拽式，但姿态调整和自适应均存在3种不同的方案可供选择，故设计3种总体方案再进一步分析。

方案一：姿态调整采用关节调节，自适应采用变长杆和弹簧。

方案二：姿态调整采用吊篮方式，自适应采用伸缩臂和“伞”型张合结构。

方案三：姿态调整采用新式榫卯吊篮方式，自适应采用伸缩臂和“伞”型合构。

3 方案一的设计与分析综合设计方案一如图9.本方案基本有3部分组成，1机身、2机腿、3驱动轮。

图9 方案一的三维效果图3.1 机身的设计可装载各种探测设备等，如图10。

图10 机身3.2 机腿的设计由9部分组成，其三维图与爆炸图如图11。

机腿可分为3个单元：伸缩单元（1-5）、变长单元（6）、关节单元（7-10）。

通过螺纹连接。

其爆炸图如图11。

三维转配图如图12。

图11 机腿的爆炸图3.2.1 伸缩单元1-5部分组成的伸缩单元依靠弹簧的弹性变形以适应小范围内的管道直径变化和越障。

其三维图如图13。

3.2.2 变长单元6为变长杆，可以人为的更换（增长或缩短）以适应管道直径的大范围变化。

其三维图如图14。

3.2.3 关节单元7-10部分组成关节单元，7、9上均装有电磁铁，7、8，8、9之间用螺母和绕簧固定。

各部位三维图如图15。

关节单元用于爬行器的姿态调整。

其原理为∶通过倾斜传感器对爬行器进行监控。

当爬行器偏移其原轨道，倾斜传感器发出电信号，此时7或9上的电磁铁得电，吸合8，促使轮子向左或右倾斜，以校正爬行器。

在爬行器被校正后，倾斜传感器发出信号，使电磁铁断电，在绕簧的作用力下，使关节各部位复位。

图12 机腿装配图图13 伸缩单元三维图图14 变长杆图15 关节单元零件图爬行器正常前进。

7、9分别用于爬行器的左、右校正。

3.3 驱动轮的设计驱动轮由5部分组成，如图16图16 驱动轮三维图与爆炸图(1)联接块用于与驱动轮与关节单元的联接。

(2)电动机箱安装步进电动机或励磁电动机。

用以驱动轮子。

3.4 方案一的分析优点：结构简单，制造成本低廉，对管道内径变化不大和弯道较少时基本能满足设计要求。

缺点：该爬行器在爬行器由于机身是长方体，在管道内转弯时，会出现卡壳现象，在爬行十字型、丁字型管道内径时会出现在机腿卡在管道中，驱动轮悬空等情况；但该种情况，一般当轮子半径大于管道壁厚，也能顺利通过。

4 方案二的设计与分析根据方案一的优缺点进行改进，增加必要改良元素，现设计出方案二，如图17。

本方案由3部分组成：1机身，2机腿，3驱动轮。

图17 方案二的三维图4.1 机身的设计机身设计成筒状机身和其他部件组成。

如图18.图18 机壁三维图4.2 机身内部传动结构设计机身内部主要完成“伞”足的张合传动，以及吊篮的安装。

如图19。

图19 机身内部三维图4.3 进给螺杆与螺母的设计为使机腿伸缩，采用螺旋传动，该类型传动是利用螺杆（丝杠）和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。

它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。

在爬行器中其工作原理为：进给螺杆在电动机的驱动下，进行回转运动。

从而使螺母进行水平移动。

螺母用来推动机腿的伸缩，使爬行器进行自适应伸缩如图20。

图20 丝杠螺母运动简图4.4 吊篮的设计吊篮的活动关节采用圆柱销，采用间隙配合，以保证吊篮的左右移动。

其机构图如图21，22。

其工作原理为，在重力的作用下。

吊篮通过活动关节始终保持与地面的水平。

活动关节由一活动销联结。

吊篮通过螺母固定在机身上。

图21 吊篮三维图图22吊篮示意图4.5 机腿的设计机腿的三维造型如图23图23 机腿三维图机腿通过关节1、2、3的伸缩进行自适应调节。

连接杆与推动盘连结。

连接杆与关节3采用铰接。

为适应管道最大内径1100mm的调节，关节1尺寸为200mm，关节2尺寸为150mm，关节3尺寸为100mm。

4.6 方案二的分析优点：能够采用伸缩杆适应大范围管道内壁直径变化，“伞”型结构能够适应管道内一定范围的转弯，牵引力大，结构紧凑，控制简单。

缺点：由于机身为一个圆筒（整体，过长），不能完全适应弯道的转弯。

吊篮安装在机身内部，安装复杂，并且吊篮在内部，不能采用摄像头观察管道内壁的情况。

机身的制造复杂，孔系较多。

5 方案三的设计与分析根据方案一，二的优缺点，综合整理资料，经过反复修改，提出新的设计思路，先设计出方案三，如图24。

本方案有3部分组成，1机身、2机腿、3驱动轮。