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管道检测机器人研制与工程应用 摘要 管道检测机器人的研究有着广泛的应用前景和社会需求，可以应用于石 油、天然气、化工、核工业等工业管道的检测。管道检测机器人技术是集无 损检测技术、机器人技术、计算机技术、数据分析和处理等多种技术于一体 的高新技术。它是驱动器、传动装置、传感器、控制器、电源、计算机等装 置和技术的集成。 本课题对工业管道进行了大量的调研，充分了解目前工业管道的检测现 状、存在的问题以及对管道内部无损检测的需求，针对工业管道内壁腐蚀状 况、管道的壁厚和内壁缺陷，对管道机器人机械本体、控制系统和无损检测 系统进行了深入的研究。 本文主要的研究工作及创新点如下： 1 在查阅和掌握大量有关管道检测机器人文献的基础上，系统地研究了 管道检测机器人的运动原理、驱动方式以及结构形式，详细讨论了管道检测 机器人本体研制的相关技术问题。本文分析了不同驱动方式的优缺点，指出 了管道检测机器人设计中应该注意的主要问题。该管道机器人分为机械本 体、控制系统和检测模块三个部分。 机器人基本参数：适用管径币1 8 0 , - - q b2 0 0 m m ；本体重量：l o k g ； 长度：5 5 0 m m ；运行速度：3 - - 4 5 m m i n ； 2 基于螺旋驱动的运动原理和特性，采用可调整三轮驱动结构，以适 应管径的变化。三组驱动轮和支撑轮在管道空间上1 2 0 q 均匀分布，通过调整 滑块改变腿轮伸出的长度，可以适应一定的管径变化，机器人本体采用三节 结构，前后分别驱动，有效地降低管道机器人的轴向尺寸，可以得到较好的 弯管通过性。 3 对不同的管道无损检测技术方案进行了详细的分析和比较，确定了 超声波无损检测方案，并对超声波无损检测信号采集、压缩、处理等相关重 要技术进行了研究。 关键词：化工管道；机器人：螺旋机构；无损检测；超声波 a b s t r a c t t h es t u d i e so fp i p ei n s p e c t i o nr o b o t sh a v eb r o a da p p l i c a t i o nf i e l d sa n ds o c i a ln e e d s p i p ei n s p e c t i o nr o b o t sc a nb eu s e dt oo i l ，g a s ，c h e m i c a l ，n u c l e a rp l a n t ， a n ds oo n p i p e i n s p e c t i o n r o b o tt e c h n i q u ei sa p r a c t i c a la p p l i c a t i o np r o j e c tw h i c h i sc o m p o s e do f n o n d e s t r u c t i v ee x a m i n a t i o nt e c h n i q u e ( n d t ) ，r o b o t ，c o m p u t e rs c i e n c e ，d a t aa n a l y s i sa n d p r o c e s s i n g i ti sah i g hi n t e g r a t i o no fa c t u a t o r s ，d r i v i n gd e v i c e s ，s e n s o r ，c o n t r o l l e r s ，p o w e r s u p p l i e sa n dc o m p u t e r s i nt h i sp a p e r ，w es t u d i e dt h ec o n d i t i o n so ft h ei n d u s t r i e sp i p e l i n e ，a n dr e a l i z e dt h e e x i s t e dp r o b l e m ，a n dt h en e e do fi n n e ri n s p e c t i o nf o rt h ei n d u s t r i e sp i p e w ed e e p l ys t u d i e d t h er o b o t sm a i nb o d y , c o n t r o ls y s t e ma n dt h en d ts y s t e mi no r d e rt oi n s p e c tt h ep i p e s c o r r o s i o ns t a t e t h em a i nr e s e a r c hw o r k si nt h i sp a p e ra r es h o w na sf o l l o w s ： 1 b a s e do nc o n s u l t i n ga n dm a s t e r i n gal a r g ea m o u n to fc o r r e l a t i v el i t e r a t u r