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1、管道檢測機(jī)器人 在城市污水、天然氣輸送、工業(yè)物料運輸、給排水和建筑物通風(fēng)系統(tǒng)等領(lǐng)域里, 管道作為一種有效的物料輸送手段而廣泛應(yīng)用。為提高管道的壽命、防止泄漏等事 故的發(fā)生，就必須對管道進(jìn)行有效的檢測維護(hù)等，而口詢管道檢測和維護(hù)多采用管 道機(jī)器人來進(jìn)行工。所謂管道機(jī)器人就是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動行走、攜帶 一種或多種傳感器件如位置和姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器等以及操作機(jī) 械如管道裂紋與管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置、操作手、噴槍、刷子等，在工 作人員的遙控操縱或訃算機(jī)控制下可在極其惡劣的環(huán)境中，能夠完成一系列管道檢 測維修作業(yè)的機(jī)電一體化系統(tǒng)。管道機(jī)器人可完成的管道作業(yè)有：生產(chǎn)、施

2、工過程 中的管道內(nèi)外質(zhì)量檢測；管道內(nèi)部清掃、拋光、焊接、噴涂等維護(hù);對接焊縫的探傷、 補(bǔ)口作業(yè)；舊管道腐蝕程度、破損情況檢測和泄漏預(yù)報等等'3：o 1管道機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 1. 1管道機(jī)器人的理論研究發(fā)展?fàn)顩r 管道機(jī)器人的研究所涉及的面很廣，隨著7 0年代電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動 化技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，國外的管道機(jī)器人技術(shù)自9 0年代初以來得到了迅猛發(fā)展并接 近于應(yīng)用水平。1 9 8 7年日本學(xué)者T.Morimitsu等人成功研制了一種振動式管內(nèi) 移動機(jī)器人。I 99 9年西班牙Jorge Mor a leda與Aniba 1 Oller o等人在西班牙軍 工基金資助下，利用水流噴射產(chǎn)生

3、的沖力作為驅(qū)動力研制成檢測地下輸水管道內(nèi)部 狀況的管道機(jī)器人系統(tǒng)。2000年日本橫濱國立大學(xué)電子與計算機(jī)工程系Chi Zhu 等人研制成功用于檢測污水排放管道的管道檢測機(jī)器人，它適用于直徑為2 0 0mm 的管道。2001年美國紐約煤氣集團(tuán)公司的Daphn e D' Z u rk o和卡內(nèi)基梅隆大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)學(xué)院Hag e n Sch e mpf博士在美國國家航空和宇宙航行局的資助下開發(fā) 了長距離、無纜方式的管道機(jī)器人系統(tǒng)。 我國管道機(jī)器人研制工作起步較晚，已見報道的管道機(jī)器人多為國外進(jìn)口，然而 近些年來,管道機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和社會意義逐漸為更多的人們所認(rèn)識，也有一些 單位開始進(jìn)行研制，

4、并在機(jī)構(gòu)模型、動力學(xué)分析以及實驗樣機(jī)等方面均有所建樹。 較有代表性的有中科院、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)、 大慶油建公司和中國石油天然氣管道局等，其中中科院蘭州分院于20 0 4年成功研制 出了我國第一臺管道機(jī)器人，提升了我國在機(jī)器人研究開發(fā)領(lǐng)域的地位和影響力 O 1.2管道機(jī)器人的類型介紹 LI前國內(nèi)外已研制出的管道機(jī)器人類型很多，按能源供給方式可分為兩種:有纜 方式和無纜方式。對于有纜方式供能的管道機(jī)器人，主要存在的問題是機(jī)器人行走距 離遠(yuǎn)、轉(zhuǎn)彎較多時，線纜與管壁的摩擦力會變得很大，嚴(yán)重影響了機(jī)器人作業(yè)時的最 大行走距離，而且還會帶來可靠性等一系列的問題。而采用

