（机械电子工程专业论文）管道机器人技术与微管道机器人.pdf

浙江大学博士后研究工作报告 摘要 根据我国油田提供的信息，每年使用或更换许多水泥砂浆衬里管道，用于油田注水的输 送。由于补口技术没有解决，这些管道没有补口就埋入地下使用，使防腐作用大大降低，管 道使用寿命缩短。目前该项技术在国内尚属空白，国外也未见资料报道，技术难度很大。 本研究报告对管道机器人的几个关键问题进行了研究，首先文中详细分析了水泥砂浆的 流变学特性，并根据其流变学特性建立了水泥砂浆输送过程的物理模型，对水泥砂浆的输送 过程进行了分析，通过引用输送效率这一概念，对水泥砂浆的流动过程进行了描述。解决了 输送量的计算问题。 然后从喷涂质量的影响因素出发，深入探讨了管道喷涂技术理论。为了控制喷涂速度和 着角，进而对飞行物在旋转空气流场中的的飞行轨迹方法进行了研究，在旋转空气流场环境 中，首先建立了空气流场的速度沿径向的分布关系式，然后引用旋转坐标系解决了在旋转空 气流场阻力条件下飞行物运动轨迹参数的计算问题。 文中对现有单电机，双电机和三电机驱动移动载体进行了比较分析，并利用机电动力学 方法和控制理论，对双电机和三电机驱动移动载体的驱动力矩的叠加性及负反馈特性进行了 研究。 文中对移动载体的双电机、三电机的机电驱动特性等问题进行了富有创造性的研究工 作，针对上述等问题作者提出了自己的一整套计算分析方法，其对管内移动作业机器人技术 的发展以及在工程实际中的应用具有重要意义。 最后对基于超磁致伸缩合金驱动器的微管道机器人进行了开拓性的研究，开发了控制系 统，建立了磁一机模型，对系统的输入与输出的关系进行了详细的研究，同时对微机器人的行走 机理进行了研究，并建立了机器人动力学模型。 关键词机器人；管内喷涂作业；多电机驱动特性；微管内机器人：超磁致伸缩合金 浙江大学博士后研究报告 a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h ei n f o r m a t i o np r o v i d e db yd o m e s t i co i lf i e l d s al a r g eq u a n t i t yo f p i p e l i n ew i m a r eb u d e do rr e p l a c e df o ri n j e c t i n gw a t e rt r a n s p o r t a t i o ni no i lf i e l d s f o rt h er e a s o nt h a tn os o l u t i o n s t ot h e i rw e l d i n gs e a m m e n d i n g ，t h e s ep i p e l i n e sa r eb u r i e di n t ou n d e r g r o u n d w i t h o u tw e l d i n gs e a m m e n d i n g a sar e s u l t ，t h e i ra n t i c o r r o s i o ne f f e c tr e d u c e sa n d t h e i rl i f es p a ni ss h o r t e n e d s of a r , t h i s t e c h n o l o g yi ss t i l lv a c a n ti no u rc o u n t r ya n d n om a t e r i a l sa r ef o u n d e dt or e p o r ti ta b r o a da n dt h i s t e c h n o l o g yc o m e s o u to f g r e a td i f f i c u l t y t i l i sr e p o r tc o n c e n t r a t e so ns e v e r a lk e yp r o b l e m sf o ri n - p i p er o b o t f i r s t l y ，o i lt h eb a s i so fd e e pa n a l y s i so nt h e o l o g yo f c e m e n t m o t a r ，p h y s i c sm o d e lo f c e m e n t m o t a rf e e d i n g p r o c e s s i ss e t u p ，f u r t h e r m o r e ，c e m e n t m o t a rf e e d i n gp r o c e s si s a n a l y z e da n d d e s c r i b e di nt h ew a yo f i n t r o d u c i n g t h en e w c o n c e p tf e e d i n gc o e f f i c i e n t ，a sar e s u l t ，f e e d i n gq u a n t i t y i ss o l v e d c o n s i d e r i n