ea b o u t p i p ei n s p e c t i o nr o b o t ，t h ep a p e rs t u d i e ss y s t e m a t i c a l l yo nt h ep i p e i n s p e c t i o nr o b o t s m o t i o np r i n c i p l e ，d r i v i n gm o d e la n ds t r u c t u r ef o r m ，d i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to ft h ep i p e i n s p e c t i o nr o b o t sb o d yi nd e t a i l s c r e w d r i v e nm e c h a n i s mi sa n a l y z e di nt h i sp a p e r , t h e m e r i t sa n dd r a w b a c k sa r ea l s oc o m p a r a t i v es t u d i e d t h ek e yp r o b l e m sw h i c hm u s tb et a k e n i n t oa c c o u n ti nt h ed e s i g np r o c e s so fp i p ei n s p e c t i o nr o b o ta r ea l s op o i n t e do u t t h ep i p e i n s p e c t i o nr o b o ta d o p tm o d u l a rs t r u c t u r ed e s i g ns c h e m e ，w h i c hi sc o m p o s e do ft h r e e m o d u l e ：m a i nb o d y , c o n t r o ls y s t e ma n dn d tm o d u l e t h eb a s i cp a r a m e t e ro ft h ei n s p e c t i o nr o b o ti s ：p i p ed i a m e t e r ： 1 8 0 f2 0 0 m m ；w e i g h t ：12 k g ；l e n g t h ：5 5 0 m m ；r u n n i n gs p e e d ：3 - 4 5 m r a i n 2 t h ei n s p e c t i o nr o b o ta d o p t e ds c r e w d r i v e nm e c h a n i s m ，a n dd e v e l o p e dt h ec l a s s i c a l s c r e w - d r i v e nm e c h a n i s m t h et h r e es e t so fd r i v i n gr u b b e rw h e e la r ec i r c u m f e r e n t i a l l y12 0 。 e v e n l yd i s t r i b u t i o ni nt h ec r o s ss e c t i o n t h er o b o tc a nb ea d a p t e dt h ec h a n g eo ft h ep i p e d i a m e t e rw i t ha d ju s t e dt h el e n g t ho fl e g s t h er o b o th a st h r e es e g m e n t s ，a n dr e d u c e dt h e l e n g t ho fa x i a ld i m e n s i o n s ot h er o b o th a v eag o o dc a p a b i l i t yo fs i p h o n 3 i nt h i sp a p e r , w ea n a l y z e dt h en d t w ec o n f o r m e dt h ep r o j e c to fn d tb a s e do n u l t r a s o n i ct e c h n i q u e ，a n ds t u d i e dt h ek e yt e c h n i q u eo nu l t r a s o n i cs i g n a l sc o l l e c t i o n ， c o m p r e s s i o na n dp r o c e s s i n g k e y w o r d s ：c h e m i c a lp i p e l i n e ；r o b o t ；s c r e wm e c h a n i s m ；n d t ；u l t r a s o n i c 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：嘲寸。