亚洲国产成人欧美在线观看-亚洲欧美日韩中文字幕二区-久久99曰韩国产精品久久99-欧美成人精品第二区在线-成人精品视频一区二区不卡

管道檢測機器人最新發(fā)展概況

• 來(lái)源:
• 日期: 2020-05-16

0 引言

近幾十年,隨著(zhù)自動(dòng)化技術(shù)的極大進(jìn)步和國民物質(zhì)生活水平顯著(zhù)提高,各行各業(yè)的發(fā)展更多地依賴(lài)于物料輸送。特別地,管道輸送憑借著(zhù)輸送量大、方便快捷、低成本等優(yōu)勢,在國民經(jīng)濟中占有越來(lái)越大的比重,已廣泛應用于石油、化工、能源、食品加工、城市供排水、農業(yè)灌溉、核工業(yè)等領(lǐng)域。但由于受到輸送介質(zhì)的化學(xué)性腐蝕、不可抗力的自然災害以及自身缺陷的影響,極有可能發(fā)生輸送物泄露導致的,如環(huán)境污染、易燃物爆炸、能源浪費等嚴重事故。所以需要定期對管道內部進(jìn)行檢查、維護和清潔保養。傳統管道檢測都是由相關(guān)人員實(shí)施,工作量大,效率低下。而且有些管道位置人員無(wú)法到達實(shí)施監測,比如輸送有毒化學(xué)品或內部結構復雜狹小的管道。由此,管道機器人應運而生。管道機器人是一種可沿細小管道內部或外部自動(dòng)行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機械,在工作人員的遙控操作或計算機自動(dòng)控制下,進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機、電、儀一體化系統[1] 。依靠快速運動(dòng)、靈活操縱、準確判斷和低成本等優(yōu)點(diǎn),管道檢測機器人已成為當下國內外研究的熱點(diǎn)。

自上世紀50年代以來(lái),隨著(zhù)計算機技術(shù)、通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和機械設計制造技術(shù)的進(jìn)步,管道機器人得到了空前的發(fā)展。但除了部分功能簡(jiǎn)單的管道機器人實(shí)現市場(chǎng)化生產(chǎn)以外,大部分還處在實(shí)驗室開(kāi)發(fā)階段。傳統管道機器人面對垂直管道、彎管、支管、變徑和微小管道等難題,仍存在很大的改善空間。

本論文在詳細介紹管道機器人的結構組成、分類(lèi)、性能比較外,還將重點(diǎn)介紹當前國內外管道檢測機器人在面對復雜管道結構時(shí)的最新設計理念和解決方案。

1 管道機器人的構成與分類(lèi)

1.1管道機器人的構成

總體上講,管道機器人是由運動(dòng)機構、控制模塊、信號采集模塊、供能模塊和輔助模塊等組成。而行走方式是管道機器人的核心,它決定了管道機器人的整體性能[2] 。

1.2管道機器人的分類(lèi)

根據管道機器人行走機構的動(dòng)力源及運動(dòng)可控性的不同,可將其運動(dòng)方式劃分為被動(dòng)運動(dòng)方式和主動(dòng)運動(dòng)方式兩大類(lèi)。其中主動(dòng)運動(dòng)方式主要包括輪式、履帶式和無(wú)輪式;被動(dòng)運動(dòng)方式的典型代表為管道豬(PIG)。詳細劃分參見(jiàn)表1。

表1 管道機器人的分類(lèi)

所謂主動(dòng)運動(dòng)方式,是指管道機器人憑借自身攜帶的驅動(dòng)源,具備了自主行走能力,運動(dòng)速度和方向都可控。并且可以裝配儀器和工具,進(jìn)行檢測、維修作業(yè),是目前管道機器人研究的主要方向[3] 。但其結構復雜,成本較高,且能源供給有限,不適合長(cháng)距離作業(yè)。

所謂被動(dòng)運動(dòng)方式,是指管道機器人依靠管內流體的壓力差產(chǎn)生驅動(dòng)力,隨著(zhù)管內流體的流動(dòng)方向移動(dòng),并可攜帶多種傳感器 。但其自身沒(méi)有行走能力,移動(dòng)速度、范圍不易精確控制。

1.2.1輪式管道機器人

普通構造型的輪式管道機器人的車(chē)輪直接與馬達相連,結構簡(jiǎn)單,類(lèi)似小汽車(chē),可以得到較好的速度控制和方向控制[5] ;壓壁型的車(chē)輪通常安裝在成120°對稱(chēng)的彈性壁上,獲得的摩擦力足以適應垂直管道的變徑工況;螺旋驅動(dòng)型的車(chē)輪安裝在轉子和靜子兩個(gè)模塊上。轉子的徑向螺旋運動(dòng)通過(guò)換向機構轉變成定子的軸向運動(dòng)。

