（机械制造及其自动化专业论文）空间曲线形微细管道检测机器人测控系统的研究.pdf

浙江人学硕士学位论文 摘尝 摘要 微电子技术的巨大成功引发了一场微小型化的科技革命。将传感器、计算机 和驱动器集成在起，是未来科技革命的又一发展趋势。m e m s 技术在军事、航天、 信息、医学、工业和农业等领域有着广阔的应用前景。本文结合国家8 6 3 高技术 发展计划项目( 2 0 0 1 a a 4 2 3 1 3 0 ) 空问曲线形微细深孔和管路的潜入式无损检测与 三维重建技术，针对微细管道的潜入式无损检测技术在应用当中的一些技术难 点，如微机器人的位移检测，空间定位，管道内轮廓的形貌检测等方面进行了研 究，并取得了一。些阶段性的成果。 本文的第一章概括了国内外微机器人检测技术的发展状况，阐述了本课题研 究的背景和意义。 本文的第二章，基于压电陶瓷的物理特性和微细管道的环境特点，结合本实 验室研制的一种新型无损管道检测机器人，设计了一种能够输出双向可调驱动电 压的微机器人驱动、控制电路，很好地满足了微机器人管道检测系统对微机器人 驱动器爬行速度和负载能力的要求。研究了基于尺蠖机构的微机器人位移检测方 法，应用这种方法大大简化了位移检测装置的机械结构和控制电路，实现了住微 小空间中对微机器人的位移检测。 本文的第三章，结合本实验室研制的一种新型曲率检测装置，研究了其控制、 驱动和信号处理的方法，设计了相应的处理电路。利用位置敏感器件p s d 响应速 度快，分辨率高，处理电路相对简单等特点实现了对三维管道中心线几何性质的 测量。 本文的第四章，针对本实验室提出的通过对管道内壁逐点扫描来获耿管道内 表面几何特征数据的空间曲线型微细管道检测方案，研究了基于该种方案的检测 装置的驱动、控制以及信号处理的方法，设计了相应的处理电路，通过实验验证 了这种方案的可行性和科学性。 本文的第五章，在整个微机器人测控系统研制过程中，为了保证检测的精度 和系统的稳定性，分析了可能存在的噪声和干扰，并从布线，元器件的布置，以 及对电源的处理等方面阐述了提高系统运行稳定性、可靠性所采取的一些措施。 本文的第六章对研究内容进行了总结，并对今后的工作进行了展望。 关键词：弯曲形管道，检测，微机器人、位移测量、曲率测量、p s d 、压电陶瓷驱 动 浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r em a n ys m a 1s i z ep i p e sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lf i e l d s ，r a n g jn g f r o mp e t r o c h e m i c a li n d u s t r yt on u c l e a ri n d u s t r y t h o s es m a 1p i p e sa r e p l a y i n gav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ep l a c ew h e r ei ti sa p p l e d ，s o m e t i m e s ， at i n yl e a ki np i p em a yc a u s eab i gp r o b l e m ，e v e nad i s a s t e r i n t his d is s e r t a t i o n ，w ein t r o d u c e dam e m s b a s e di n p i p e i n s p e c t i o ns y s t e m t h is k i n do f i n p i p ei n s p e c t i o ns y s t e mi sd e s i g n e df o rt h e3 dd i d e o f 1 0 m m d i a m e t e r i ti sc o m p o s e do fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i ca c t u a t o r ，m o v i n gd js t a n c e m e a s u r e m e n td e v i c e ，p i p eg e o m e t r yc h a r a c t e r i s t i c sm e a s u r e m e n td e v i c e a n d i n - p i p es u r f a c ed e t e c t o r i n c h a p t e rl ，t h eh i s t o r ya n d t e n d e n c ya b o u tt h et e c h n o o g vo f m i c r o r o b o t m i c r o p i p ei n s p e c t i o n s y s t e m a r e i n t r o d u c e d t h e s i g n i f i c a n c eo ft h ep r o j e c ts t u d i e db yo u rl