g t h ef a c t o r sd i s t u r b i n gs p r a yc o a t i n gq u a l i t y ，s p r a yc o a t i n gt e c h n o l o g ya n dt h e o r yi s d i s c u s s e dd e e p l y i no r d e rt oc o n t r o l s p r a yc o m i n gs p e e da n di m p a c ta n g l e ，t r a c e c a l c u l a t i o n p r o b l e mo ff l y i n gs p r a y e dm a t e r i a la g a i n s tr o t a t i n ga i rf l o wf i e l dr e s i s t a n c ei sa n a l y z e dw h i c h i s s o l v e db y e s t a b l i s h i n gs p e e d d i s t r i b u t i o nf o r m u l aa l o n gr a d i a ld i r e c t i o na b o u tr o t a t i n ga i rf l o wf i e l d i n s i d ep i p e l i n ea n di n t r o d u c i n gr o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e m t h e n ，t h ea u t h o ra n a l y z et h em o b i l ec a r r i e r sw i t ho n em o t o rd r i v e ，t w om o t o r d r i v ea n dt h r e e m o t o rd r i v e t h e n b ym e a n s o fe l e c t r o m e c h a n i c a l d y n a m i c s m e t h o da n dc o n t r 0 1 t h e o r y ， s u p e r i m p o s i t i o na n df e e db a c kc h a r a c t e rc o n c e r n i n gw i t hd r i v i n gt o r q u ef o rt w om o t o rd r i v ea n d t h r e em o t o rd r i v ea r ea n a l y z e d c o n c l u s i v e l y ，t h i s d i s s e r t a t i o nc o n d u c t ss o m ec r e a t i v er e s e a r c hw o r kt om o b i l ec a r r i e r w i t ht w om o t o rd r i v ea n dt h r e em o t o rd r i v e ，a n da u t h o rp u t sf o r w a r das e to fa n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o nm e t h o dt ot h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v ew h i c hh a v ea ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot h e d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o nf o ri n - p i p e r o b o ti nt h ee n g i n e e r i n g f i n a l l y ，a u t h o rc o n d u c t e dc r e a t i v er e s e a r c ho nm i c r oi n p i p er o b o td r i v e nb yg i a n tm a g n e t i c m a t e r i a l ，c o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d ，m a g n e t i c - m e c h a n i c a lm o d e lw a ss e tu p ，d e t a i lr e s e a r c ho n r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n p u ta n do u t p u tw a sc o n d u c t e d ，m o b i l em e c h a n i s mf o rt h em i c r oi n p i p e