5、無纜方式的能源供給LI 前有兩種方案，一是攜帶蓄電池，二是攜帶燃油發(fā)電機(jī)組，這兩種方案除了體積龐大 以及增加機(jī)器人本體的重量這些共有的缺點外，還有就是所儲存的能量畢竟有限，而 且受電池質(zhì)量、充電丄藝等因素的影響，因而機(jī)器人的行走距離仍然受限制‘“。 管道機(jī)器人的驅(qū)動源大致有以下兒種:微型電機(jī)、壓電驅(qū)動、形狀記憶合金(SM A)、氣動驅(qū)動、磁致伸縮驅(qū)動、電磁轉(zhuǎn)換驅(qū)動等。管道機(jī)器人按照驅(qū)動方式大致可 以分為自驅(qū)動型管道機(jī)器人、流體推動型管道機(jī)器人、彈性桿外加推力型管道機(jī)器 人。 管道機(jī)器人按其外型大小可分為大型、普通和微型三種，其中微型管道機(jī)器人 乂可按其電驅(qū)動技術(shù)種類劃分為基于正弦波動驅(qū)動的

6、微型管道機(jī)器人、基于電磁驅(qū) 動的管道魚鰭機(jī)器人、直流電機(jī)驅(qū)動的蛇行機(jī)器人、壓電元件驅(qū)動的微型管道機(jī)器 人、GMA驅(qū)動的微型管道機(jī)器人、SMA驅(qū)動的蚯蚓蠕動管道機(jī)器人。 而如果按行走機(jī)構(gòu)劃分，管道機(jī)器人可分為以下兒種方式⑺： (I )活塞移動式，其原理類似于活塞在汽缸內(nèi)的運動，即把管道看作汽缸，把具 有一定彈性和硬度的PIG看作活塞。在結(jié)構(gòu)上，P IG其后面的流體壓力大于前面的壓 力時，在壓差的作用下，PIG克服了管壁與活塞之間的摩擦阻力而向前運動。PIG可 以攜帶各種傳感器，一邊行走一邊用于管道檢測。 (2) 滾輪移動式，利用滾輪驅(qū)動式的行走結(jié)構(gòu)，以電機(jī)作原動機(jī)，為了增加牽引 力，一般采

7、用多輪驅(qū)動式，由于輪徑太小，越障能力有限，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 (3) 履帶移動式，仿造履帶式車輛行走原理，采用帶齒輪減速箱的直流伺服電 機(jī)驅(qū)動。 (4) 足腿移動式，其基本原理是利用足腿推壓管壁來支撐機(jī)體，利用多腿可以方 便地在各種形狀的彎管內(nèi)移動。山撐腳機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)構(gòu)成，可在各種類 型的管道里移動。 (5) 蠕動移動式,模仿昆蟲在地面上爬行時蠕動前進(jìn)與后退的動作設(shè)計，機(jī)構(gòu)III 蠕動絲杠、螺母、前后支撐足及前后封閉彈簧構(gòu)成。在行走時,分別使左右支撐足上 端與管壁接觸，下端用滾輪與管壁接觸。驅(qū)動蠕動絲杠依次左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，使螺母在絲 杠上左右移動。 (6) 螺旋移動式，利用螺旋原理

8、使管外電機(jī)推動帶有彈性的驅(qū)動部件前進(jìn)，該驅(qū) 動螺旋部件可以自動越過小的臺階。 D國外管道機(jī)器人發(fā)展概況 1. PEARPOINT公司開發(fā)的輪式自來水管道檢測機(jī)器人血 圖1.1輪式自來水管道檢測機(jī)器人 如圖1. 1所示，該機(jī)器人具有六個行走輪，能在自來水管道內(nèi)前進(jìn)或倒退行走， 適應(yīng)管徑為0150-07 5 Omm：行走速度為0-12m/min；行走距離大約6 0 0m左右。 對于更大管徑的管道，加裝2 0W燈泡(選件)，提供更明亮、精確的圖像，電纜使 用質(zhì)地牢固重量輕的合成纖維，堅固、防水，可抵抗1. 5 k\的張力。配有電纜自 動收放系統(tǒng)，高性能的帶馬達(dá)電纜盤，可提供超過50