彬 日期：2 0 0 5 年3 月多日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位 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和 汇编本学位论文。 保密巧，在立年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：坪j 彤 日期：2 0 0 5 年3 月，日 指制币签名：矿訇0 ，乱 日期：2 0 0 5 年3 月 管道枪测机器人的研制与r 程应用2 0 0 2 级硕i j 学位论文 第一章绪论 1 1研究的背景和意义 工业管道( 石油、天然气、化工、核工业等) 输送在国民经济中占有 极为重要的战略地位。油气管道输送的基本要求是安全、高效，管道一旦发 生事故，不仅造成巨大经济损失，而且会对社会和环境产生严重的后果。因 此，管道工业发达国家均高度重视工业管道检测技术研究和开发。 从6 0 年代美、英等国已投入数十亿美元，不断开发研制新型高精度管 道损伤缺陷检测装置，目前已研制出漏磁法、超声波法、涡流法、弹性波法 等不同原理的管道检测器达3 0 多种，接受检测服务的油气管道已达数十万 公里。 国内管道腐蚀检测技术正处于起步阶段，八五期间，中国石油天然气管 道局先后从美国引进了巾7 2 0 m m 超声波管道腐蚀检测器( 2 9 5 万美 元) ，驴5 2 9 m m ，2 7 3 m m 漏磁管道腐蚀检测器( 共3 4 0 万美元) 及相配套的 巾7 2 0 m m 几何变z l 测器( 2 4 万美元) ，并在鲁宁线( 巾7 2 0 m m ) 秦京线 ( 咖5 2 3 m m ) 、胶青线( 巾2 7 3 m m ) 进行管道腐蚀检测。由于历史原因，国内的在 役老油气管道在设计、建设中，没有考虑管道的内检测问题。管道所经地区 地形地貌复杂，管径、弯头规格多样，国外检测器不完全适用于我国在役老 管道的实际情况。因此，基于我国在役管道实际状况，借鉴国外先进技 术，研制适用于我国工业管道检测的缺陷探伤设备并产业化是一条有效途 径。 在工业管道中，化工管道的情况最为复杂。化工管道一般分为蒸汽管。 道和物料管道两种。蒸汽管道运送高压蒸汽，物料管道运送化工厂所需的 各种原材料，气体物料管道占绝大部分，只有少数的石油管道，而且这些 介质都是高压、易燃、易爆、有毒的。化工管道直径分布范围很广，从直 径几十毫米到直径一千几百毫米，管道长度一般都在一般都在几百米到几 千米，在分厂之间的管道一般接头、阀门很少，管道之间靠焊接连接，以 保证管道的安全性，厂区内的管道情况更复杂，管接头、阀门很多。化工 管道最大特点就是垂直转弯多，曲率半径大多只有1 5 d ，因此对管道内部 管道榆测机器人的研制与t 程应用2 0 0 2 级硕二i j 学位论史 检测造成很大的困难。 由于受到实际情况的限制，化工管道一般采用外部检测方法，人工巡 线和外部测厚共同完成。化工管道日常作业包括管道运行状况和检测维护 两方面。管道管理单位按照国家压力管道管理要求，每六年委托外部有资 质的公司对管道进行一次检测，主要采用外部检测方法，利用测厚仪等设 备对管道壁厚进行检测，根据检测数据，得出管道腐蚀情况。目前管道内 部检测还没有实行，因为管径差别大，管道长度短，弯头多，垂直拐弯多， 介质种类多，因此检测费用大，也没有合适的检测设备可用。 近年来，化工管道由于腐蚀或者老化等原因产生的管道渗漏或者爆炸 等现象时有发生，不仅在经济上造成了很大的损失，而且对人员生命安全 也造成了很大的危险，因此研制一种应用于管道内部的无损探测装置具有 很大的现实意义。 1 2国内外管道机器人的研究动态 1 2 1 国外管道检测机器人的研究现状 8 0 年代，随着计算机、传感器、现代控制理论和技术的发展，为管道 机器人的研究应用提供了技术保证。国外相继开展研制了多种类型的管内 检测移动机器人，日本关西电力株式会社开发的适用于巾2 8 8 3 8 8 管径的 海水管道检测履带式机器人，如图l l 所示，该机器人通过沿径向分布的 履带在水平和垂直管道内部自主行走，行走速度为5 m m i n 心。3 3 。 碾霜 蝼豹 图卜1 海水管道检测履带式机器人 日本东京理工大学福田敏男。5 1 等研制的可以通过9 0 。弯管的管道机 器人样机如图l 一2 所示，机器人由可相对回转的头部和本体组成，当机器 人沿直管行走时，本体上的电机m 1 通过减速装置将动力传给本体上的驱动 轮，当管道机器人沿弯管行走时，电机m 2 驱动头部做姿态调整，并驱动头 # # 【* f “目r 8 h 月 部履带引导机器人通过弯管。酸机器人可用作管内裂纹探测，适用管径中 5 0 m m ，行走速度o 04 8 m m i n 。 图12 小管径检测机器人图卜3 煤气管道检测机器人 日本o s a k a 煤气公司的yk a w a g u c h i “”等人于1 9 9 5 年研制的管道 检测机器人系统的行走装置，采用内外轮结构，由电机驱动的内轮为磁性 轮系统携带彩色摄像头，并通过棱镜改变成像方向，系统自带电源接口及 控制系统，采用光纤进行通信。