（化工过程机械专业论文）流体驱动自适应管道爬行器的设计与分析.pdf

学位论文数据集 | | i i i ilui l l l t l li iu l i i iu l y 2 13 9 0 0 8 中图分类号t h l 2 2 学科分类号 4 7 0 3 0 3 0 论文编号1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 6 4 8 密级公开 学位授予单位代码1 0 0 1 0 学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名 李志勇 学号2 0 0 9 0 0 0 6 4 8 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源自选项目研究方向机械设计 论文题目流体驱动自适应管道爬行器的设计与分析 关键词管道爬行器，流体驱动，管径自适应，仿真分析 论文答辩日期2 0 1 2 0 5 2 7术论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师张有忱教授北京化工大学 机械设计及摩擦学 评阅人1张莉彦副教授 北京化工大学机械设计 评阅人2 赵惠清副教授北京化工大学物理样机仿真 答辩颓捕张东胜 副教授北京化工大学机电安全 答辩委员1王奎升教授北京化工大学石油机械 答辩委员2李威教授 北京科技大学机械设计与传动 答辩委员3 赵军副教授北京化工大学力学分析 答辩委员4 张莉彦副教授北京化工大学机械设计 答辩委员5 张连凯副教授北京化工大学机电工程 答辩委员6 李方俊副教授北京化工大学流体污染控制 答辩委员7陈东梁讲师北京化工大学 工业火灾 答辩委员8张建文 教授北京化工大学化学工程 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 4 9 ) 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 流体驱动自适应管道爬行器的设计与分析 摘要 在现代石油工业、核工业以及生活设施中，管道作为一种高效的 物料输送手段而得到越来越广泛的应用。但管道在使用过程中，由于 人为的或地质活动以及长期腐蚀，导致管道损坏、老化、机械性断裂 及破损等故障，给国家和人民带来巨大的经济损失，于是，管道机器 人应运而生。作为一种针对性较强的特种机器人，很好的解决了海底 和地下管道检测困难的问题，在管道安全与维护工程中具有不可替代 的作用。 本文通过对现有管道爬行器常用的运动方式进行对比与分析，包 括介质压差驱动和自主驱动，自主驱动又有轮式、履带式、蠕动式、 多足爬行式、压电冲击式、蛇形仿生式等六种方式，并结合管道应用 特点，提出了介质压差驱动与直轮驱动相结合的新型驱动方式，并对 管径适应结构进行了改进设计，提出了管道爬行器总体的设计方案， 主要结构包括变径适应机构、驱动行走机构、从动行走机构和伞状挡 水翼机构和分流阀结构。这种设计结构的特点是：可以较大程度的适 应管径变化，充分利用流体能量，结构简单，成本低，制造方便，使 用寿命长，无需拖带缆线，运动阻力小，可以通过搭载相应的工具完 成对长距离管道的检查、检测等任务。对爬行器进行了运动力学分析， 北京化工大学硕士学位论文 并且利用p r o e 进行了三维建模，利用a d a m s 进行了运动仿真分析， 验证了理论分析结果，为此类管道爬行器后续的开发打下了基础。 关键词：管道爬行器，流体驱动，管径自适应，仿真分析 a b s t r a c t d e s i g na n da n a l y s i so ff l u i dd r i v i n g d i a m e t e ra d j u s t a b l ep i p e l i n ec ra w l e r a bs t r a c t i nt h em o d e mo i l i n d u s t r y , n u c l e a ri n d u s t r y , a n dl i v i n gf a c i l i t i e s ， p i p e l i n e sa r em o r ew i d e l yu s e da s a ne f f i c i e n tm e a n so fm a t e r i a lh a n d l i n g b u ti nt h ec o u r s eo fu s e d ，d u et om a n m a d eo rg e o l o g i c a l a c t i v i t ya n d l o n g t e r mc o r r o s i o n ，r e s u l t i n gi np i p ed a m a g e ，a g i n g ，m e c h a n i c a lb r e a k a g e a n dd a m a g ef a i l u r e ，w h i c hb r i n ge n o r m o u se c o n o m i cl o s s e st ot h ec o u n t r y a n dt h ep e o p l e t h e r e f o r e ，t h ep i p e l i n er o b o tc a m ei n t ob e i n g a sah i g h l y t a r g e t e ds p e c i a lr o b o t ，i t i s v e r yg o o dt o s o l v e t h ed i f f i c u l tp r o b l e m so f s u b m a r i n