9、kg的牽引力。儀器精確確定 電纜層數(shù)，可提高電纜回繞速度和增加電纜壽命。微處理器控制的離合器和剎車系 統(tǒng)，減少電纜回繞的摩擦力，在整個測量過程中，使用操縱桿可精確控制爬行器及攝 像機(jī)。 2. R o boPr o b e Tec h nolog i es Inc 的系列產(chǎn)品 " 此爬行器分為串聯(lián)式爬行器和并聯(lián)式爬行器兩種，如圖1. 2和圖1.3所示。此 爬行器系列采取不同結(jié)構(gòu)形式，適應(yīng)大范圍的管徑范圍，最小管徑①1 0 Omm,大管徑 可至①9 00mm以上。 該爬行器是用于管道對接焊縫X射線探傷的管道機(jī)器人，其驅(qū)動系統(tǒng)采用四輪 車式結(jié)構(gòu)，山同位素137Cs及其接收器定位，在管道外進(jìn)行全

10、遙控操作，系統(tǒng)主要 山機(jī)器人本體(牽引裝置)、可充電電池組、控制單元、遙控探測裝置和射線源等組 成。該爬行器無須拖纜，作業(yè)距離較長。 日本Osaka煤氣公司的Y. K a wagu c hi等人于19 9 5年研制成功的管道檢測機(jī) 器 人系統(tǒng)的行走裝置則釆用內(nèi)外輪結(jié)構(gòu)，山電動機(jī)驅(qū)動的內(nèi)輪為磁性輪,系統(tǒng)攜帶彩色 攝像頭，并通過棱鏡改變成像方向，該機(jī)器人采用光纖進(jìn)行通信，可以檢測管徑為① 200mm的鐵管，一次作業(yè)的檢測距離不超過500m,該管道檢測機(jī)器人系統(tǒng)自帶電源, 電源有普通型電源(8. 4V/1. 5 A)和增強(qiáng)型電源(16. 8V/3.0A)兩種模式，在這兩種 電源模式下,管道檢測機(jī)

11、器人的牽引力、驅(qū)動輪的輸出扭矩和最大行走速度分別為: I . 8 kg f / 1 . 5kgf、2. 3kgf. cm/ 6.4k gf. cm 和 3m / min、5m/min。機(jī)器人的輪 子由于具有磁力吸附，每個輪子的吸力達(dá)到30k g,因而可在管道的側(cè)面、頂面穩(wěn)定 運行。管道檢測機(jī)器人的外形尺寸為：長410mm、寬90mm、高140mm,其重量為 4.25kg,如圖1 .5(a)所示。此外，Osaka煤氣公司還研制出鐵質(zhì)煤氣管道自動焊 接修補(bǔ)機(jī)器人，該機(jī)器人采用多節(jié)方式，重量250kg,長度4. 5m,可以通過彎管, 具備焊接、打磨、探測的功能，拖纜控制，檢測距離300m,如圖1.

12、 5 ( b )(C)所示。 3. 日本橫濱國立大學(xué)的檢測污水排放管道的管道檢測機(jī)器人 Iki.' ?'?WpPMHlf" 7、 圖1. 6管道檢測機(jī)器人系統(tǒng)組成 日本橫濱國立大學(xué)電子與計算機(jī)工程系Chi Zhu等人于2 000年研制成功用于 檢測污水排放管道的管道檢測機(jī)器人[20],該管道檢測機(jī)器人適用于管徑為①200 mm的管道。如圖1.6所示，整個管道檢測機(jī)器人系統(tǒng)山四部分組成：管道檢測機(jī) 器人行走裝置、作業(yè)操縱裝置、用于污水采集的注射器系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)。該 機(jī)器人采用視覺伺服定位方式，其工作原理為主控制計算機(jī)通過處理山攝像頭拍攝 的管道內(nèi)壁圖像來獲得管道檢測機(jī)器人操