r o b o ti sa n a l y z e d ，a n d d y n a m i cm o d e l o f t h em i c r or o b o tw a ss e tu p k e y w o r d s ：r o b o t ；i n - p i p es p r a yc o a t i n go p e r a t i o n ；m u l t i - m o t o r ；m i c r oi n - p i p e r o b o t ；g i a n t m a g n e t i c m a t e r i a l 浙江大学博士后研究工作报告 第一章绪论 1 1 引言 机器人技术属于自动领域高技术范畴之一，开发研制机器人的主要目的之一就是要代替 人在危险的或人们无法到达的环境下作业。现代机器人技术起源于遥控“主从”型机械手， 它是在第二次世界大战期间为了对付放射性材料而发展起来的。为此，4 0 年代后期美国橡树 岭和阿尔贡国家实验室开始研制遥控式机械手，用于搬运放射性材料。系统属于“主从”型 的，它可以准确“模仿”操作员手和臂的动作。主机械手由使用者进行导引作相应的连续动 作，而从机械手尽可能准确在模仿主机械手的动作。1 9 4 8 年诞生了第一台这样的“主从”操 作系统，它标志着现代工业机器人的研究已经开始。 进入5 0 年代，随着电子计算机的迅速发展，使得机器人的发展步阀加快，也使人们研究 能自主。重复操作的更加复杂的机器人系统成为可能。随后，美国的u n i m a t i o n 公司于1 9 6 2 年制造了实用的机器人，并取名为u n i m a t e 。紧接着，欧洲的第一台程序控制一号操作工业 机器人于1 9 6 3 年由瑞典一家公司推出，这标志着机器人在工业生产中应用的时代已经来到。 进入8 0 年代现代工业生产技术从大批量生产自动化时代进入多品种生产自动化时代，于是， 工业机器人在这个时代中起着越来越重要的作用【l 。1 ”。与此同时，现代机器人技术及计算机 的高速发展也使机器人在核能、海洋开发、防灾、军事、康复以及其它极限环境中作业出现 了广阔的应用前景。在上述非结构环境中作业的机器人统称为特种机器人【“j 。现在传统的工 业机器人与特种机器人属于二个不同的应用范畴，由于上述作业环境中的特种机器人的研究 开发的必要性显得越来越重要，许多国家把特种机器人的研究列入国家和各国合作计划，并 给予强有力的组织和技术支持，因此特种机器人的研究和开发具有重要的战略意义。 管道机器人属于特种机器人的研究范畴，它在管道内这个特定的极限环境中作业，作业 时，它携带各种检测仪器和作业装置，在操作人员的遥控或计算机的自动控制下完成管道的 检测及维修作业，检测作业项目包括防腐后状况，对接管道焊缝质量，管道内腐蚀程度，管 道壁厚，防腐层厚度，管道壁厚，管壁缺陷等；维修项目包括清扫、补口、焊接等。实践已 经证明随着管道机器人技术的发展，其应用将会越来越广泛。 1 2 国外管内移动作业机器人技术综述 现代工农业及日常生活中使用着大量管道，石油、天然气、化工等领域也应用了大量管 道，这些管道大多埋在地下或海底，输送距离近千公里，它们的泄漏会造成严重的环境污 染，甚至引起火灾，多数管道安装环境人们不能直接到达或不允许人们直接介入，因此，质 浙江大学博士后研究工作报告 量检测、故障诊断及维修的课题十分迫切地摆在我们面前。管道检测技术始于5 0 年代，由于 当时天然气等大口径管道的发展激励人们研究一种管内检测设备，这就我们通常所说明一种 无动力的管内清理检测设备一p i g l l ”】，该设备简单、实用，在一定程度上解决了天然气管 道的检测问题。在结构上，p i g 的外径略大于管道直径，这是为了密封，将其压入管内后， 它主要靠首尾两端管内流体形成的压力差做驱动力，克服管壁与活塞之问的摩擦力而向前运 动。p i g 可以携带超声波、电涡流等传感器一边行走，一边检测。并由其内部记录仪记录检 测的数据。早期，这种技术发展很慢，n t o 年代末，随着检测技术的发展，p i g 技术已经成 熟，现在英、日、美、德、法等国大公司的p i g 产品己实用化、商品化。p i g 的特点是实用 性好、行走距离远，可达3 0 0 k m 左右，而且不拖线作业，但p i g 类检测设备无自行走能力， 移动速度及检测区域均不易控制，严格来说它不能算做是机器人。 随着核工业、化学工业的发展，迫使人们研究管道机器人对这些严劣环境下的管道、罐 状容器进行检测，维修【2 ”，这在一定程度上刺激了管内机器人的发展。然而，管道机器人的 迅速发展时期还是始于8 0 年代初。 这是由计算机、传感器、检测技术、现代控制理论技术的发展，为管道机器人的研究应 用提供了技术保证，使应用管内机器人进行检测，维修的手段成为现实，因此人们对各种管 道机器人的行走机理，行走方式进行了大量的研究和探索。取得了可喜的成果。 日本、美国、英国、德国、法国等许多发达国家在管道机器入技术方面做了大量研究工 作，尤其是日本，拥有一大批研究人员从事管道机器人的研究工作，研究出了多种新颖的管 道机器人行走机构，使日本管道机器人技术处于世界先进水平。 