【正文】 智能機器人的是日本的 NKK（日本鋼管株式會社）和德國 Pipetroix公司，以后加拿大、美國等也相繼研制了這類超聲機器人。目前國外管道公司在長輸管道腐蝕檢測中，廣泛采用的主要是第二代漏磁管道腐蝕檢測器和超聲波管道腐蝕檢測器，世界上接受腐蝕檢測服務(wù)的油氣管道已達數(shù)十萬公里，并取得了很好的效果 ]9[ 。 在不遠的將來，有望實現(xiàn)以管道為信號載體或利用其它手段將檢測信號傳至地面做到在役管道的實時檢測。由于國外的智能檢測機器人設(shè)計復(fù)雜，價格昂貴，通常是幾百萬元一套儀器。而漏磁機器人檢測時不受蠟片的影響，但其檢測精度不如超聲機器人高，對管道上的軸向裂縫檢測還有一定的困難，而且由于漏磁技術(shù)是檢測管道壁厚的間接檢測方法，用其檢測的數(shù)據(jù)實現(xiàn)直觀顯示管壁的缺 陷也比較困難。 本章小結(jié) 智能機器人在管道內(nèi)檢測管道腐蝕狀況己成為現(xiàn)在世界石油天然氣行業(yè)的趨勢，而且目前管道內(nèi)智能機器人在國內(nèi)尚屬一項空白技術(shù)。由于采用超聲波檢測技術(shù)從內(nèi)部對管道進行檢測，因此本文考慮檢測探頭的固定，即要完成對檢測裝置的設(shè)計；其次要考慮機器人的推進動力和機械結(jié)構(gòu)，以保證機器人在管內(nèi)正常行走；再次要確定所檢測到缺陷的位 置，這就要設(shè)計一個里程機構(gòu)（管內(nèi)定位）；最后還要建立一個數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。 管道檢測作業(yè)機器人總體方案的比較 （ 1）車輪式 ]10[ 管道機器人 該機器人具有如下優(yōu)點：采用了一種簡單的運動方式，并且只用了一個電機；能耗低；可以在水平的、垂直的、彎曲的管道中工作；可以自適應(yīng)變直徑的管道，并且能夠通過管道內(nèi)的小障礙物。 （ 2）腳式管道檢測作業(yè)機器人 西門子公司 Werner Neubauer等人研制的管道機器人有 8支腳三種類型，可在各種類型的管里移動，其基本原理是利用腿 推壓管壁來支撐個體，多腿可以便地在各種形狀的彎管內(nèi)移動。該機器人主要適用 于較大管徑的管道，尤其以非圓形管道為主，在圓形管道方面不如輪式機器人的適應(yīng)性強。蠕動體的蠕動變形形態(tài)由粘貼于柔性鉸鏈部位的電阻應(yīng)變實時感應(yīng)，機器人的外形尺寸為 150 61 46mm，重 2kg，最大步距 10 m? ，行程 40mm，運動精度 m? 。利用在管外的電機推動帶有彈性的線推動驅(qū)動部件前進，該驅(qū)動部件可以越過小的臺階。 驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)帶動旋轉(zhuǎn)體上面的 6 個驅(qū)動輪沿著管壁進行螺旋旋轉(zhuǎn)，前端和后端的驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)方向相反，在與管壁的摩擦作用下，使整體的前進方向一致。在此基礎(chǔ)上，需要在機器人的尾端使用線索連接上，這是為了防止機器人在計策過程中出現(xiàn)卡死現(xiàn)象時，可以采用人工拖拉將機器人帶回安全的地 面環(huán)境并進行檢修。管道內(nèi)檢測器的定位方法由 2部分組成 :一是里程輪定位 ,二是地面標記系統(tǒng)。因為已知這些端點的準確位置 ,據(jù)此對檢測器計量的里程值進行修正。若正常 ,則繼續(xù)跟蹤此路信號 ；若 不正常 ,則要選擇其他的里程輪信號進行跟蹤。三組驅(qū)動輪均勻分布于旋轉(zhuǎn)體上，且與管壁呈一定的傾斜角 8? 。旋轉(zhuǎn)體和支撐體的輪腿上裝有彈性機構(gòu)。 (3)壓緊力由機械結(jié)構(gòu)保證，整體機構(gòu)簡化，而且控制系統(tǒng)易于實現(xiàn) 。