ea n du n d e r g r o u n dp i p ei n s p e c t i o n ，a n dp l a ya ni r r e p l a c e a b l er o l ei n p i p e l i n es a f e t ya n dm a i n t e n a n c e w o r k s i nt h i sp a p e r , t h r o u g hc o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h ee x i s t i n gp i p e l i n e c r a w l e r , w h i c hi n c l u d i n gm e d i u md i f f e r e n t i a lp r e s s u r e d r i v e na n ds e l f - d r i v e n ， s e l f - d r i v et h e r ea r es i xw a y so fw h e e l e d ，t r a c k e d ，c r e e p i n g ，m u l t i l e g g e d c r a w l i n g ，p i e z o e l e c t r i ci m p u l s e ，s n a k eb i o n i ct y p e t h i n ko ft h ef e a t u r e s o f p i p e l i n e ，an e w + p r o g r a mw h i c hc o m b i n e dd i f f e r e n t i a lp r e s s u r e d r i v e na n d d i r e c t w h e e l d r i v ed r i v ew a sd e s i g n e d t h em a i ns t r u c t u r ei n c l u d e sp i p e d i a m e t e r a d a p t i v es t r u c t u r e s ，d r i v i n gs t r u c t u r e ，t h e d r i v e ns t r u c t u r ea n d u m b r e l l as h a p e db l a d e ss t r u c t u r ea n dt h ed i v e r t e rv a l v es t r u c t u r e t h ed e s i g n i i i 北京化工大学硕士学位论文 f e a t u r e so ft h i ss t r u c t u r e ag r e a t e rd e g r e eo fa d a p t a t i o nd i a m e t e rc h a n g e s ， a n dm a k ef u l lu s eo ff l u i de n e r g y , s i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，e a s yf a b r i c a t i o n ， l o n gw o r kl i f e ，w i t h o u tt h et o w i n gc a b l e ，t h er e s i s t a n c em o v e m e n ti ss m a l l ， a n di tc a nb ee q u i p p e dw i t ha p p r o p r i a t et o o l st oc o m p l e t et h el o n g d i s t a n c e p i p e l i n e st oc h e c k ，t e s t i n ga n do t h e rt a s k s t h e nd om o v e m e n tm e c h a n i c s a n a l y s i so nt h ec r a w l i n g ，c o n d u c t e dat h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gb yp r o e ， d om o t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i sb ya d a m s ，v e r i f yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s r e s u l t s ，l a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h es u b s e q u e n td e v e l o p m e n to fs u c hc r a w l e r k e yw o r d s ：p i p e l i n ec r a w l e r , f l u i dd r i v i n g ，p i p ed i a m e t e ra d a p t i v e ， s i m u l a t i o na n a l y s i s i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 开展管道爬行机器人装置研究的目的及意义1 1 2 管道爬行机器人的研究现状2 1 2 1 国外管道机器人发展2 1 2 2 国内管道机器人发展现状4 1 2 3 