1 2 1 轮式管内移动机器人 由于轮式行走具有结构简单，行走连续平稳、速度快、可靠性高、行走效率高等诸多优 点，目前已开发出的管道机器人大多为轮式，也是实际工程中实用化最多的一种方式。轮式 移动机器人的驱动轮要靠弹簧力，液压或气动力，磁性力等压紧在管道内壁上以支承机器人 本体并产生一定的正压力，这样轮式移动机器人就具备了行走的基本条件，我们将使机器人 行走轮压紧在管壁上的力叫封闭力，驱动其中某一个或几个轮子转动，由驱动轮与管壁之间 的附着力产生机器人前后行走的驱动力，以实现机器人的移动，这使是轮式管内移动机器人 行走的基本原理【2 ”。轮式机器人的行走方式有二种，如果驱动轮轴线与管道轴线垂直，驱 动轮沿管道一母线滚动，机器入在管内做平移运动，此为轮式直进式管内移动机器人 2 7 - 4 9 ， 它的优点是机器人行走时，本身不产生姿态旋转。如果驱动轮轴线不与管道轴线垂直，驱动 轮实际上沿着和道中某一螺旋线行走，机器人在管中一边向前移动，一边绕管道轴线转动， 由螺旋运动沿管轴上的速度分量即是机器人本体的移动速度，这就是轮式螺旋运动式管内移 动机器人的行走过程1 5 0 - 5 3 1 。其特点是用降低速度来提高驱动力 5 2 】。除此而外轮式管道机器 还可以开发成在弯管内行走的功能。就管内行走机构而言，我们希望它牵引力大，定心性 好，行走速度快，可靠性高，还希望它具有弯管通过功能，因为弯管在实际工程中是普遍存 一2 浙江大学博士后研究工作报告 在的。研究具有自主行走能力的管内移动机器人进行管道维修、检测是我们的目的，从研究 的历史来看，这些研究工作首先是针对较大口径的管道进行的。这是因为，一方面大口径管 道通常是输送煤气、天然气、水或油等物质的主干线，它们的破坏会给国民经济造成巨大的 损失，而且这些管道的制造成本高，铺设困难，所以我们应尽量做好检测和维修工作，以防 患于未然，并尽量提高其寿命，这些管线的重新更换所耗的巨资是不可想象的，因此这些管 道的检测要求迫切；另一方面，从管内移动机器人的研制角度考虑，大1 3 径管道管内活动空 间大，管道轴心线的曲率半径大，机器人自身几何尺寸可以相对放宽，有更大的空间来布置 驱动装置和作业装置，从而机器人的设计和制造都比较容易。这种机器人能在直管或大曲率 半径的圆管内行走己满足了管道实际工程上的需要。其输出很大的牵引力，可携带几种检测 仪器或设备行走较长的距离。下面我们选择几种典型样机试举例说胆分析。图1 1 所示为日 本a d e k 株式会社研制的一种大口径管内移动检测机器人系统【3 ”。该系统采用多节结构是为 了在弯管内行走，由于该系统的驱动功率比较大，采用液压驱动方式，整个系统电视摄像 车、驱动车、电磁阀车、液压泵车、储能车、变压器车、电源车和多重传送车组成。行走部 分的技术参数为： 台车数量：8 9 台： 行走速度：1 0 m m i nf m a x ) ； 行走距离：6 0 0 0 m ( m a ) 【) ； 牵引力：2 0 0 0 0 n ： 速度控制：液压方向流量控制阀； 适用管径：2 4 b 4 8 b ； 安装全长：9 8 1 0 6 m ： 总重量：1 7 5 0 k g 。 该套系统已经得到实际应用，用于海底原油管道( 管径4 0 b 4 8 b ，长3 0 0 0 4 0 0 0 m ) 的 内部考察工程，己检查了数条形这样的管道，获得了可供参考研究考察管道内道状况的宝贵 阳图象记录，检查了腐蚀损伤之处以及腐蚀损伤程度，该系统使人到海底管道的危险环境下 图1 1 作业成为了现实。 如图1 - 2 所示为日本东京煤气公司1 9 8 8 年研制开发的一种轼式管内移动机器人系统3 8 】。 浙江大学博士后研究工作报告 它由摄像导引车、驱动车、电源车、工作车等多节球状小车串联而成，每个驱动车有两个驱 动轮，由板弹簧支承机构把车轮压紧在管壁上，电机通过与管道轴线重合一致的挠性轴把驱 动力矩传递到驱动轮上，这虽然是为了提高转弯功能。同时为了提高输出牵引力，每台电力 车牵动三台驱动车，使四台车组成一个牵引车组，各台车之间采用挠性轴连接，可以提供机 器人在弯头部分的通过能力，该机器人的技术性能指标为： 适应管径：4 1 5 0 m m ； 输出牵引力：1 5 0 n ： 行走速度：1r r d m i n ： 行走距离：5 0 m ( 水平管) ： 转弯性能：可能通过9 0 。直角弯管： 机器人全长：1 8 8 0 m m 。 如1 3 所示为日本东京煤气公司研制开发的另一种管内移动机器人【4 ”。它的行走车内装 有稀土磁性材料，这样可以使铁质管壁之间保持一定的吸附力的 图1 - 2 多节球状车串联轮式管内移动机器人1 3 8 1 同时，车体上还设有板弹簧和螺旋弹簧压紧机构，把驱动轮压紧在管壁上，增大驱动轮与管 壁之间的附着力即我们所说的封闭力。该机器人由两台相对独立的驱动台车挠性连接而成， 以提高系统在复杂形状管内的通过能力。该机器人的技术性能指标为： 适应管径：d ：1 0 0 m m ： 输出牵引力：3 0 0 n ( 在铁管内) ； 行走速度：5 m m i n ： 行走距离：1 0 0 m ： 转弯性能：可以通过1 5 d 的9 0 度直角管弯： 机器人重量：3 k g 。 