a ba n dt h ec o n t e n t so ft h i s d i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e d i nc h a p t e r2 ，i no r d e rt om a k et h ep i e z o e e c t r i cc e r a m i ca c t u a t o rw o r k i nt h eo p t i m u ms t a t u s ，i tr e q u i r e st h ed r i v i n gv o l t a g es h o u l db e l e s st h a n - 士7 0 v ，t h ed r i v i n gf r e q u e n c ys h o u l db ea b o u ti k h z ，a n dd u t yr a t i os h o u l ( h ea b o u t5 0 i n a d d i t i o n ，a l lt h o s ep a r a m e t e r sc a l lb ea d j u s t a b ei na c e r t a i nr a n g e s ow ed e s i g n e dak i n d o fd r i v i n gc i r c u i tt om e e t t h e r e q u i r e m e n to ft h ea c t u a t o rd r i v i n g i no r d e rt og e tt h ed a t ao fh o wl o n g d o e st h em i c r o r o b o tg o ，w ed e s i g n e dm o v i n gd i s t a n c em e a s u r e m e n td e v i c e w h i c hc a nc o u n t e rt h es t e p st h a tt h em i c r o r o b o tm a k e s ，s 。t h a tw e c a n c a l c u l a t et h ed i s t a n c ew i t ht h es t e p s i nc h a p t e r3 ，b a s e do nt h ec h a r a c t e r is t i c so f3 d c u r v e d 】i ) i c r o - p j d e t h es o l u t i o n so ft h e p i p eg e o m e t r yc h a r a c t e r is t i e s i n s p e c t i o n a r o i n t r o d u c e d ，a n dt h er e l a t e dc i r c u i tf o rc o n t r o l l i n ga n dd r i v i n gt h ep i p e g e o m e t r yc h a r a c t e r i s t i c sm e a s u r e m e n td e v i c ei s d e s i g n e d 。 i nc h a p t e r4 ，t h e i n p i p es u r f a c ed e t e c t o ra r eb a s e do nl d ( l a s e r d i o d e ) l i g h ts o u r c e p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) t h a ti s t h ec o r e c o m p o n e n ti nt h i si n s p e c t i o ns y s t e m t h es o l u t i o n st o d r i v ea n dc o n t r 0 1 t h i sd e v i c ea r ei n t r o d u c e d i n c h a p t e r5 ，i no r d e rt oe n s u r et h ew h o l es y s t e mw o r k i n gi n s t e a d v i i 浙江大学硕士学位论文 a b s 打a c t c o n d i t i o i l t h es o i u t i o n st ol o w e rt h ei n t e r f e r e n c e sc o m i n gf r o mt h eo u t sd e a n dir l sid eo ft h es y s t e ma r ein t r o d u c e d ， l a s tc h a p t e rs u m m a r iz e dt h ew o r ko ft h i sd is s e r t a t i o n ，a n df u t u r ew o r k o ft h i sd i s s e r t a t i o nw e r