管道爬行机器人的关键技术问题5 1 3 本文的主要研究内容7 第二章流体驱动自适应管道爬行器的关键结构的确定1 1 2 1 管道爬行器运动方式对比分析1l 2 1 1 介质压差驱动管道爬行器11 2 1 2 自主驱动管道爬行器1 2 2 2 管道爬行器运动方式的选择一2 1 2 2 1 输油管道环境特点2l 2 2 2 管道爬行器的设计要求2 2 2 2 3 爬行器运动方式的确定2 3 2 3 管道爬行器管道适应机构的确定2 3 2 3 1 管道爬行器驱动直轮适应机构2 4 2 3 2 管道爬行器流体能量接收适应装置结构2 8 2 4 本章小结一3 0 第三章流体驱动自适应管道爬行器总体设计方案3 l 3 1 管道爬行器设计方案一3 1 3 2 爬行器各部分结构设计3 2 3 2 1 变径适应结构设计3 2 3 2 2 驱动行走结构设计3 4 v 北京化工大学硕士学位论文 3 2 3 从动行走结构设计一3 5 3 2 4 伞状挡水翼结构设计3 6 3 2 5 分流阀结构设计3 7 3 3 叶轮设计3 8 3 3 1 叶轮叶片数目的确定3 8 3 3 2 叶轮形状的设计计算3 9 3 4 密封设计一4 1 3 5 本章小结4 2 第四章流体驱动自适应管道爬行器的运动力学分析4 3 4 1 管道爬行器运动的流体力学分析一4 3 4 1 1 长距离输送管道内流体力学条件4 3 4 1 2 管道爬行器在管道内的流体力学方程4 5 4 2 管道爬行器在管道内的空间运动方程4 7 4 3 管道内阻力分析5 0 4 3 1 爬行器转轮的滚动阻力5 0 4 3 2 管道爬行器的其它运动阻力5 0 4 4 本章小结5l 第五章流体驱动自适应管道爬行器的三维建模与仿真5 3 5 1 利用p r o e 对爬行器进行三维建模5 3 5 1 1p r o e 软件简介5 3 5 1 2 管道爬行器三维模型的建立5 4 5 2 基于a d a m s 的管道爬行器运动学仿真分析一5 6 5 2 1a d a m s 简介5 6 5 2 2 模型导入5 7 5 2 3 仿真环境创建6 l 5 2 4 参数设置6 2 5 2 5 仿真分析6 5 v i 目录 5 3 本章小结6 9 第六章总结与展望7 1 6 1 本文的研究工作总结7 1 6 2 问题与展望一7 1 参考文献7 3 致谢7 7 研究成果及发表的学术论文7 9 作者及导师简介8 1 v 1 1 北京化工大学硕士学位论文 v i c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h e p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h ep i p ec r a w l i n gr o b o td e v i c er e s e a r c h 1 1 2t h ec u r r e n ts i t u a t i o no f p i p ec r a w l i n gr o b o tr e s e a r c h 2 1 2 1f o r e i g np i p e l i n er o b o td e v e l o p m e n ts t a t u s 2 1 2 2d o m e s t i cp i p e l i n er o b o td e v e l o p m e n ts t a t u s 4 1 2 3t h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m so f t h e p i p ec r a w l i n gr o b o t 5 1 3t h em a i nc o n t e n t so f t h i sa r t i c l e 7 c h a p t e r2k e ys t r u c t u r ed e t e r m i n a t i o no ft h ef l u i d - d r i v e na d a p t i v e c r a w l e r 11 ：! 1c o m p a r a t i v ea n a l y s i so f c r a w l e re x e r c i s e 11 2 1 1m e d i u md i f f e r e n t i a lp r e s s u r e - d r i v e np i p ec r a w l e r 11 2 1 2s e l f - d r i v ep i p e l i n ec r a w l e r 1 2 2 2t h ec h o i c eo f t h ec r a w l e rm o t i o nf o r m 2 1 2 2 1p i p e l i n ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ee n v i r o n m e n t 2 1 2 2 2c r a w l e r sd e s i g nr e q u i r e m e n t s 2 2 2 2 3d e t e r m i n a t i o no f c r a w l e rm o t i o nf o r m 2 3 2 3d e t e r m i n a t i o no fc r a w l e ra d a p ti n s t i t u t i o n s 2 3 2 3 1t h e a d a p ti n s t i t u t i o n so f w h e e l d r i v ec r a w l e r 2 4 2 3 2t h es t r u c t u r