检测管径为2 0 0 m m 的铁管，检测距离不大 于5 0 0 m 。系统由于具有磁力吸附，因而可在管道侧面顶面运行，如图1 3 所示。 东京工业大学外发出了基于螺旋轮式运动原理微机器人该微机器人 的本体由几个单元体通过弹簧连接而成。每个单元体卜均布有三只支撑臂， 用螺旋弹簧将支撑臂上的小轮紧压在管道内壁上，产生预压力。小轮的轴线 相对单元体的轴线倾斜了一个角度，通过软轴将扭矩作用于单元体上使微 机器人运动。该机器人带上微型ccd 摄像机可用于细小工业管道的检测 工作。图1 4 所示为螺旋轮式运动的原理：。该微机器人可在内径2 7 i e m ，曲率半径不小于2 0 0 mr n 的管道内移动，速度约2f 1 m i n 。 l、0 璺 、 t 。j 图14 螺旋推动机器人 堕 * m d 目l # 白勺 制# t # m 2 0 0 2 碰f ￥论女 同本东京工q k 大学航空机械系s h l g e oh i d e t a k a 等人丁1 9 9 9 年研制成 适于15 0 m m 管道检测的机器人系统采用拖缆控制方式采用电机一蜗轮、 蜗杆驱动轮的驱动方案，同时还研制成l o o m m 一2 0 0 m m 输气管道管内检 测机器人系统。系统通过c c d 摄像头实现信息的采集系统，采用拖缆控制 方式，检测距离超过l o o m ，如陶15 圈1 6 图17 和图1 8 所示“2 。”1 。 圈卜7 型实验样机图i8 机器人样机现场实验 1 9 7 8 年法国的jv e r t u t 研制了一种腿轮式管内机器人行走机构，成 功的实现了管内自主行走，该机构由2 个行走轮及4 个支撑轮组成，腿由 电机驱动运动。如图i9 所示“。 图1 。9 管道行走机构图图卜1 0 自来水管道检测机器人 英国的p e a r p o i n t 有限公司“”开发的自来水管道检测轮式机器人，如 图l1 0 所示，可以在f 1 3 5 f3 7 5 m m 的管道内直线行走，行走速度为o 管n 机 一r 程m 1 2 m m i n 。 西班牙j o r g em o r a l e d a ”“等人于1 9 9 9 年在a s a 基金及军工基金的资 助下，利用水流喷射产生的冲力，作为驱动力研制成检测l o o m m 输水管道 内部状况的机器人系统，系统通过两个高清晰度彩色摄像头柑应控制和通 信模块实现管内检测系统采用拖缆控制方式，如图卜1 1 所示。 图1 1 1 输水管道内部检测机器人图卜1 2 四轮独立驱动管道机器人 德国hbk u n t z e “1 。”等人于1 9 9 8 年采用四轮独立伺服驱动方案，研 制成管道检测机器人系统，机器人装备有光学传感器超声传感器微波传感 器，以实现对2 0 0 m m 的输水管道的检测，检测距超过4 0 0 m ，系统也采用拖 缆控制方式，如图11 2 。 韩国s u n gk y u n ( w a n 大学r o hg ，r y e wm 1 ”1 等人研制的煤气管道检 测机器人由前后两节组成，中间万向节连接，每节由三组行星驱动轮均匀 支撑在管壁上，可调连杆调节驱动轮以适应不同的管径，前端带c c d 摄像 头。如图11 3 所示。 撩翳 图】1 3 煤气管道椅测机器人 管道榆测机器人的训f 制与t 程应用2 0 0 2 级硕上学位论文 1 2 2 国内管道检测机器人的研究现状 我国对管道检测机器人的研究已有十几年的历史，中国科学院沈阳自 动化研究所、哈尔滨工业大学、上海交通大学、上海大学、大庆石油管理 局、胜利油田等单位都进行了这方面的研究工作。 ( 1 ) 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学心0 。2 妇和大庆油建公司联合研制的野外大口径管道焊缝 x 射线检测机器人，如图1 - 1 4 所示。9 6 年应用于陕京天然气管道工程，该 系统有六大部分组成：移动载体、视觉定位、收放线机构，x 射线机及检 测控制、系统控制和防护装置。该系统利用管内移动载体拖动周向x 射线 探伤机，借助c l d 视觉装置确定焊缝位置并拍片，它可以做到单壁成像。 主要技术参数：1 管内行走速度0 1o m m in ：2 爬坡度3 0 0 ；3 一次最 大移动距离3 0 0 m ；4 确定焊缝位置误差5 m m 。 1 、能源 2 、控制器 3 、收放线机构 4 、x 射线控制器 5 、驱动机构6 、x 射线机7 、c c d 视觉系统8 、防护罩9 、管壁 图1 - 1 4x 射线检测机器人 ( 2 ) 上海交通大学 上海交通大学研制的煤气管道检测机器人( 图卜15 ) 驱动机构采用平 行四边形腿轮机构的形式，机器人的3 组驱动轮在圆周方向成1 2 0 均匀分 布，在轴向截面内，前后两组驱动轮布置在同一组平行四边形机构上，驱 动端的驱动电机通过蜗轮蜗杆副驱动3 组轮子，压紧力调节电机通过滚珠 丝杠螺母副和压力传感器使3 组驱动轮始终以稳定的正压力贴紧在管道内 壁上。该机器人的结构紧凑，工作可靠。 