（机械电子工程专业论文）楼房自来水管道探测机器人总体设计.pdf

上海大学硕士研究生毕业论文 摘要 随着直饮水的推广，人们要求洗漱，烹调等与人体直接接触的生活用水也能 达到饮用水标准，但旧有楼房的自来水管道大多为镀锌管，内壁容易锈蚀而对水 产生二次污染。从经济因素考虑，对旧有管道的改造主要为在管道内壁进行除锈 和喷涂处理。由于管道口径小，弯管处曲率半径小等，目前只能通过截取样品管 道进行抽样检查的方法来判断管道的喷涂效果，这种方法在可达性，实用性和有 效性方面存在问题，其缺点主要表现在以下几点：1 、多处破坏性，要做修复。2 、 检查不方便。3 、有些缺陷查不到。本课题研究的楼房自来水管道机器人有望能 够进入管道内部，通过携带的视觉系统，快速直观的获取管道内部喷涂的效果。 本课题的主要内容是通过对现有的小型管道机器人的方案进行分析总结，针 对本机器人行走环境的相关特点，提出相应的驱动方式，以及相关的机械结构。 通过对机械进行运动学分析以及几何学分析，可以得到机器人能够在相应的环境 下工作。 本论文主要分为以下六个部分。第一章主要讲述了本课题的研究意义，以及 国内外的发展概况，提出了本课题自身的特点。第二章针对可能方案集中进行分 析，并确定最佳可行方案。第三章对方案进行几何建模，对机器人进行几何上的 通过性分析，得到机器人的总体尺寸，并进行了导向装置的机构设计。第四章对 形状记忆合金( s m a ) 转弯驱动器进行了设计，并对s m a 的驱动方法进行了研 究。第五章主要内容为机器人的力学通过性分析，及上位驱动结构的设计。第六 章对本课题进行了总结，并提出展望。 关键词：管道机器人水管修复检查机构s m a 柔性驱动 v 上海大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t c o n s i d e r i n go fh e a l t h , p e o p l eh o p et h ew a t e ru s e di nw a s h i n ga n dc o o k i n gi sa s h e a l t h ya sd r i n k i n gw a t e r s i n c en e wt e c h n o l o g i e sa r ei n t r o d u c e di n t ot h ew a t e r p u f f l y i n g , t h ew a t e rf r o mw a t e r w o r k sr e a c h e sh e a l t h ys t a n d a r d s h o w e v e r , i tg e t s p o l l u t e dw h e ni tf l o w st h r o u g h t h et a s t yp i p e l i n e s p i p er e n o v a t i n gi st h ec h e a p e s ta n d m o s tc o n v e n i e n ts o l u t i o nt os o l v et h i sp r o b l e m t h em a i np r o b l e mt u r n st ot h e d e t e c t i o no ft h ee f f e c to fr e n o v a t i n g t h em a j o rc o n t e n to ft h i sp a p e ri st od e s i g na r o b o tw i t l lac a n l e r aw h i c hc a l lc l i m bi n t ot h ep i p ea n di n s p e c tt h es u r f a c eo ft h ep i p e i n s i d e t h er o b o ts h o u l dw a l kf o ral o n gd i s t a n c eu pt ol o mw i t hr e a s o n a b l es p e e d ， w i t ht h ea b i l i t yt o g e tt h o u g hs e v e r a lt u r n i n g s ，a n dt ow a l kf r e e l yi np i p ew i t h c h a n g i n gr a d i u so f 4 8 - 5 6 m m t h i st h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w s c h a p t e rii n t r o d u c e st h ea c t u a l i t yo ft h e i n - p i p er o b o t s c h a p t e ri io u t l i n e saf e a s i b l eo fp i p er o b o tw i t l lo u t s i d ed r i v e n m e c h a n i s m ss t