【正文】 速機(jī)構(gòu)示意圖 Pipeline robot Chart Speed body diagram當(dāng)機(jī)器人在接到指令要通過某個(gè)三岔管時(shí)，控制指令輸出信號(hào)給電磁元件，電磁元件拉動(dòng)張緊絲，使在它前面的引導(dǎo)機(jī)構(gòu)圍繞支撐彈簧發(fā)生偏擺，如圖111所示，1—姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，2—機(jī)器人本體，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎導(dǎo)向。調(diào)速機(jī)構(gòu)如圖110所示，前面部分如能向前張開的雨傘，可按需要收放，柔性面料蒙在傘的骨架上，當(dāng)傘架張開時(shí)，傘面能有效地封閉管道，增加承受流體速度壓力的橫截面積，推動(dòng)管道機(jī)器人快速前進(jìn)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，此類機(jī)器人也有了很大發(fā)展，下面介紹廣州工業(yè)大學(xué)楊宜民等的研究成果。此種設(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，隨管內(nèi)流體的流動(dòng)向前移動(dòng)。螺旋管道機(jī)器人對(duì)于檢測(cè)信號(hào)的處理及空間定位也是一個(gè)難點(diǎn)。圖18螺旋行走方式的管道機(jī)器人 Walking the way of spiral pipe robot上述2種輪式管道機(jī)器人的主要難點(diǎn)是機(jī)器人的能源供應(yīng)問題，即對(duì)于幾百千米的油氣管道，不能采取拖電纜的方式。3組驅(qū)動(dòng)輪均勻分布于旋轉(zhuǎn)體上，且與管壁呈一定的傾斜角θ．隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)輪沿管壁作螺旋運(yùn)動(dòng)，保持機(jī)構(gòu)沿管道中心軸線移動(dòng)。 圖17輪式直進(jìn)式管道機(jī)器人的動(dòng)作原理 Wheel Straight pipe robot action principle如果驅(qū)動(dòng)輪軸線不與管道軸線垂直，驅(qū)動(dòng)輪實(shí)際上沿著管道中某一螺旋線行走，機(jī)器人在管中一邊向前移動(dòng)，一邊繞管道軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過軸驅(qū)動(dòng)與之相連接的蝸桿，蝸桿驅(qū)動(dòng)沿圓周方向成120度均勻分布的3個(gè)蝸輪，蝸輪又通過鏈輪和鏈條帶動(dòng)機(jī)器人本體的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體在管道內(nèi)的前進(jìn)或后退。如果驅(qū)動(dòng)輪軸線與管道軸線垂直，驅(qū)動(dòng)輪沿管道母線滾動(dòng)，機(jī)器人在管內(nèi)做平移運(yùn)動(dòng)，此為輪式直進(jìn)式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人，它的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器人行走時(shí)，不產(chǎn)生姿態(tài)旋轉(zhuǎn)。輪式管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人行走的基本原理是驅(qū)動(dòng)輪靠彈簧力、液壓、氣動(dòng)力，磁性力等壓緊在管道內(nèi)壁上以支承機(jī)器人本體并產(chǎn)生一定的正壓力，由驅(qū)動(dòng)輪與管壁之間的附著力產(chǎn)生機(jī)器人前后行走的驅(qū)動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)。但由于速度的間斷性和緩慢性阻礙了它的發(fā)展。至此，機(jī)器人回到了初始狀態(tài)，機(jī)器人前進(jìn)了一步。下面以電磁驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)式管道機(jī)器人為例，分析蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。中問蠕動(dòng)部分提供機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人主要由蠕動(dòng)部分、頭部、尾部組成，如圖14所示，1—頭部，2—蠕動(dòng)部分，3—尾部。仿蝎管道機(jī)器人可以相對(duì)較易地跨過比較大的障礙，并且機(jī)器人的足所具有的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，可以在可達(dá)到的管面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在管面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如，對(duì)凹凸不平表面的適應(yīng)能力更強(qiáng)，機(jī)構(gòu)模型如圖13所示。在北京市優(yōu)秀人才項(xiàng)目的資助下，進(jìn)行了仿蝎型管道機(jī)器人的研究工作。上海交通大學(xué)研制出一種呈正方形體，由12個(gè)蠕動(dòng)元件組成的管內(nèi)蠕動(dòng)機(jī)器人，外形尺寸為35mm35mm35mm，體重19．5g(包括控制電路)，步行速度為15mm／min，共有12個(gè)自由度，由SMA(形狀記憶合金)與偏置彈簧組成一個(gè)驅(qū)動(dòng)源，共12個(gè)驅(qū)動(dòng)源。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)。