1.2.2履帶式管道機器人

普通構造型的履帶和與驅動(dòng)器直接相連的車(chē)輪相配合,為機器人提供更多的摩擦力[6] 。與輪式管道機器人相比,有良好的平面越障能力和運行穩定性;壓壁型可以在內表面粗糙的垂直或是傾斜管道內移動(dòng)。

1.2.3無(wú)輪式管道機器人

腿足型管道機器人動(dòng)作靈活,可以攀爬帶有L、T、Y型節點(diǎn)的垂直管道和水平管道。但缺點(diǎn)是,為使腿部協(xié)調而穩定動(dòng)作,從機械結構設計到控制系統算法都比較復雜[7] ;仿生蠕動(dòng)式管道機器人通過(guò)前后支撐部分徑向伸縮而運動(dòng),具有結構簡(jiǎn)單、耗能少、驅動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn),但行動(dòng)比較緩慢[8] ;蛇行管道機器人模仿生物界蛇的行進(jìn),由若干個(gè)可以彎曲扭動(dòng)的連接模塊組成。由于自由度較多,該類(lèi)型機器人不易控制,但在復雜環(huán)境下的通行能力,要超過(guò)其他類(lèi)型的管道機器人[9] 。

2 管道機器人的性能比較

為了針對不同的作業(yè)環(huán)境和需求,設計出理想的管道機器人,我們有必要對各種類(lèi)型的管道機器人的性能指標做一個(gè)深入的比較,如垂直移動(dòng)能力、可操控性、管道尺寸適應能力、靈活性、穩定性、移動(dòng)效率、驅動(dòng)機構數量和無(wú)線(xiàn)控制等,見(jiàn)表2。

表2 不同類(lèi)型管道機器人的性能比較 

 

從表2中我們可以看到,螺旋驅動(dòng)輪式和壓壁輪式管道機器人在各個(gè)性能指標方面表現出很大的優(yōu)勢,是未來(lái)管道機器人發(fā)展的趨勢,值得今后全球的機器人研究機構投入更多的科研精力。

3 國內外管道機器人的最新研究成果

傳統機器人在面對垂直、微小、復雜管道時(shí),存在諸多實(shí)際困難,如通行性差、穩定性弱、牽引力小等。為此,世界各國研究學(xué)者根據不同類(lèi)型的管道機器人性能特征,在機械結構、行走方式、驅動(dòng)能力等方面,開(kāi)發(fā)設計出很多改良型專(zhuān)用機器人。

3.1針對管道變徑問(wèn)題開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用型管道機器人

韓國大邱慶北科技學(xué)院開(kāi)發(fā)了一種履帶式壓壁型管道機器人,可應用于管道清潔、檢測作業(yè)[10] 。該機器人采用一種改進(jìn)的剪刀梁式升降機構,由氣缸驅動(dòng),見(jiàn)圖1。履帶可以沿著(zhù)管道徑向移動(dòng)來(lái)適應不同的管道內經(jīng),同時(shí)行進(jìn)過(guò)程中又能夠獲得最小的扭力和最大的牽引力。適用的管道變徑范圍為600~800mm,負載能力為20 kg,目前還處在開(kāi)發(fā)和校準階段,未來(lái)目標是投向工業(yè)清潔領(lǐng)域。

圖1 具備適應不同管徑能力的管道機器人

該設計充分發(fā)揮了履帶式機器人優(yōu)秀的越障能力,而壓壁式機械結構又保證了機器人在變徑管道內有足夠的支撐能力來(lái)維持移動(dòng)的穩定性。但是利用氣缸驅動(dòng),對氣源供給提出了要求。無(wú)論是拖帶氣管還是自備氣泵,都限制了機器人在管道內的靈活移動(dòng)。僅適用于某些特殊管況,通用性不高。

內蒙古工業(yè)大學(xué)研制了一臺輪式壓壁型管道機器人,可應用于變徑管道內清淤和檢測工作[11] 。該機器人采用連桿機構原理,滿(mǎn)足在變徑管道(96~180 mm)內的行進(jìn)要求,見(jiàn)圖2。具體地說(shuō),在360°舵機的驅動(dòng)下,絲桿會(huì )隨之轉動(dòng),可動(dòng)螺母隨絲桿螺紋進(jìn)行上下移動(dòng),帶動(dòng)傘狀伸張結構像雨傘一樣收齊或張開(kāi),改變三組輪胎的距離,從而改變機器人的徑向尺寸。而尾架部件則起到輔助支撐作用,使機器人本體保持平衡,見(jiàn)圖3。以Atmega128單片機為控制核心,輔以紅外、攝像頭等傳感器采集信息并依靠APC220模塊與上位機進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。