e e r i n gh e a do fs h a p em e m o r ya l l o y ( s m a ) a n a l y z i n gt h ed i m e n s i o n c o n d i t i o no ft h er o b o ti np i p e ，c h a p t e ri i id e s i g n st h es t r u c t u r eo ft h et u r n i n gp a r t s m at u r n i n gi sa d o p t e d t h ec o n t r o lp r i n c i p l ei si n 扫o d u c e di nc h a p t e ri v c h a p t e rv a n a l y z e st h ed r i v i n gf o r c e ，a n dd e s i g n st h ep o w e rt r a n s p o r t i n gp a r t t h el a s tc h a p t e r c o n c l u d e st h ec h a r a c t e r i s t i co f t h er o b o tc o n f i g u r a t i o nd e s i g n a n dp o i n to u tt h e f u t u r e j o b s t h ed i s t i n g u i s h i n gf e a m r eo ft h i sr o b o t sc o n f i g u r a t i o nd e s i g ni so u t s i d ed r i v e n m e c h a n i s m , w h i c hm a k e st h es e l e c t i o no f t h em o t o rf l e x i b l ea n ds i m p l i f i e st h ed e s i g n o f m e c h a n i cp a r ti n s i d et h ep i p e a n dw i t l lt h es m a t u r n i n gd r i v e r , t h er o b o tc a nw a l k t h o u g ht h et - t u r n i n ga n dl - t u r n i n ga c t i v e l y i nt h ef u t u r e ，f u r t h e re x p e r i m e n t sa l es t i l l r e q u i r e dt oi m p r o v ei t sf e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：i n - p i p er o b o t , m e c h a n i s mf o rr e c o n d i t i o n i n g i n s p e c t i o n ，s m a ，f l e x i b l ed r i v i n g v i 上海大学硕士研究生毕业论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特另, l j j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：越趁! 鱼e t 期：鬯! ：墨! 兰j 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：塑搀塑导师签名 日期：竺! ：1 2 2 上海大学硕士研究生毕业论文 1 1 引言 第一章绪论 随着人们生活质量的提高，人们对水质的要求也越来越高，从健康的角度来 说，要求洗漱，烹调等与身体直接接触的用水也要求达到饮用水的标准。目前自 来水厂在加大研发力度后，处理后的水质已经完全满足饮用水标准。但是由于传 输过程中的二次污染，到达用户家中的水质一直无法得到实质的提高。对新楼房 的水管可以采用新材料避免二次污染，而旧有楼房的金属管道由于拆旧装新的成 本太高，因此把重点放在了对水管的改造上，目前来说，对于大口径的水管，主 要采用内衬工艺，而对小口径的楼房自来水管道的改造主要是对管道进行除锈和 内部喷涂处理。目前的难点在于管道喷涂好之后如何准确的判断管道内部的喷涂 效果是否已经符合要求。 1 2 课题研究的目的和意义 1 2 1 管道直饮水概念 管道直饮水是指以城市自来水为水源，经过净化水设备进行深度处理，去除 水中的有机物、细菌，病毒等有害物质，保留对人体有益的微量元素和矿物质， 再通过优质管材，送入用户家中可以直接饮用的水【l 】【2 】【3 1 。发达国家如美国，加 拿大等从8 0 年代就开始推广管道直饮水。在中国，管道直饮水尚有一个漫长的 历程要走，在加大了对自来水厂的改造和水净化工艺之后，从自来水厂出来的水 已经达到了饮用水的标准，新建楼房采用p v c 管材能够有效的避免水质的二次 污染，但是在旧有楼房的8 5 管道采用镀锌，钢管等金属管材，在使用过程中 由于管材的老化，锈蚀，使得自来水经管网输送和楼宇蓄水池二次供水产生水质 的二次污染【”。 