ea l s os k e t c h e do u t k e yw o r d s ：c u r v e dp i p e ，i n s p e c t i o n ，r o b o t ，p s d ，d e t e c t o r ， s e n s o r 【1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得澎鎏盘茔或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：乞一岔 签字日期：护f 年弓月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 驽并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权盘姿盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：乱，哆苦 签字日期：护f 年弓月6 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位 通讯地址 导师签名影，硼 签字隐呼年 月矿 电话 邮编 浙江人学硕j 学位论文 第一章绪论 【内容提要】本章叙述了微机器人技术研究的背景、意义以及国内外的研究进展。重 点对微细管道机器人驱动技术、管道检测技术的发展现状和未来的趋势进行了介绍。 在本章的后半部分，介绍了本课题所研究的空间曲线型微细管内检测机器人测控系统 的总体结构与功能。最后，对整篇论文的结构框架和论文将重点讨论的问题做一个简 介。 1 1 微管道机器人技术概述 1 1 1 微机器人的应用及微机器人研究的意义 微机器人通常是指集微型驱动机构、微型传感器、微型执行器、以及信号处理和 控制电路直至接口、通讯和电源等于一体的微型机电系统，在美国惯称为m e m s ”。 根据目前微机器人移动形式和所处的环境大致可以分为三大类：行走机器人、管道机 器人、人体管道医疗机械o ，。管道微机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走， 携有一种或多种传感器及操作器，在操作人员的遥控操作下或计算机的控制下，能够 完成一系列管道作业的机电一体化系统”1 。管道机器人有着广泛的应用前景”1 ，主要 涉及到医学、生物及基因工程、石油工业、核工业等多个领域。有些发电厂、核电站、 化工厂以及一些民用建筑的金属管道要进行损伤或障碍物的探测”，以提高这然管道 的寿命，防止泄漏等事故的发生。由于核工业、发电、化工行业对细小管道维护的需 要，管道机器人作为满足高效准确的故障诊断、检测及维修的手段应运而生”1 。在发 电、化工、制冷等行业中，存在着许许多多大小不一的微细管道，长期使用后，山于 腐蚀或机械损伤，会产生裂纹，严重时会破裂，引起泄漏，酿成重大事故。特别是核 电站、大型化工企业的热交换器以及一些重要设备，长年累月的使用会使其老化，形 成的积垢会堵塞和腐蚀管壁，引起核泄漏和一些有剧毒的化工气体或液体的泄漏，j “ 重威胁到人民群众的生命财产的安全。截至1 9 9 0 年，国内输油管道共发生大小事故6 2 8 次”1 。我国自行设计的秦山核电站，运行至今仍没有找到一个高效自动的方法对热交 换器管道进行彻底的检修”1 。统计表明，国内外核电站热交换器的管径，大致在 2 0 m m 3 0 m m 之间，一般一个热交换器包括2 0 0 0 多根u 形管道，不仅管道细长，而且 管道间距离也很狭窄。只要有一根传热管发生阻塞或破裂，就有可能导致核泄漏事故 发生。美国核管会的一份报告显示，美国4 8 座核电站中有4 0 座曾由于传热管的破裂或 浙江人学硕士学位论文 第一审绪论 阻塞发生事故1 。1 9 8 6 到2 0 0 0 年期间美国天然气管道发生事故1 1 8 4 起，造成5 5 人死r ， 2 1 0 人受伤，损失2 5 亿美元3 。在管道工业发达的美国、加拿大、英国及欧洲各幽均 制定了有关法规和技术标准。美国法令规定，定期用检测清管器对管道进行检查，以 防止管道事故的发生。 航空发动机叶片内部曲线型深细冷却孔的几何缺陷，给发动机装机动平衡测试会 造成极大的困难，特别是深细孔位置的微量偏移，就有可能造成叶片在某一个方向壁 厚的变化，从而对叶片强度甚至发动机运行带来可怕的安全隐患。汽车发动机。e 道 是影响其动力性能和降低噪声的重要因素之一，随着汽车和摩托车工业对发动机性能 和降噪要求的不断提高，目前的发动机气道形式多样、内部形状变化越来越复杂，而 且多数气道是自由曲面构造，由于精密铸造工艺等原因在实际生产中不可避免地会造 成制造缺陷，带缺陷的发动机一旦进入装配线将会严重影响产品的质量，因此，在发 动机制造过程中急需考虑气道等深孔( 腔) 的无损检测和质量评价问题。除了以上所 述叶片和气道检测问题以外，航空航天飞行器的输油管要承受大于5 9 甚至1o & d h 速度 的工作压力，油管中稍有缺陷，就会引起机毁人亡的灾难性事故。本课题的研究是针 对航空航天领域各种曲线型深细孑l 和管路类零部件的制造质量的定量评价而提出的， 特别是航空航天领域对丧4 造质量的商标准要求和对安全因素的考虑，同时其研究成果 的适用性也覆盖了汽车、摩托车和核动力工程的许多领域对于系统解决航空、航天、 船舶、汽车、摩托车等工业领域复杂曲线型微细孔和管路内部制造质量的定量检测和 评价问题具有重要的意义和工业应用价值。