F — 機器人相對管道軸線下滑趨勢產(chǎn)生的摩擦力 ； F — 機器人沿管道螺旋線方向的摩擦力 ； N — 管壁對車輪的正壓力；? — 車輪與管道軸線的 夾角； FM — 車輪滾動摩擦力矩； fM — 來自車輪軸的摩擦力矩； zyx FFF 、 — 軸承的支反力； t? — 電機輸出角速度； MM — 電機輸出轉(zhuǎn)矩； GF — 機器人總重量 圖 29 驅(qū)動部分受力簡圖 中南大學本科畢業(yè)論文 第 2 章 管道檢測作業(yè)機器人的總體方案設(shè)計 21 管道檢測作業(yè)機器人檢測控制系統(tǒng) 在役輸油管道檢測機器人的研制開發(fā)中，很重要的環(huán) 節(jié)就是機器人要能準確檢測到管道缺陷，即通過傳感器的作用，在管道機器人的運動過程中測定管道的壁厚厚度，準確處理測到的數(shù)據(jù)。在移動機器人研究中，單個超聲波傳感器的測量開角有限，為獲取平面內(nèi)更大范圍信息，通常將多個傳感器排著環(huán)形或其他形狀陣列。這樣換能器發(fā)射出去的聲波往往要經(jīng)過多次鏡面反射才能到達接收器，導(dǎo)致測得距離出錯 。 超聲波是指頻率在 2021Hz 以上，不能引起正 常人聽覺反應(yīng)的機械振動波，是物體的機械振動在彈性介質(zhì)中的傳播所形成的機械振動波。 圖 27 管道機器人測量壁厚的原理圖 當超聲探頭對管壁發(fā)出一個超聲脈沖后，探頭首先接收到由管壁的內(nèi)表面反射回來的脈沖，這個脈沖與基準 脈沖之間的間距是很容易測量的，該間距值表示為。 中南大學本科畢業(yè)論文 第 3 章 管道檢測作業(yè)機器人的機械本體設(shè)計 23 第 3章 管道檢測作業(yè)機器人的機械本體設(shè)計 管道作業(yè)機器人的機械本體是機器人檢測控制系統(tǒng)的安裝、穩(wěn)定工作的載體。 彎管的主要參數(shù)有曲率半徑 R、彎曲角度 ? 和管道內(nèi)徑 D，設(shè)計時必須考慮周全，且當參數(shù)確定時，相對細長或短粗的機器人都會發(fā)生卡死現(xiàn)象。 經(jīng)過設(shè)計形成了管道檢測作業(yè)機器人 總體方案 的三維模型 如圖 32。 管道內(nèi)情況復(fù)雜 ,里程輪可能出現(xiàn)打滑、故障等情況 ,因此一般在管道徑向圓周內(nèi)安裝 3個或者 4個里程輪 ,每個里程輪在轉(zhuǎn)動過程中都會發(fā)出 1路脈沖信號 ,此信號攜帶管道內(nèi)檢測器運行速度信息，必須選擇其中 1路誤差最小的信號作為里程計量信號進行跟蹤。 本設(shè)計方案中采用霍爾元件感應(yīng)效應(yīng)來得出里程輪的行走路程?；魻栃?yīng)（如圖 33）是指 在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流 I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強度為 B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為 HU 的霍爾電壓 。 將兩個開關(guān)型霍爾芯片 A、 B貼近疊放在一起， A芯片在前且 S面朝外， B芯片在后且 N面朝外，兩芯片的開路輸出 0a、 0b連接作為一個輸出端，共用同一電源，并封裝在一個銅質(zhì)羅栓裝置中，芯片的作用面朝向磁體的磁極 N或 S，結(jié)構(gòu)原理參見圖 33。這樣，無論磁體的那個磁極接近傳感器，總有一個芯片輸出，而對磁體的極性無需關(guān)心。只須將霍爾元件放 在里程輪連桿的事先 制造好的槽內(nèi)，并用固體膠將其固定。 