6 * * n m # 人的 m i 程m 月 图1 1 5 煤气管道检测机器人 ( 3 ) 清华大学 清华大学研制的管道检测机器人采用全驱动直进式结构，由三个直流 电机通过蜗轮一蜗杆副，带动三个径向均布的驱动轮，通过一个剪形弹簧压 紧机构使驱动轮撑紧管壁，依靠摩擦力运动( 图1 15 ) 剪形压紧机构具有 可调接合点，调节接合点的位置可使机器人的驱动轮径向缩进或扩张，从 而调节弹簧的压紧力，使机器人能够运行于垂直管道，三个电机以不同速度 旋转，机器人可以通过弯管：= 个电机所提供的牵引力较大，因此，机器人可 以长距离运行 罔11 6 管道机器人机械本体 q ) 上海大学 上海大学研制的小型管内移动机器人由动力内置式螺旋轮移动机构、 ccd 摄像头和监视器等组成。如图卜1 7 所示。螺旋轮移动机构的主要部 分为：减速电机、驱动机构和保持机构。驱动轮均匀分啦于轮架上与轮架铰 管道检测机器人的研制。j t 程应用2 0 0 2 级硕l j 学位论文 接，并与管壁呈一定的倾斜角0 。当电机通电时，电机轴带动轮架转动，使驱 动轮沿管壁作螺旋运动。保持机构的轮子压紧在管壁上，防止电机外壳反向 转动。因此，随着电机的转动，驱动机构作螺旋运动，保持机构沿管道中心轴 线移动。改变施加于电机的电流极性，可改变机器人的移动方向，从而使机 器人在管内进退自如1 。 i ： d r i v h g m e e h 洳 _ w 懈_ i 螺- h j d h 噜 m a e j t a n l s m c t dt l t n w l l l 图卜l7 小口径管道检测机器人 ( 5 ) 东华大学 东华大学研制的工业管道机器人采用三节结构，其中l ，3 节为驱动系统， 中间一级为超声波无损检测系统，驱动部分采用螺旋轮式结构，具有垂直 行走和较好的弯道通过能力。如图卜1 8 1 旋转体12 支撑体13 驱动电机m 14 万向节15 探测仓 6 里程轮；7 旋转电机8 超声波探头9 万向节21 0 驱动电机m 2 1 1 支撑体21 2 旋转体21 3 c c d 摄像头 图1 1 8 管道机器人总体结构图 1 3 管道检测机器人移动载体的研究 管内移动机器人的可靠性及使用性能直接取决于移动载体，因此移动 8 管道枪测机器人的研制与t 程应用 2 0 0 2 级硕 = 学位论文 载体使管道机器人最重要的部分之一，近十几年来，国内许多学者进行了 移动载体的研究，归纳起来有以下几种，单电机驱动移动载体；双电机驱 动移动载体；三电机驱动移动载体心3 。2 。 单电机驱动移动载体：适用于大管径直管内移动机器人，这是由于中 间电机驱动蜗杆，并由蜗杆并联驱动三个蜗杆。当管道探测机器人转弯时， 三个驱动轮走过的母线长度不再相等，这种几何约束条件要求三个驱动轮 按一定的转速关系旋转才能通过弯管，这样由同一个电机驱动的处于同一 转速的三个驱动轮就会和弯管的几何约束条件发生干涉，结果使内耗增大， 牵引力减小，但由于在大口径管道中，管道内部空间大，电机容量的选择 余地大，单驱动牵引力已足够，而且该驱动结构简单，因此单电机驱动适 合于大管径直管内应用条件。 图l 1 9 单电机移动载体 双电机驱动移动载体：电机m l 和m 2 分别驱动两个蜗杆，蜗杆驱动的 结构与单电机驱动的结构相同，但封闭力由弹簧推动的同一圆柱滑块推动 三个支撑臂同时张开，这样移动载体具有自定心性，满足了管内行走的基 本条件，双驱动多用于中小管道作业，由于空间的限制，驱动电机容量的 选择余地小，为了提高驱动力，可采用双电机驱动。 m 硷一片团匝捡脚 图l 一2 0 双电机移动载体 三电机驱动移动载体：由三个支撑臂在弹簧的支撑下产生封闭力，因 而具备了管内行走条件。但与前两种移动载体条件不同的是电机没有固定 在机器人本体上，二是三个电机分别固定在三个支撑臂上，电机通过蜗杆 9 管道柃测机器人的研制与t 。程应用2 0 0 2 级硕 j 学位论文 一涡轮直接驱动驱动轮，这种驱动方式驱动轮具有差动功能，不会产生转 速相同的内耗现象，而是三个驱动轮随着各自的路径不同而调整转速以适 应管内条件。该驱动方式适合于大管径重载条件下使用。 图1 2 l 三电机移动载体 轮式驱动方式在直管中的使用效果较好，当机器人通过弯管时，由于 各轮走过的实际弧长不同，使得某些驱动轮成为事实上的制动轮，这样不 但降低了有效拖动力，而且由于驱动轮间产生的寄生功率循环加剧了载体 内部的功率消耗和驱动部件的快速磨损，成为限制长距离、自备电源管内 作业机器人有效作用的一个重要问题。最常见的方法时采用三个电机单独 驱动，但这种方法的实时性和柔顺性还不够理想，而且由于三个电机的存 在占据了大部分管内的有效空间。实际上，实际上，最直接的方法时采用 由一个电机输入，具有三轴协调差速功能的三轴差速器。锥齿轮差速器是 最常见的差速器之一心6 。2 6 1 。 1 4 管道探测机器人关键技术及面临的问题 1 4 1 管道探测机器人的关键技术 ( 1 ) 移动载体的设计 为使管内机器人能较好地完成较远距离的直管、弯管等的管道作业， 研制体积小，重量轻的移动载体和高可靠性、高效率、多功能的行走机构。 以及高效微型机载能源是管道机器人的关键技术和发展趋势。 ( 2 ) 视觉及传感器技术 所有的管道移动机器人都携带一个小型c c d 摄像机，以便操作者确定 前进方向和检测区域的位置。目前的视频技术通过固态c c d 形成一个高质 量的彩色摄像机安装在管道机器人上，可获得极小区域的图像。