eo f f l u i de n e r g yc o l l e c t o ro f p i p e l i n ec r a w l e r 2 8 2 4c h a p t e r s u m m a r y 3 0 c h a p t e r3d e s i g no v e r a l lp r o g r a mo ft h ef l u i d - d r i v e nd i a m e t e ra d a p t i v e c r a w l e r 31 3 1d e s i g np r o g r a mo f t h ep i p e l i n ec r a w l e r 31 3 2t h es t r u c t u r a ld e s i g no f t h ec r a w l e r 3 2 i x 北京化工大学硕士学位论文 3 2 1t h es t r u c t u r a ld e s i g no f d i a m e t e ra d a p t i v e 3 2 3 2 2t h es t r u c t u r a ld e s i g no f d r i v e 3 4 3 2 3t h es t r u c t u r a ld e s i g no f d r i v e n 3 5 3 2 4t h es t r u c t u r a ld e s i g no f u m b r e l l a s h a p e db l a d e s 3 6 3 2 5t h es t r u c t u r a ld e s i g no f d i v e r t e rv a l v e 3 7 3 3t h es t r u c t u r a ld e s i g no f i m p e l l e r 3 8 3 3 1d e t e r m i n a t i o no f i m p e l l e rn u m b e r 3 8 3 3 2t h ed e s i g na n dc a l c u l a t eo f t h ei m p e l l e rs h a p e 3 9 3 4t h es t r u c t u r a ld e s i g no f s e a l 4 1 3 5c h a p t e rs u m m a r y 4 2 c h a p t e r4k i n e t i ca n a l y s i so ft h ef l u i d d r i v e na d a p t i v ec r a w l e r 4 3 4 1f l u i dd y n a m i c sa n a l y s i so ft h ep i p e l i n ec r a w l e rm o v e m e n t 4 3 4 1 1h y d r o d y n a m i c sc o n d i t i o n si nl o n g d i s t a n c ep i p e l i n e 4 3 4 1 2h y d r o d y n a m i ce q u a t i o n sw h e nc r a w l e ri nt h ep i p e l i n e 4 5 4 2s p a c ee q u a t i o no f m o t i o nw h e nc r a w l e ri nt h ep i p e l i n e 4 7 4 3a n a l y s i so f r e s i s t a n c eo f t h ep i p e 5 0 4 3 1r e s i s t a n c eo f c r a w l e rw h e e lr o l l i n g 5 0 4 3 2o t h e rr e s i s t a n c eo f t h ec r a w l e rm o v e m e n t 5 0 4 4c h a p t e rs u m m a r y 5 1 c h a p t e r5t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n g a n ds i m u l a t i o no ff l u i d _ d r i v e n d a p t i v ec r a w l e r 5 3 5 1t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n go f t h ec r a w l e rb yp r o e 5 3 5 1 1d e s c r i p t i o no f p r o e 5 3 5 1 2t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n go f t h ec r a w l e r 5 4 5 2k i n e m a t i cs i m u l a t i o na n a l y s i so f t h ec r a w l e rb a s e do na d a m s 5 6 5 2 zd e s c r i p t i o no f a d a m s 5 6 5 2 2m o d e li m p o r t 5 7 x c o n t e n t s 5 2 3s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tt oc r e a t e 6 1 5 2 4p a r a m e t e rs e t t i n g s 6 ：1 