油气管道检测机器人
摘要:在轮式和履带式机器人的基础上,设计开发了一种新的管内移动机器人 .机器人的3组驱动轮沿圆周方向120°均布,在轴向截面内,前后两组驱动轮布置在同一组平行四边形机构上,驱动电动机通过蜗轮蜗杆副驱动3组驱动轮,调节电动机通过滚珠丝杠螺母副和压力传感器使3组驱动轮始终以稳定的正压力紧贴在管道内壁,使机器人具有充裕并且稳定的牵引力.该机器人机构紧凑,工作可靠,适用于管径为400～ 650mm的管道.
关键词:管道机器人;平行四边形机构;管道检测
工业管道系统已广泛应用于冶金、石油、化工及城市水暖供应等领域,因其工作环境非常恶劣,容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部潜在缺陷发展成破损而引起泄漏事故等.有毒有害、易燃易爆物品在失控状态下向大气泄漏、排放造成的危害是事故风险评价的重要指标.燃气管道(包括地下输油、输水管道)长期使用后,由于管内、管外介质的腐蚀,造成管壁减薄甚至出现裂纹和漏孔 ,导致燃气的泄漏、爆炸等事故,严重影响正常的生产生活秩序.因此,必须定期地对这些管道进行检修和维护.然而管道所处的环境往往是人力所限或人手不及,检修难度很大,故通常对重要和不允许泄漏的管道采用定期或提前报废的办法,从而造成了巨大人力和物力损失;另一方面,燃气中的杂质在管道中沉积,造成燃气管道堵塞,从而影响燃气输配和应用系统的正常运行.目前关于地下输送管道的质检,常采用工程量十分巨大的“开挖”抽检方法,由于随机抽样法经常出现漏检,因而准确率低,效果并不理想,不但劳动强度大、效益低,而且往往会妨碍道路交通.因此燃气管道管内探测是一项十分重要的实用化工程,关系到燃气的安全、合理地应用和管理.
宁波广强机器人CCTV管道检测机器人利用先进的CCTV内窥检测技术进行管道检测。广强管道检测机器人是按照国家卫生部颁发的《公共场所集中空调通风系统卫生规范》的相关技术要求，设计的进行检测的专业设备，可完成各种检测作业，还可搭载各种声纳、切割设备，可按需定制。广强机器人是完成公共场所集中空调检测项目的得力工具。
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.Kaw aguchi等[1～ 3]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[ 4]采用 4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.而本文开发了一种适于管径为400～650mm,一次作业检测距离达 1 km的油 /气管道检测机器人 .
1 管道检测机器人结构和机构原理
图1所示为管道检测机器人的机构原理图.整个机器人由驱动部分和压紧力调节部分组成.驱动部分由驱动电动机驱动与之相连接的蜗杆,并由蜗杆并联驱
动沿圆周方向成120°均布的3个蜗轮,蜗轮又通过链轮带动机器人车轮运动,从而实现机器人在管道内的前进或后退.压紧力调节部分由调节电动机驱动滚珠丝杠转动,由于丝杠螺母在圆周方向不能转动 ,因此它将在滚珠丝杠上来回轴向移动,并通过力传感器和轴套相连接,推杆沿圆周方向成120与轴套相连接,丝杠螺母的来回轴向移动通过力传感器和轴套带动推杆作平面运动,使平行四边形机构张开或者紧缩以适应不同的管径,同时使机器人的车轮始终撑紧在管道的内壁.力传感器通过检测丝杠螺母和轴套之间的轴向力来间接反映车轮和管道内壁的正压力,检测到的力信号与预期值进行比较,将两者的差值反馈给调节电动机,调节电动机在控制器的控制下转动相应的角度,使传感器检测到的力信号与预期值相等,从而使机器人的车轮与管道内壁的正压力达到预期值,保证管道机器人输出充裕并且获得稳定的牵引力 .
2 管道机器人的设计要点
2. 1 管道对机器人的几何条件限制
冶金、石油、化工及城市水暖供应等工业管道系统中常见的典型管道有水平直管、竖直管、弯管、支管、异径管等.目前大部分管道机器人可以轻松地通过水平直管及在倾斜度为30°以内的上升管道内爬动.对于弯管、支管、异径管等管道,机器人的设计必须满足管道的几何条件限制,否则不可能成功通过这些管道.曲率半径是这些管道对机器人最主要的条件限制,在一定的曲率半径下,太细长或太短粗的机器人都容易在管道内卡死,使之不能通过管道.考虑直角弯管的情况,讨论机器人在这类管道中所应满足的几何条件限制 .机器人的每一节可以简单看作是圆柱体 [5 ] ,在直角弯管中的模型如图 2所示 .
2 管道机器人的越障性能
由于每一组中的前后两驱动轮都布置在平行四边形机构上,在机器人的行走过程中,沿周向的任一组中的任何一个驱动轮遇到内凹槽而失去支撑力时,另外两组驱动轮仍然在平行四边形机构的作用下支撑着机器人而不至于使驱动轮都落入沟槽内.这种平行四边形机构使轮式驱动具有履带式驱动的某些特点,使机构具有很好的越障能力[6].显然,使该平行四边形机构能越过圆环形内凹沟槽而不使任一组驱动轮落入沟槽内的条件为:前后两驱动轮之间的距离a(见图1)应大于沟槽的最大宽度 .
3 腿部平行四边形机构及其力学特性
3. 1 腿部的平行四边形机构
管道机器人设计的一个非常重要的方面是机器人如何获得充裕并且稳定的牵引力以保证拖动检测装置、作业装置以及机器人本身.牵引力过大浪费功率而且对机器人的寿命也有很大的影响,牵引力过小则根本拖不动负载装置.管道机器人的车轮在管道内壁不打滑的情况下,机器人的牵引力与车轮和管道内壁之间的摩擦系数以及它们之间的正压力成正比.另外在管道直径变化的情况下,机器人的腿部机构应使牵引力的波动变化尽可能小,即应维持车轮和管道内壁之间的正压力在相对稳定的水平.因此机器人的腿部机构应满足以下两个条件:
①应使车轮与管道内壁之间保持充裕并且稳定的正压力;
②结构应尽可能地简单并且尺寸应尽可能地小,使占用的空间最小从而提高机器人的通过率.图3给出了管道机器人的腿部平行四边形机构简图.推杆MN 的N端可以在DN上左右滑动从而带动平行四边形机构ABCD平动,使机器人的车轮张开或者收缩,并且使布置在平行四边形机构B、C上的机器人的车轮始终撑紧在不同管径的管道内壁上.
