10论文正文 管道履带式机器人

前言

油气管道输送是与铁路、公路、水运、航运并列的五大运输行业之一，长输油气管道作为一种特殊设备广泛应用于石油、石化、化工等工业领域以及城市燃气系统中，在国民经济中占有重要地位。随着“开发大西部”以及“西气东输”的战略指导方针，长输油气管道的数量在不断增加。由于历史原因，国内在役长输油气管道中部分管材制管质量较差，加上施工建设过程中存在部分焊接缺陷和涂层缺陷，这给管道的安全运行埋下隐患，即使部分投产验收合格的管道，在运行过程中也难免受到介质、温度、疲劳、腐蚀、局部载荷等因素影响，服役一段时间后产生缺陷或导致缺陷扩展，并可能最终发生失效，给人民生命财产、工业生产和社会稳定构成威胁。如何检测发现管道缺陷，事前对含缺陷管道进行评价和预测(含缺陷管道的剩余强度评价，含缺陷管道的剩余寿命预测)，确保在役油气长输管道安全可靠运行是目前世界各国普遍关注和迫切需要解决的重大课题[]1。

由于在前面所述的一般工业、石油天然气、军事装备等领域中，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。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[]2。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。

基于目前管道探伤机器人的研究现状，本课题主要研究目的是通过对管道X射线无损检测探伤机器人设计，及相关技术的查阅和应用，能够研制一台具有良好的弯道通过能力、视觉定位能力并能适应较长距离检测作业的实用样机。

1绪论

管道机器人在人类社会中已经迅速的漫延开来，这一切都应归公于它自身的特点。因此，国内外都在不断的开发和研制更适合管内行走的管道机器人，并开始走向微型化、智能化，使之性能更宜人化，可控性更好，准确性更高[]3。但是管道机器人由于受到它工作环境的限制和沉重的任务负担，致使它也不断面临着更多，更严重的困难和问题。如何解决？已经成为现代人的责任和发展方向。

1.1管道机器人发展概况

1.1.1国外管道机器人研究进展

国外关于燃气管道机器人的研究始于20世纪40年代，由于70年代的微电子技术、计算机技术、自动化技术的发展，管道检测机器人技术于90年代初得到了迅猛发展并接近于应用水平。一般认为，法国的J．VERTUT较早从事管道机器人理论和样机的研究，1978年他提出了轮腿式管内行走机构模型IPRIV，该机构虽然简单，但起了抛砖引玉的作用[]4。

日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期，70年代的实用期，到80年代进入普及提高期，开始在各个领域内广泛推广使用机器人。日本管道机器人众多，东京工业大学航空机械系Shigeo Hirose和Hidetaka Ohno等于1993年开始研究管道机器人，先后研制成功适用于直径50mm管道的Thes-Ⅰ、Thes-Ⅱ型管道机器人和适用于直径150mm管道的Thes-Ⅲ型管道机器人。

Thes-Ⅰ型管道机器人的主要特点是轮子的倾斜角可以随着阻力大小的改变而改变，当机器人的负载较大时，轮子的倾斜角将产生变化，从而减小行走速度，增加推进力。Thes-Ⅱ型管道机器人的总长为300mm，质量只有3l0g。

Thes-Ⅱ型管道机器人的每一节机器人单元的左右两侧分别布置着由弹簧板支撑的一对轮子，轮子由带减速齿轮箱的电动机驱动，从而实现机器人在管道中的前进和后退运动，Thes-Ⅱ型管道机器人可以很容易地在带有几个弯管接头的管道中运动。

Thes-Ⅲ型管道机器人如图1-1所示，其采用“电机一蜗轮蜗杆一驱动轮”的

驱动方案，同时每个驱动轮都有一个倾斜角度测量轮，通过测量轮探测机器人的倾斜角度，并反馈给电机从而保证管道机器人的驱动轮以垂直的姿态运动。该管道机器人系统通过CCD摄像头实现信息的采集，整个系统采用拖缆控制方式，检测距离超过100m。

图1-1 Thes-Ⅲ型管道机器人

Fig.1-1 Thes-ⅢPipeline robot

美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，是世界上的机器人强国之一，其基础雄厚，技术先进，并有很多管道机器人产品。美国Inuktun公司系列管道检测机器人Versatrax是国外现有的已成型管道机器人。Versatrax 150 检测管道最小直径为150mm，防水深度30m，电缆范围160m，速度0～10m／min，有效载荷92kg，CCD彩色直视摄像头。Versatrax 300”VLR检测管道最小直径为3omm，防水深度30m，电缆范围1830m，速度0～10m／min，有效载荷184kg，CCD彩色直视摄像头。

美国纽约煤气集团公司(NYGAS)的DaphneD’Zurko和卡内基梅隆大学机器人技术学院的HagenSchempf博士在美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的资助下于2001年开发了长距离、无缆方式的管道机器人系统——EXLORER，专门用于检测地下煤气管道的情况，如图1-2所示。该管道机器人系列EXPLORER就有如下特征：(1)一次作业检测距离长，采用无缆方式，自带电池并且电池可以多次反复充电，使管道机器人具有良好的自推进能力。(2)可以在铸铁和钢质煤气管道中，低压和高压条件下工作。(3)管道机器人的彩色摄像头采用嵌入式“鱼眼”镜头，结构非常紧凑。(4)可以顺利通过90。的弯管接

头和垂直管道。(5)与外部操作人员采用无线通讯方式。(6)该管道机器人可以探测煤气管道内部是否水渗透、碎片堆积；可以确定管道内部缺陷的确切位置并且定位相应的作业装置；采用视频图像的形式准确地反映管道内部的状况条件。

图1-2 EXLORER管道机器人

Fig.1-2 EXLORER Pipeline robot

德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。德国学者Bemhard Klaassen、Hermann St—reich和Frank Kirchner等人在德国教育部的资助下于2000年研制成功了多关节蠕虫式管道机器人系统——MAKRO。该机器人由六节单元组成，其头部和尾部两个单元体完全相同，每个单元之间的节点由3个电动机驱动，使得MAKRO可以抬起或者弯曲机器人个体，从而可以轻松越过障碍物或实现拐弯运动，该管道机器人系统MAKRO具有21个自由度，长度为2m，质量为50kg，采用无缆控制方式，MAKRO系统使用于直径为直径300～直径600mm的管道。

加拿大INUKTUN公司的双履带式管内机器人行走机构，履带采用刚性支承结构，两履带的夹角可以调节，以适应不同的作业管径。两履带调节到平行位置时，可以在平地或矩形管道内行走。但这种刚性支承的双履带式管内机器人行走机构的两履带夹角在行走过程中是无法改变的，因此不适应管径变化的作业场合。Kawaguch等研制的管道检测机器人系统只适用于200mm的管道，而且一次作业的检测距离不大于500m；Kuntze等采用四轮独立伺服驱动方案研制成管道检测机器人系统KARO，该机器人系统只能实现对200mm管径的地下输水管道的检测，一次检测距离为400m，系统采用拖缆控制方式。

1.1.2国内管道机器人研究进展

国内管道机器人研究进展国内在管道机器人方面的研究起步较晚，而且多数停留在实验室阶段。哈尔滨工业大学邓宗全教授在国家“863”计划课题“X”