一4 浙江大学博士后研究工作报告 图1 - 3 磁性轮式管内移动机器人【4 该机器人适应管径i , l o o m m ，管径已比较小，增加转弯的功能则使机构布置更加困难， 装有稀土磁性材料保持与管壁之间有一定的吸附力是为了辅助封力机构在转弯等环境下依然 保持足够的封闭力，这样才能保持足够的牵引力，采用二种复合封闭力是本机器人结构的新 颖之处。 如图1 - 4 所示为日本学者福田敏男，细贝英夫1 9 8 6 年研制的可以通过“l ”形无圆弧过渡 的管内移动机器人【4 2 1 。从转弯的难易程度考虑“l ”型垂直管要比“圆型”弯管复杂。该机 器人行走机构分别由头部和本体两部分组成，头部和本体部分可以相对回转。当机器人在直 管内行走时，本体上的电动机m 1 通过减速装置带动本体上的驱动轮转动，使机器人沿直管 行走。当通过9 0 度弯管时，电动机m 2 驱动头部作姿态调整，同时驱动头部履带，引导机器 人通过弯管。该机器人巧妙之处在于使用二台电机完成了三种运动，由于该机器人的应用管 径较小，所以采用三台电机来完成三种运动是受空间限制的，因此我们得到的启示是在管道 机器人结构上尽量采用“一电机多驱动功能”的设计。这样可以使结构简单，紧凑，解决功 能的实现与管道空间限制之间的矛盾。该机器人的缺点是不可以逆行，只有沿前进方向的转 弯功能。该机器人的技术指标为： 适应管径：4 ，5 0 m m ； 行走速度：8 1 m m s ； 转弯性能：可以通过9 0 度直角弯管；机器人重量：2 4 0 9 机器人长度：7 6 m m 。 该机器人成功地通过了“l ”型弯管。 图1 - 4 可以通过9 0 度直角弯管的轮式管内移动机器人 人们开发了多种轮式管道机器人后，实践中认识到要想在实际应用中适应各种管道情 一5 浙江大学博士后研究工作报告 况，就要增加转弯的功能，乎是又设法开发轮式管道枧器人来通过“t ”型管道，“t ”型 管道的通过性要比“l ”型和圆弯管的通过性差，机器人开发的难度也大。为此日本神奈川 工科大学开了一种可通过t 型管的机器人【4 3 1 ，如图1 5 所示，它主要由二部分组成，二个导向 臂和一个本体，本体上有二个电机，一个电机控制导向臂转向；另一个电机控制导向臂上的 驱动轮。顶部是转向导引轮，产生转弯倾向辅助力，该机器人转弯采用主动式，使管道通过 能力提高，其技术指标如下： 适应管径：1 0 0 m m ： 全长：3 1 0 m ： 总 重：5 5 0 9 ： 行走速度：8 0 m m s ： 牵引力：5 3 9 n ： 爬坡角度：4 5 。 虿讦 胥斧 图1 - 5 带导向臂可通过“t ”型管的轮式管道机器人1 4 “ 日本神奈川工科大学，河原崎德之等人研究了一台多节轮式小口径机器人【4 ，该机器人 的结构组成如下：头部、尾部有二个主动转弯机构，同时也是驱动机构，中间工作单元具有 空间为装载检测传感器，并有二个轮以防止侧转和俯仰，轮子支承管内壁并且有悬挂行程以 便能顺利通过管道之间的小空隙。机器人转弯机构上装有传感器，能将管道的形状信息测出 反馈给计算机，通过计算机自动控制实现自动转弯。该机器人配备译码器，它与驱动电机连 接记忆测出转弯的时间和运动距离。该机器人可以采用自主式通过“t ”型管，并能感知机 器人的自身姿态。其技术性能指标如下： 机器人本体全长：6 0 0 m m ； 总 重：6 8 0 9 ； 牵弓l 力：6 n ； 行走速度：1 0 0 m m s 。 另外具文献 4 5 报道，德国西门子公司新近研制成功一种管道检修机器人系列，它可以 及早发现并维修管道内部被损坏的地方，这种管道机器人看上去象虫子，装有八个轮子，依 一6 一 浙江大学博士后研究工作报告 靠气压张开驱动。工作的时候，它的轮子张开支撑在管壁上，可以在直径为8 0 m m 以上的管 道里上下或前后移动，并能爬过弯曲 图1 - 6 轮式机器人通过“t ”型管时的情形1 4 4 的管道，如图1 7 所示。在l o o m 之内它可以被遥控使用。目前它的一些技术结 图1 7 多轮式管内检测机器人i 4 5 1 构还处于保密状态。该管道检修机器人设计灵活，可以满足不同需要。例如：其上可以配置 彩色摄像机，监视管道内部情况，另据该资料介绍该公司设计的管道机器人具有清洗、铣 削、打磨、焊接等功能，还可以用超声波对管道进行检查，还有一种设计特殊的管道检修机 7 浙江大学博士后研究工作 醛告 器人，有1 2 个轮子，每个轮子都单独连接电源，依靠电的驱动，它能够在灌满液体，其压力 不超过4 巴的管道里在线工作，目前这方面的技术还处于绝对保密状态，这种管内在线作 业，要求机器人各部件有特殊的密封性能，技术难度较大。 图1 - 8 为日本钢管工事( 株) 开发的猎狗2 0 0 型管内x 射线探伤机器人【4 “，该装置在工业现 场的检查中采用“单壁成像法”，提高了检测照片的可读性。该机器人的显著特点是三个驱 动轮独立驱动，这样可以增加在不直管内行走的通过性，该机器人的技术参数为： 行走距离：5 0 m ； 驱动方式：3 轮独立驱动； 控制方式：电机速度闭环，位置调控； 自 重：2 1 k g 。 图1 - 8 猎狗2 0 0 型管道内探伤机器人【4 6 1 文献 5 0 f l 载了如图1 - 9 所示的轮式螺旋推进式管内移动机器人。它前后各由四台相同的 各有两个驱动轮的小车经两根长度可调互相垂直的轴及四根长度可调杆件连接而成，各驱动 轮与管道夹角可以在0 9 0 。范围内连续调节。