管道机器人的驱动原理及应用

管道机器人的驱动原理及应用

管道机器人的研发和国内研究现状在一般工业、原子能工业、石油、天然气、军事设备等领域，管道被广泛应用于有效的材料输送手段。为提高管道的寿命、防止泄漏等事故的发生,就必须对管道进行有效的检测维护,管道机器人为满足该需要而产生。管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械,在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下,进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。目前国内外管道机器人的研究成果已经很多,可是在微小管道、特殊管道(如变径管道、带有U型管的管道)进行检测、维修还刚起步,但是由于该类管道在各个领域的广泛应用,因此研发该类机器人极具吸引力。管道机器人的驱动源大致有以下几种:微型电机、压电驱动、形状记忆合金(SMA)、气动驱动、磁致伸缩驱动、电磁转换驱动等。管道机器人按照驱动方式大致可以分为以下三种(如图一):1)自驱动(自带动力源);2)利用流体推力;3)通过弹性杆外加推力;1.国内外管道小型机器人的发展1.1自激管理系统机器人自驱动管内机器人包括图1所示的轮式、脚式、爬行式、蠕动式,还包括履带式等。1.1.1驱动型机器人采用日本学者福田敏男、细贝英夫在1986年研制了可以通过“L”无圆弧过渡的管内移动机器人。该机器人行走机构分别由头部和本体两部分组成,头部和本体可相对回转。当机器人在直管内行走时,本体上的电动机M1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90度弯管时,电动机M2驱动头部做姿态调整,同时驱动头部履带,引导机器人通过弯管。该机器人的技术指标为:适应管径:φ50mm;行走速度:8.1mm/s;转弯性能:可以通过90度直角弯管;机器人重量为:240g;机器人长度:76mm。日本东芝公司于1997年研制了一台轮式管内移动机器人,前部带有一部微型CCD摄像机,能分辨管内异物并用微型机械手实现清理。胶管联接可过弯管,适应管径:φ25mm;行走速度:0.36m/min;自重:16g。该机器人采用多轮驱动式为了增加牵引力,由于轮径太小,越障能力有限,而且结构复杂。东京工业大学开发出基于螺旋轮式运动原理微型机器人,该机器人的本体由几个单元通过弹簧联接而成。每个单元体上均匀分布有三只支撑臂,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在单元体上使微型机器人移动。1.1.2机器人的组成与特点西门子公司WernerNeubauer等人研制的微管道机器人有4、6、8支脚三种类型,可在各种类型的管里移动,其基本原理是利用腿推压管壁来支撑个体,多腿可以方便地在各种形状的弯管内移动。国内的太原理工大学研制成功管内脚式行走机器人如图2。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(16)、小齿轮(15)、齿圈及平面螺纹(14)、滑杆(13)、脚靴(12)组成。牵引机构由电机(1)、螺杆(2)、螺母(5)、拔销(4)、拔杆(7)和支撑杆(9)组成。转向机构由万向节(21)组成。当电机(1)带动螺杆转动时,螺母受拨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(12)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(11)在筒体(10)内向前滑动,同时通过万向节(21)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(12)处在抬起的位置时,拨杆(7)通过支承杆(9)推动筒体在套筒(11)上万向节方向滑动、改变了腿的姿势。1.1.3微管道机器人的组成和工作原理清华大学研制了一套小型蠕动机器人系统,其机构如图5,由1蠕动体和2、3、4电致伸缩微位移器组成。蠕动体的蠕动变形形态由粘贴于柔性铰链部位的电阻应变实时感,机器人的外形尺寸为150x61x46mm,重2kg,最大步距10μm,行程40mm,运动精度0.2μm。石油大学仿照蚯蚓在孔内蠕动的过程,研制了一种在孔内行走的机器人驱动装置。该机器人如图7所示,由蠕动进给装置1、SMA胀紧环2、转向装置3、工作电极4和限位元件5等部分组成。动作过程如下:前SMA胀紧环通电膨胀压紧孔壁,然后SMA拉伸螺旋弹簧通电收缩,偏压弹簧压缩,整个装置向前收缩。上海交通大学针对微小空间、微小管道实时探测的要求,研制成电磁驱动微小型管道机器人样机(如图8)。