直饮水的推广，是现代社会人们追求高品质生活的必然结果。美国、加拿大 等发达国家对可饮用水( p o r t a b l ew a t e r ) 的定义：符合政府水质标准，能直接用 上海大学硕士研究生毕业论文 于饮用、烹调、沐浴和食品加工的水；非饮用水( n o n - p o r t a b l ew a t e r ) 的定义： 人们偶然消费而不至造成危害。非饮用水，在家庭中只用于冲洗卫生洁具、浇花、 洗地、洗车。美国著名水专家、营养学家马丁福克斯博士多年来研究的结果表 明：人体从水中吸入有害物质，有1 3 是经口摄入的；1 3 是在沐浴时经皮肤吸 收的：l 3 是在洗涤清洁时吸入的【4 】。b r o w n 等研究了皮肤对水中挥发性有机物 的吸收，按成人饮水量2 升天、婴儿饮水量1 升天、沐浴耗水量4 0 9 5 升天计 算，淋浴时三氯乙烯的呼吸摄入量是饮水时口腔摄入量的数倍【5 】。科学研究表明， 人类的自然年龄为2 7 0 岁左右，但由于机体功能过早的病化退化，不能正常地 “喝”水，或由于长期“喝”脏水，导致人仅能活到七八十岁。由上可知从健康需求 和使用心理出发，生活饮用水部分所占比例应达到总用水量的5 0 。仅仅改善专 供解渴用的2 l 水的水质，不是完善的供水方式。人不仅要“喝”足够的水，而且 要“喝”高质量的水【3 】。 发达国家的水管网均采用分质供水系统：饮水、生活用水合为一体，来自自 来水供水系统；另设管网系统用于低质水、中等质量水或海水传输，用于冲洗卫 生洁具、清洗车辆、园林绿化、浇洒道路及部分工业用水等。在国内，绝大部分 家庭中多采用桶装饮用水专供少量的饮水需要( 每人每天2 l ) ，部分地区也实现 了“分质供水”、“小区直饮水”，但它只考虑自来水中的1 一2 饮水部分水质达 标，而对日常烹饪与沐浴等生活必需用水视而不见【3 o 1 2 2 课题研究的意义 目前，国内的大中城市已经开始逐步开展直饮水计划。为了满足广大市民对 高品质生活的追求，同时迎接2 0 1 0 年在上海召开的世博会，上海市计划在2 0 1 0 年前与国际接轨，实现自来水直饮。针对旧有管道的改造是实现管道直饮水至关 重要的一步。上海自1 9 9 9 年1 0 月起逐步淘汰镀锌钢管，市建设委员会通知凡新 建楼宇禁止使用镀锌钢管给水。这一决策解决了新建楼房供水管道的二次污染问 题。原有的居民区和建筑供给水管则随着使用年限的增加而锈蚀( 如图1 - 1 所示) ， 对自来水的输送产生了严重的二次污染。给水系统中输水管具有的特点是：管线 总量大；管网密度高；管线分支多；管线曲折度大；管道竖排多；管道口径小； 易阻塞；流量损失率高。因此传统的拆、排管方法，改造工期长，成本高，而且 2 上海大学硕士研究生毕业论文 直接涉及千家万户，施工难度大，这就使许多老管道难以加快改造步伐，这使得 输水管改造工程不单纯是经济问题，而且受社会，市民的牵制较大，所需投资十 分巨大。 图卜1 锈蚀自来水管道图l - 2 小口径自来水管道处理 由于对旧有管道的改造比拆换管道更为经济，快捷，9 0 年代末我国已经开 始了旧有自来水管道修复的研究。在大口径的给水管上，通常修复和翻新技术主 要为p e 管的内衬技术【”。内衬技术主要有滑衬技术和无缝衬装两种，利用这种 方式能修复大部分管材的旧管，这两种方式各有优缺点c 引。滑衬技术中p e 管可 修复的管径范围一般为1 0 0 一1 6 0 0 r a m ，特点在于可以不依赖外部旧管独自受力 而保证结构的完整性，施工速度快，内表面光滑。而无缝衬装技术适应的管径： 1 0 0 一1 0 0 0 r a m ，具有1 0 - - 6 0 0 r a m 变形，对技术要求较高，同时对截面积变化情 况需要精密计算，变形后的恢复困难 9 l 。这种管道在修复之后，已经有成熟的检 测方式，比如变频选频法，包覆实验，馈电实验等，并可对修复管道采用阴极保 护来延长修复层的使用时间。 由于技术问题，不能采用内衬的方法对多变径以及多通管道【8 】的楼房的小口 径自来水管进行改造。针对这种情况，自来水公司采用了针对d n l 5 m m - - d n l 5 0 m m 的小口径管道的清洗和喷涂技术来实现旧管道的改造。这种工艺修复 的核心工序有两个，研磨和涂衬。通过采用高压旋转空气压送研磨材料，形成固 定两相气流，在高速转气流作用下，研磨材料高速旋转去除管道内部锈垢。清洗 干净后，利用高压气流压送环氧树脂涂料，形成气液两相进行涂衬，涂料固化后， 形成坚实涂膜。这种方法不需破坏路面、墙面、建筑结构、建筑装潢，便可清除 深埋在地下、建筑物内的、转弯抹角、上上下下的各类管道内壁的水垢，水锈并 涂膜强化。它克服了振动法除垢，除锈不彻底的缺陷；而且避免了化学法的酸性 3 上海大学硕士研究生毕业论文 清洗液对管道的腐蚀破坏及排放有害气体对环保产生的负面影响；解决了机械法 只能从事大口径管道作业，无法对小口径管道作业的问题【1 0 】。同时，这种方法 施工耗时短，只需要短时间内临时驳接其它水管就可以实现对旧管道的修复，如 图1 - 2 所示。