尤其是在世界朝多极化发展的今天，本课 题在军事领域的研究，使得检测设备能够进入传统技术所难以触及的空间，获取精确 的检测数据，对武器设备的生产质量从更细、更精的角度进行监控，提高武器设备的 性能，这对增强我国的国防实力具有非常深刻的意义。 目前，国内外管道机器人的研究成果很多，可是对生物体内狭小空间的检查珍断， 工业上热交换器及核电站微小管道内的检测、维修尚属空白，并极具吸引力。由于微 管道机器人受自身体积较小的限制，在结构和驱动方式原理上与常规的管道机器人有 很大的不同。在管道检测方面，通常的检测手段很难应用于微细管道的检测中，尤其 是内径在1 0 m m 以下的微细管道，必须研制出新型的驱动装置，检测方法和相应的检 测设备。 日本d e n s o 公司利用微波进行无缆供能，开发了无缆管道微机器人，可以用来检测 管道狭窄处的微裂缝“。在医学上，可以利用微机器人组成内窥镜系统进入人体内检 测进行手术“。德国科学家在1 9 9 9 年研制出仿蜗牛运动的基于蠕动运动机理的“机器 虫”，比火柴杆还细，可以检查和修复血管。科学家希望在将来的研究中可以给它安 装一个微型摄像机来检查人体内部情况，或者帮助医生进行心脏手术。2 0 0 0 年6 月， 瑞典科学家宣布研制成功了身高只有0 5 m m ，宽0 2 5 m m 的微机器人，外形类似人手臂， 有2 4 个手指，可以在血液，细胞液和尿液中自由运动，在某些分子的帮助下可以挑 浙江大学颂h 学位论文 第奇绪论 出特定的细胞或细菌，也就是说，医生可以利用它实现清理被脂肪阻塞的狭窄血管等 功能。 未来，微机器人技术的应用将主要集中在i t 和生物技术工程上，因此现在需要积 极发展微机械与信息、生物技术的结合。微机械在i t 、生物、医疗和工业等领域里的 潜在应用有：虚拟现实技术、激光计算机、微工厂、纳米级的微机器人的研制“。”1 。 1 1 2 国内外微机器人研究的现状。1 刚叫牝1 微小管道( 管径小于2 0 r a m ) 机器人研究虽然刚刚起步不久，但无论是在国内， 还是在国外都已经是研究的热点。美国、同本和欧洲一些国家已经从不同角度展”了 对微机器人技术的研究。日本在管道机器人方面的研究最为活跃和富代表性。f f 术通 产省自1 9 9 1 年度开始实施总投资2 5 0 亿f 1 元的“微机械技术”十年开发计划，该计划 中的三大应用目标中就有两大目标与管道有关，即制造出能进入工业管道检修的微型 机器人和能进入人体进行诊断和实行手术的微型机器人。从1 9 9 7 年到2 0 0 1 年，美国国 防部先进研究计划署每年投入的研究经费达7 0 0 0 l 万美元，其研究的主要工作集中在以 半导体制造技术为基础的微电子机械系统的开发上。我国对微小型管道机器人的研究 也相当重视，国家自然科学基会会、8 6 3 高科技研究发展计划和国防科工委都投入了不 少资金，在管道作业的微小型机器人方面的研究取得了很多进展，尤其是在微型驱动 装置的研究中成果显著，如上海交通大学信息存储研究中心研制出直径1 m m 的电磁型 微马达，上海大学研制出的惯 性冲击式管道机器人，广东工 业大学研制出的蠕动式管道微 机器人等等，但总体来说，我 困的微机器人研究水平尚处于 起步阶段，与国外的差距较大。 管道机器人的驱动源大致 有以下几种：微型电机、压电 驱动、形状记忆台金( s m a ) 、 外场驱动、磁致伸缩驱动、电 磁转换驱动等。 1 蠕动式管道机器人 广东工业大学借用仿生学原理 研制成结构独特、简单的微管 道机器人。机器人的运动由电 磁力驱动，如图1 0 1 所示初始 骡础器 揽雕2 s 2 ：1 霉功誊2 c 蹦懈龇 线删t 2拽i 剥t 二 t e 三三墨正 二了f x e 三三三 二三三墨夏王二 - - t i 。f 蚤三三习：广一 图1 0 2s m a 驱动的蠕动式微机器人 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 状态时线圈c 1 、c 2 、t 1 、t 2 分别通电，机器人的驱动器1 和驱动器2 ( 主体) 相互 吸合，普线圈c 1 掉电时，由s l 将机器人前部( 驱动器1 ) 向前推段位移；其它以 此类推。上海交通大学开发出使用s m a ( 形状记忆合金) 驱动的可在软管内移动的 蠕动式微机器人。1 0 2 图为其移动示意图。它由三个柔性单元体组成，每个柔性单 元体的两端是绝缘板，两板之间有三根s m a 元件，每根s m a 元件与中心点的连线 削成1 2 0 。夹角。两块板和三根s m a 用橡胶囊加以密封，囊中冲入空气。根据s m a 的形状日忆原理，当它升温时，s m a 收缩，柔性单元变得短而粗；当s m a 冷却后， 柔性单元恢复到细长状态。( 1 ) 机器人靠处于短粗状态的1 、3 单元，支撑于管内， 单元2 处于细长状态；( 2 ) 单元3 恢复细长，之后单元2 收缩成短粗状，单元1 与 管壁的摩擦力足够大而静1 。t ，因此微机器人的中心向左移动一段距离：( 3 ) 同理， 单元2 、3 处于短粗状态，1 单元细长，中心继续左移：( 4 ) 单元2 变细长，单元l 变短粗，微机器人向左移了一个步距，回复到初始状态。