圖2 機械實(shí)物圖

該機器人具有一定的彎管通行性和變徑適應性。但傘狀伸張結構缺少柔性連接,在經(jīng)過(guò)管道較大變徑處,有可能造成機器人運行不穩或是本體卡住以致驅動(dòng)電機過(guò)載。

圖3 機械結構圖

3.2針對垂直管道問(wèn)題開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用型管道機器人

馬來(lái)西亞國家能源大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種電磁吸附式車(chē)輪型管道機器人,見(jiàn)圖4,可應用于小型管道內的檢測作業(yè)[12]。該機器人采用電磁吸附原理來(lái)保證對垂直管道的適應性,見(jiàn)圖5。工作原理是在由導磁合金制成的車(chē)輪輪緣內嵌入磁盤(pán),電機通過(guò)同步帶驅動(dòng)車(chē)輪滾動(dòng)。其中磁盤(pán)由高強度永磁材料(Nd Fe B)制成。經(jīng)力學(xué)分析,強大的磁吸力足以支撐攜帶檢測設備的機器人在導磁管道內穩定運行,無(wú)論是垂直面還是傾斜面。同時(shí)也具備良好的越障能力和移動(dòng)性。其適用的管道變徑范圍為80~180 mm。

但管道和車(chē)輪輪緣的材質(zhì)必須是導磁的,存在長(cháng)期使用腐蝕、氧化的風(fēng)險,無(wú)疑限制了該機器人的廣泛性使用。

 

圖4 機器人外觀(guān)

圖5 垂直方向運行

印度NITTTR學(xué)院研制了一臺螺旋驅動(dòng)型輪式管道機器人,可應用于垂直管道內檢測工作[13] 。該機器人采用螺旋驅動(dòng)原理,包括轉子和定子兩個(gè)主要機械結構,見(jiàn)圖6。其中轉子有三個(gè)傾斜18°的輪,分別安裝在彈性臂上。利用彈性系數為0.1 N/mm的彈簧來(lái)提供所需的壓壁力,并通過(guò)萬(wàn)向節與驅動(dòng)電機相連,可以在垂直、傾斜管道內行走,從而保證機器人具備一定的管道適應能力。此外,定子連接三個(gè)直線(xiàn)行走輪,提高機器人運行的穩定性;輪胎使用橡膠材質(zhì),增加摩擦力,確保機器人運行時(shí)不會(huì )滑脫。適用管徑范圍為127~152 mm。

圖6 螺旋驅動(dòng)型管道機器人

該機器人具有較好的管道適應性,可以在帶有Y型或是L型彎曲結構的垂直、水平、傾斜管道內行走。如果有不同的行進(jìn)速度要求,調整轉子輪的傾斜角度即可滿(mǎn)足。由于車(chē)輪與管道壁接觸面積小,在不平坦的管道內表面行走時(shí),有可能會(huì )發(fā)生堵轉、停機現象。

3.3針對復雜管道問(wèn)題開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用型管道機器人

日本神奈川大學(xué)研發(fā)了一種新式螺旋驅動(dòng)型管道機器人,可應用于復雜管道內的檢測作業(yè)[14] 。該機器人本體與傳統螺旋驅動(dòng)機器人相類(lèi)似,見(jiàn)圖7。創(chuàng )新點(diǎn)為增加了連接單元,可以連接兩個(gè)以上的機器人本體組成一個(gè)系統。其中,連接單元包括三個(gè)伺服電機。一個(gè)電機用于改變本體運行方向,同時(shí)另兩臺電機用于彎曲機器人本體,見(jiàn)圖8。組合機器人可在復雜管道內行進(jìn)。

圖7 單個(gè)機器人本體

圖8 由連接單元串聯(lián)一起的組合機器人

實(shí)驗證明該機器人具有很強的管道適應性,無(wú)論是面對垂直、水平管道,還是彎管、支管。同時(shí)其適用的管道變徑范圍為180~220 mm。但是組合機器人如何自動(dòng)識別管道支路位置,連接單元內的三個(gè)伺服電機如何協(xié)調工作都需要復雜的控制算法。

4 結論

本篇論文著(zhù)重闡述了近五年內為提高管道機器人在復雜管道內的適應性,各國科研學(xué)者的最新研究成果。但總的來(lái)說(shuō),目前國內外管道機器人的研究還處在發(fā)展改進(jìn)階段,距離成熟的市場(chǎng)化應用還存在很大距離。大多數開(kāi)發(fā)出的管道機器人僅適用于特定的作業(yè)環(huán)境,通用性不強。