但是，目前由于缺乏有效的探测工具对修复后的管道进行喷涂效果 的检测，因此无法获得快速方便的喷涂效果评估。目前使用的评估方法是对喷涂 管道进行样品局部截取，对截取的管道进行检测，这种随机抽样检测的方法，缺 乏严密性和科学性，而且还存在以下几点问题：l 、多处破坏性，要做修复。2 、 检查不方便。3 、有些缺陷查不到。本课题就是要设计一个管道内壁探测机器人， 有望对管道内部情况进行检测，获得直观快速的检测结果。 1 2 3 应用前景 本机器人针对楼房小口径自来水管道检测这个应用背景而设计，有着巨大的 应用潜力。中国的城市配水管网随着城市的发展，已经走过了上百年的历程。城 市长期发展的不可预见性、给水管网及道路的自身特点、管材质量、施工中的技 术水平、接头处的管件连接方式、管网的腐蚀、当地的地质活动等诸多因素，使 得目前城市的给水管网除了不断新建外还必须对原有管道进行持续的更新、改 造。据报道，中国上海已经成为世界的第三大供水城市，从整个国家来看，中国 的自来水管网的庞大和繁复，为这个管道机器人提供了很好的应用前景。 1 3 管道机器人国内外研究概况 由于管道修复的经济性，旧有管道的改造主要采用修复的方式，因此管道探 测机器人具有广阔的应用前景。目前，国内外很多研究机构都在进行管道机器人 的研究，并且取得了一定的研究成果，有些已经能够进行实际的探测应用，下面 介绍国内外管道机器人的研究现状。 1 3 1 国外研究概况 1 ) n k k 照像检测清管器 图1 3 为n k k 公司所研制的管内检测清管器，主要应用于施工现场的内涂 4 上海大学硕士研究生毕业论文 层检测。其摄像机装在检测清管器的后部，配有频闪电源和广角镜，能自动旋转， 把焦点对准管壁四周的任何部位，可按预调的间隔时间拍照，可拍照检测清管器 后面的管道全景。具有一定距离的测量能力，可准确地确定照片的位置。 图1 - 3n k k 照像检测清管器结构原理 2 ) 韩国研发的m r i n s p e c t 川1 2 胂1 ( m u l t i f u n e t i o n a lr o b o tf o r i n - p i p e i n s p e c t i o n ) 系列产品，目前最新的型号为型。本机器人的应用管径为4 英寸。 它的车体及其尺寸如图1 - 4 所示，整个车体可以适应8 5 1 0 9 m m 的管道。 图l - 4m r i n s p e c ti v 的外观和结构简图 图1 - 5 小车弯道通过性图示 该机器人的特点在于它能够在上位机的控制下顺利的通过l 和t 型管道，并在 上海大学硕士研究生毕业论文 通过t 型交叉口时具有良好的导向控制。它从以下十种试验方式中验证了它在管 道内的通过性，如图1 5 所示。在不用过多考虑重力的作用，姿态和运动方向等 相关因素的条件下，证明了m r i n s p e c ti v 几乎能够通过各种构型的管道。 3 ) 日本：自主移动管道机器人【1 4 1 图1 - 6 管道内移动机器人轮廓简图 该机器人为两段式小车，由机器人本体，c c d 系统、机器人微控制系统和在 地面控制的上位主机构成。机器人单元体行走机构由圆周分布的四个车轮构成， 如图1 6 所示。通过位于前部的机器人视觉判断出管道的形状( l 或t ) ，本管道 机器人能够通过垂直管道，在l 型转弯处的稳定性也较好。主要参数如下： 机器人直径：1 1 3 m m ( 小范围变径，8 5 1 2 0 m m ) ；长：1 0 7 m m ；重量：5 2 0 9 ： 每个单元车轮个数：4 ；车轮直径：2 5 r a m ；马达最大力矩：o 6 n m ；启动力矩： 0 0 3 3 k g m 4 ) 德国：基于触觉传感器的管道爬行机器人【”1 神 图1 7 管道爬行机器人进入弯管的侧视图和俯视图 该机器人主要特点在于采用了基于力扭矩传感器的触觉传感系统。这种传感 系统的优点是能对力和关节的负载分布进行优化，从而更可靠的避免了机器人行 6 上海大学须士研究生毕业论文 走时滑移带来的危险。通过单腿测验，接触定位的估计值的最大误差为9 度( 在 既不依赖接触点也不依赖接触力的方向的条件下) ，实验证明能够优化t u m 管 道爬行机器人的力分布系统。结构示意如图1 7 所示。 5 ) 比利时的管道机器人【1 6 】 该机器人的整个躯干由三部分通过万向节连接而成，其中第一部分为带倾斜 轮的转子，第二部分包括马达和减压器，第三部分带轴向轮的定子以及能源供给 和通信。能够通过直径为4 0 m m 的管道，通过能够通过曲率半径大于等于1 1 0 m m 的弯道。其结构示意如图1 8 所示。 图1 - 8 d - 4 0 机器人外观 6 ) 日本东京工业大学管道移动机器人“t h e s i 、i i i ”系列1 _ 7 】 该系列机器人如图1 - 9 所示，行走环境为光滑的煤气管道中。t h e s - i 、的适应 管径为5 0 m m ，其中t h e s i ，具有负载检测系统，能够在阻力增加时增大推进力。 t h e s i i 通过微型马达驱动弹簧发条来直接产生较大的推进力，能够行走于光滑 的小曲率半径的管道。