工作时，整机一边绕管轴线旋转，一边向前 行走。该机器人的特点是牵引力大，其技术指标为： 适应管径：m l l 0 0 叫1 3 0 0 m m ； 输出牵引力：1 0 0 0 n ； 行走速度：1 0 r e r a i n ： 机器人重量：2 0 0 k g ； 该机器人最大爬坡管道坡度：5 0 。 从以上国外轮式机器人的发展可以看出，轮式管道机器人具有许多优点，现在轮式机器 人行走载体的弯管通过性技术也取得了一定成果，这就是实际应用中的机器人载体多为轮式 的原因，人们通过增加复合封闭力的方法在一定程度上解决了轮式机器人驱动力一正压力一 一8 一 浙江大学博士后研究工作报告 图1 9 轮式螺旋推进管内移动机器人【5 0 摩擦力之间的矛盾。从轮式机器人的发展过程可以看出它适合于大、中、小口径，可以预 言，轮式机器人的发展具有广阔的应用前景。 1 2 2 履带式管内移动机器人 轮式机器人的封闭力，即正压力一摩擦力一驱动力之间的矛盾使其越障性能在一定程度 上受到了影响，而且在管壁摩擦力小时会使其驱动力降低，因此为了提高机器人的牵引力， 提高其在管内的越障能力，为了实现在油污、泥泞等恶劣条件下的管内移动，国外学者又在 行走方式上研制了履带式管内移动机器人c 5 4 - 5 8 。如图1 1 0 所示为日本监见博三等人研制的履 带式管内移动机器人【5 4 1 ，它可以在水平管和垂直管内行走。它的机器人本体由三条履带支 承，其 图1 1 0 履带式管内移动机器人【5 4 1 技术指标为： 适应管径：+ 2 8 8 + 3 8 8 m m ； 输出牵引力：4 0 0 n ； 9 浙江大学博士后研究工作报告 行走速度：5 m m i n ； 一 行走距离：1 0 0 m ； 机器人尺寸：们5 0 5 1 6 m m ； 机器人重量：2 0 k g 。 该机器人的特点是牵引力大，其输出牵引力可大于自身重量，因此，可以在垂直上升的 管内行走。 日本学者佐佐木利夫等也从事了多年履带式管内移动机器人的研究工作 5 5 5 6 】。他们研制 出两种履带式管内移动机器人，一种用于水平管内行走，见图1 1 1 a ) ，它由二条履带驱动， 而且二条履带可能性调整其角度以适应管径的 a )b ) 图1 - 11履带式水平及垂直管内移动机器人f 5 5 】 变化。它可以在直径为1 0 b 1 4 b 的管道内行走，行走速度为5 m m i n ，并且可以通过有圆弧 过度的9 0 。弯管：另一种是用于水平或竖直管中使用的机器人，见图1 1 l b ) ，由一条履带驱 动机器人行走，支承轮将履带压紧在管壁上，该机器人适应管径1 0 b ，行走速度1 m m i n ，并 且可以通过有圆弧过渡的9 0 。弯管。 履带式管内移动机器人有许多优点可以借鉴，但其结构复杂，不易小型化，转弯性能 差，因此实际应用中大多用于中大1 2 1 径的管道机器人载体上，履带式管内移动机器人有效地 解决了驱动力一正压力一摩擦力之间的矛盾，是一种在恶劣环境下有效的行走方式。 1 2 3 蠕动式管内移动机器人 有了轮式和履带式管内机器人，人们在寻找新的管内行走方式上继续探索新颖的机构， 观察蚯蚓、毛虫等洞穴生活的动物可以发现，它们是通过身体的伸缩( 蠕动) 运动的，尾部支 承，身体伸长带动头部向前运动，然后，头部支承，身体收缩，带动尾部向前运动，这种运 1 0 浙江大学博士后研究工作报告 动循环下去，实现在洞穴内行走，利用与之类似的原理人们制造出蠕动式管内移动机器人5 9 删。如图1 1 2 所示为日本日立制作所研制的一种蠕动式管内移动机器人【5 9 ，它由前后结构相 同的头部、尾部和蠕动身体三部分组成，三部分之间用挠性轴连接头部有八个直线气缸( 两 图1 1 2 蠕动式管内移动机器人唧1 排布置，每排四个，圆周均布) ，用以驱动可伸缩橡胶足，可以使橡胶足与管壁压紧或松 开，头部后端是身体蠕动气缸。该机器人的行走过程为：头部支撑足缩回，尾部支承足伸出 与管壁压紧，蠕动身体伸长，带动头部向前移动，头部移动到位后，头部支撑足伸出支承管 壁，尾部支撑足缩回，蠕动身体收缩，带动尾部向前移动，尾部移动到位后，尾部支撑足伸 出，支承管壁，头部支撑足缩回，蠕动身体伸长，进入下一个运动循环。机器人在这种运动 循环中一步一步向前行走，当需要向相反方向行走时，改变支撑及和蠕动身体的伸缩次序即 可，该机器人可以在m 2 5 0 m 3 0 0 m m 的管内行走，可以通过具有一定圆弧过渡的9 0 。弯管。 由上述蠕动原理及实例可以看出，蠕动式管内移动机器人的行走要有前后支承部分的辅 助运动，这些运动对行走都是“无效”的运动，因此蠕动式管内移动机器人行走效率低，而 且更换支承部分时会产生机身不稳定现象，机器人行走也不连续，因此难以满足工程中“迅 速完成作业”的需要。因此实际中应用较少。即然蠕动式管内移动机器人从行走速度、行走 的连续性及稳定性上有诸多不足因素，为什么国外有关专家还要研究蠕动式弹性毛行走机器 人呢? 作者认为机器人的一个应用背景就是在线检测作业，通常管线内有高温的油或水等高 温、高压物质或腐蚀性化学物质，为达到在线检测的目的，就要求管内机器人具有二种特殊 要求：一个要求是密封性能，即各种物质不能侵入机器人的运动传动装置内，否则将影响机 器人的正常行走：另一个要求是机器人的截面积要小，即要求机器人比较纤细，这样机器人 在充满流体的在线管道内才不能阻碍液体的流动，也即机器人本身的行走阻力才能小。