管道检测机器人结构设计及运动仿真

管道检测机器人结构设计及运动仿真 摘 要 管道检测机器人主要包括三大系统：机械系统、控制系统和检测系统。本文在分析了机器人总体机械结构和检测原理的基础上，通过精确的力学计算和细致的结构分析，利用 AutoCAD 软件对机器人的机械部分，包括整体结构、电机、齿轮、轴等进行了选择与设计，并对设计方案进行分析与计算。然后利用 Solid Edge 软件将管道检测机器人的总体机械结构绘制成三维立体模型。所设计的机器人机械系统，可通过履带式移动机构满足城市排水管道的工况，并通过加装支撑臂进行 30度的爬坡。通过细致研究，确定了机器人所使用的摄像系统和超声波检测系统。 关键词：排水管道，履带式机器人，超声波无损检测 I 管道检测机器人结构设计及运动仿真 Abstract A pipeline inspection robot mainly consists of three parts, the mechanical system, the control system and the detecting system. This paper, based on the analysis of overall mechanical structure and detecting principle of the robot, by accurate mechanical calculation together with comprehensive structure analysis, the author has worked out a unique design for overall structure in AutoCAD software, motor, gears as well as axles of the robot, and the design scheme has been analyzed and calculated. Then built overall mechanical structure of pipeline inspection robot 3-D models in Solid Edge software. The design of mechanical system of the pipeline inspection robot is equipped with the tracked mobile mechanism moves along the urban drainage pipelines and two support arms can climb maximum gradient of 30 degrees. And after careful study, the camera system and the ultrasonic inspection system of the robot are also determined in the paper. Key words: Drainage pipeline, Tracked robot, Ultrasonic nondestructive inspection II 管道检测机器人结构设计及运动仿真 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 课题研究意义及背景 . 1 1.2 管道检测机器人的发展 . 3 1.2.1 管道检测机器人发展情况 . 3 1.2.2 管道检测机器人类型介绍 . 7 1.3 管道检测机器人的技术 . 9 1.4 课题研究主要内容 . 9 1.5 本章小结 . 10 第二章 管道检测机器人机械结构设计方案确定 . 11 2.1 管道检测机器人移动方式结构设计 . 11 2.1.1 管道检测机器人移动方式分析比较 . 11 2.1.2 管道检测机器人移动方式选择 . 13 2.2 管道检测机器人总体机械结构设计 . 14 2.3 本章小结 . 15 第三章 管道检测机器人机械结构设计计算 . 16 3.1 管道检测机器人力学分析计算 . 16 3.2 管道检测机器人执行机构设计 . 18 3.2.1 传动齿轮的设计计算 . 18 3.2.2 传动轴的设计计算 . 25 3.3 管道检测机器人驱动系统设计 . 29 3.3.1 步进电机的选择 . 31 3.4 本章小结 . 33 第四章 管道检测机器人附属配置 . 35 4.1 能源供给方式的选择 . 35 4.2 摄像系统的选择 . 35 4.3 检测系统的选择 . 36 4.4 电源装置的选择 . 38 4.5 控制装置的选择 . 38 III 管道检测机器人结构设计及运动仿真 4.6 本章小结 . 38 第五章 管道检测机器人三维模型设计 . 39 5.1 移动机构三维模型设计 . 