分别控制一个柔性单元中彳i 同的s m a 元件的伸缩可以使单元在空间三维方向实现偏转和弯曲，实现在弯管中的 移动。微机器人样机长9 0 m m ，在2 0 m m 的橡胶管中最快移动速度为1 5 m m m i n 。 2 外场驱动微机器人 通常情况下对微型机器人运动所需能量的供应方式有：通过引线供电或导管供气 ( 液) 压；自带电池；吸收外部的能量；前一种为有线方式，后两种为无线方式。有线 方式的优点是能量供应既方便又充足，所以目前被广泛采用：但对于应用在细小管道 和狭小空间等特殊环境下的微型机器人，如果采用有线方式供能，会使得微型机器人 的运动灵活性、移动距离和行走路线受到限制。由于目前还没有丌发出高容量的微型 电池，所以用电池供能，一方面会使机器人的尺寸增大，另一方面也无法满足长时间作 业的需要。如果微型机器人能对某一个外场敏感或者从外场吸收能量，那么它就可以 获得充足的能源，从而克服了有线和电池这两种供能方式的不足。 同本d e n s 0 公司研制出一种用微波驱动的金属管道探测微型机器人”，整个机器 人的外径为9 5 m m ，长6 0 m m ，包括r f 模块、控制电路、移动装置，c c d 摄像头，如图1 0 3 所示。微波接收电路将2 2g h z 的微波转换成直流电，再通过门电路生成锯齿波电压用 于驱动8 层双压电变形膜执行器，微波能量功率为4 8 0m w 。双压电变形膜在锯齿波r 乜压 的作用下，产生惯性冲击移动，即根据不同时刻静摩擦力大小与伸缩冲击力大小的比 较，实现在金属管道中的移动，其前后运动方向通过改变锯齿波波形来控制。 法国l i l l e 大学的p b a s s e t 等采用电磁感应电压驱动大步进静电微执行器无线 微型机器人”“。该系统的原理如图1 0 4 所示。接收天线为环氧基座上的2 4 um 镀会 空心微线圈，当工作频率为1 3 5 m h z 时，在1 k 的电阻上获得了1 0 0 v 的感应电压，然后用 此感应电压形成的静电场驱动静电微执行器。 3 足式管道机器人 德国西门子公司研制出仿蜘蛛的爬管机器人。其结构如图1 0 5 所示。这类机器人 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 0 3 无线管道检测微机器人 f 竺! f 娃产纠雌器卜 幽1 0 5 仿蜘蛛式爬管机器人 有4 、6 、8 只脚三种类型，可在各种类型的管内移动，其运动原理是利用腿推压管壁 来获得驱动力，多条腿可以很方便地在各种形状的管道内作业，对于管道的爿i 平度适 应性好。但其控制较为复杂，而且多腿结构能耗较大。 国内的太原理工大学研制成功管内脚式行走机器人如图1 0 6 。该机器人可在管内 双向行走，自动随管道弯度转向。该机器人由撑脚机构、牵引机构和转向机构构成。 撑脚机构由电机( 1 6 ) 、小齿轮( 1 5 ) 、齿圈及平面螺纹( 1 4 ) 、渭杆( 13 ) 、脚靴 ( 1 2 ) 组成。牵引机构由电机( 1 ) 、螺杆( 2 ) 、螺母( 5 ) 、拨销( 4 ) 、拨杆( 7 ) 浙江人学坝上学位论文 第章绪论 】8 图10 6 管内脚式行走机器人 和支撑杆( 9 ) 组成。转向机构由万向节( 2 1 ) 组成。当电机( 1 ) 带动螺杆转动时， 螺母受援杆的约束不能转动而沿螺杆轴向移动，固连其上的拨销( 4 ) 拨动拨杆( 7 ) 顺时针方向转动，由于脚靴( 1 2 ) 锁死在管壁上，支撑杆( 9 ) 不能向后运动，拨杆 ( 7 ) 通过销( 6 ) 带动支架( 3 ) 及其固连在( 3 ) 上的套筒( 1 1 ) 在筒体( 1 0 ) 内向 前滑动，同时通过万向节( 2 1 ) 拖动机器人的后单元( 此时后单元的脚靴在抬起状态) 向前运动，整个机器人前进。当脚靴( 1 2 ) 处在抬起的位置时，拨柯( 7 ) 通过支承 轩( 9 ) 推动简体在套筒( 1 1 ) 上朝万向节方向淆动，改变了腿的姿势。 4 惯性冲击驱动式管道机器人器人 为了使微型机器人结构简化，进一步提高微型机器人的可靠性，国外学者一直在 探索新的途径和方法，随着压电陶瓷及超磁致伸缩材料( g m m ) 的微驱动技术的发 展和成熟，使之应用于微管内移动机器人成为可能。 图1 0 7 惯性冲击式机器人 如图1 0 7 所示的惯性冲击驱动式微管内移动机器人，该机器人采用压电晶体作为微驰 动元件，压电微驱动器工作原理采用压电材料的逆压电效应，具有体积4 、，动态响府 频率宽，速度快的优点，驱动器的不足是输出位移小，输入与输出具有滞回非线性特 征，但利用其动态响应快，力输出大的特点便实现了微管道机器人的冲击式行走。 6 浙江大学颂士学位论文 第一章绪论 1 1 3 管道机器人无损检测的相关技术”3 j 叫3 5 管道机器人除了能够快速、准确进入管道内部以外，还必须对管道内部的情况， 如有无破损，有无堵塞等进行检测，并把相应的数据传输给计算机，使微机器人操作 员能够根据管道内部具体情况控制机器人进行一系列相应的搡作。 由于管道是物料传输的重要手段，因此对大多数管道内部的检测而占，只能采用 无损检测技术而不能采用破坏性检测技术。