13、作裝置和管壁上漏洞之間的相對位置，然 后根據(jù)管道檢測機(jī)器人的逆動力學(xué)模型分別訃算出每個電機(jī)所需轉(zhuǎn)動的角度，計算 結(jié)果通過RS 2 3 2C送到微處理器SH7050中，在SH7 0 50的控制下，每個電機(jī)轉(zhuǎn)過相 應(yīng)的角度，從而使作業(yè)操縱裝置的位置正對著漏洞，進(jìn)而將墊圈牢牢地壓入漏洞中, 防止污水泄漏污染環(huán)境,注射器系統(tǒng)在電機(jī)的驅(qū)動下采集管道漏洞處的污水樣本。整 個管道檢測機(jī)器人系統(tǒng)的規(guī)格為：長620mm、寬1 6 6mm、高158mm,其重量為2 4 k go 4?徳國的管道爬行機(jī)器人,，： 圖1?7管道爬行機(jī)器人 德國的 Institut e for Appli e d Meeh a

14、nics T e ch n ical Univers i ty o f Mun i ch 的 Dipl. - I ng. An d reas Zag 1 er JF發(fā)了管道爬行機(jī)器人，如圖 1 ? 7,該管道爬行機(jī)器人重量為2 Okg,采用八足爬6行驅(qū)動，驅(qū)動能力為1 5 k g。機(jī) 器人長為0 . 75m,寬為0. 6m,高為0. 6 m,最大速度為0 . I m/s ,采用直流供電 方式。 5.俄羅斯的TARIS公司針對地下輸水管道的檢測、清理研制了多個系列管道 機(jī)器人系統(tǒng),參看圖1.8。這些管道機(jī)器人為輪式驅(qū)動，能源供給和通信采用拖纜方 式，帶有可旋轉(zhuǎn)控制方向的彩色攝像頭，能進(jìn)行視頻探

15、測，采用防水材料制作，具有 較好的密封防水性。P- 1 0 0 CCTV Rob otic Sys t em適應(yīng)管徑①90mm?90 0 mm, P-200 CCTV Robo t ic System 適應(yīng)管徑① 130mm ?12 0 0mm, C-200 C C TV Robotic Syste m除了能進(jìn)行視頻探測外，還可以進(jìn)行切割、清理工作，適應(yīng) 管徑①200mm、60 0 mm,管道內(nèi)最大作業(yè)距離為300m。 2）國內(nèi)管道機(jī)器人發(fā)展概況 我國的管道機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代，與西方發(fā)達(dá)國家相比起步較晚, 但近些年來取得了快速發(fā)展。其中開展丄程管內(nèi)機(jī)器人技術(shù)研究的單位中，較有

16、代表 性的有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、清華大學(xué)等。 1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 19 9 5年，鄧宗全教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組受國家“86 3 ”計劃資助開發(fā)的野外大口徑 管道對接焊縫X射線探傷機(jī)器人,是國內(nèi)笫一臺X射線探傷機(jī)器人（如圖1. 9所示）， 該機(jī)器人已成功應(yīng)用于“陜一京”天然氣管線的無損探傷施工中，取得了較好的經(jīng)濟(jì) 效益。該管道機(jī)器人在管內(nèi)一次作業(yè)行走距離為3 0 0米;作業(yè)位置處定位精度優(yōu)于 ±5mm;最大爬坡能力可達(dá)30°。 圖1?96660管道X射線探傷機(jī)器人 2 0 00年，在國家“ 8 63”計劃資助下，鄧宗全教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組乂研制成功 了內(nèi)置動力源的X射線探傷機(jī)器人，