5 2 5s i m u l a t i o n a n a l y s i s 6 5 5 3c h a p t e rs u m m a r y 6 9 c h a p t e r6s u m m a r y a n do u t l o o k 7 1 6 1s u m m a r yo f t h er e s e a r c hw o r ko f t h i sa r t i c l e 7 1 6 2p r o b l e m sa n dp r o s p e c t s 7 1 r e f e r e n c e s 7 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 7 r e s e a r c ha n dp u b l i s h e d p a p e r s 7 9 b i o g r a p h y 8 1 x i 北京化工大学硕士学位论文 x i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 开展管道爬行机器人装置研究的目的及意义 机器人( r o b o t ) ，是指可以自动执行一系列工作任务的机器装置。它不但 能够直接在人类指挥下完成工作，而且可以运行预先编排好的程序，可以根据 人工智能技术编制好的程式规律进行行动 1 。它的任务是协助或代替人类工作， 不仅能提高工作效率，还能在人类无法适应的环境中或危险的场合下工作。机 器人的开发可以很大程度上适应多变危险的现场工作环境，帮助人们离开危险 的生产第一线，而且提高了工作效率，特种机器人技术的迅速发展是一种必然 趋势。在管道在使用过程中，常常出现人为的或由，于地质活动以及长期腐蚀导 致的损坏、老化、机械性断裂、破损等故障，如不及时发现缺陷并采取有效措 施进行维修，输油管道由于输送介质的特殊性，一旦失效，将给国家和人民带 来巨大的经济损失、严重的生态破坏和恶劣的社会影响。因此，进行输油管道 失效原因的分析与讨论，对于提高输油管道的安全性、可靠性、稳定性以及延 长管道使用寿命具有十分重要的意义，非常有必要对管道进行定期检测和维修 【2 】。为了进入管道内部进行无损检测以及为提高管道的寿命、防止泄漏等事故的 发生，管道机器人就应运而生。 管道机器人，也可以称作管道爬行器，是一种管道内部工作的特种机器人， 主要用于天然气管道、石油管道、自来水管道、城市供排水管道等多种管道的 缺陷检测、修补和杂物清理等工作。它能方便获取和检测到管道内部的情况， 通过搭载携带无损检测装置对管道内部进行定点检测与探伤，这种技术特点， 使得管道机器人可以对海底或深埋在地下的管道进行检测，因此，管道爬行机 器人在管道安全与管道维护过程中具有不可替代的作用。 以花格线原油输送管道为例，花格线原油输送管道，被誉为青海油田的“生 命线 ，1 9 9 0 年建成投产，管道全程长度为4 3 5 k m ，管径为2 7 3 m m ，管壁厚度 6 m m ，材料为x 5 2 钢，年运输能力高达7 0 0 万吨。由于当地自然条件恶劣，几 年内管道腐蚀及穿孔缺陷严重，发生过多次发生腐蚀穿孔泄露甚至爆管等重大 生产事故，造成了巨大的经济损失，也导致了能源的流失浪费。2 0 0 0 年以后， 对管道全程应用漏磁式管道爬行机器人进行检测，标记定位严重的缺陷1 0 0 0 余 处，根据检测结果全线开挖了1 5 处，开挖结果与机器人检测结果一致，从而有 效避免的泄露甚至爆管等重大的生产事故。 综上所述，管道爬行机器人的技术研究开发，可以在管道发生事故之前就 发现问题和缺陷，从而采取想要措施，及时消除安全隐患，防患于未然，既节 北京化工大学硕士学位论文 约了维修成本和维修检测的时间，又提高了管道安全可靠因数。因此，开展管 道检测机器人的研究具有重要的科学意义和工程应用价值【3 1 。 1 2 管道爬行机器人的研究现状 1 2 1 国外管道机器人发展 近年来，世界各国对管道爬行器的研究都有了比较显著的成果。 ( 1 ) 由英国j m e 公司研制生产的爬行器 该爬行器组成结构如图1 1 所示，j m e l 0 6 0 型爬行器，主要用于管道对接 焊缝进行x 射线探伤，采用车式四轮驱动结构，在行走距离范围内，操作人 员可以进行全程遥控，该爬行器不需要拖带缆线，可以进行长距离作业，操 作件能好【4 1 。 图1 - 1j m e l 0 6 0 射线探伤爬行器 f i g 1 - 1j m e 10 6 0r a d i o g r a p h i cc r a w l i n gd e v i c e ( 2 ) 德国学者研制的管道爬行机器人 德国开发的管道爬行机器人，见图1 2 ，该管道爬行机器人本体重量约为 2 1 k g ，利用八个驱动足实现爬动行走，能产生最大约1 6 0 n 的牵引力。该机器 人总长度为0 7 2 m ，宽度为0 6 m ，高度为0 6 m ，最大行进速度为可达o 1 m s 。 图1 - 2 管道爬行机器人 f i g 1 2p i p ec r a w l e dr o b o t 2 第一章绪论 ( 3 ) 日本横滨国立大学研发的管道检测机器人 日本横滨国立大学研制的管道检测机器人，主要应用于检测污水排放管道， 如图1 3 所示，整个管道检测机器人系统由四个主要部分构成：管内行走结构、 工作细节控制结构、注射器系统、姿态控制系统【5 1 。 图1 - 3 日本横滨国立大学开发的管道机器人 f i g 1 3p i p i n gr o b o tm a d eb yj a p a ny o k o h a m an a t i o n a lu n i v e r s i t y ( 4 ) 其他国家的管道机器人 巴西c l i d a d e 大学研制的一种“p i g ”。