【正文】 ................... 1 謝 辭 ............................................................ 3 1 1 緒論 管道機器人的研究意義 機器人是一種自動化的機器，具備一些與人或生物相似的能力，如感知、規(guī)劃、運動及動作的協作等，機器人技術被視為二十世紀人類最偉大的發(fā)明之一，自二十世紀六十年代工業(yè)機器人問世以來，隨著社會和科學技術的迅猛發(fā)展，特別是在 信息技術、控制理論等學科迅速發(fā)展的支持下，機器人的種類日益繁多，性能不斷的改進，工作領域也不斷擴大。從深海到宇宙空間，在各種人類所不能承受的極限環(huán)境中都能找到機器人的應用?？梢哉f，現代機器人技術已經突破了傳統的工業(yè)機器人的范疇，逐步轉向與應用各種特殊工況的特種機器人技術 [14]。 開發(fā)非結構環(huán)境下工作的特種機器人，使人脫離危險作業(yè)的生產一線，減輕人的勞動強度，是機器人發(fā)展的一個必然方向。目前國際特種機器人技術的研究和開發(fā)非?；钴S。在研究和開發(fā)的過程中，人們逐步認識到特種機器人技術是感知、決策、行動和交互四大技術的結合。隨著人們對特種機器人智能化本質認識的加深，特種機器人技術開始不斷向人類活動的各個領域滲透。 [57] 管道檢測機器人是針對輸油、氣管道的檢測、噴涂、接口焊接、異物清理等維護等維護檢修作業(yè)所研制的一種特種機器人。這種機器人能進入復雜的管道環(huán)境中，通過自身攜帶的檢測裝置，對油、氣管道進行檢測一、清理與維護，以保障管道的安全、無障礙工作。管道檢測機器人實施的是管道內檢測技術，它還能夠方便地獲取、傳輸、存儲管道內的視頻影像數據，作為分析判斷管道內壁腐蝕狀況、兒何形狀異常、堵塞、斷裂、泄漏的重要依據 ，并可利用機器人自身精確的定位系統對缺陷進行定位，通過攜帶的檢測裝置對關鍵部位實施進一步的定量檢測。這一技術特點，使得在對穿越河流、鐵路、道路的特殊管道或埋地管道的重要部位進行有選擇的檢測時，管道檢測機器人具有獨特的優(yōu)勢。 [89]因此，與管外檢測技術相比，管道檢測機器人技術在管道安全管理工程中具有不可替代的作用，是管外檢測技術的重要補充。 管道檢測機器人的研究為管道的檢測、維護提供了新的技術手段，改變了傳統管道開挖抽檢的單一模式。這種檢測技術提高了管道檢側的準確性，便于管道工程管理維護人員分析了解管道缺陷 產生的原因，開展對缺陷的評估，制訂管道維護方案，消除管道安全隱患，在事故發(fā)生前就有計劃地維修或更換管段，從而節(jié)約大量的維修費用，降低管道維護成本，保障人民生活及財產安全，減少有毒氣體或液體泄漏造成的環(huán)境污染。因此，開展管道檢測機器人的研究具有重要的科學意義和明顯的社會經濟效益。 2 國內外管道檢測機器人設計的發(fā)展狀況 管道檢測機器人是集無損檢測技術、機器人控制技術、計算機技術、數據分析和處理等多項技術于一體的實用化工程。 國外管道檢測機器人發(fā)展狀況 國外關于燃氣管道檢測機器人的研究始于加世紀 四十年代，由于 70 年代微電子技術、計算機技術、自動化技術的發(fā)展和進步，國外的管道檢測機器人技術于 90 年代初得到了迅猛發(fā)展，研制了許多實驗樣機，取得了大量的研究成果，正逐漸接近于應用水平。日本學者 [1011]等人于 1987 年研制成功了振動式管道檢測機器人，圖 1所示為結構簡圖，其工作原理是在機器人的外表面裝有若干與機器人本體成一定角度的彈性針，靠彈性針的變形使管道檢測機器人壓緊在管道內壁上。管道檢測機器人的機身內裝有由電動機驅動的偏心重物，當偏心重物旋轉時，產生的離心力使彈性針變形、滑動 ，從而帶動管道檢測機器人整體移動。該機器人結構簡單，容易小型化，但是其在管道內的行走速度難以控制，而且振動使管道檢測機器人沿圓周方向自轉，導致機器人運動時姿態(tài)不穩(wěn)定且難以有效地控制，這些對傳感器的工作和機器人的使用壽命均會產生很大的影響。 圖 1 振動式管內移動機器人 3 日本東京工業(yè)大學航空機械系 Shigeo Hirose 和 Hidetaka Ohno[12]等人于 1993年開始研究管道檢測機器人，先后研制成功φ 50mm 管道的 Then I、 Then II 型管道檢測機器人和φ 150mm 管道的 ThesIII 型管道檢測機器人。 