【正文】 1 0 1 4 . 7 5 3 . 5 0 . 9 7 1 6 . 1 5 . 1 8 . 7 3 0 .dT T i N m N m?? ? ? ? ? ? ? ? 22 1 1 2 1 6 . 1 5 0 . 9 9 1 5 . 8 2 9 .T T i N m?? ? ? ? ? ? 所以所選的電機(jī)符合條件。 其計(jì)算過程為： 車輪與管壁的摩擦系數(shù)為 ? = 車體的重量為 50kg G=mg=50179。其減速比為 14r/min。整個(gè)系統(tǒng)由于利用了對(duì)稱性 ,抵消了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中各方面不平衡力偶的干擾 ,從而使所有的力集中到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)軸線上所在的豎直平面上 ,同時(shí) ,又在通過電機(jī)軸線的豎直平面上保證機(jī)器人的重心與電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)軸心之間適當(dāng)?shù)木嚯x ,從而保證了整個(gè)機(jī)器人運(yùn)行過程中的平穩(wěn)性。移動(dòng)機(jī)構(gòu)的前后兩組支撐中 ,三個(gè)車輪都是沿徑向均勻分布的 ,而前后兩部分都是沿軸向?qū)ΨQ的 ,支撐點(diǎn)共六個(gè) ,因此滿足形封閉條件。 ，保持平衡。由于車輪與管壁之間的摩擦力，車體便可以在管中前進(jìn)或后退。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 10 頁 共 35 頁 其框圖如下： 圖 5 測(cè)量裝置整體框圖 計(jì)算機(jī) 接口電路 8051 單片機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電 路 霍爾元件 兩 個(gè)傳感器 繼電器開關(guān) 處理電路 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 11 頁 共 35 頁 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 微型管道機(jī)器人采用了有纜驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式 ,其運(yùn)動(dòng)機(jī)理由 兩組車輪沿徑向呈三等分均布 ,其中四個(gè)從動(dòng)輪在扇形齒輪的作用下被支撐在管道的內(nèi)壁上，另外兩個(gè)則是驅(qū)動(dòng)輪。 為了得到測(cè)量裝置在 管道中行走的距離，專門設(shè)計(jì)了 計(jì)程輪，此輪上安裝了霍爾元件，通過霍爾元件采集的脈沖數(shù) 可得到輪子所轉(zhuǎn)圈數(shù)，從而得出測(cè)量裝置行進(jìn)的距離 。布置，可同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)點(diǎn)的涂層厚度。測(cè)量機(jī)構(gòu)采用超聲波傳感器，其原理是利用超聲波的反射法，通過記錄回波信號(hào)的時(shí)間差來計(jì)算出涂層的厚度。 行走機(jī)構(gòu)和測(cè)量機(jī)構(gòu)要通過 8051 單片機(jī)接受上位機(jī)的控制，進(jìn)行自動(dòng)行走和測(cè)量，并將所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算傳送到上位機(jī)。 3％） 181。m 4 誤差177。本設(shè)計(jì)主要包括行走系統(tǒng)機(jī)構(gòu)、測(cè)量機(jī)構(gòu)和控制部分，要求實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)在管道中行走，行走速度為 。熟悉一般工程設(shè)計(jì)的步驟方法：調(diào)研收集資料，方案論證比較，確定方案，完成管道涂層厚度檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，繪制裝配圖及零件圖等圖紙。 另外，先進(jìn)的控制策略，如路徑規(guī)劃，控制器參數(shù)的在線優(yōu)化等的研究也必將使管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人的智能化水平得到進(jìn)一步的提高。 在管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人中采用視覺伺服技術(shù) ,可以有效地克服現(xiàn)有傳感器的不足，有利于提高其控制性能和自主能力 ,并對(duì)其智能化進(jìn)程有重要意義。例如，目前已有人在機(jī)械手控制中引入視覺伺服技術(shù)，即利用視覺傳感器來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的位置閉環(huán)控制。 （ 3） 高度自治的控制系統(tǒng) 在管道內(nèi)部復(fù)雜的環(huán)境中，為減輕操作人員的負(fù)擔(dān)，機(jī)器人具有自主能力是必要的。特別是以攝像機(jī)為基礎(chǔ)的視覺傳感器，由于其直觀性，應(yīng)引起足夠的重視。 （ 2） 智能化的傳感器系統(tǒng) 對(duì)管道內(nèi)部這類非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，現(xiàn)有的管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人中的傳感器或 無法正常發(fā)揮作用 ,或過多地依賴人的介入，已經(jīng)不能滿足其發(fā)展的需要。應(yīng)該指出的是，要解決管內(nèi)機(jī)器人的通過性問題 ,除了要在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面推陳出新之外 ,還應(yīng)該結(jié)合控制方案來考慮。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 7 頁 共 35 頁 （ 1） 靈活可靠的行走機(jī)構(gòu) 前面已經(jīng)提到 ,管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人在彎管、支岔管中的通過性問題仍未解決。新型的超聲波測(cè)厚儀可以一次測(cè)量即可測(cè)定多層涂層的總厚度及指定的各層厚度 ,且精度很高。從而計(jì)算出涂層的厚度。反射部分會(huì)被感應(yīng)器接收 ,傳遞的振動(dòng)波繼續(xù)傳遞到底材 ,同樣經(jīng)歷著所有材料界面間的反射、傳遞過程。 （ 4） 超聲波測(cè)厚 超聲波測(cè)厚儀是利用超聲波脈沖反射原理 ,通過發(fā)射的超聲波脈沖至涂層 / 基材 , 計(jì)算脈沖通過涂層 / 基材界面反射回發(fā)射器所花的時(shí)間來計(jì)算涂層的厚度。而 FN型探頭同時(shí)具有 F和 N 型探頭的功能 ,利用兩用型探頭 ,可實(shí)現(xiàn)在磁性和非磁性基體上自動(dòng)轉(zhuǎn)換測(cè)量 [3] 。其中 F 型探頭采用 磁感應(yīng)原理 ,可用于鋼鐵上的非磁性涂鍍層 ,如油漆、塑料、搪瓷、鉻和鋅等 。 采用電渦流原理的測(cè)厚儀 ,主要是對(duì)導(dǎo)電體上的非導(dǎo)電體覆層厚度的測(cè)量 ,但當(dāng)覆層材料有一定的導(dǎo)電性時(shí) ,通過校準(zhǔn)也同樣可以測(cè)量 ,只是要求兩者的導(dǎo)電率之比至少相差 3～ 5倍 (如銅上鍍鉻 ) 。非磁性測(cè)頭采用高頻材料做線圈鐵芯 ,例如鉑鎳合金或其他新材料。這個(gè)反饋?zhàn)饔昧勘碚髁藴y(cè)頭與導(dǎo)電 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 6 頁 共 35 頁 基體之間距離的大小 ,也就是導(dǎo)電基體上非導(dǎo)電覆層厚度的大小。其工作原理為 :高頻交流信號(hào)會(huì)在測(cè)頭線圈中產(chǎn)生電磁場(chǎng) ,當(dāng)測(cè)頭靠近導(dǎo)體時(shí) ,就在其中形成渦流。 （ 2）電渦流測(cè)厚 渦流測(cè)厚儀是根據(jù)涂鍍層與基體材料的導(dǎo)電性有足夠的差異來進(jìn)行金屬基材上涂覆層的物性膜厚來測(cè)量的。 磁性原理測(cè)厚儀可用來精確測(cè)量鋼鐵表面的油漆層 ,瓷、搪瓷防護(hù)層 ,塑料、橡膠覆層 ,包括鎳鉻在內(nèi)的各種有色金屬電鍍層以及化工石油行業(yè)的各種防腐蝕涂層。利用磁感應(yīng)原理的測(cè)厚儀 ,原則上可以測(cè)量導(dǎo)磁基體上的非導(dǎo)磁覆層厚度 ,一般要求基材導(dǎo)磁率在 500 H /m 以上。 磁感應(yīng)測(cè)厚法的基本原理 :利用基體上的非鐵磁性涂覆層在測(cè)量磁回路中形成非 鐵磁間隙 ,使線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱 。當(dāng)拉力剛好大于吸力 ,磁鋼脫離的一瞬間記錄下拉力的大小即可獲得覆層厚度 [2]。測(cè)厚儀基本結(jié)構(gòu)由磁鋼、接力簧、標(biāo)尺及自停機(jī)構(gòu)組成。磁吸力測(cè)厚法的測(cè)厚原理 : 永久磁鐵 (測(cè)頭 )與導(dǎo)磁鋼材之間的吸力大小與處于這兩者之間的距離成一定比例關(guān)系 ,這個(gè)距離就是覆層的厚度。因此 ,該類方法在管道涂層的測(cè)量中已得到了廣泛的應(yīng)用。目前也有便攜式測(cè)厚儀 ,適合在現(xiàn)場(chǎng)使用。 測(cè)量方法的研究進(jìn)展 按有無破壞性 ,表面涂鍍層厚度測(cè)試方法可分 為有損檢測(cè)和無損檢測(cè)。