t h e s i i i 的适应管径为1 5 0 m m ，内置的传感器能够检测每 个行走轮相对于管道中心线的倾向角，并通过反馈控制来保证机器人的行走姿 态，从而顺利的通过弯曲的管道。 ( a ) t h e s - i 机械结构 7 ( b ) t h e s - i 上海大学硕士研究生毕业论文 ( c ) t h e s i i 机械结构 ( e ) t h e s i i i 机械结构 ( d ) t h e s ( f ) t h e s - i i i 图1 - 9 日本t h e s 系列机器人 7 ) 工业用c c t v 系统【1 8 】 工业用c c t v 系统是目前大型埋地管道的比较成熟的检测方法。具有行程 长，适应口径大的特点。图1 1 0 所示为c c t v 系统之手推式管道检测仪 h k 3 5 4 0 型；摄像探i , c c 5 4 0 型；摄像探s n c l 5 2 5 型；摄像 头直径d n 3 5 m m ；头直径3 5 m m ；适合探头直径1 5 m m ；适 1 4 2 e m 显示器；适管道直径d n 4 0 至合管道直径d n 2 0 合管道直径d n 4 0 2 0 0 m m ；电缆长度至8 0 r a m ：电缆至 至2 0 0 m m ；最长电5 0 m ；可配至最长2 0 m ( 若 2 0 m 需另 缆2 0 m ：重5 4 k g1 5 0 m ；重5 6 k g配项杆) ；重3 6 k g 图1 1 0 手推式管道检测仪 m m i 便携式管道闭路电视检查系统( 图1 1 1 ) 适应管径5 0 5 0 0 m m ，是德 国i b a k 品质中最先进的适合小管道摄像检查的小型系统，它包括着3 个不同的 摄像头，能完成不同的或是特殊的检查任务。 8 上海大学硕士研究生毕业论文 1 3 2 国内研究概况 图i - 1im i d i 便携式管道检查系统 i ) 上海大学的基于正弦波动驱动的微型管道机器人【1 9 1 微型管道机器人如图1 - 1 2 所示，直流微电机带动中心曲杆旋转，曲杆上的 9 个滑块推轩机构使履带产生连续的近似正弦波动( 即行波运动) 。固定在履带 上的脚爪带动整个机器人向前移动。该管道机器人原理上具有细长的特点，驱动 作用力沿身体分布，可以适应粗糙的管道内壁，用单电机驱动实现仿生的行波运 动，当调谐到共振模式工作时功耗很小。从而避免了多台电机在驱动和布置上的 麻烦，只需一个电机即可驱动的多足爬行运动。 图卜1 2 单驱动正弦波动型微型管道机器人概念图 2 ) 上海大学微小管道机器人系统2 0 】 2 t l 2 2 1 图1 - 1 3 ，1 - 1 4 均为上海大学的钱晋武教授课题组的微小型管道机器人系统， 它们适应的管径均为2 0 r a m ，但采用了不同的驱动方式。图1 - 1 3 采用的是压电驱 动，图1 - 1 4 采用了电机外置式螺旋轮行进系统。这两种管道机器人的区别在于， 压电式的管径适应能力较螺旋轮的管径适应能力强，但是行进速度慢，负载能力 较弱。针对螺旋轮管道机器人，电机还可以采用内置式，这样对电机的尺寸提出 了更高的要求，由于电机限制，这种方式同样减弱了机器人得负载能力和行进速 度。电机内置式的优点在于由于信号屏蔽较好，获得的传感信号的质量比外置式 获得的传感信号要好。 9 上海大学硕士研究生毕业论文 图1 - 1 3 上海大学压电式机器人 图1 1 4 电机外置式螺旋轮微小管道机器人 这三种机器人通过携带不同的传感器，可以获得管道内不同的探测信息，图 卜1 5 是前端携带视频系统的机器人原理图。视频传感器采用微小型c c d 摄像头， 并周向布置8 个小尺寸的照明l e d 实现在工业管道内照明。结构示意如图1 1 5 所示。由于管道内部的环境较差，因此获得的图像质量也较差，通过对获取的图 像进行处理可以大幅度提高图像的质量。从而本机器人能够应用于细小的工业管 道。 图卜1 5 电机内置螺旋轮驱动管道机器人图1 - 1 6 视频探测器的c c d 与l e d 布置示意 3 ) 上海大学的柔软管道中机器人蠕动机构的研究f 2 3 1 图1 1 7 为上海大学的尺蠖式蠕动机器人的结构简图。它工作在形状和尺度可 变的管道如人体肠腔中。由于环境具有沿纵向弯曲的柔软性、沿纵向伸缩的柔软。 性和沿径向伸缩的柔软性，这种机构至少由3 个变形体组成。两端两个径向尺寸 熏簟雄 图卜1 7 蠕动移动机构结构简图 1 0 上海大学硕士研究生毕业论文 可变的形体为把持模块，用于把持在腔道壁面上。中间一个形体为伸缩模块，可 以沿径向伸缩实现两端的两个把持体模块之间的相对运动。3 个模块交替形变产 生蠕动。蠕动机构在柔软肠腔中移动具有以下优点：a 具有较大的驱动能力： b 保证相对安全的压力阈值；c 允许拓展成具有更多模块的链节。 4 ) 上海交通大学的s m a 驱动的蚯蚓蠕动管道机器人【驯 该管道机器人仿蚯蚓运动、可在微小软管中蠕动式行进，由三个柔性单元体 组成。柔性单元体两端为一绝缘板，两绝缘板之间连有三根s m a 元件，每根s m a 与中心的连线互成1 2 0 。夹角；两块绝缘板及三根s m a 用橡胶囊加以封闭，囊 中充入空气。因而该微机器人的每一柔性单元的作用相当于蚯蚓的环状和纵向两 种肌肉。其运动原理如图1 1 8 所示。