39 5.2 支撑臂机构三维模型设计 . 41 5.3 车体结构三维模型设计 . 41 5.3.1 车体内部结构三维模型设计 . 41 5.3.2 车体上方结构三维模型设计 . 42 5.3.3 车体前方结构三维模型设计 . 43 5.4 整体结构三维模型设计 . 43 5.5 本章小结 . 45 第六章 管道检测机器人稳定性分析 . 46 6.1 承载能力 . 46 6.2 检测系统 . 47 6.3 质量优化 . 47 6.4 本章小结 . 48 第七章 经济技术分析报告 . 49 第八章 总结与展望 . 50 8.1 总结 . 50 8.2 展望 . 50 参考文献 . 52 致 谢 . 54 声 明 . 55 IV 管道检测机器人结构设计及运动仿真 第一章 绪 论 1.1 课题研究意义及背景 近年来，随着我国经济的快速发展，城市发展的步伐也逐渐加快，煤气、输水、油气、通讯、化工以及其他用途的管道急剧增加。管道作为一种经济、高效且安全的物料输送手段一直被人们所关注。因此，管道成为城市建筑、工业、能源、军事装备等领域中使用广泛的物料运输手段。 现如今石油、化工、城市水暖供应、地下排水、核工业等部门所铺设的管道累计长度急剧增长。仅以我国城市管道为例，截止到 1999 年底所铺设管道的累计长度已达到 238001 公里，平均每年增长 5.9%。其中，排水管道达到 134486 公里，平均每年增长 5.9%1。由于历史原因，国内在役管道部分管材质量较差，加上施工建设过程中存在一些焊接缺陷与涂层缺陷，这些给管道的安全使用埋下隐患。即使部分投产验收合格的管道，在运行过程中也难免会受到介质、温度、疲劳、腐蚀、局部载荷等因素的影响，服役一段时间后会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带来威胁。 以排水管道为例，排水管道是城市重要的基础设施之一，是城市水污染防治和城市排渍、排涝、防洪的骨干工程。但是随着排水管道材料的老化，以及经常受到工业中各种化学物质的侵蚀等，管道会出现不同程度的损坏，致使污水外流造成环境污染，甚至影响地表结构等。另一方面，新建成的排污管道，也必须在投入使用前进行内部检测，验收合格之后才能投入使用。因此为了保护环境，以及城市道路的安全，需要对排水管道进行定期的检测和维护检修。然而，由于排水管道大多都深埋地下，所处环境往往是人所不及的，工人在排除管线故障时，也只能通过摸排和人工作业的方式进行，当遇到一些老旧的细小管线时，这些维护方式就显得十分有限2。 目前，关于地下管道的质检通常采用两种方法。其一，是工程量巨大的开挖抽检方法，由于随机抽检法经常出现漏检，故准确率低、效果不理想，不但劳动强度大、效益低，而且往往妨碍道路交通。其二，是靠人工来完成，在很多情况下，人无法进入管道，如管道直径较小、管道内充斥对人体有害的气体等，另外人工检测速度慢、效率低、需要投入大量的人力和物力，因此这种工作方式也同样存在很多1 管道检测机器人结构设计及运动仿真 缺点。目前，国内外主要应用的泄漏检测方法有压力图像法（压力分布法）、压力点法（PPA ）、负压波法、质量平衡法、声波法、管道泄漏溶解法等等3。这些方法虽然可以检测管道的泄漏情况，但需要进行一定量的理论计算和推导，往往不如图像信息简单、直观。 随着科学技术的发展，机器人技术经过近半个世纪的发展，现已取得重大的进步，广泛应用于采矿、冶金、石油、化学、船舶等传统制造业领域，同时也逐步扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域，以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域。对于那些人力难以直接到达的极限环境，如城市污水、天然气输送、工业物料运输等大量复杂隐蔽的管道，如何有效开展管道检测，及时掌握管道结构和功能的安全程度，运用科学手段指导养护及维修工作，已是当务之急。因此，在人工检测方式存在诸多缺点的情况下，研发一种自动智能化的管道机器人具有重要意义。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45。 通过管道机器人携带必要的检测设备，在操作人员的远距离控制下，沿管道内行走并实时连续拍摄，显示出管道内部的图像，可以直观、清晰地反映出管道内的故障，克服了传统检测方法存在的诸多弊端，提高了管道检测精度，及时有效的完成了对管道的维修与维护。 综上所述，管道检测机器人的研究为管道的检测、维护提供了新的技术手段，改变了传统管道开挖抽检的单一模式和人工检测的诸多缺点。这种检测技术提高了管道检测的准确性，便于管道工程的维护人员及时了解、分析管道缺陷产生的原因，开展管道缺陷评估，制订管道维护方案，消除管道安全隐患。