17、如圖1.10所示。在該管道機(jī)器人中，引入CC D傳感器作為示蹤定位傳感器并以有纜方式供電;但是,定位過程中尚需要人1：參與, 有纜方式限制作業(yè)距離C13]o 圖1. 11所示為哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授等人于1 9 97年1 0月研制的航空輸 油管內(nèi)噴涂機(jī)器人，該機(jī)器人已在上海浦東機(jī)場工程中投入使用。 圖1.11航空輸油管內(nèi)噴涂機(jī)器人 2. 上海交通大學(xué) CCD 傳感戲支架 圖1. 12履帶式管道機(jī)器人的運動機(jī)構(gòu)簡圖 上海交通大學(xué)的履帶式管道機(jī)器人，該管道機(jī)器人仿造履帶式車輛行走原理, 采用帶齒輪減速箱的直流伺服電機(jī)驅(qū)動。機(jī)器人上部裝有CCD圖像傳感器，山另一個 直流伺服

18、電機(jī)控制CCD圖像傳感器作俯仰運動，以擴(kuò)大檢測范圍。另外，機(jī)器人上 還裝有角度傳感器。如圖1 .12所示:其相關(guān)參數(shù)如下：電機(jī)功率減速箱減速比 為100,輸出轉(zhuǎn)速為0"30r/mi n ;最小管道直徑Wei20mm;運行速度可由計算機(jī)給 定，一般為1. 2m/min J門。 3. 清華大學(xué)機(jī)器人 圖1. 13淸華大學(xué)研制的電致伸縮小型蠕動機(jī)器人和管道淸淤機(jī)器人 圖1. 14淸華特種機(jī)器人研究小組的P ipesb o t - I和Pipesbot-II 清華特種機(jī)器人研究小組（簡稱THSR）先后研制了①.電致伸縮小型蠕動機(jī)器 人，②.管道清淤機(jī)器人（四輪驅(qū)動，單螺旋槳

19、式作業(yè)）（圖I .13）,③.小型長距離 管道檢測機(jī)器人P i pe s bot— I和Pipes bot- H °Pi p esbo t — I適用管徑范圍 O l4 0 -16 0 mm,多級串連驅(qū)動方式,機(jī)器人本體前端攜帶CCD攝像頭，后部拖帶 控制小車和電源小車；通過交流輸入和電源轉(zhuǎn)換模塊供電，采用PWM調(diào)速，RS4 22 串行通訊。Pipesbot-II為全驅(qū)動直進(jìn)式結(jié)構(gòu)，由三個直流電機(jī)通過蝸輪蝸桿副, 帶動三個徑向均布的驅(qū)動輪，通過一個剪形壓緊結(jié)構(gòu)使驅(qū)動輪撐緊管壁，依靠摩擦 力運動。剪形壓緊機(jī)構(gòu)具有可調(diào)接合點，調(diào)節(jié)接合點的位置，可使機(jī)器人的驅(qū)動輪 向內(nèi)縮進(jìn)或向外擴(kuò)張，適應(yīng)一定范圍的

20、管徑，如圖1.14所示。 4. 東華大學(xué)的自主變位履帶式管道機(jī)器人GXJZ-I 圖1. 15 GXJZ- I的總體結(jié)構(gòu) GXJ Z-I機(jī)器人系統(tǒng)采用線纜遙控,可采用控制箱控制或PC機(jī)直接操作，并可通 過PC機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和錄像。機(jī)器人采用了四履帶足結(jié)構(gòu)的行走機(jī)構(gòu)，具有較強(qiáng)的越 障能力和復(fù)雜管道的適應(yīng)能力。主要用于中央空調(diào)的管道清洗工作。 此外，上海大學(xué)的錢晉武等人在2 0 01年研制成了適用于管徑為O20mm的T u botll型管道內(nèi)缺陷的自動探測微小機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個兩級計算機(jī)控制 的管內(nèi)移動機(jī)構(gòu)攜帶渦流探頭，外加渦流分析儀和數(shù)據(jù)記錄設(shè)備等組成。中原油田 研制了適用于管徑為