里程輪系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 根據(jù)上述結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計要求， 采用里程輪進行距離測量是智能清管器常用的缺陷定位方法，里程輪由非導(dǎo)磁金屬制成，踏面壓花紋防止打滑。 圖 35 里程輪系統(tǒng) 中南大學本科畢業(yè)論文 第 3 章 管道檢測作業(yè)機器人的機械本體設(shè)計 28 超聲波檢測系統(tǒng)驅(qū)動電機的選擇 根據(jù)小組成員朱凱 同學 對超聲波系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速要求為 330r/min，選擇的微電機 ??20 必須是額定轉(zhuǎn)速超出 330r/min，而滿載轉(zhuǎn)速與 330r/min 相差為 min/20r? 。可得電機的結(jié)構(gòu)如圖 36 圖 36 超聲波系統(tǒng)驅(qū)動電機 根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)參數(shù)可知，電機。 表 31 超聲波系統(tǒng)驅(qū)動電機參數(shù) 型號 電壓 空載 轉(zhuǎn)速 滿載轉(zhuǎn)速 輸出扭矩 重量 ZGB37RH DC24V 400r/min 310r/min 2156N為防止里程輪在清管器行進過程中打滑造成轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)據(jù)的丟失，通常在清管器殼體上安裝多個里程輪，將各里程輪產(chǎn)生的脈沖通過相關(guān)算法運算可實現(xiàn)精確定位。 里程輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 基于對管道檢測作業(yè)機器人的里程輪定位需求和精度要求，在里程輪 ??19 的設(shè)計中，不能使里程輪在行進過程中產(chǎn)生徑向的位移，需要在徑向?qū)锍梯喗Y(jié)構(gòu)進行完全的固定，同 時，在軸向必須 讓里程輪行動自如，不受箱體的約束和管道的限制，在 此 基礎(chǔ)上，管道機器人必中南大學本科畢業(yè)論文 第 3 章 管道檢測作業(yè)機器人的機械本體設(shè)計 27 須要有一定的管道自適應(yīng)性，這樣就是用了壓縮彈簧在一定范圍內(nèi)進行壓縮和 拉伸 。不足的是采用兩個芯片，成本稍有增加， B芯片的作用距離稍微減少。實驗證明磁體對底層 B芯片的觸發(fā)距離與 A芯片相比減少 ，為補償 B芯片靈敏度的降低，可通過在其背后襯加一小鐵磁質(zhì)材料的方法來補償。開關(guān)型霍爾效應(yīng)傳感器主要 采用 雙極鎖存型 。 這里采用的霍爾磁流傳感器 ??18 ，當里程輪在管道內(nèi)壁行走過程中，每行進一周，霍爾元件即產(chǎn)生四個脈沖電流（電壓），這樣通過單片機接受信號并處理放大，可以記下里程輪走過 的路程。正常 ,則繼續(xù)跟蹤此路信號 ； 不正常 ,則要選擇其他的里程輪信號進行跟蹤。因此對于判驅(qū)動電機 固定裝置 萬向節(jié) 超聲波系統(tǒng) 里程輪系統(tǒng) 4．行走機構(gòu) 中南大學本科畢業(yè)論文 第 3 章 管道檢測作業(yè)機器人的機械本體設(shè)計 25 斷管道腐蝕位置 ,選擇開挖地點 ,要 依據(jù)管道內(nèi)檢測器在管道中運行時對自身位置的測量。 當機器人的兩個端面在彎管的彎曲部分時，機器人的直徑和長度應(yīng)滿足下式： ????????????22m a x )2/()2/(20dDRDRLDd （ 32） 由計算可得 maxL =。在 此基礎(chǔ)上，通過 SolidWorks 對 設(shè)計的 主要 零部件進行了 三維 建模，為后續(xù)的虛擬樣機仿真提供了 準備工作。