其主要包含 20mm 內(nèi)徑的垂直排列工業(yè)管道中的機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制技術(shù) (包括螺旋輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)、行星輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓電片驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)等 )、機(jī)器人管內(nèi)位置檢測(cè)技術(shù)、渦流檢測(cè)和視頻檢測(cè)應(yīng)用技術(shù) ,在此基礎(chǔ)上構(gòu)成管內(nèi)自動(dòng)探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了管內(nèi)外機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)作業(yè)無纜操作技術(shù) , 并研制了鏈?zhǔn)胶弯搸絻煞N新型管外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) ,課題研究成果主要用于大口徑管道的自動(dòng)化無損檢測(cè)[8]。 5mm。 (2)一次作業(yè)距離長(zhǎng) ,可達(dá) 2km。哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宗全教授在國(guó)家 863”計(jì)劃課題“ X 射線檢測(cè)實(shí)時(shí)成像管道機(jī)器人的研制”的支持下，開展了輪式行走方式的管道機(jī)器人研制，如圖 3所示。 其運(yùn)動(dòng)是通過身體的伸縮 (蠕動(dòng) )實(shí)現(xiàn)的 :首先 ,尾部支承 ,身體伸長(zhǎng)帶動(dòng)頭部向前運(yùn)動(dòng) ,然后 ,頭部支承 ,身 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 4 頁 共 35 頁 體收縮帶動(dòng)尾部向前運(yùn)動(dòng) ,如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走 .圖 3所示為日本日歷制作所研制的蠕動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人 ,其前后兩部分各有 8條氣缸驅(qū)動(dòng)的可伸縮支撐足 ,中部有一氣缸作為蠕動(dòng)源 。 (2) 履帶式管內(nèi)機(jī)器人 履帶式載體附著性能好 ,越障能力強(qiáng) ,并能輸出較大的牽引力 .為使管內(nèi)機(jī)器人在油污、泥濘、障礙等惡劣條件下達(dá)到良好的行走狀態(tài) ,人們又研制了履帶式管內(nèi)機(jī)器人 .但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,不易小型化 ,轉(zhuǎn)向性能不如輪式載體等原因 ,此類機(jī)器人應(yīng)用較少 .圖 2所示為日本學(xué)者佐佐木利夫等研制的履帶式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人 [13],其 驅(qū)動(dòng)輪可變角度以適應(yīng)管徑的變化 ,可通過圓弧過渡的 90度彎管 . 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 3 頁 共 35 頁 圖 2輪式螺旋推進(jìn)管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人 總體結(jié)構(gòu)圖 圖 3 輪式螺旋推進(jìn)管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖 (3) 振動(dòng)式管內(nèi)機(jī)器人 振動(dòng)可以使物體的位置改變 ,根據(jù)這一原理 ,日本學(xué)者森光武則等提出了的振動(dòng)式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人。 圖 1管內(nèi)檢測(cè)典型 PIG樣機(jī) 在已實(shí)現(xiàn)的管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人中 ,按照其行動(dòng)方式可分為輪式、履帶式、振式、蠕動(dòng)式等幾類： (1) 輪式管內(nèi)機(jī)器人 由于輪式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,容易實(shí)現(xiàn) ,行走效率高等特點(diǎn) ,對(duì)此類機(jī)器人的研究比較多 .機(jī)器人在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng) ,有直進(jìn)式的 (即機(jī)器人在管內(nèi)平動(dòng) )也有螺旋運(yùn)動(dòng)式的(即機(jī)器人在管內(nèi)一邊向前運(yùn)動(dòng) ,一邊繞管道軸線轉(zhuǎn)動(dòng) )。