通常，管道无损检测技术可以分为如p 儿 种： ( 1 ) 目视法( v i s u a l t e s t i n g ) 日视法又称为可视化法检查，通过肉眼和借助一些简单工具如放大镜来检查，他 使用设备少，但只能检查外部即表面状态的缺陷，并需要一定的经验知识。 ( 2 ) 射线法( r a d i o g r a p h i c ) 常用放射线有x 射线或v 射线，检测时，射线靠近试样，由胶片捕捉到穿过物体 材料的射线，胶片经过处理得到图像，进而对图象进行分析得出结论，并可获得永久 记录供日后再次检查。射线法检测对管道焊缝中的气孔、夹渣、疏松等体积型缺陷的 检测灵敏度较高，对平面型缺陷( 如裂纹) 垂直时就很难检测出来，只有当裂纹与射 线方向平行时才能对其进行有效的检测。射线法在复合材料的检测中得到大量的应 用，但存在放射危险、不安全、设备成本高等缺点。 ( 3 ) 超声波法( u l t r a s o r i l et e s t i n g ) 超声波具有灵敏度高、穿透力强、探伤灵活、效率高、成本低、对人体无害等优 点“，利用超声波在介质中传播的性质来判断工件、材料的缺陷和异常，能可靠进行 内部探伤并准确定位。它对平面型缺陷十分敏感，一经探伤便知结果：穿透力强，埘 于同种钢材而言，超声波大约是3 m ，而射线仅为5 0 c m 。超声波法对管道内壁状况要 求较高，如有污垢等将严重影响检测精度。只有当缺陷尺寸大于超声波波束时，缺陷 爿能被检测出来。超声波检测装置可检测的最小缺陷长度为1 0 m m ，当缺陷长度达到 2 0 r a m 以上时，其检测精度高。超声波检测适用子厚壁管道检测，且检测精度高。不 过它对检测介质敏感，要求的检测介质是均匀流体，对不规则缺陷而言，将出现多次 反射回波，故检测准确性差，因而对检测信号的识别及缺陷定位提出了很高的要求。 目前，管内超声波技术的发展方向主要有两个方面：方面是减少超声波探头直径， 降低各探头间的周向间距，以大大提高对细小缺陷的检测精度；另一方面是提高对伪 信号的识别麓力。提高检测精度。新兴的超声导波技术可以克服传统超声波检测中逐 点检测的缺点，提高效率。超声波的本质是机械振动，在扰动源的激发下产生，并通 过介质传播，因而，它既携带扰动源的信息，同时又包含介质本身的特征。超声导波 技术是利用管中的几何效应在管道中激发导波来检测管道的状态。管道超声导波技术 浙江入学硕p 学位论文 是目前管道无损检测的热点。但是由于导波的多模和频散特性，到目前为止，超声导 波在管道中传播及散射的特性仍未完全理解，其实际应用很不方便。 ( 4 ) 涡流法( e d d yt e s t i n g ) 1 8 7 9 年英国人休斯采用涡流法对不同金属进行了测试，但由于理论和设备研制存 在很多问题，未能引起足够的重视。1 9 5 0 年德国福斯特等提出的新理论为分析涡流原 理和设备研制提供了依据，涡流检测技术进入实质阶段。我国从2 0 世 e 6 0 年代丌始涡 流技术的研究工作。我国与国外的差距较大，但研制了自己的产品，如y y - 1 1 ，厦门 的f 2 2 ，有色总公司的n e 一3 0 。8 0 年代末期厦门推出了e t 3 5 5 系列多频涡流管材探 伤仪。远场涡流无损检测技术是目前发达国家普遍重视的无损检测技术。8 0 年代中期， 美国、加拿大、同本等发达国家才开始研究、开发远场涡流无损检测技术。浚技术同 前仍处于发展的起步阶段，还有大量的理论问题、工程应用问题有待研究解决。远场 涡流无损检测技术有许多优点，如：检测结果可以直接用电信号输出，因此可以方便 地进行自动化检测；由于采用非接触式的方法，检测速度快；适用于表面缺陷的检测； 特别适合管材、线材的检测，与传统的漏磁法、渗透法等作比较，具有简单、使用方 便、消耗品费用少的优势：安全，防护简单。但该技术也存在不少有待解决的问题， 例如：只适应于金属管道的检测：对于小的厚壁金属管道的检测效果较好，对于导磁 材料的检测效果不好；对形状复杂的试件很难应用；对表面下较深部位的缺陷还小能 检测；目前还很难依据检测信号来判断缺陷种类。资料表明远场涡流无损检测技术的 缺陷特征与缺陷分类研究还几乎处于空白状态。 ( 5 ) 磁性检测法( m a g n e t i ct e s t i n g ) 漏磁法利用铁磁材料的高磁导率特性实现检测目标【7 8 】。基本原理是利用外加磁场 磁化被测铁磁性材料，这样管壁圆周上产生一个纵向磁回路场。如果管壁没有缺陷， 则磁力线封闭于管壁之内，均匀分布；如果管内壁或外壁有缺陷时，磁导率变化使磁 力线弯曲畸变、磁通路变窄；部分磁力线将穿出管壁，从而产生漏磁现象，通过检测 泄漏磁场信号就能判断是否存在缺陷。采用磁敏元件检测磁场的畸变即可获得有关缺 陷信息。由于磁场信号不受被测材料表面污染状态的影响，检测时被测材料表面不需 清洗，因此，检测效率高。对材料表面、近表面、内部裂纹以及锈蚀等缺陷信号检测 能力强，但局限于铁磁性材料的检测。漏磁信号和缺陷之间是非线性关系，管壁受损 情况需通过检测信号间接推测，因为在检测时，漏磁信号易受到管壁缺陷的长度、深 度、及缺陷的形状等因素的影响。漏磁检测的精度和管道的壁厚有关，管壁越厚，精 度越低。另外，漏磁检测的数据需要庞大的存储介质。 ( 6 ) 光学检测方法 传统的光学检测中光测信息源是一幅图像或图像序列。对图像的处理主要是山人 工进行的。