通过控制同一柔性单元内部不同s m a 元件 伸缩状态，可使柔性单元在空间三维方向按选择的方向实现偏转弯曲，满足在l 、 u 、t 型管道中行进；而不同柔性单元既可产生相同方向、相同程度的偏转弯曲， 也可以产生不同方向、不同程度的偏转和弯曲，从而使得整个机器人很容易通过 复杂管道，具有很强的管道半径适应能力。 a 水平直行运动 bl 型管道的转弯 图卜1 8 仿蚯蚓蠕动管道机器人运动原理 5 ) 新型无缆管道机器人研究( 广东工业大学) 【2 5 2 6 1 针对目前管道机器人由于能源供给限制而不能进行长时间远距离作业的缺点，提 出了一种在具有运动流体的管道中，采用流体运动的能量推动叶轮转动，从而产 生电能对机器人中储能元件充电的机器人。管道机器人的机械结构示意如图1 1 9 所示。它由三个部分组成：发电部分、本体部分和导向部分。发电部分主要由风 轮、变速齿轮和发电机组成，负责把气体的动能转变为电能，对机载的蓄电池( 机 器人控制的能源) 充电。本体部分安装有机器人控制系统及电源( 蓄电池) 。由电磁 铁和导向头部组成导向部分。各个部分之间采用一组弹簧连接。在发电部分和本 体部分各安装有3 个支撑轮组件，由于支撑轮组件对管道的摩擦力比较小，因此， 上海大学硕士研究生毕业论文 当气体流动时，可以对机器人产生推力，从而推进机器人行进。当管道前方出现 岔道时，只要控制导向部分沿岔道方向做一定角度的偏转，导向部分就将引导机 器人改变运动方向，进入岔道。 一 悄i 毫棘置娩 9 1 1 冉潮 | j 专l：善 母 。|i 0 喇9一卜 l l 堇 离m 彳_ 1 受l ：呻l 7 名_ t 描| 一 蘩曹潮i 奄鬻 | i t 蠢漶噩、龟燃 瓣鼍拶确 图1 1 9 风动机器人结构示意图 1 4 论文的主要研究内容 本论文的主要研究内容包括以下几个部分：1 、对机器人的方案和可行性进 行了分析。2 、分析了机器人在管道内的几何通过性，对导向装置进行了几何结 构的设计。3 、进行了s m a 转弯控制器的设计并对控制器的控制方法进行了研 究。4 、对导向装置在管道内的力学性能进行分析。 1 5 本章小结 本章主要分析了本课题的应用背景以及研究目的和意义。目前微小型管道机 器人的研究是管道机器人研究的热点，实际应用的管道机器人集中应用于大口径 水平管道，具有一定的倾斜度。小口径管道机器人集中在内表面光滑的小口径管 道，或者弯管具有大曲率半径的管道。对于内表面多障碍，存在多个小曲率半径 弯管的管道，尚未有成功的检测机器人报道。 1 2 上海大学硕士研究生毕业论文 2 1 引言 第二章方案设计和总体分析 大口径管道修复采用内衬的方式，不需要进行管道内壁缺陷检测。中等口径 的管道，在修复时采用的喷涂工艺为拉扒、高压水清洗和离心喷涂工艺。修复和 检测可通过管内行走系统携带供料系统或者检测设备完成。由于尺寸限制，小口 径管壁的修复工艺1 2 2 节所示。对小口径管道的检测设备有p e a r p o i n t 公司的 柔性推杆系统，可检测管径为3 0 l o o m m ，但无法在多弯头，小曲率半径的管道 内行走。根据本课题探测要求的特殊性( 仅作管道内壁的喷涂效果检测) 进行了技 术要求和难点分析，通过比较得出了优选方案，并对方案进行了系统分析。 2 2 课题的技术要求及主要难点 1 、管道的具体参数 通过对楼房自来水样品管道进行评测，可以得到管道的结构示意图如图2 1 所示，管道截面示意图如图2 - 2 所示。由图得知，直管与直管之间采用弯管管接 头连接。 图2 - 1 管道空间分布示意图 图2 _ 2 管道截面图 上海大学硕士研究生毕业论文 管道结构参数如表2 - 1 所示： 表2 - 1 管道的结构参数 探测长度：1 0 1 n弯头数：5 个管道内径：5 0 5 2 咖 弯头曲率半径：7 5 m m管道内壁：涂履层，厚度0 3 姗： 喷涂效果：不均匀，有轻微的涂料堆积，尺寸1 2 m m 弯管直管连接：螺纹连接，直管有轻微的卷边现象 台阶情况：弯管和直管接头处存在3 4 m m 台阶，如有卷边达5 m m 。 2 、机器人的技术要求及难点： 1 ) 、本机器人的技术要求： 行进速度：l o m i n 左右走完管道全程。 传感器：仅需要简单的了解管道内部喷涂情况，可直接采用摄像头实现。 2 ) 、课题难点： a 目前来说，微小型管道机器人一般工作在直管状态下，或者曲率半径较 大的弯管中，在小曲率半径的弯管中，由于几何尺寸的限制，使得机器 人的通过性难度增大。 b 要求机器人具有较大的越障能力，顺利的通过弯管处的管接头台阶。 c 机器人走过几个弯头后，由于摩擦作用，机器人携带的信号线在管道内 容易产生内耗，造成机器人动力不足，难以走完全程。如何设计适当的 驱动机构，使机器人具有较大的驱动能力( 携带负载系统，能够越过大 障碍) 和驱动速度，是机器人设计的最大难点。 d 管道为三维分布，如图2 - 1 所示，机器人要能够在小口径管径内前后， 左右以及单程上( 下) 运动，相当于需要具备三维转向能力，因此机器 人要有主动导向能力。 2 3 管道机器人的结构及其特点 由于管道网络的错综复杂，能通过形状各异的弯管移动机器人，目前来说还 基本处于实验室研究阶段。