隨著(zhù)機械結構設計的改進(jìn)和自動(dòng)控制水平的提高,管道機器人將會(huì )更廣泛的應用于各行各業(yè),同時(shí)也面對更多的挑戰。除了上文提到的垂直管道、復雜結構管道、變徑管道等不利因素,還需要在以下方面有所突破:

1)行走機構的設計。在傳統運動(dòng)方式中,螺旋驅動(dòng)型和壓壁型都顯示出較好的管道適應性,但也都有其局限性,如負載能力低、越障性差等。因此,未來(lái)仍需要我們研究新式的行走機構來(lái)滿(mǎn)足不同的實(shí)際要求。如北京信息科技大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種輪腿配合式管道機器人[15] ,結合了輪式和腿式機器人的優(yōu)點(diǎn)。當管道內部無(wú)障礙物時(shí),選擇驅動(dòng)能力強的輪式移動(dòng)方式,使機器人快速進(jìn)行管道內作業(yè);當機器人遇到障礙物時(shí),選用靈活性、越障性更好的腿式移動(dòng)方式,跨越障礙。

2)能量供給。管道機器人以電能驅動(dòng)為主,普遍采用攜帶蓄電池或是拖纜供電的方式,要么供電時(shí)間短,要么負載過(guò)重,都不適宜長(cháng)距離復雜構造管道內的行進(jìn)。因此方便持久的供電方式,如攜帶大容量輕型蓄電池或是能夠利用太陽(yáng)能、流體自發(fā)電的系統會(huì )是未來(lái)研究重點(diǎn)。

3)通信方式。常規的線(xiàn)纜通信不適用于長(cháng)距離或是復雜管道內。而能夠做到有效克服金屬管道屏蔽影響的無(wú)線(xiàn)通信將會(huì )是未來(lái)管道機器人通訊的發(fā)展趨勢。

4)圖像處理技術(shù)。大多數管道機器人都需要攜帶攝像頭來(lái)采集管道內的視頻信息以便進(jìn)行探傷、清淤等作業(yè),因此基于機器人的圖像采集、處理技術(shù)將會(huì )是一個(gè)極具吸引力的研究領(lǐng)域。
 

參考文獻

[1]陳松,李天劍,王會(huì )香,等.排水管道機器人綜述[J].機器人技術(shù)與應用,2014,28(1):23-27.

[2]王殿君,李潤平,黃光明.管道機器人的研究進(jìn)展[J].機床與液壓,2008,36(4):185-187.

[3]曹建樹(shù),林立,李楊,等.油氣管道機器人技術(shù)研發(fā)進(jìn)展[J].油氣儲運,2013,32(1):1-8.

[4]甘小明,徐濱士,董世運,等.管道機器人的發(fā)展現狀[J].機器人技術(shù)與應用,2003,16(6):5-10.

[5]朱磊磊,陳軍.輪式移動(dòng)機器人研究綜述[J].機床與液壓,2009,37(8):242-247.

[6]陳淑艷,陳文家.履帶式移動(dòng)機器人研究綜述[J].機電工程,2007,24(12):109-112.

[7]劉靜,趙曉光,譚民.腿式機器人的研究綜述[J].機器人,2006,28(1):81-88.

[8]簡(jiǎn)小剛,王葉鋒,楊鵬春.基于蚯蚓蠕動(dòng)機理的仿生機器人研究進(jìn)展[J].中國工程機械學(xué)報,2012,10(3):359-363.

[9]P Liljeback,K Y Pettersen,Stavdahl,et al.A review onmodeling,implementation,and control of snake robots,Robotics and AutonomousSystems 2012,60:29-40.

[10]Y G Kim,D H Shin,J I Moon.Design and implementation of anoptimal in-pipe navigation mechanism for a steel pipe cleaning robot,in:8thint.conf.on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence,2011:772-773.

[11]張建偉,齊詠生,王林.一種新型可變徑管道機器人的結構設計與控制實(shí)現[J].測控技術(shù),2014,33(10):64-67.

[12]M R A M Zin,K S M Sahari,J M Saad.Development of a lowcost small sized in-pipe robot,Proc.International Symposium on Robotics andIntelligent Sensors,2012:1469-1475.

[13]A Nayak,S K Pradhan.Design of a new in-pipe inspectionrobot,Prof.12th Global Congress On Manufacturing and Management,2014:2081-2091.

[14]S Yabe,H Masuta,H Lim.New in-pipe robot capable of copingwith various diameters,in:12th Int.conf.on Control,Automation andSystems,2012:151-156.

[15]高宏,黃民,李天劍,等.一種新型輪腿配合式管道機器人設計[J].現代機械,2011,38(3):52-54.