例如，直接在照片上用直尺、角规进行测量；或者用投影仪将胶片放大到 屏幕上再对目标进行判断测量，这种人工的方式不但需要专门的设备而且效率低、容 浙江人学硕十学位论文 第一章绪论 易出错，从而限制了光学技术的应用。现代的基于光学的微细管道检测技术要处理的 数据通常为管道内壁的数字图象。浚技术依据管道图像信息实现检测目标。因此，数 字图像处理技术是基于光学的微细管道检测技术的重要组成部分。现代光学测量技术 与传统的光学测量技术相比有以下几个优点：高图像质量、高测量精度、可以测量传 统方法不易测量的物理量、可以对成像系统进行高精度标定和误差修币、自动化程度 高、效率高。从测量方法上，光学非接触测量法可以分为两类：一种是被动法，如利 用图象的纹理、光流等信息，一般用于对三维g t 标的识别、理解和位置分析；另一种 是主动法，采用照明的方式来间接得到光场中携带的物体信息，该信息一般表现为图 像信息，主动法具有较高的测量精度。基于光学原理的管道无损检测技术一般采取主 动法，其中有摄像法、激光三角法、激光光源投射成像法、光线反射法等等。在国内， 上海大学对国产的微d 、c c d 摄像头的分辨能力进行了实验验证。根据管道内照度极低 的实际情况，探索了用红外发光二极管作为照明光源，实验了c c d 和j 用该光源在黑暗 处的分辨能力”。 ( 7 ) 利用智能材料的管道无损检测 随着智能材料的发展，使得无损检测技术有了新的进步，出现了一些智能材料结 构概念下的薪方法新技术，知基于振动和波动理论的压电高频阻抗技术和应力波技 术，基于光波导理论的光纤传感技术等，使得实时在线主动监测和控制容易实现。如， 应力波技术的基本思想是：将压电片与结构材料相结合( 粘贴或浅埋) 通过压电激振 器在结构材料中激发脉冲应力波，应力波在传播时与结构微缺陷或损伤相互作用并经 界面多次反射和波形转换后，到达结构中其他位置的压电传感器，通过对输出信号的 分析，提取反映结构材料对于瞬态脉冲波传播效率的应力波因子s w f ( s t r e s sw a v e f a c t o r ) ，以此来表征结构因损伤而引起的机械性能( 刚度、强度等) 变化。 当检测要求比较高时，管外检测有时不能满足要求。在机械工程等设备中厂泛使 用的深孑l 类零件，如油缸、气缸、各种管道以及兵器中的火炮管身等等。以火炮管身 为例，其内径在2 5 1 6 0 m m 范围内，长度可达l o r e 以上。其检测的参数不仅有圆柱度 和内表面形廓，而且还有轴线挠度、内表面的缺陷以及膛线的缠度缠角等。目前国内 外对深孔测量较先进的方法一般是让一个微机器人携带着各种传感器在深孔内行走， 对深孔的各种参数进行测量。本文研究的微机器人测控系统就是采用这种“ 微机器人 驱动器携带检测装置进入微细管道内部的方式对微细深管进行检测的。 1 2 系统总体结构及功能介绍 本文研究的微管道检测机器人源于国家8 6 3 项目空间曲线形微细深孑l 和管路的 潜入式无损检测与三维重建技术。该检测系统的功能是实现对l o m m 空间曲线形微 浙江大学硕j 一学位论文 第一章绪论 图1 ，0 8 系统总体结构框幽 图1 0 9 用户操作界面 细管道内壁的无损检测，同时能把被检测的管道在计算机内实现三维重建。要实现以 上的这些功能，需要完成以下这些工作：( 1 ) 微机器人驱动器的研究：研制出能满足 内径为1 0 m m ，管道曲率半径不小于l o o m m 微细管道爬行要求，驱动能力强，能够 携带较大负载的驱动器。( 2 ) 研究与开发深细孑l f i n 管路内轮廓成像技术与设备单元。 ( 3 ) 研究与开发逐级递推全程定位技术，该项技术的研究主要涉及到，微细管道中 心线曲率的测量和微机器人在微细管道中爬行距离的测量。( 4 ) 深细孔和管内轮廓三 维重建与显示技术的研究。 本微机器人检测系统的总体结构如图1 0 8 所示上位机由一台工业用计算机构 成，负责对整个系统的总体控制，实现计算机和用户之间的交互，人机交互界面如图 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 u 9 所不。 通过r s - - 2 3 2 接口，把用户的操作指令传送到下位机系统，下位机系统由8 9 c 5 1 单片机系统构成。5 1 系列单片机以其优越的性能，成熟的技术及高可靠性和商性能 价格比，已经成为国内单片机应用领域的主流。在下位机系统中，把从上位机接收到 的指令进行分析后对现场设备实施控制。下位机系统主要由微机器人驱动控制甲元、 检测控制单元、通信单元组成，机器人驱动控制单元负责依照指令，产生驱动压电陶 瓷电源的驱动信号并读取微机器人爬行的步数以测得微机器人爬行距离；检测控制单 元实现对形貌检测器和曲率检测器的控制和驱动，根据检测要求的不同对检测器采取 不同的驱动方式、驱动参数和实施相应的控制。管道内轮廓截面形貌数据，管道中心 线曲率数据通过信号放大和处理单元后由数据采集卡对其进行二次滤波，a d 转换后 存入计算机以备计算机处理。 现场设备如图1 1 0 所示，单元1 、5 ，是层叠式压电陶瓷微驱动器，其功能是实 图1 1 0 微机器人系统现场设备 现带动整个检测装置在管内前后运动：单元2 为形貌检测装置，其功能是实现对管道 内壁的形貌进行检测；单元3 位移检测装置，其功能是实现对机器人在管道中爬行距 离的实时检测；单元4 为曲率检测装置，其功能是实现对管道中心线曲率半径的实时 测量。 