本管道机器人需要具备行程长，径向尺寸小，越障能 1 4 上海大学硕士研究生毕业论文 力大，弯管通过性好等特点。目前尚无具有类似功能的管道机器人，在本机器人 的设计中，首先分析了微小型管道机器人的驱动，结构，能源的种类和特点，以 此为依据，对整个方案进行了可行性分析，然后提出几种具体方案，对方案进行 比较从而获得较优方案。 2 3 1 机器人机械结构的爬行分析 管内移动机器人的爬行机构如图2 3 所示，主要有以下几种类型：a ( p i g t y p e ，管道猪) ，b ( w h e e lt y p e ) 为轮式，c ( c a t e r p i l l a rt y p e ) 为履带式结构， d ( w a l l p r e s st y p e ) 为压力式，e ( w a l k i n gt y p e ，步行式) ，f ( i n c h w o r mt y p e ， 尺蠖式) 为仿生结构，g ( s c r e wt y p e ) 为螺纹式结构。下面对这几种类型的爬行机 构进行分析比较。 图2 - 3 常见的管道机器人本体结构【1 1 1图2 4 蚯蚓蠕动原理【2 7 1 a ( p i gt y p e ，管道猪) 为最早的管道机器人结构，它的检测设备复杂，采用 漏磁或超声检测技术，在中等直径、大直径石油、天然气输送管道的在线检测中 应用较广，无主动运动能力，利用管道中流体的压差实现运动，很难实现对它的 运动控制。b ( w h e e lt y p e ) 为轮式，包括轮式小车、螺旋轮式( 驱动原理如图 2 5 所示) 及支撑轮式三种。螺旋轮式与支撑轮式机器人，依靠驱动轮与管壁间 的摩擦产生牵引力，具有较强的承载能力，适合小直径、中等直径的管道作业。 c ( c a t e r p i l l a rt y p e ) 为履带式结构。轮式和履带式机器人在小直径的管道检测 中，由于依靠自重形成的附着力较小，制约了牵引力的提高，因此不能携带较重 的检测设备，只适合水平管道或坡度较小的倾斜管道内表面的视频检测，采用差 上海大学硕士研究生毕业论文 速或滑移转向。d ( w a l l p r e s st y p e ) 为压力式，通过对墙( 或管壁) 施加一定的 压力( 可根据需要调节) 而实现机器人在管道内壁的夹持，因而对爬行垂直管道 具有很强的适应能力，可以通过设计实现比较好的负载能力。e ( w a l k i n gt y p e ， 步行式) 具有自由度数多的特点，便于粗糙不平管内的转向，但因其结构复杂， 控制难度大，故在管道检测中很少采用，一般用作地面移动机器人。f ( i n c h w o r m t y p e ，尺蠖式) 为仿生结构，类似于蚯蚓的爬行【2 7 】，它的爬行原理如图2 - 4 所示， 能够与多种驱动器结合构成不同用途的微小型管道机器人。蠕动式机器人的驱动 行走方式较多，是目前微型管道机器人研究的热点。一般携带较轻的检测设备， 拖缆作业，实际应用尚有许多问题需要解决。g ( s c r e wt y p e ) 为螺纹式结构1 1 6 1 能 够爬行垂直管道，有较好的负载能力。但是在弯管处的通过性较差。 篚 l - - - - _ i 图2 - 5 螺旋轮驱动结构示意【2 7 1 另外还有振动式的机械结构，利用惯性质量块的惯性运动，产生行走的驱动 力。改变驱动频率，即可获得不同的移动速度，承载能力较小。 对以上机构进行分析可以得到如表2 2 所示的机构评价： 表2 - 2 不同驱动结构优缺点比较 负载能力竖直管适应力行进速度过弯头能力越障能力 管道猪 无 较差 轮式较好 较差快一般一般 履带式好 较差较快较差较好 压力式 强较好较慢 一般较差 螺旋轮驱动较好好较快较差较差 尺蠖式较差较好很慢良好较好 爬行式较好较差较快一般好 1 6 上海大学硕士研究生毕业论文 2 3 2 常用的驱动器及能源提供方式分析 1 、常见的微小型驱动器 由于管道内部空间狭小，因此难以采用常规电机来驱动机器人。很多研究机 构投入了大量的财力物力来研究针对小口径管道机器人的新型的驱动技术，目前 常见的驱动方式有：微特直流电机直接驱动，s m a 驱动，f m a 驱动( 气动驱动) 。 压电驱动，g m a ( 超磁致合金驱动) ，电磁驱动等2 引。它们都具有自身的特点。 具体比较如表2 - 3 所示。 表2 - 3 各种驱动优缺点比较 驱动方式 优点缺点 直流电机m e l d s 技术的发展，电机的微驱动力较小 直接驱动小型化有望得到解决体积较大 很高的功率重量比，驱动力大冷却时间较长，循环使用时严重限制 s m a 驱动 驱动电压低，可直接驱动了动态反应时间。改善方法：采用辅 【2 9 】 3 0 动作柔顺平滑，无噪声助冷却工艺对s m a 进行拓扑、形状优 控制简单和易于小型化化等来获得尽可能减弱这种影响 适应于粗糙的表面环境；具有 对气体的压缩的控制比较困难 较好的柔软性和良好的变形 引起气流通过伺服阀来实现压缩或 f m a 驱动 能力，适应形状不规则管道内 【3 1 】【3 2 1者次压缩状态，目前已经有较好的控 探测；可实现精确的力矩和扭 制算法 矩控制 不能在特定的方向产生较强的变形， 提供较大的驱动力，因而严重限制了 驱动器在工程上的应用。 