(4)檢測(cè)工效高，每道焊縫(直徑900mm為例)檢測(cè)時(shí)間不大于3min；實(shí)現(xiàn)了管內(nèi)外機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)作業(yè)無(wú)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(wú)損檢測(cè)。(3)焊縫尋址定位精度高為177。該機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：(1)適應(yīng)大管徑(大于或等于直徑900mm)的管道焊縫X射線檢測(cè)。國(guó)內(nèi)管道機(jī)器人研究進(jìn)展國(guó)內(nèi)在管道機(jī)器人方面的研究起步較晚，而且多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室階段。但這種剛性支承的雙履帶式管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的兩履帶夾角在行走過程中是無(wú)法改變的，因此不適應(yīng)管徑變化的作業(yè)場(chǎng)合。加拿大INUKTUN公司的雙履帶式管內(nèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，履帶采用剛性支承結(jié)構(gòu)，兩履帶的夾角可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的作業(yè)管徑。德國(guó)學(xué)者Bemhard Klaassen、Hermann St—reich和Frank Kirchner等人在德國(guó)教育部的資助下于2000年研制成功了多關(guān)節(jié)蠕蟲式管道機(jī)器人系統(tǒng)—— MAKRO。(6)該管道機(jī)器人可以探測(cè)煤氣管道內(nèi)部是否水滲透、碎片堆積；可以確定管道內(nèi)部缺陷的確切位置并且定位相應(yīng)的作業(yè)裝置；采用視頻圖像的形式準(zhǔn)確地反映管道內(nèi)部的狀況條件。的彎管接頭和垂直管道。(3)管道機(jī)器人的彩色攝像頭采用嵌入式“魚眼” 鏡頭，結(jié)構(gòu)非常緊湊。該管道機(jī)器人系列EXPLORER就有如下特征：(1)一次作業(yè)檢測(cè)距離長(zhǎng)，采用無(wú)纜方式， 自帶電池并且電池可以多次反復(fù)充電，使管道機(jī)器人具有良好的自推進(jìn)能力。Versatrax 300”VLR檢測(cè)管道最小直徑為3omm，防水深度30m，電纜范圍1830m，速度0～10m／min，有效載荷184kg，CCD彩色直視攝像頭。美國(guó)Inuktun公司系列管道檢測(cè)機(jī)器人Versatrax是國(guó)外現(xiàn)有的已成型管道機(jī)器人。該管道機(jī)器人系統(tǒng)通過CCD攝像頭實(shí)現(xiàn)信息的采集，整個(gè)系統(tǒng)采用拖纜控制方式，檢測(cè)距離超過100m。ThesⅡ型管道機(jī)器人的每一節(jié)機(jī)器人單元的左右兩側(cè)分別布置著由彈簧板支撐的一對(duì)輪子，輪子由帶減速齒輪箱的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道中的前進(jìn)和后退運(yùn)動(dòng)，ThesⅡ型管道機(jī)器人可以很容易地在帶有幾個(gè)彎管接頭的管道中運(yùn)動(dòng)。ThesⅠ型管道機(jī)器人的主要特點(diǎn)是輪子的傾斜角可以隨著阻力大小的改變而改變，當(dāng)機(jī)器人的負(fù)載較大時(shí)，輪子的傾斜角將產(chǎn)生變化，從而減小行走速度，增加推進(jìn)力。日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期，70年代的實(shí)用期，到80年代進(jìn)入普及提高期，開始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。國(guó)外關(guān)于燃?xì)夤艿罊C(jī)器人的研究始于20世紀(jì)40年代，由于70年代的微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，管道檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)于90年代初得到了迅猛發(fā)展并接近于應(yīng)用水平。但是管道機(jī)器人由于受到它工作環(huán)境的限制和沉重的任務(wù)負(fù)擔(dān)，致使它也不斷面臨著更多，更嚴(yán)重的困難和問題。青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）管道履帶式機(jī)器人畢業(yè)論文1緒論 管道機(jī)器人在人類社會(huì)中已經(jīng)迅速的漫延開來(lái)，這一切都應(yīng)歸公于它自身的特點(diǎn)。因此，國(guó)內(nèi)外都在不斷的開發(fā)和研制更適合管內(nèi)行走的管道機(jī)器人，并開始走向微型化、智能化，使之性能更宜人化，可控性更好，準(zhǔn)確性更高。如何解決？已經(jīng)成為現(xiàn)代人的責(zé)任和發(fā)展方向。一般認(rèn)為，法國(guó)的J．VERTUT較早從事管道機(jī)器人理論和樣機(jī)的研究，1978年他提出了輪腿式管內(nèi)行走機(jī)構(gòu)模型IPRIV，該機(jī)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但起了拋磚引玉的作用 。日本管道機(jī)器人眾多，東京工業(yè)大學(xué)航空機(jī)械系Shigeo Hirose和Hidetaka Ohno等于1993年開始研究管道機(jī)器人，先后研制成功適用于直徑50mm管道的ThesⅠ、ThesⅡ型管道機(jī)器人和適用于直徑150mm管道的ThesⅢ型管道機(jī)器人。ThesⅡ型管道機(jī)器人的總長(zhǎng)為300mm，質(zhì)量只有3l0g。