1 3 论文研究的内容及论文的组织结构 本文主要的研究工作为：( 1 ) 微检测机器人爬行控制；( 2 ) 管道内轮廓形貌检测 器和曲率检测器的控制、驱动、以及检测信号的处理；( 3 ) 分析了数据采集过程中噪 声产生的原因并给出了解决方法，着重讨论了位嚣敏感器件( p s d ) 的在本系统中的 浙江人学硕1 l 学位论文 第一章绪论 应1 日； 以及对暗电流和背景光的处理，研究了消除p s d 暗电流及背景光的有效方法，大 大提高了检测的精度和效率。本文的结构图如下 第一章绪论 论述本课题的舡用背晷、目1 ：究意义：国内外微机器 罂 动技术以及无损检测技术研究的进展：介绍本课题研究的空 i 问曲线形微细管道检测机器人测控系统的总体功能干u 结构。 弋夕 第i 章微机器人驱动器驱动电路的设计 分析微机器 鹱动器的致动原理、介绍本实验室设计的 微机器人驱动器的机械结构；微机器人驱动、控制及位移检 测电路。 之乡 第三章曲率检测器的数据采集及其处理 种蠹篙锫戮溉饩蓼窖滚譬豫卤i o 镘吾像巍器铬锋瓷 的措除方法；曲率检测嚣的驱动、控制以及检测信号的处理 电路。 之乡 第四章形貌检测器的数据采集及其处理 形貌检测器的工作原理、特性i 形貌检测器的驱动、控 制以及检测信号的处理电路。 乡 第五章总结与展望 对全3 3 进行总结，提出有待进一步研究和解决的叫题 【本章小结】本章阐述了微机器人技术研究的意义，对国内外微机器人技术研究的进 展予以了介绍，介绍了本论文的组织结构。 浙江人学颂 j 学位论文 笫二章微机器人驱动器挣制、驱动电路 第二章微机器人驱动器控制、驱动电路 【内容提要】本章将介绍压电材料的物理性能，层叠式压电陶瓷驱动器的物理模型， 讨论了驱动电压的幅值和频率对驱动器驱动能力的影响，研究了层叠式压电陶瓷驱动 器电路的设计方案。 2 1 层叠式压电陶瓷惯性冲击型微机器人驱动器的工作原理及 结构 图2 o l 压电效应示意圈 本文研究的微机器人驱动器是通过压电陶瓷的压电效应把电能转换成机械能来 实现对微细管道检测装置的驱动。众所周知，1 8 8 0 年居罩兄弟发现了压电效应：当 晶体受到张应力、压应力或剪应力作用产生形变时，晶体就会显示出极化或产生电场， 孝孝 浙江人学硕士学位论文 第二章微机器人驱动器拧制、驱动l u 路 这就是压电正效应。反之，在晶体上加上电场引起极化时，晶体就会产生应变或应力， 这就是压电逆效应。如图2 0 1 所示，压电效应一般可以综合为四种类型：( 1 ) 垂直 于电轴方向的( 长度伸缩) ，简称为l e ：( 2 ) 平行于电轴方向的伸缩( 厚度伸缩) 简 称为t e ；( 3 ) 垂直于电轴的平面切变( 平面切变) ，简称为f s ：( 4 ) 平行于电轴的平 面切变( 厚度切变) ，简称为t s 。 我们正是应用了第一种类型的压电逆效应垂直于电轴方向的伸缩( l e ) ，研制 了本文所介绍的微机器人。如图2 o g 是微机器人驱动器的工作原理图，微机器人驱 动器由变形体、质量块、和撑脚三部分组成，变形体由具有压电效应的压电陶瓷构成。 在变化的电场的作用下，变形体可以实现伸长和缩短变化。当变形体慢速伸长时，由 于撑脚与管壁的摩擦力大于质量块保持原有运动状态的惯性力，质量块向前移动。但 当变形体伸长到一定程度后突然收缩，质量块保持原有运动状态的惯性力远远大于撑 脚与管壁之间的摩擦力，撑脚向前滑动。由此，实现一步向前移动。如果变形体的变 形速度变化顺序相反，则可以实现一步向后移动。显然，决定该机构是否具有良好驱 动性能( 包括运动速度、承载能力) 的关键是如何设计和配置系统各部分参数，如钹 形压电复合片的钹深、驱动电压的周期、波形、层叠压电片数量的多少等等，这蝗参 数对于微机器入在管内的驱动性能将有着很大影响。 图20 2 微机器人 间 图2 0 3 钹形压电驱动器结构图 根据文献报道，基于惯性冲击原理的微机器人驱动器的变形体主要有压电堆和组 浙江人学硕”。l 学位论文 第一章微机器人驱动器挣制、驱动f 乜路 合式压电双晶片两种。通过刈各种具有呵控变形特性的智能材料及相关结构的分析研 究，我们发现如图2 0 3 所示的钹形压电驱动器具有比压电双晶片j 压电堆等更好的 综合驱动性能，同时控制、制造更为简单。”3 。钹形压电复合片由d 3 l 模式的圆形压电 片和两片钹形弹性金属片粘合而成。通过压电片的径向形变转化成钹形弹性会属膜片 的轴向变形。这种机构弥补了压电叠堆驱动器输出力大位移小以及双压电复合片输出 位移大而输出力小等缺点，而且机构简单、紧凑、易于微型化。 图2 0 4 微机器人驱动器实物国 图2 0 4 是微机器人驱动器的实物图，该微驱动器由质量块、组合钹形致动器、 弹性撑脚和牵引杆四个部分。其中，牵引丰t 上有螺纹，用于和管道检测设备相连接。 该微机器人驱动器的直径为由8 m m ，长度约为3 0 m m 。 2 。2 驱动电路 出上一节对钹形层迭式压电陶瓷微驱动器工作原理和结构的分析中可以看出，微 驱动器的驱动电源对于微驱动器的驱动性能将会起到很大的影响。特别是机构的动态 使用特性，很大程度上取决于驱动电源的动态性能，因此，压电陶瓷驱动电源技术已 成为目静压电陶瓷驱动器应用领域中的关