ThesI 型管道檢側機器人的總長為 300mm,重量只有 310g，其外形如圖 2 所示，在機器人本體的滾輪上沿圓周方向成 圖 2 Thes系列機器人樣機 放射狀均布四根彈簧鋼絲，每根彈簧鋼絲的末端都安裝了一個有一定傾斜角的輪子 .所有的輪子在彈簧壓力的作用下撐緊在管道的內壁上。沿圓周方向驅動輪子時，由于存在傾斜角將產生螺旋推進運動，從而推動機器人在管道中的運動，且輪子的傾斜角可以隨著阻力大小的改變而改變，當機器人的負載較大時，輪子的傾斜角將產生變化，從而減小行走速度，增加推進力 。 ThesII 型管道檢測機器人的每一節(jié)機器人單元的左右兩側分別布置著由彈簧板支撐的一對輪子，輪子由電動機通過減速齒輪箱驅動，以實現機器人在管道中的前進和后退運動， ThesII 型管道檢測機器人可以在帶有彎管接頭的管道中運動，如圖 2（ b）所示。 ThesIII 型管道檢測機器人采用“電機刊渦輪蝸桿一驅動輪”的驅動方案，如圖 2(c)所示，同時每個驅動輪都有一個傾斜角度測量輪，通過測 4 量輪探測機器人的傾斜角度，并反饋給電機從而保證管道檢測機器人的驅動輪以垂直的姿態(tài)運動。該管道檢測機器人系統通過 CCD 攝像頭實現信息的 采集，整個系統采用拖纜控制方式，檢測距離超過 100m，圖 2(d)為現場實驗圖片。 俄羅斯“塔里斯”公司“月球車”，即機器人維修車。該維修車有 9 個電驅動裝置，能把整個機器聯接起來，推出并轉動工作部件，翻轉攝像機，用于觀察修理過程，還能“指使”刷子去清洗應洗的部位。除此以外，為了使機器人能從豎孔中鉆進橫向管道，機器人自身可折彎曲，因而可在直徑 190 毫米到 600 毫米的管道中工作。機器人的機身是用一整塊不銹鋼加工出來的，只有這樣才能達到輪子所必須的孔的同軸度和可靠的密封性。機器人裝有輪子，以每秒 0. 3 米的速度向前 行駛，有大功率燈泡照明，攝像機向不同的方向旋轉，可以判斷故障點。在發(fā)現故障點后，機器人用一整套工具 銑刀、鉆頭、切割和清理工具完成各道工序。機器人由操作師控制。操作師的指令傳給機器人內安裝的微處理系統。 [13] 圖 3 機器人維修車 日本福田敏男、細貝英夫研制的可通過 L形彎管的管內檢測機器人。 L形彎管管內檢測機器人行走機構由頭部和本體兩部分組成，當機器人在直管內行走時，本體上的電機M1通過減速裝置帶動本體上的 4個驅動輪轉動，使機器人直線行走。當通過 90度彎管時，電動機 M2驅動頭部作姿態(tài)調整，同時驅動頭部 履帶，引導機器人通過彎管。通過頭部的4個紅外傳感器可感知和識別 L型彎頭的位置和力、方向。該機器人的技術指標為：適應管徑：φ 50mm；行走速度： ；轉彎性能 :可通過 90度直角彎管；機器人重量： 240g；機器人長度： 76mm。如圖 4所示 5 圖 4 L形彎管檢測機器人 美國 RIDGID〔里奇 )管道疏通機。如圖 5，基本原理是利用機械裝置帶動軟軸 (彈簧軟管 )旋轉，深入管道進行管道疏通。軟軸大多為分段結構，兩端有接頭，可以多根軟軸接在一起使用從而疏通較長距離的管道。用于排水管道疏通的疏通機一般疏通直徑范圍為 100250mm之間，最大疏通距離一般為 50m。根據疏通管道的直徑配備不同的鉆具 (刀頭 )進行管道疏通。軟軸采用 65Mn特質彈簧鋼絲為原材料，經特殊工藝加工而成。堅固而有韌性，可以順利通過 180度彎道或連續(xù) 180度返水彎管。 [14] 圖 5 美國 RIDGID管道疏通機 6 國內管道檢測機器人發(fā)展狀況 我國從 70年代開始了機器人技術的研究開發(fā)，進入 80年代中期，微型計算機技術在我國開始普及，機器人的經濟、技術和社會意義逐漸為更多人們所認識，在工業(yè)生產中開始使用機器人。 我國的機器人研制工作雖然起步較晚，但越來越受到重視。為跟蹤世界戰(zhàn)略性高技術，國家科委于 1986年 3月制定了一個“高技術研究發(fā)展計劃”，即“ 863計劃”，選擇了 7個領域 15個主題作為計劃的主要內容。智能機器人主題作為自動化領域兩個主題之一，在 20世紀的目標是要完成高精度裝配機器人 、水下無纜作業(yè)機器人、惡劣環(huán)境下作業(yè)機器人的研制，把研制以遙控為主、具有局部自主功能的智能機器人作為第一階段的戰(zhàn)略目標。研究