它可以在前后两侧油压的作用下运动， 同时能利用安装在管道检测机器人底部的1 6 通道超声波探测仪对输油管道进行 检测【6 1 。这种机器人由2 个圆柱状的密封帽、超声波传感器、记程轮和电池等组 成，该机器人的技术参数为：适用管径2 0 0 - - 一5 0 0m m ，行走距离3 0k m 以内，行 走速度0 1 5 1m s 。 1 一密封帽；2 一记程轮；3 一传感器；4 一舱体；5 一管道 图1 - 4 巴西c l i d a d e 大学研制的“p i g ”示意图 f i g 1 - 4s c h e m e so f ”p i g ”d e v e l o p db yc l i d a d e 挪威光电技术研究院开发的“管道猪”o p t i c a lp i g ，主要用于对天然气管道进 行检测。它安装了8 个高速数码相机以及激光传感器，在激光照明装置的帮助 下，可以获得管道内部管壁清晰表面图像的和管道三维形状数据，来实现管道 的在线观察与检测【_ 7 1 。图1 5 所示为目前应用比较广泛的一种新型智能“管道猪”。 3 莲乎豢一 3 萄一2 藕一 弩i燃戮渗添一蘩。黛飞蕤 ；赢，一 嗯 磁嚣 二厂穗 北京化工大学硕士学位论文 图1 - 5 挪威研制的智能“管道猪” f 蟾1 - 5i n t e l l i g e n c e ”p i g ”d e v e l o p db yc l i d a d e 1 2 2 国内管道机器人发展现状 相对于西方发达国家，我国的管道机器人的研究起步比较晚，始于2 0 世纪 8 0 年代，但近年来国内管道机器人研究也来得到了快速发展【8 1 。 ( 1 ) 上海交通大学 该管道机器人驱动结构配有减速装置，可以对机器人的速度和姿态进行调 节。机器人顶端装有c c d 图像传感器，由专门驱动装置，控制c c d 图像传感 器方向，调整仰俯角度，以扩大检测范围。 巍絮享j 。 图1 - 6 履带式管道机器人 f i g 1 - 6c a t e r p i l l a rp i p er o b o t e e 孙 ( 2 ) 清华大学机器人 清华特种机器人研究小组( 简称t h s r ) 开发了多种管道机器人，包括电致 伸缩小型蠕动机器人、螺旋桨式四轮驱动管道清淤机器人( 图l 。7 中所示) ，和 小型长距离管道检测机器人p i p e s b o t i 和p i p e s b o t i i 等。p i p e s b o t i 采用多级 分组结构进行串联驱动，机体前部上端装有c c d 摄像头，后部牵引着控制系统 4 第一章绪论 与能源系统。p i p e s b o t i i 结构为直轮驱动，电机驱动三个径向1 2 0 。均布的驱动 轮旋转，通过一个剪形结构使驱动轮压紧管壁，提供足够的预紧力。剪形机构 可以根据需要对接合点的位置进行调节，使机器人具有一定的管径变化适应能 力，如图1 8 所示。 图1 7 清华大学开发的电致伸缩机器人和排水管道清淤机器人 f i g 1 7e l e c t r i c a lt e l e s c o p i cr o b o ta n dd r a i n a g ep i p er o b o tw h i c hb o t hs t u d i e db yt s i n g h u au n i v e r s i t y 图1 - 8 清华特种机器人研究小组的p i p e s b o t - i 和p i p e s b o t i i f i g 1 8p i p e s b o t i a n dp i p e s b o t i is d u d i e db yt s i n g h u au n i v e r s i t ys p e c i a lr o b o tt e a m 1 2 3 管道爬行机器人的关键技术问题 通过对近年来国内外管道机器人的发展状况的了解，可以看出制约其发展 的关键问题主要有一些几个方面： ( 1 ) 能源供给问题 从驱动形式上看，目前主要分为自主驱动和介质压差驱动，其中自主驱动 机器人占绝大部分，而自主驱动的机器人大多数采用的电机驱动，少数的有液 压驱动和气动，也就是说，对于管道机器人来说，最主要的能源也就是电力【9 】。 无论采用哪种驱动方式，管道机器人的能源供给方式有缆和无缆两种选择，在 管内工作时拖带缆线，可以提供充足的能源，牵引力一般较大，可以拖带的检 测和维修工具多，而且可以方便的进行大量的信息传递，便于操作，但是，当 5 北京化工大学硕士学位论文 机器人行走距离大到一定程度，或者工作管道内的转弯比较多的时候，缆线与 管道内壁之间的摩擦力就会变的非常的大，甚至超过机器人的拖动能力范围， 因此，这种拖缆方式的管道爬行机器人不能进行长距离的作业。另外，当距离 较远，线缆过长时，电压损失将变得无法忽略，要提供足够的电压来保证管道 机器人正常工作，就需要采用可靠的远程调压技术，但是这样又增加了机器人 本体的重量和结构的复杂程度 10 1 。无缆方式的而又能自主驱动的管道爬行机器 人，通常依靠蓄电池来提供能源，但是蓄电池的容量一般较小，所能提供的电 量比较有限，限制了驱动电机的功率，也就限制了机器人拖动牵引能力，而且 受电池材料，质量和充电工艺的影响，行走距离也并不理想，如果电池能源消 耗殆尽，管道机器人就有失去动力而又无法自救，有被卡在管道中的危险。另 外，携带蓄电池还会导致管道机器人自身体积和重量增加等问题，影响机器人 行走及工作效率。因此，如何提高机器人能源供给系统的供能效率和安全可靠 性能是制约管道爬行机器人特别是长距离管道爬行机器人发展的关键技术难 题。 ( 2 ) 驱动形式问题 在世界工业化的高度发展的今天，输送管道被广泛应用于多种领域，如能 源的产业的