ThesⅢ型管道機(jī)器人如圖11所示，其采用“電機(jī)一蝸輪蝸桿一驅(qū)動(dòng)輪” 的驅(qū)動(dòng)方案，同時(shí)每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都有一個(gè)傾斜角度測(cè)量輪，通過測(cè)量輪探測(cè)機(jī)器人的傾斜角度，并反饋給電機(jī)從而保證管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪以垂直的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。圖11 ThesⅢ型管道機(jī)器人 ThesⅢ Pipeline robot美國(guó)是機(jī)器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，是世界上的機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之一， 其基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)，并有很多管道機(jī)器人產(chǎn)品。Versatrax 150 檢測(cè)管道最小直徑為150mm，防水深度30m，電纜范圍160m，速度0～10m／min，有效載荷92kg，CCD彩色直視攝像頭。美國(guó)紐約煤氣集團(tuán)公司(NYGAS)的DaphneD’Zurko和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人技術(shù)學(xué)院的HagenSchempf博士在美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局(NASA)的資助下于2001年開發(fā)了長(zhǎng)距離、無(wú)纜方式的管道機(jī)器人系統(tǒng)——EXLORER，專門用于檢測(cè)地下煤氣管道的情況， 如圖12所示。(2)可以在鑄鐵和鋼質(zhì)煤氣管道中，低壓和高壓條件下工作。(4)可以順利通過90。(5)與外部操作人員采用無(wú)線通訊方式。圖12 EXLORER管道機(jī)器人 EXLORER Pipeline robot德國(guó)工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國(guó)。該機(jī)器人由六節(jié)單元組成，其頭部和尾部?jī)蓚€(gè)單元體完全相同，每個(gè)單元之間的節(jié)點(diǎn)由3個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得MAKRO可以抬起或者彎曲機(jī)器人個(gè)體，從而可以輕松越過障礙物或?qū)崿F(xiàn)拐彎運(yùn)動(dòng)，該管道機(jī)器人系統(tǒng)MAKRO具有21個(gè)自由度，長(zhǎng)度為2m，質(zhì)量為50kg，采用無(wú)纜控制方式，MAKRO系統(tǒng)使用于直徑為直徑300～直徑600mm的管道。兩履帶調(diào)節(jié)到平行位置時(shí)，可以在平地或矩形管道內(nèi)行走。Kawaguch等研制的管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)只適用于200mm的管道，而且一次作業(yè)的檢測(cè)距離不大于500m；Kuntze等采用四輪獨(dú)立伺服驅(qū)動(dòng)方案研制成管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)KARO，該機(jī)器人系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)200mm管徑的地下輸水管道的檢測(cè)，一次檢測(cè)距離為400m，系統(tǒng)采用拖纜控制方式。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。(2)一次作業(yè)距離長(zhǎng)，可達(dá)2km。5mm。上海大學(xué)研制了“細(xì)小工業(yè)管道機(jī)器人移動(dòng)探測(cè)器集成系統(tǒng)”。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)20mm管道內(nèi)裂紋和缺陷的移動(dòng)探測(cè)。能實(shí)現(xiàn)管內(nèi)上、下，左、右，前、后的全方位運(yùn)動(dòng)，能通過直管、曲率半徑較大的彎管，以及L型、T型管。選擇蝎子作為管道機(jī)器人模仿的對(duì)象，一方面是因?yàn)樾幽茉谳^復(fù)雜的地形上輕易而順利地行走，另一方面是因?yàn)樾拥姆瓷渥饔靡饶切┎溉閯?dòng)物要簡(jiǎn)單得多，控制算法較易實(shí)現(xiàn)。 圖13仿蝎管道機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型 Model for imitation robot scorpion pipe1） 蠕動(dòng)式管道機(jī)器人1988年，Ikuta等引用蚯蚓運(yùn)動(dòng)的原理開發(fā)出了蠕動(dòng)機(jī)器人，后來(lái)隨著蠕動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，其開始向大型化發(fā)展，目前已可在200～300 mm的管道內(nèi)應(yīng)用。前部和尾部支撐分別裝有超越離合鎖死裝置，實(shí)現(xiàn)單向運(yùn)動(dòng)自鎖。對(duì)于蠕動(dòng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)，目前有很多實(shí)現(xiàn)形式：如上海大學(xué)利用氣壓伸縮驅(qū)動(dòng)；上海交通大學(xué)利用形狀記憶合金伸縮驅(qū)動(dòng)；昆明理工大學(xué)利用電磁吸合驅(qū)動(dòng)如圖15，1—磁鐵，2—彈簧，3—線圈等。蠕動(dòng)式管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理如圖16所示，1—頭部，2—蠕動(dòng)部分，3—尾部，一個(gè)動(dòng)作循環(huán)分為3個(gè)步驟：(1)當(dāng)初始狀態(tài)時(shí)，電磁鐵失電，彈簧處于自由狀態(tài)，故頭部與尾部分離；(2