以上 弹性毛蠕动式管内移动机器人正具备了以上二个条件。即使在非在线工作的石油等油腻性管 。浙江大学博士后研究工作报告 壁内，该种行走方式也有利? 因为弹性毛可以穿过这些油腻性的介质抓到管壁上而不影响正 常的行走，其它行走方式在这样的不利条件下行走就有困难，另外气缸驱动在实现上也非常 简单，不需要特殊的密封，综上所述，作者认为弹性毛蠕动式管内移动机器人在未来的在线 检测作业中有其应用前景。 1 3 本文的研究内容 用于检测和维修的管内作业机器人技术已成为特种机器人领域的重要组成部分，世界上 有许多学者在从事这方面的研究工作，有些产品已经在工程中应用，本问针对管道机器人的 实用技术中遇到悬而未决的问题抽象成一般理论进行了研究，并对微管道机器人进行了富有 开拓性的研究工作。 本文研究的主要内容包括以下四个方面： 第一章：详细评述了管内移动机器人的发展现状，指出了现有产品的点，并指出了研究 工作中所存在的问题，针对这些问题提出了一些独到的见解。 第二章：根据水泥砂浆的流变学特性的分析确定了水泥砂浆施工工艺，并以水泥砂浆流 变学理论为依据，系统地分析了绞龙送料的物理过程。本章主要解决了水泥砂浆输送量的计 算问题。作者深入细仔地进行了旋转空气流场中飞行轨迹的理论计算问题，同时解决了确定 与喷涂质量有关的落速及着角问题。 第三章：利用机电动力学理论首先对对现有单电机、双电机、三电机驱动的管内移动机 器人的驱动特性进行了研究，从理论上分析得出了多电机驱动系统的功率叠加性，角速度和 驱动力矩的负反馈特性的结论，为今后管内移动机器人的研究奠定了基础。 第四章：对国外微管道机器人的发展情况进行了详细的分析，开发了基于基于超磁合金 驱动器的微管道机器人控制系统及磁振荡系统，并开发了移动载体的微对称悬浮间隙自补偿 放大机构，对机器人系统进行了实验。 一1 2 浙江大学博士后研究报告 第二章管道机器人螺旋送料及喷涂技术的研究 2 1 引言 我国油田使用大量水泥砂浆衬里管道用于地下注水，由于补口技术没有解决。使 管道使用寿命缩短。尤其是油田用水含碱等杂质量高，直接与金属管壁接触，具有极 强的腐蚀作用，而且管内工作压力较高，使管道未补1 3 处容易发生泄漏，给油田管道 的正常运作带来影响，因上述因素造成的经济损失极大，并污染周围环境。为了实现 管内小空间的补e l 作业，要求水泥砂浆输送和喷涂装置易小型化。 水泥砂浆的输送一般采用回转式容积泵，其工作原理是由螺杆与橡胶衬套形成许多 密封腔包容水泥砂浆并形成一定压力以实现其输送，回转式容积泵结构复杂，不易小型 化，要求驱动电机转速高，并对输送介质的粘度有一定的t 5 l i l i t i 0 。本文采用普通螺旋叶片 开发了水泥砂浆螺旋送料装置，其特点是结构简单，输送量易于控制。实现水泥砂浆补 口技术难度很大，具体表现在水泥砂浆输送量的控制、喷涂和光整作业的实现上。实 验表明水泥砂浆的送料难易程度及喷涂后其与管壁的附着性等取决于水泥砂浆有关流 变学物理参量的合理选择。因为水泥砂浆的流变特性对补口作业的影响很大，所以解 析新拌水泥砂浆的流动是水泥砂浆输送、喷涂及光整问题的基础，也是确定水泥砂浆 施工工艺配比方案的依据。水泥砂浆是一种多相复合材料，它的原材料有水泥、水、 集料等“ 。这些材料的形状、尺寸和密度存在着很大差异，并且水泥砂浆要经过搅 拌、输送、喷涂、光整、养护硬化等过程，其形态由流态变为固态，用数学解析法来 描述水泥砂浆在各个阶段的性态是十分困难的。新拌水泥砂浆流变学发展方向有二 “，其一，从流变学的角度考察新拌水泥砂浆的各种性质，对原材料的质和量与流变 学之间的关系方面进行物理性研究；其二，研究如何通过预测流动与变形使喷涂补口 送料作业合理化。由于补口处的水泥砂浆输送量不足或过多都将严重影响补口质量。 以水泥砂浆流变学为基础，建立了螺旋输送物理模型，对螺旋送料作业装置的输送机理进行了研 究，通过引入螺旋输送效率的概念，解决了水泥砂浆螺旋输送的定量计算问题，进而实现了喷涂补 口作业中螺旋送料作业装置的水泥砂浆输送量的准确控制，实验证明理论分析的正确性。 2 2 水泥砂浆螺旋输送机理的分析 螺旋送料单元具有如下特点：( 1 ) 螺旋输送轴采用悬浮式，螺旋输送轴悬浮在容 室中，以减小机械干涉产生的摩擦阻力，改善随输送阻力而悬浮变化的自适应性。( 2 ) 采用部分中空式螺旋送料叶片使水泥砂浆沿中间空心返回，实现搅拌功能。由于未凝 固的水泥砂浆是比重和粒径都不一样的固体材料和水构成的混合物，所以会产生离析 现象，随固体粒子的下沉，水会离析出来，因此在工作过程中要不断的搅拌，采用这 种空心结构的另一个原因是防止水泥砂浆受到挤压而发生“离水”变硬现象，而使电机 浙江大学博士后研究报告 堵转，实验表明水泥砂浆受到挤压输送是行不通的。 为了实现水泥砂浆螺旋输送及喷涂，其流变学参量中，稠度和易抹性的选择是关键， 稠度是水泥砂浆的一种物理特性，主要用加水量的多少引起水泥砂浆的软硬程度来表 示其硬化前的性质，坍落度试验作为水泥砂浆的稠度试验沿用至今。坍落度的值一般 直接受屈服值的影响 4 “ 。实验表明，若稠度选择不当，不仅无法送料，喷涂后的附 着性也不好，通过实验水泥砂浆配料比例为：水泥3 5 ，火山灰5 ，砂子6 0 。