利用逆压电能效应实现电能 压电驱动 改进：多层压电层叠或者双压电晶片 一机械能转换的驱动装置 【3 3 】【3 4 3 5 1来提高压电驱动器的驱动力( 双压电 响应快、精度高、稳定性好 晶片驱动力比多层压电层叠大) ，但 是驱动器驱动力的提高是以减慢驱 动速度为代价的 1 7 上海大学硕士研究生毕业论文 磁致伸缩应变大、强力、机电 耦合系数高、大位移、响应速 应用研究虽然仍处于起步阶段。 g m a 驱动 【3 6 【3 7 1 度快可靠性高、漂移量小、驱由于材料特性限制，存在位移分辨率 动电压低等优点，是制作检测和响应、灵敏度等方面的不足 和执行元器件的优良材料 2 、能源的供给方式 不管采用何种驱动方式，都需要对驱动器进行能源补给。目前机器人的功能 方式主要有两种：电缆供能和无缆供能，这两种方式各有其优缺点。 a 、有缆供能 优点：采用外部电源供能，能够保证能源充足。 缺点：缆线本身对在管道内部产生较大的摩擦力，同时在通过具有小曲率半 径弯头的管道时，弯管处的内耗随着弯管个数的增大而增加。同时，因为内耗增 大，管道内部粗糙度较大，因此对缆线的磨损较大。如图2 7 所示。这种管外供 能，管内驱动的方式，对驱动力的要求非常高，从而限制了机器人的行程和进行 速度。 b 、无缆功能方式 无缆机器人有很多种驱动方式，如外加磁场驱动，便携式电源，微波驱动以 及行进中能源补充等方式。 外磁场驱动由于其固有特点，不适合在导磁金属管道中使用。它的主要应用 领域为生物医学等微细管道的检测，通过管外时变振荡磁场频率的改变，借助微 机器人的磁致微驱动器的磁机耦合作用，将时偏振荡磁场转化为微机器人的行走 机械能，从而可以实现机器人的无缆行走。f 3 8 】 3 9 1 图2 7 缆线在管道内部的状态图2 - 8 行进中补充能源 上海大学硕士研究生毕业论文 而微波驱动通过实验表明，它的能源转换率很低( 小于1 0 ) ，同时在有水 汽和金属存在的环境下，会产生严重的发热等。 4 0 i 行进中能源补充方法比较新颖，但仍处于实验室研究水平，尚未成熟。如图 2 8 所示。 2 4 机器人方案分析 对于微小型管道机器人，设计时主要从以下三个个方面考虑： 1 、驱动方式的选择 有2 3 2 分析可知，微小型管道机器人的驱动方式各有其特点，适用不同的 场合。因此，在选用驱动方式时应综合考虑环境，驱动器体积，移动速度，驱动 力以及反应速度的影响。 2 、能源供应和机器人的控制。 本机器人需要较大的驱动力，便携式电源难以同时满足体积以及供能能力的 要求，由于管道的环境因素，其他的无缆供能方式也不适合，因此，必须采用有 缆供能的方式。 3 、移动机构的设计f 4 1 】【4 2 】 首先要在机构上保证微机器人能够在弯管和支岔管中顺利通过。然后要保证 移动机构能够导向和带动缆线在管道内行走，因此在移动机构设计时，除了机械 结构本身的设计外，尽可能结合控制方案来考虑。 4 、照明和检测方案 由于管道内涂层为白色，喷涂缺陷点为黑色，因此，本摄像头可以直接选用 黑白摄像头。获得的图像可以通过来适当的算法来改进，从而获得比较边界情绪 的结果。目前，市场上有低照度的黑白摄像头，因此摄像头本身没有光源的情况 下，可通过在摄像头周向布置小型l e d 来实现摄像头的照明。具体的摄像头的选 择和l e d 的选择通过管道携带部件的安装空间而定。 从以上三点出发，机器人采用有缆的方式进行供能和通讯，机器人设计的要 点在于具有管道的多弯管通过性，以及长距离行进能力。问题在于如何寻找一种 既能提供较大的牵引力，又快速灵活，可靠性高的驱动方案。结合机器人的技术 要求和机器人设计的要点，机器人必须采用有缆供能的方式，才能满足机器人能 1 9 上海大学硕士研究生毕业论文 够带动缆线在长达l o m 的管道内行走。 综合上述内容，考虑采用管外驱动的方式设计本管道机器人。管道机器人的 结构由以下三个部分组成：管外驱动结构，柔性轴，以及管内导向装置。管外驱 动结构提供能源，柔性轴传递力的作用，导向装置的功能主要为越障和主动转弯。 2 4 1 机器人移动机构驱动方式确定 软轴材料可以弯曲的绕越各种障碍物体，远距离传递动力，并且在工作时两 端机件的轴线位置可以相对移动，因此软轴可以用于很多机械的传动，比如医疗 器械，里程表等。因此考虑采用管外驱动，软轴传递动力的方式来实现机器人在 管道内部的行走。通过查询软轴的规格和尺寸可以得到，软轴的弯曲曲率半径较 大，采用软轴在管道的弯管接头处不具有通过性。 通过分析，本传动机构拟采用密绕弹簧来代替钢丝软轴。其驱动原理图如图 2 - 9 所示。柔性轴相当于螺旋传动中的丝杠，利用传动齿轮来代替传动螺母，在 传动齿轮的内圈仿形加工成能与柔性轴配合传动的齿形，在啮合良好的情况下， 可获得较好的传动效果。本柔性轴由于在轴向无拉应力促使弹簧变形，因此将本 弹簧定义为柔性轴。 一 图2 9 驱动原理图 本柔性轴的驱动置于管外，因此不需要考虑驱动结构的尺寸和安装要求。通 过实验，柔性轴具有较好的多弯管通过能力，与管壁的摩擦系数较低。因此拟采 用柔性轴来对导向装置进行动力的传输。 由于柔性轴中空，因此可将控制缆线和电源线置于柔性轴内部，可以有效的 保护缆线不被管道表面磨损。由于管道内壁与柔性轴的摩擦力小于管壁与缆线的 摩擦力，这种方