调焦由小 1 0 管道检测机器人的研制门r 程应用2 0 0 2 级坝l j 学位论文 直流电机完成，照明用几个4 到5 w 的卤光灯。摄像机应通过调整机构实现 轴向和周向转动，以使操作者清楚地观察到管道整体情况。 管道机器人携带的传感器主要有超声波传感器、涡流传感器、辐射传 感器、温度传感器、位姿传感器等。超声波传感器用于测量管壁壁厚或管 壁缺陷，如焊缝或管壁的裂纹；涡流传感器用于确定焊缝位置以便进一步 无损探伤：辐射传感器能在人接近前测量辐射量；温度传感器用于测量管 内温度；位姿传感器用于确定机器人的位置和姿态。并告知操作者机器人 的当前状态；管道机器人要想实现自主智能化作业，基于多传感器的管道 环境识别是需要解决的关键问题。机器人应能在视觉、位姿等传感器系统 的引导下，接近作业目标，通过超声波、涡流等多传感器信息检测和综合 理解、自主完成检测任务。 管内机器人视觉系统包括球面及反射光学装置、c c d 摄像机、信号传 输线、监视器等几部分，由球面反射光学装置通过成像技术进行图像采集。 经视觉传感器( c c d ) 将光信号转换成电信号，该信号经视频信号传输线输 出到监视器。随着机器人在管内移动，可使管内壁图像连续再现于监视器 屏幕心7 1 。 ( 3 ) 数据采集技术 i 叶| 换h 储岬析 图卜1 9 数据采集系统 在机器人管道探伤过程中，机器人与外界安全隔离。在防止管道内的 油液渗入，机器人的电气部件被封闭在高气压的密封舱内。机器人不仅要 自动探测搜集管道的各种信息，而且还将这些信息存储起来供后续的分析 探伤机器人的数据采集系统原理如图卜1 9 所示。 传感器是机器人探测输油管道状况的直接部件。目前，应用普遍的探 伤传感器主要有两类，一类是漏磁检测传感器；另一类示超声波传感器。 前者易于小型化，因此对于小孔径的管道探伤尤为适用，后者具有较高的 分辨率和探伤有效性，对于金属疲劳，应力作用等引起的金属裂缝的检测 十分有效。 管道柃测机器人的研制与t 程应用2 0 0 2 级硕i j 学位论文 信号转换部分完成模拟信号至数字信号的转换。传感器送出的是模拟 信号，为让后续部件存储、处理和分析这些信号，先将其转换成数字信号。 数据存储部分用来保存采集到的数据，目前，常见的存储设备示磁带 机。探伤机器人在管道内行进过程中会遭受剧烈震动，要求其所有部件都 具有足够抗震性能要好，数据存储部件以不例外。所以数据存储器必须同 时具备高存储容量和优异的抗震动性，基于以上原因，磁带机成为普遍选 用的存储器件。此外，快闪存储器以正逐渐被采用。数据分析是独立于机 器人的后续工作，在机器人完成管道扫描后进行，在条件较好的计算中心， 通过对数据存储部件上保存的探伤数据作深入细致的分析，确定管道损失 的类别、形状和位置。数据分析的核心是基于若干运算公式的分析软件包。 管道受损伤的因素有地表运动、外力的机械损失、腐蚀以及应力作用 等，这些因素造成的损伤表现为管道的扭曲、变形、管壁的金属剥落及裂 缝等。管道的扭曲、变形情况通过探测油层圆切面的形状变化来获得，而 油层切面的形状可用各点的径向油层厚度来反演得到管壁的金属剥落和 裂缝则可用管道上各点的管壁厚度数据( 在裂缝处，其实是被探测点的管 道内表面至管壁内的声波反射点之间的厚度，而非实际壁厚) 来分析得到。 因此，需要收集管道的油层厚度和管壁厚度两种数据。 与此同时，另一类很重要的数据一定位信号以需要记录保存。定位信 号有两种，一种是机器人的行程定位信号，用于确定机器人在管道内的位 置，另一种是机器人的角度定位信号，用于确定传感器所处的圆周方位角。 这两种定位信号与上述探测数据( 油层厚度和管壁厚度) 结合在一起，共 同确定损伤发生的情况和发生的具体位置心8 。3 。 ( 4 ) 探测技术 常用的管道探测技术有以下四种：超声波探测；涡流探测；漏磁探测； 弹性波法探测。 目前在对管道探伤中应用最广泛的式第二代漏磁管道检测器和超声波 管道检测器。 1 4 2管道检测机器人面临的主要问题 ( 1 ) 能源供给问题： 1 2 管道枪测机器人的研制与丁程心用2 0 0 2 级硕t j 学位论文 管道机器人大多数由电机驱动，少数为气动或液压驱动，不论采用何种 动力源，其能源供给方式目前只有两种选择，有缆方式和无缆方式。对有 缆方式的管道机器人，主要的问题是当机器人行走距离达到一定程度，特 别是当转弯较多时，电缆和管壁的摩擦力会变得很大，甚至达到机器人的 牵引力所不能克服的程度，这严重地影响了机器人的最大行走距离，而且 还回带来可靠性等一系列问题。而无缆机器人的能源供给目前有两种方案， 一是携带蓄电池，二是携带燃油发电机组，这两种方案除了体积庞大这一 共同缺点外，还分别有各自的缺点；蓄电池所储存的能量毕竟有限，而且 受电池质量、充电工艺等因素的影响，因为机器人行走距离仍然受到限制， 否则机器人面临有去无回的危险，这使得系统的可靠性和耐久性均受到影 响；而燃油机组的问题则是，当机器人行走距离较远时，管道内部空气稀 薄，机组很容易熄火，而将机器人滞留在管道内。因此有效地提高机器人 能源供给系统的效率和可靠性是管道机器人得以广泛使用的前提。 ( 2 ) 通讯问题 管道机器人在管道内部进行检测和维修等作业时，需要随时与外界进 行联系，将传感器采集到的数据及有关管内环境的信息传递到控制台，并 接受人员的命令，但这种信息的传递若采用导线则同样面临着电缆与管壁 的摩擦问题，若采用无线通讯，信号经过管壁、土壤等介质后衰减很大， 而且当管壁是金属时，由于电磁屏蔽作用，信号无法穿过管壁；另外，整 个系统的成本和体积都会大幅度上升。因此，如何实现高效、准确的通讯 是管道机器人正常工作的必要条件。 事实上，上述两个问题都涉及到机器人是否拖缆。目前比较现实的方 案是尽量减少拖缆的线数，以减少拖缆的重量。 ( 3 ) 通过性问题 管道是由各种形式的管道与接头组成的，除直管外，还有变径管、弯 管、t 形管、l 形接头等，因而要求机器人能够适应上述诸多环境，但目前 的状况是只有直管的通过性问题得到了较好的解决，而弯管、支岔管内的 通过性问题则仍处于探索阶段。 管道机器人的通过性问题是一个综合性的问题。它涉及到行走机构， 1 3 管道枪测机器人的研制与工程应用2 0 0 2 级硕上学位论文 管内环境识别及控制等诸多因素的问题 行走机构 目前管道机器人在行走机构方面存在着这样的矛盾：比较灵活，能适 应多种管道环境的机构往往速度慢，牵引力不足；而速度快，牵引力大的 机构，如轮式驱动机构又往往缺乏灵活性，总之，目前还没有一种能够从 速度、牵引力、转向性能等方面均能满足要求的行走机构。 位姿问题 目前机器人要顺利地实现各种管道内环境的行走、越障和在作业位置 处的精确定位，其位置、姿态及环境的判断和识别是关键问题。 目前机器人位置的判定主要是靠光电编码器，即码盘来实现的，但实 验证明，机器人在管内往往出现打滑现象，这使得码盘提供的位置信息往 往是不准确的，进而导致测量结果的不准确。管道机器人的姿态，如机器 入平面与管道平面的夹角等参数的识别目前主要靠摄像头，但这种识别仍 然主要是由操作者，而不是机器人本身完成的。管道环境的识别，如是否 转弯，是否有支岔，障碍及其方位等，目前常用的手段有摄像机、超声波、 红外线等，与机器人姿态的识别类似，操作者起了决定性的作用。 控制问题m 1 直接驾驶式：管内行走的载人小车 遥控式：远距离对机器人发出指令，通常借助摄像头来监视管内的情 况，容易出现误操作和漏操作 监控式：无须控制机器人的具体动作，更多的依靠智能化的传感器技 术。 1 5 管道机器人发展应着重在以下几个方面有所突破 ( 1 ) 灵活可靠的行走机构 要解决管道机器人的通过性问题，除了要在机械结构方面推陈出新之 外，还应结合控制方案来考虑。 ( 2 ) 智能化的传感器系统 对管道内部这类非结构化环境，现有的管道机器人中的传感器或无法 正常发挥作用，或过多地依赖人的介入，已经不能满足其发展的需要，经 1 4 管道榆测机器人的研制与t 程应用2 0 0 2 级硕1 学位论文 过多年的时间，人们已经认识到传感器的集成，即多种传感器的综合运用 是解决上述问题的有效手段，特别是以摄像头为基础的视觉传感器，由于 其直观性，应引起足够的重视，同时，先进的感知算法的研究是必要的， 只要将感知算法与传感器的硬件结合起来，形成智能化的传感器，才能为 提高管道机器人的控制水平打下良好的基础。 ( 3 ) 高度自制的控制系统 在管道内部复杂的环境下中，为减轻操作人员的负担，机器人具有自 主能力是必要的，但这依赖先进的传感器技术，特别是管内环境识别技术 作保证，例如，在机械手控制中引入视觉伺服技术，即利用视觉传感器来 实现机械手的位置闭环控制。在管道机器人中采用视觉伺服技术，可以有 效地克服现有传感器的不足，有利于提高其控制性能和自主能力，并对其 智能化进程有重要意义。另外先进的控制策略，如路径规划，控制器参数 的在线优化等的研究也必将使管道机器人的智能化水平得到进一步的提高 3 3 - 3 6 】 1 6 本论文的主要研究内容 本课题的主要内容是研制一种应用于管道内径为咖1 8 0 - - - 步2 0 0 m m 的 管道检测机器人。本文在充分了解目前化工管道的检测现状、存在的问题 以及对管道内部无损检测需求基础上，针对化工管道内壁腐蚀状况、管道 的壁厚和内壁缺陷，进行管道机器人机械本体、控制系统和无损检测系统 的设计与研制。 全文共分七章具体内容如下： 第一章为绪论。介绍了课题研究的背景及其现实意义、国内外的研究 现状、关键技术及其面临的问题，以及今后发展的方向。 第二章为方案总体设计。首先简要分析了有缆式管道机器人和无缆式 管道机器人的区别，重点介绍了管道机器人的总体设计方案，包括机械本 体模块、控制系统模块、无损检测模块和无损检测传感器的设计以及在机 械本体设计过程中需要注意的一些问题。 第三章为方案的详细设计与分析。本章首先对比了不同的管道机器人 机械本体方案，确定了详细设计方案，介绍了机械本体设计过程，分析了 1 5 管道榆测机器人的研制门r 程心用2 0 0 2 级硕上学位论文 机械本体的受力、进行了拖线力计算，并确定了机器人的基本参数以及基 本参数对机器人运动性能的影响。分析了管道尺寸对机器人的几何约束， 运动稳定性与管径的关系。 第四章为管道检测机器人控制实现。本章首先简要介绍了机器人的不 同控制方案，选择了驱动系统，分析了多电机同步控制的问题，最后介绍 了机器人的控制方案。 第五章为传感器系统的设计。