在事故发生前有计划地维修或更换故障管段，以便节约大量的管道维修费用，降低管道维护成本，保障人民生活及财产安全，减少有毒气体或液体泄漏造成的环境污染等678。因此，开展管道检测机器人的研究具有重要的科学意义和显著的社会经济效益。据统计，我国城市地下管道总长达数 10 万公里9，设计出一款适用于我国城市管道检测的2 管道检测机器人结构设计及运动仿真 机器人既利国利民，又具有极高的使用价值。因此，城市排水管道检测机器人的研究将成为一项十分重要的产业工程10。 1.2 管道检测机器人的发展 1.2.1 管道检测机器人发展情况 1、国外典型管道机器人 随着 70 年代电子技术、计算机技术、自动化技术的发展与进步，国外的管道机器人技术自 90 年代初以来，就得到了迅猛发展，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，西班牙的Jorge Moraleda 与Anibal Ollero 等人，在西班牙军工基金的资助下，利用水流喷射产生的冲力作为驱动力，研制出了用于检测下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Chi Zhu 等人，研制成功了一种用于检测排污管道的管道检测机器人，它适用于直径为 200 毫米的管道。2001年，美国纽约煤气集团公司的Daphne DZurko和卡内基梅隆大学机器人技术学院的Hagen Schempf博士，在美国国家航空和宇宙航行局的资助下，开发出长距离、无缆方式的管道机器人系统。 （1）PEARPOINT 公司开发的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 150-750mm，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），可提供更明亮、精确的图像。电缆使用的是质地牢固而重量较轻的合成纤维，具有坚固和防水的特性，可抵抗 1.5kN 的张力。其高性能的带马达电缆盘，可提供超过 50kg 的牵引力。微处理器控制的离合器和刹车系统，可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。 图 1.1 轮式自来水管道检测机器人 3 管道检测机器人结构设计及运动仿真 （2）RoboProbe Technologies Inc 的系列产品 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。此爬行器系列采用不同的结构形式，可适应大范围的管径范围，最小管径为100mm ，大管径可达900mm 以上11。主要技术参数： 行走距离：300m 左右 直视摄像头：1/3“CCD 彩色 工作温度：050C 电源和控制箱：线性速度调节 防水深度：30m 拖拉力：32kg/单履 载重量：46kg/单履 尺寸：长 38cm宽 9cm高 10cm 重量：6kg/铝；12kg/铜/不锈钢 爬行速度：0-10m /min 电压：48V DC 运载方式：mini 履带/微型履带 图 1.2 串联式爬行器 图 1.3 并联式爬行器 4 管道检测机器人结构设计及运动仿真 （3）日本横滨国立大学开发的检测排污管道的机器人 2000 年，日本横滨国立大学电子与计算机工程系 Chi Zhu 等人，成功研制出用于检测排污管道的管道检测机器人。该管道检测机器人适用于管径为 200mm 的管道。整个管道检测机器人系统由四部分组成：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，其工作原理是主控制计算机通过处理由摄像头拍摄到的管道内壁图像，来获得管道检测机器人操作装置与管壁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，分别计算出每个电机所需转动的角度。计算结果通过 RS232C 送到微处理器SH7050 中。在 SH7050 的控制下，每个电机转过相应的角度，从而使作业操纵装置的位置正对着漏洞，进而将垫圈牢牢地压入漏洞中，防止污水泄漏造成的环境污染。 （4）俄罗斯 TARIS 公司的管道机器人系列 俄罗斯的 TARIS 公司针对地下输水管道的检测、清理已研制出了多个系列的管道机器人系统，如图 1.4 所示。这些管道机器人为轮式驱动，能源供给和通信采用拖缆方式，装有可旋转方向的彩色摄像头，能进行视频探测，且采用防水材料制作，具有较好的密封防水性。 （a ）P -100 机器人系统 （ b）P -200 机器人系统 （ c） C-200 机器人系统 图 1.4 TARIS 公司的管道机器人系列 2、国内典型管道机器人 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，逐渐为更多人所认识。也有一些单位开始进行研制，并在机构