因此，研究管道無損檢測(cè)自動(dòng)化技術(shù)，提高檢測(cè)的可靠性和自動(dòng)化程度，加強(qiáng)在建和在役運(yùn)輸管道的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，對(duì)提高管線運(yùn)輸?shù)陌踩跃哂兄匾饬x。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至 1990 年，國(guó)內(nèi)輸油管道共發(fā)生大小事故 628 次。由于內(nèi)外介質(zhì)的腐蝕、重壓、地形沉降、塌陷等原因，管道不可避免地會(huì)出現(xiàn)損傷。國(guó)家重點(diǎn)工程“西氣東輸”工程，主干線管道 (管徑 1118mm)全長(zhǎng) 4167km，其主管道投資 384 億元，主管線和城市管網(wǎng)投資將突破 1000 億元。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 1 頁 共 35 頁 1 引言 管道運(yùn)輸是當(dāng)今五大運(yùn)輸方式之一，已成為油氣能源運(yùn)輸工具。目前，世界上石油天然氣管道總長(zhǎng)約 200 萬 km，我國(guó)長(zhǎng)距離輸送管道總長(zhǎng)度約 2 萬 km。 世界上約有 50%的長(zhǎng)距離運(yùn)輸管道要使用幾十年、甚至上百年時(shí)間，這些管道大都埋在地下、海底。在世界管道運(yùn)輸史上，由于管道泄漏而發(fā)生的惡性事 故觸目驚心。 1986 到 2b00 年期間美國(guó)天然氣管道發(fā)生事故 1184 起，造成 55人死亡、 210 人受傷，損失約 2. 5億美元。 、現(xiàn)狀和前景 管道涂層檢測(cè)裝置的發(fā)展 管內(nèi)作業(yè)機(jī)器人是一種可沿管道自動(dòng)行走 ,攜有一種或多種傳感器件和作業(yè)機(jī)構(gòu) ,在遙控操縱或計(jì)算機(jī)控制下能在極其惡劣的 環(huán)境中進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)電儀一體化系統(tǒng) .對(duì)較長(zhǎng)距離管道的直接檢測(cè)、清理技術(shù)的研究始于本世紀(jì) 50年代美、英、法、德、日等國(guó) ,受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平的限制 ,主要成果是無動(dòng)力的管內(nèi)檢測(cè)清理設(shè)備 —— PIG,此類設(shè)備依靠首尾兩端管內(nèi)流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力 ,隨著管內(nèi)流體的流動(dòng)向前移動(dòng) ,并可攜帶多種傳感器 .由于 PIG 本身沒有行走能力 ,其移動(dòng)速度、檢測(cè)區(qū)域均不易控制 ,所以不能算作管內(nèi)機(jī)器人 .圖 1所示為一種典型的管內(nèi)檢測(cè) PIG[5]. 這種 PIG 的兩端各安裝一個(gè)聚氨脂密封碗 ,后部密封碗內(nèi)側(cè)環(huán)向排列的傘狀探頭與管壁相接觸 ,測(cè)量半 徑方面的變形 ,并與行走距離儀的旋轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng) ,以便使裝在 PIG 內(nèi)部的記錄儀記錄數(shù)據(jù) .它具有沿管線全程測(cè)量?jī)?nèi)徑 ,識(shí)別彎頭部位 ,測(cè)量凹陷等變形部位及管圓度的功能 ,并可以把測(cè)量結(jié)果和檢測(cè)位置一起記錄下來 . 70 年代以來 ,石油、化工、天然氣及核工業(yè)的發(fā)展為管道機(jī)器人的應(yīng)用提供了廣闊而誘人的前景 ,而機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)、傳感器等理論和技術(shù)的發(fā)展 ,也為管內(nèi)和管外自主移動(dòng)機(jī)器人的研究和應(yīng)用提供了技術(shù)保證 .日、美、英、法、德等國(guó)在此方面做了大量研究工作 ,其中日本從事管道機(jī)器人研究的人員最多 ,成果 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 2 頁 共 35 頁 也最多 。輪的布置有平面的 ,也有空間的 .一般認(rèn)為 ,平面結(jié)構(gòu)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,動(dòng)作靈活 ,但剛性、穩(wěn)定性較差 ,而空間多輪支撐結(jié)構(gòu)的機(jī)器人穩(wěn)定性、剛性較好 ,但對(duì)彎管和支岔管的通過