完整版URT管道检测机器人精.docx

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完整版URT管道检测机器人精

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[23]。

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JorgeMoraleda与AnibalOllero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ChiZhu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DaphneDZurko和卡内基梅隆大学机器人技术学院HagenSchempf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[56]。

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，使螺母在丝杠上左右移动。

（6）螺旋移动式，利用螺旋原理使管外电机推动带有弹性的驱动部件前进，该驱动螺旋部件可以自动越过小的台阶。

参考文献

[1]甘小明.管道机器人的发展现状[J].机器人技术与应用,2003,（6）:

5-10.

[2]徐翔.管道机器人研制与工程应用[D].东华大学，2006.

[3]吴洪冲.三轮腿式管道机器人结构设计及运动学分析[D].内蒙古工业大学,2007.

[4]郑克宁.管道机器人的研制[D].浙江大学，2006.

[5]李锻能.新型无缆管道机器人运动机构的设计[J].机床与液压，2005，（6）：

7-9.

[6]黄明伟.新型无缆管道机器人的初探[D].广东工业大学,2006.

[7]吴洪冲.三轮腿式管道机器人结构设计及运动学分析[D].内蒙古工业大学,2007.

[8]SinhaSunilK.State-of-the-artinsensortechnologiesforpipeinspection[A].ProceedingsoftheASCEInterna-tionalConferenceonPipelineEngineeringandConstruction:

NewPipelineTechnologies,SecurityandSafety[C].WashingtonDC:

ASCE,2003.

[9]ReiniWirahadikusumah,DulcyMAbraham,TomIseley,etal.Assessmenttechnologiesforsewersystemrehabilitation[J].AutominConstruction,1998,7（4）:

259-270.

[10]SanjivGokhale,JeffreyAGraham.Anewdevelopmentinlocatingleaksinsanitarysewers[J].TunnellingandUn-dergroundSpaceTechnology,2004,19

（2）:

85-96.

[11]EiswirthM,FreyC,HerbstJ,etal.SewerAssessmentbyMulti-sensorSystems[M].Berlin:

IWA2WorldWaterCongress,2001.

[12]SinhaSunilK,FieguthPaulW.Segmentationofburiedconcretepipeimages[J].AutominConstruction,2006,15

（1）:

47-57.

1）国外管道机器人发展概况

1.PEARPOINT公司开发的轮式自来水管道检测机器人[6]

图1.1轮式自来水管道检测机器人

如图1.1所示，该机器人具有六个行走轮，能在自来水管道内前进或倒退行走,

适应管径为Φ150-Φ750mm；行走速度为0-12m/min；行走距离大约600m左右。

对于更大管径的管道，加装20W灯泡（选件），提供更明亮、精确的图像，电缆使用质地牢固重量轻的合成纤维，坚固、防水，可抵抗1.5kN的张力。

配有电缆自动收放系统，高性能的带马达电缆盘，可提供超过50kg的牵引力。

仪器精确确定电缆层数，可提高电缆回绕速度和增加电缆寿命。

微处理器控制的离合器和刹车系统，减少电缆回绕的摩擦力，在整个测量过程中，使用操纵杆可精确控制爬行器及摄像机。

2.RoboProbeTechnologiesInc的系列产品[7]

此爬行器分为串联式爬行器和并联式爬行器两种，如图1.2和图1.3所示。

此爬行器系列采取不同结构形式，适应大范围的管径范围，最小管径Φ100mm，大管径可至Φ900mm以上。

主要技术参数:

图1.2串联式爬行器

行走距离:

300m左右

直视摄像头:

1/3"CCD彩色

工作温度:

0～50°C

电源和控制箱:

线性速度调节

防水深度:

30m

　1.3并联式爬行器

拖拉力:

32kg/单履

载重量:

46kg/单履

尺寸:

（长）38cm×（宽）9cm×（高）10cm

重量:

6kg/铝制；12kg/铜/不锈钢

爬行速度:

0～10米/分钟

电压:

48VDC

运载方式:

微型履带图

3.英国JME公司生产的JME10/60爬行器[8]

图1.4JME10/60射线探伤爬行器

该爬行器是用于管道对接焊缝X射线探伤的管道机器人，其驱动系统采用四轮车式结构，由同位素137Cs及其接收器定位，在管道外进行全遥控操作，系统主要由机器人本体（牵引装置）、可充电电池组、控制单元、遥控探测装置和射线源等组成。

该爬行器无须拖缆，作业距离较长。

4.日本Osaka煤气公司的管道检测机器人系统[9]

（a）磁性轮管道检测机器人

（b）铁质煤气管道自动焊接修补系统

（c）自动焊接修补机器人

图1.5Osaka煤气公司的管道检测机器人系统

日本Osaka煤气公司的Y.Kawaguchi等人于1995年研制成功的管道检测机器

人系统的行走装置则采用内外轮结构，由电动机驱动的内轮为磁性轮，系统携带彩色摄像头，并通过棱镜改变成像方向，该机器人采用光纤进行通信，可以检测管径为Φ200mm的铁管，一次作业的检测距离不超过500m，该管道检测机器人系统自带电源，电源有普通型电源（8.4V/1.5A）和增强型电源（16.8V/3.0A）两种模式，在这两种电源模式下，管道检测机器人的牵引力、驱动轮的输出扭矩和最大行走速度分别为：

1.8kgf/1.5kgf、2.3kgf.cm/6.4kgf.cm和3m/min、5m/min。

机器人的轮子由于具有磁力吸附，每个轮子的吸力达到30kg，因而可在管道的侧面、顶面稳定运行。

管道检测机器人的外形尺寸为：

长410mm、宽90mm、高140mm，其重量为4.25kg，如图1.5（a）所示。

此外，Osaka煤气公司还研制出铁质煤气管道自动焊接修补机器人，该机器人采用多节方式，重量250kg，长度4.5m，可以通过弯管，具备焊接、打磨、探测的功能，拖缆控制，检测距离300m，如图1.5（b）（c）所示。

5.日本横滨国立大学的检测污水排放管道的管道检测机器人[10]

图1.6管道检测机器人系统组成

日本横滨国立大学电子与计算机工程系ChiZhu等人于2000年研制成功用于检测污水排放管道的管道检测机器人[20]，该管道检测机器人适用于管径为Φ200mm的管道。

如图1.6所示，整个管道检测机器人系统由四部分组成：

管道检测机器人行走装置、作业操纵装置、用于污水采集的注射器系统、机器人控制系统。

该机器人采用视觉伺服定位方式，其工作原理为主控制计算机通过处理由摄像头拍摄的管道内壁图像来获得管道检测机器人操作装置和管壁上漏洞之间的相对位置，然后根据管道检测机器人的逆动力学模型分别计算