第一部分介绍了超声波无损检测原理， 并对无损检测方案进行了分析；第二部分介绍了c c d 图像的采集与处理， 并对图像采集方案进行了讨论。 第六章为实验与分析。本章介绍了管道机器人的一些基本实验情况， 并对实验结果进行了分析。 第七章为结论与展望。总结了本课题的研究成果，指出了本文的创新 之处，并对管道检测机器人的研究前景进行了展望。 1 6 管道榆测机器人的研制与- 丁程应用2 0 0 2 级硕卜学化论文 第二章管道检测机器人总体设计 2 1 总体设计方案基本要求 工业管道检测机器人是根据化工厂实际生产需要的具体情况而提出 的，能推广应用的机电一体化设备，它应具有以下三个特点： ( 1 ) 它要求用户具有明确的使用价值，技术含量高，实现的可能性大。 ( 2 ) 良好的人机接口，操作简单。 ( 3 ) 开放式体系结构，模块化设计，更功能模块可单独工作完成不同的任务。 通过对典型机器人体系结构的分析，提出化工管道检测机器人的体系设计 原则： 整体结构为开放型，模块化，以方便更改系统结构或增加分系统。 各模块组合应方便、简单、以保证技术的集成及能力的扩充。 各模块结构应尽可能简单、友好。 良好的性能价格比，给推广应用提供条件。 本论文的主要目标时研究使用于化工管道的管道检测机器人系统，具 备管内自主行走、自动检测的实用化系统。具体目标如下： ( 1 ) 实现对化工管道内壁腐蚀状况的检测； ( 2 ) 实现对化工管道壁厚的检测； ( 3 ) 实现对化工管道内缺陷的检测； 要实现以上主要目标，主要的研究内容有以下几方面 ( 1 ) 实用的移动载体：保证稳定的牵引力，并且具有一定的越障能力和 管径适应能力； ( 2 ) 可靠的控制系统：保证机器人运行稳定、可靠 ( 3 ) 精确的检测系统：能够检测壁厚腐蚀情况、内壁缺陷，并且能够实 现缺陷的内定位； 目前管道检测机器人系统的总体设计有两种方案：有缆式管道检测机 器人和无缆式管道检测机器人口7 1 。 2 i 1 有缆式管道检测机器人 1 7 管道柃测机器人的研制与r 程应用2 0 0 2 级硕l 学位论文 有缆式管道检测机器人系统的特点是：机器人的能源供给、通讯、运 动控制以及检测信号传送通过缆线实现，该系统从总体结构来说可靠性比 较好，而且易于实现。对有缆式管道机器人，主要的问题是当机器人行走 距离达到一定程度，特别是当转弯较多时，电缆和管壁的摩擦力会变得很 大，甚至达到机器人的牵引力所不能克服的程度，这严重地影响了机器人 的最大行走距离，而且还回带来可靠性等一系列问题。该系统简图如图2 - 1 图2 - 1 有缆式管道检测机器人系统简图 2 1 2 无缆式管道检测机器人 无缆式管道检测机器人分为：无线通讯式和数据压缩式两种 ( 1 ) 无线通讯式管道检测机器人 该系统的特点是：自身携带能源供给装置，运动控制、通讯、检测信 号传递通过无线模块来实现。无缆式机器人系统最大的困难是能源问题和 通讯问题。能源供给目前有两种方案，一是携带蓄电池，二是携带燃油发 电机组，这两种方案除了体积庞大这一共同缺点外，还分别有各自的缺点，i 蓄电池所储存的能量毕竟有限，而且受电池质量、充电工艺等因素的影响， 因为机器人行走距离仍然受到限制，否则机器人面临有去无回的危险，这 使得系统的可靠性和耐久性均受到影响；而燃油机组的问题则是，当机器 人行走距离较远时，管道内部空气稀薄，机组很容易熄火，而将机器人滞 留在管道内。无缆式机器人采用无线通讯，通讯信号经过管壁、土壤等 介质后衰减很大，而且当管壁是金属时，由于电磁屏蔽作用，信号无法穿 过管壁；另外，整个系统的成本和体积都回大幅度上升。 该系统简图如图2 2 。 1 8 管道榆测机器人的研制j t 程应用2 0 0 2 级硕一i ：学位论文 图2 2 无线通讯式管道检测机器人系统简图 ( 2 ) 数据压缩式管道检测机器人 目前国内外应用于长距离油气管道内部检测的都是属于数据压缩式管 道检测机器人，该系统在役检测，靠介质推动前进。无损检测信号、管道 内部的图像信息经压缩后存入机载计算机中，等完成检测任务后，将采集 到的信息输入到处理计算机中，通过数据的解压缩、再生以及相应的处理， 得到要求的结果。该系统由于要对数据二次处理，因为检测周期长，实时 性差，因此缺陷内定位系统的定位精度要求要高。该系统简图如图2 3 图2 3 数据压缩式管道检测机器人系统简图 综上所述，有缆式管道机器人系统能源供给、通讯、运动控制以及检 测信号传送通过缆线实现，该系统从总体结构来说可靠性比较好，而且易 于实现，针对本文的实际情况，采用有缆式管道检测机器人系统。 2 2 总体方案设计 根据对化工管道机器人体系结构及阶段研究的任务，确定了化工管道 检测机器人的总体设计方案，管道检测机器人系统组成如图2 4 所示。 1 9 管道榆测机器人的研制jt 程应用2 0 0 2 级硕士学位论义 图2 4 管道检测机器人系统组成 管道检测机器人系统主要包括以下六部分：1 ) 机械本体模块：2 ) 控 制系统；3 ) 检测系统；4 ) 传感器系统；5 ) 照明系统；6 ) 辅助系统。以 上模块的开发及研制都为下阶段的开发及研制做好准备，每一模块都充分 的考虑到以后的开发工作。管道检测机器人系统结构简图如图2 5 。 图2 5 管道检测机器人