微小管道机器人由四节电磁驱动单元组成,驱动机理模拟生物体的蠕动爬行。它是通过给线圈加一系列的时序脉冲的控制,依次使各单元动作,以多拖少而达到蠕动式爬行的运动形式。广州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10。初始状态时线圈C1、C2、T1、T2分别通电,机器人的驱动器1和驱动器2(主体)相互吸合,当线圈C1掉电时,由S1将机器人前部(驱动器1)向前推动一段位移;其它依次类推。1.2石油管道检测机器人利用管道流体压力对管道进行直接检测和清理技术的研究始于上世纪50年代,受当时的技术水平的限制,其主要的成果是无动力的管道清理设备---PIG,此类设备依靠管内流体的压力差产生驱动力,随着管内流体的流动向前移动,并可携带多种传感器。但是PIG自身没有行走能力,其移动速度、检测区域不易控制。上海大学利用石油管道的石油高压研制成在役石油管道检测机器人如图11,该型机器人分成多节,利用与管道密封的橡胶环(皮碗),相当于活塞,在输油管内压力油作用下,推动检测机器人向前行走。主要由探头1、高压密封件2、电机仓3、电池仓4、仪器仓5、仪器仓6、万向节7、里程仓8、清管器9和皮碗10组成。1.3螺旋原理日本东京科技学院利用外加推力研制成“螺旋原理”的微型机器人图12。利用在管外的电机推动带有弹性的线推动驱动部件前进,该驱动部件可以越过小的台阶。2.该机器人在经济领域2.1自动化内矛盾仪检测该管道内窥仪针对工业设备中管道的检测而设计。通过调节螺母带动连杆运动,从而调节整个支架的直径。具有中心定位、手动或自动爬行、直径可调节、自动对焦、电动变倍、内置白光照明、周向360度扫查、轴向90度可手动调节等功能的自动化内窥仪。仪器采用高清晰度的彩色CCD镜头,支架全部采用不锈钢制作而成,并且能与计算机相连进行图象数字化处理。适用于工业设备中各种管道的内部缺陷和异物的检查。2.2水平管道的检测该管道爬行器携带CCD摄像机,应用于热电厂、核电厂、水电厂、石油化工等管道的检测,三足竖管爬行器可以在垂直的管道爬行检测,增加二级三足爬行器,可以由垂直管转弯爬行到水平管道中。2.3管道无保温层模块MagSteer是一个智能爬行系统,它能出色的检测有保温层或无保温层或无保温层管道内部及外部缺陷。通过计算计远程控制,爬行器可以自动爬行在有保温层或无保温层的管道上。MagSteer可以装配橡胶轮子来检测有保温层或非磁性材料的管道,也可以装配强磁性的轮子检测无保温层的管道。3.动力系统的机构设计从以上的资料文献来看,管道机器人的研制、开发在国际上也属发展阶段,离实际应用还有一定的差距。大部分机器人还只能运行一般的直管道,而工程中广泛应用的变径管道、U型弯管道的检测机器人还处在试验开发阶段,通用性也很差。运行在弯管道里主要靠支撑管内壁(即靠封闭力)、磁吸附和真空吸附等,而这些应用极其有限。因此研究特殊管道(管径变化、无磁性、有弯管等)机器人检测维修系统,有着极高的学术价值和实用价值。这些特殊管道机器人的研究设计应从以下方面考虑:(1)灵活可靠的行走机构:管道机器人在弯管、支岔管中的通过性问题是一个难点,要解决这一问题,要在机构上保证机器人能够在这些特殊环境中顺利行走,需要寻找融合各种机构优点及可靠的机构方案。(2)驱动方式:由于管道机器人是在管道限定的环境里运行,尤其是在有弯曲管道里运行,一方面,机器人在弯管(包括垂直管道)行走中要有足够的摩擦力来克服重力的影响,另一方面需要提供足够大的驱动力来克服各种阻力,现在使用的驱动方式一般是电机,这就需要尺寸小而扭矩大的电机。(3)信号、电力的传输和供给方式:在直管道线缆可以顺利进出,但是在弯曲管道里,尤其是有几个弯曲的管道里,必须考虑线缆在转弯处的阻力。采用无线的方式来传递信号,由于金属管道具有一定的屏蔽作用,需要考虑发射信号的频率。电力的供给现在一般采用高能干电池、蓄电池和管外供电(线缆)的方式。上海交通大学研发了小口径管道内蠕动式移动机构如图3,它是模仿昆虫在地面上爬行时蠕动前进与后退的动作设计的。其主要机构由(1)撑脚机构、(2)气缸、(3)软轴、(4)弹簧片、(5)法兰盘组成。蠕动运动为:气缸2a动作,气缸活塞左移,松开前撑脚;气缸2c动作,气缸活塞左移,撑紧后撑脚;气缸2b动作,气缸活塞左移,使气缸2a前进;气缸2a动作,气缸活塞左移,撑紧前撑脚;气缸2c动作,气缸活塞左移,松开后撑脚;气缸2b动作,气缸活塞右移,使气缸2c前进。西安交通大学以电致伸缩陶瓷微位移器做驱动器,电磁铁机构做可吸附于行走表面的保持器,设计制作了蠕动式微动直线自行走机构如图4。由簧片组3与左右支架1、6联接成一体,作为电致伸缩陶瓷微位移器4的载体,驱动器4的一端与支架1的侧面贴和,另一端与螺钉