21、052 9 "630mm埋地鋼質(zhì)管道的內(nèi)環(huán)焊縫區(qū)域噴涂常溫固化液 態(tài)涂料的補(bǔ)口機(jī)。中國石油天然氣管道局管道技術(shù)公司經(jīng)過5年的科技攻關(guān)，研制出 的管道在線智能漏磁檢測系列裝置。這家公司應(yīng)用這套裝置，已對我國在役的各種 口徑油氣干線管道進(jìn)行了上萬公里的腐蝕情況無損檢測。在國家自然科學(xué)基金的資 助下，沈陽工業(yè)大學(xué)、新媼三葉管道技術(shù)有限責(zé)任公司的專家和工程技術(shù)人員于2 0 00年5月研制成功高精度管道漏磁在線檢測系統(tǒng)。 總之，近兒年我國的管內(nèi)機(jī)器人技術(shù)研究已取得了很多成果，在某些單項技術(shù)上 已具有世界領(lǐng)先水平。但限于我國總體技術(shù)發(fā)展水平的限制，所研制的管內(nèi)機(jī)器人 的綜合性能還遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國家，特別是在

22、管內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)品的實用化和商品化方面還 有很大差距，除此之外，使用國外的管道機(jī)器人一般費用很高,不適合我國的國情；國 內(nèi)這一領(lǐng)域的研究很少，還處于科研階段，所以本課題的研究非常必要，而且具有 很大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。盡管我國在研制多種形式的輪式管內(nèi)移動機(jī)器人方面 已經(jīng)作出了很大努力，并取得了一定的成績,但仍存在不少的缺點，如管內(nèi)行程不夠 大,力的提高受封閉力的限制，研究還有待進(jìn)一步的完善和成熟，研制可適用于小管 徑和不同管徑的深行程管內(nèi)移動機(jī)器人有著廣闊的發(fā)展前景。 綜合上述國內(nèi)外發(fā)展情況，根據(jù)U詢實際應(yīng)用的要求，管道機(jī)器人一般都應(yīng)該具 備實時檢測、與操作人員交互的功能，在管道中行走時，需要

23、具有自驅(qū)動能力。因 此管道檢測機(jī)器人系統(tǒng)的研究是一項十分巨大的產(chǎn)業(yè)工程，從而得到了世界各國的 高度重視。經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)在管道檢測機(jī)器人領(lǐng)域取得了大量 的研究成果，管道檢測機(jī)器人的技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，但從總體技術(shù)水平來看，管 道檢測機(jī)器人的研制和開發(fā)在國內(nèi)外都還處于發(fā)展階段，上述成果大多停留在實驗 室樣機(jī)，距離大規(guī)模實用化還有一定的差距，主要面臨一些關(guān)鍵技術(shù)問題待以解決。 4 ?總結(jié) 城市道路交通的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的開腸破肚式鋪設(shè)和修護(hù)管道的方式已經(jīng)不再 適應(yīng)時代的需求，非開挖管道鋪設(shè)及修補(bǔ)技術(shù)已經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用到城市的管線 工程中，在新鋪管道的竣工驗收以及管道修復(fù)前的方案

24、設(shè)訃，修補(bǔ)過程中的施丄監(jiān)測 以及修補(bǔ)后復(fù)測都需要CCTV管道內(nèi)窺檢測技術(shù)實時監(jiān)測整個施工過程來完成的。 如果將管道攝像檢測的數(shù)據(jù)如：檢測報告、圖片、影像資料等作為排水管網(wǎng)地 理信息系統(tǒng)(G I S)數(shù)據(jù)庫的一個組成部分,將極大的豐富G I S系統(tǒng)的先進(jìn)性和實用 性。使排水管網(wǎng)的管理和養(yǎng)護(hù)更加科學(xué)化。 排水管道的檢測在我國仍在起步階段，隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，國家對污水 處理項口的投資力度不斷的加大，排水管網(wǎng)的管理維護(hù)也得到了應(yīng)有的重視,建設(shè)部 及不少城市和地方還相繼出臺了相應(yīng)的政策與法規(guī)。這表明了我國各級政府已經(jīng)充 分地認(rèn)識到排水管網(wǎng)管理和維護(hù)的重要性，排水管道檢測和維護(hù)有著巨大的市場前 景和無限商機(jī)。