對于反射波，要經(jīng)處理、整形后形成厚度方波，為了達到預(yù)求的精度，該方波還要被放大數(shù)十倍，另外還需對放大的方波進行脈沖填充，脈沖填充的個數(shù)的多少就構(gòu)成了所測厚度的具體數(shù)據(jù)，在檢測時，這些數(shù)據(jù)需實時存入機器人體內(nèi)的存儲器中，最終的數(shù)據(jù)分析由地面的計算機完成。 縱波、橫波及表面波的速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度。相對激光雷達，超聲測距的數(shù)據(jù)采集延遲也比較大。 Birsel和 Barshan等人為超聲反射信號的幅度建 立了模型，并采用了證據(jù)推理方法來得到相對可靠的距離 。超聲波檢測是目前應(yīng)用最為廣泛的一種無損檢測方法，它具有靈敏度高、穿透力強、探傷靈活、效率高、成本低，對人體無傷害等優(yōu)點，不僅可探測金屬及非金屬材料的缺陷（內(nèi)部和表面的），還可以測定材料的厚度及強度。機械平臺共有 6組 12個驅(qū)動輪和 6組 12個支撐輪，為了計算出的負載能力有一定的安全系數(shù)，所以只考慮 12個驅(qū)動輪的負載能力來平衡機械本體的負載，受力圖如圖 29所示。 中南大學本科畢業(yè)論文 第 2 章 管道檢測作業(yè)機器人的總體方案設(shè)計 20 圖 28 螺旋驅(qū)動部分示意圖 本方案僅適用于圓形管道，具有以下優(yōu)點 : (1)前進速度快，運動穩(wěn)定性高 。改變施加于電機的電流極性，可改變機器人的移動方向，從而使機器人在管內(nèi)進退自如。 管道檢測作業(yè)機器人行走機構(gòu) 目前國內(nèi)外的管道中既有圓管又有方管，同時還有垂直方向的管道， 針對各種管道和不同工況，提出了螺旋式和履帶式兩種機器人移動機構(gòu)方案，但鑒于石油管道和生活用管道大多采用圓形，因此只分析螺旋式移動方案 ]14[ 。這里必須選擇其中 1路誤差最小的信號作為里程計量信號進行跟蹤。在檢測過程中 ,它沿著 管道壁滾動 ,輪子每轉(zhuǎn)過一定角度 (對應(yīng)檢測器走過一定距離 ) ,安裝在輪子上的傳感器發(fā)出一個脈沖信號 ,計算機連續(xù)收集此信號可以計算出檢測器相對位置。 由于管道內(nèi)檢測器拾取的管道腐蝕或者形變信號是同管道位置一一對應(yīng)的。 石油管道檢測環(huán)境要求機器人的行程很長，這就對機器人的動力提出了要求。 圖 25 通過彈性桿外加推力的管道檢測機器人 管道檢測作業(yè)機器人總體方案的組成 經(jīng)過對以上幾種行走、驅(qū)動方案的比較，決定采用以下的設(shè)計方案 ]13[ 來實現(xiàn)設(shè)計要求，中南大學本科畢業(yè)論文 第 2 章 管道檢測作業(yè)機器人的總體方案設(shè)計 18 示意圖如 26 所示。 中南大學本科畢業(yè)論文 第 2 章 管道檢測作業(yè)機器人的總體方案設(shè)計 17 圖 24 美國的 PIG（ Pipeline Inspection Gauge） 利用介質(zhì)壓差驅(qū)動的管道檢測機器人結(jié)構(gòu)需要較為輕巧，而且要求機械本體密封性較高 ，在使用的過程中需要管內(nèi)的流體有一定流速，對管道的自適應(yīng)不是很強。由于蠕 動式管道機器人行動較為緩慢，不適合于需要迅速查清管道內(nèi)部缺陷的要求，在設(shè)計方面也需要一些生物知識，較難實現(xiàn)。該機器人可在管內(nèi)雙向行走，自動中南大學本科畢業(yè)論文 第 2 章 管道檢測作業(yè)機器人的總體方案設(shè)計 16 隨管道彎度轉(zhuǎn)向。 彎管，對管徑的變化具有一定適應(yīng)性；由三個或多個行走單元組成，在管道截面上平均分布。 此次設(shè)計的要求如下：①管道內(nèi)徑 D=300mm，驅(qū)動力 F=800N；②行進速度 v=，能通過 U 型管道；③能夠