测量坍 落度值应在6 7 c m 为宜，屈服应力为6 “7 9 c m 2 左右。由于3 0 分钟内坍落度随时间的变化 而降低( 变硬) ，即屈服值增加，因此作业应在3 0 分钟内完成，并不断地搅拌以防止水 泥砂浆初凝。易抹性是水泥砂浆表面容易加工的特性，易抹性好的必要条件是屈服值 小。实验表明通常掺加减水剂( 普浊里n o i 0 0 ) 或( 普浊里n o 5 ) 可以改变易抹性。 水泥砂浆作为多相流体，其螺旋输送过程极其复杂，目前这方面的理论还不成 熟。一般认为水泥砂浆表现为塑性粘性，流动属于宾汉姆流动，下面从宾汉姆体塑性 。彦 o剪切应力 图2 一l 塑性粘性体稠度曲线 粘性流动的特性出发来探讨输送水泥砂浆的机理。 2 2 1 水泥砂浆的宾汉姆体塑性粘性 牛顿液体施加外力后立刻开始流动，而高浓度悬浮液之类的液体在外力超过某一 限度的应力才发生流动。把该限度的力称作屈服应力，用乃表示。屈服值以后的稠度 曲线用直线表示的部分称作宾汉姆流体，其流动关系式可由下式给出 ；：上( r - r ，) ( 2 1 ) q h 式中 为塑性粘性或塑性粘度；0 为屈服值；户为应变速 度；f 为剪切应力。 式( 1 ) 叫宾汉姆塑性方程式，如图l 中的直线叫宾汉姆流动。曲线叫非宾汉 姆流动。 浙江大学博士后研究报告 2 2 2 双圆筒中问水泥砂浆的流动性分析 为了分析螺旋输送机理，首先研究双圆筒中间水泥砂浆流动情况，如图2 中分析 前作如下假设：( 1 ) 水泥砂浆不可压缩；( 2 ) 与回转轴垂直面上的流动呈圆形，即表现 为层流；( 3 ) 垂直于回转轴的各面上流体的运动相等；( 4 )圆筒与试料之间无相对移 动( 滑移) ，向内回转圆筒上加力矩m 则半径为r 女b 回转面上破b 剪应力为 r = m 2 n r 2 h( 2 - 2 ) 式中础加内圆筒上的扭矩；，为厅氧的半径：扫为圆柱体与试料相接部分高度。 根据宾汉姆体流变学公式有： 图2 2 双园筒中间水泥流动性分析 f 2 r p ，户+ 0 ( 2 - 3 ) 将式( 2 - 2 ) 代入式( 2 - 3 ) 吖2 2 = ，+ r ，= 劲( 1 警) 十。 即，佩i d o 一。了1 + 丽m = 。( 2 - 4 )即，佩i 一0 了+ 丽2 0 式中 扫为半径r 处尸点试料的转动速度。叩。矽一f ，l n r m 4 n r 2 厅+ c = 0 由边界条件： r = r ，百2 0 得c = r i i n r o + m 2 z e 0 2 h 于是， 咖篆扑咖云 s ， 公式( 2 - 5 ) 为该体系流变学基本公式，它描述了两个圆柱面之间水泥砂浆的流动分布。 2 2 3 绞龙螺旋送料过程分析 根据图2 3 ，设半径冠和r 处的剪切应力分别为f 和r o 。对水泥砂浆流动睛况分析 图2 - 3 螺旋进料过程分析 浙江大学博士后研究报告 如下：若水泥砂浆随绞龙轴和叶片一起转动时，二者相对速度为零，水泥砂浆依然留 在绞龙轴和绞龙叶片中而无法输送：与圆柱容室内壁粘接在一起的那部分水泥砂浆将 在绞龙叶片的推动下被全部输送出去：介于二者之间的水泥砂浆不是被立刻输送出 去，有一个滞留过程，且不同的位置输送快慢的规律也不一样，这直接影响到输送效率 螺旋送料过程分以下几种情形，( 1 ) f ， f ， 时，兄到之间那部 分的水泥砂浆可以全部输送，r ，到r 之间的那部分的水泥砂浆要随输送轴转动，不能 全部立即输送，这样从足到月。部分的水泥将与绞龙轴一起转动，相对绞龙叶片速度减 小。停留在二个绞龙叶片之间的时间加长，相当于输送轴加粗，砂浆流动空间减小， a )b ) 图2 - 4 螺旋送料时速度分布规律 我们把这种情况叫做塞流现象，塞流现象对送料是不利的，使输送效率降低： ( 3 ) z o f ，时，所有水泥砂浆随输送轴转动而无法输送。 2 2 4 螺旋输送效率及输送量确定 1 螺旋输送效率概念的引入及确定 由公式( 2 5 ) 可知，圆周截面不同半径处水泥砂浆角速度j 是不同的，角速度的分 布曲线如图2 4 - a 所示，某一圆环微元处水泥砂浆相对绞龙叶片的转动角速度越大( 切 向转速k 越小) ，其被绞龙叶片推动的轴向速度屹越大，反之轴向速度吒越小，其分布 规律如图4 - b 所示，显然管壁相对绞龙叶片的转速最大，与管轴垂直和平行的某二个 截面处的速度分布规律如图2 4 b ) 所示，其合成速度为一条空间曲线，该空间曲线的速 度矢量端点从与管轴的垂直沿空间曲线旋转到与管轴平行。可见并不是所有的水泥砂 浆都被同时输送出去，有一部分要在容腔内”驻留”，为了定量分析水泥砂浆”驻留”情 况，确定输送量，引入螺旋输送效率的概念，即单位时间内有多少水泥砂浆通过与管 轴垂直的截面。根据水泥砂浆流变学参量影响因素的研究结论和双圆简体系流变学基 本公式( 2 5 ) ，并结合送料过程分祈，可以分析水泥砂浆流变学参量对螺旋输送效率的 影响： ( 1 ) 公式( 2 - 5 ) 中，由于目越小，输送效率越高。由于1 1 1 为负值，因此当屈服值 浙江大学博士后研究报告 ，越大时，刍越小，即输送奴率越高，由于坍落度与r ，成反比，因此坍落度增加时， 输送效率提高。 。 ( 2 ) 大，则舀小，即输送效率提高。由于