【正文】 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)。 本課題研究思路與主要內(nèi)容 本論文結(jié)合石油管道裂紋檢測作業(yè)機器人設(shè)計要求，擬完成 φ 300mm石油管道 裂紋檢測作業(yè)機器人總體設(shè)計，主要內(nèi)容如下： 第 1章： 根據(jù)石油管道的特殊環(huán)境與行走、檢測作業(yè)要求，提出了一種基于萬向節(jié)聯(lián)接的驅(qū)動 電機與旋轉(zhuǎn)電機共同作用的兩段式內(nèi)螺旋推進行走管道機器人總體方案； 第 2章： 對機器人內(nèi)螺旋推進行走機構(gòu) 與驅(qū)動電機進行設(shè)計計算與選型的基礎(chǔ)上，保證機器人在管內(nèi)正常行走； 第 3章： 設(shè)計里程輪機構(gòu)，以實現(xiàn)管內(nèi)定位，即確定所檢測到裂紋缺陷的位置，然后提出了采用超聲波檢測技術(shù)從內(nèi)部對管道進行檢測，并完成了超聲波檢測探頭的固定與檢 測裝置的設(shè)計；提出了超聲波檢測管道裂紋的軟硬件測控系統(tǒng)方案； 中南大學本科畢業(yè)論文 第 1 章 緒論 13 第 4章 ： 對管道機器人總結(jié)結(jié)構(gòu)進行了 SolidWorks三維建模，通過導入到 ADAMS 2021中，建立管道機器人虛擬樣機模型，并對其運動學與動力學進行了仿真，以驗證所設(shè)計的總體方案是否符合 φ 300mm石油管道裂紋超聲波檢測的需要。因國外對智能機器人技術(shù)施行技術(shù)保密，所以我國應針對國外智能機器人的不足之處，結(jié)合國內(nèi)的實際情況，在管道內(nèi)腐蝕檢測技術(shù)方面加大研究的力度，研制開發(fā)出自己的 適合我國國情的智能檢測機器人，并進一步提高機器人檢測時的抗干擾能力， 實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化。本章將對機器人的總體結(jié)構(gòu)、檢測系統(tǒng)的設(shè)計以及機器人動力系統(tǒng)和機器人在管道中的定位系統(tǒng)進行設(shè)計。 管道檢測作業(yè)機器人總體設(shè)計方案 管道檢測作業(yè)機器人總體方案要求的提出 機器人在沿石油管道檢測時，需要克服石油管道截面變形、內(nèi)壁不平產(chǎn)生突起或凹坑、過彎管等因素的影響，這就需要機器人對管道直徑變化有一定的適應 能力。 在設(shè)計之前， 通 過比較多種目前比較成熟的管道機器人的設(shè)計方案，并 進行設(shè)計方案的優(yōu)選，以便設(shè)計出最適合石油管道、生活用管道的檢測機器人。 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 15 圖 21 管道內(nèi)輪式機器人 該機器人結(jié)構(gòu)特點：采用輪式載體，牽引力強，速度快，轉(zhuǎn)向容易，能夠?qū)崿F(xiàn)垂直 行走及 90176。每個行走單元由電機、減速傳動系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和行走系統(tǒng)組成；減速傳動系統(tǒng)由一對蝸輪蝸桿副組成，能夠輸出較大的扭矩；支撐系統(tǒng)采用剪刀式結(jié)構(gòu)，依靠拉伸彈簧將行走單元緊壓在管道內(nèi)壁上，依靠車輪與內(nèi)壁的摩擦力前進或后退；每個單元的行走系統(tǒng)由一個主動輪和一個被動輪組成。 圖 22 管內(nèi)腳式機器人 國內(nèi)的太原理工大學研制成功管內(nèi)腳式行走機器人。該機器人由撐腳機構(gòu)、牽引機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)構(gòu)成，如圖 22。 （ 3）蠕動式管道檢測作業(yè)機器人 基于爬行生物的運動原理，以各種驅(qū)動器為動力，專家們設(shè)計并研制出多種形式的蠕動式管道檢測機器人 ]11[ 。 圖 23 蠕動式管道檢測作業(yè)機器人 清華大學研制了一套小型蠕動機器人系統(tǒng)，其機構(gòu)如圖 23，由 1 蠕動體和 4電致伸縮微位移器組成。 （ 4） 利用 介質(zhì)壓差驅(qū)動的管道檢測機器人 利用管道流體壓力 ]12[ 對管道進行直接檢測和清理技術(shù)的研究始于上世紀 50年代，最具代表性的是美國研制的一種介質(zhì)壓差驅(qū)動的管內(nèi)清理及檢測設(shè)備，由于該檢測機器人是靠管道內(nèi)部流體在其前后所形成的壓力差作用下在管道內(nèi)運行的，因此被稱為介質(zhì)壓差驅(qū)動的管道檢測機器人，如圖 24所示。 （ 5） 通過彈性桿外加推力的管道檢測機器人 日本東京科技學院利用外加推力研制成 “ 螺旋原理 ” 的微型機器人，如圖 25。 該管道機器人的結(jié)構(gòu)較為簡單，但是其對于較長管道的適應性不如輪式。 1 旋 轉(zhuǎn) 體 1 2 支 撐 體 1 3 驅(qū) 動 電 機 1M 4 萬向節(jié) 1 5 探測倉 6 里程輪 7 旋 轉(zhuǎn) 電 機 8 超 聲 波 探 頭 9 萬向節(jié) 2 10驅(qū)動電機 2M 11支撐體 2 12旋轉(zhuǎn)體 2 圖 26 管道檢測作業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)圖 圖 26 所示的管道檢測作業(yè)機器人主要包含三個部分：驅(qū)動行走部分、里程輪定位部分和超聲波探測缺陷部分。驅(qū)動電機在啟動后 ，帶動行星齒輪系進行減速后，以穩(wěn)定的速度驅(qū)動整個機器人進行管道內(nèi)部 檢測。為了適應長距離的行走，這里采用雙驅(qū)動電機來提供動力，以實現(xiàn)在管道內(nèi)部的正常行走和檢控。 管道檢測作業(yè)機器人里程輪定位系統(tǒng) 管道檢測作業(yè)機器人里程輪定位系統(tǒng)是在機器人通過超聲波檢測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)裂紋、腐蝕等缺陷之后，能夠準確定位缺陷的位置，從而便于修復設(shè)備對所在管道段進行修復。因此對于判中南大學本科畢業(yè)論文 第 2 章 管道檢測作業(yè)機器人的總體方案設(shè)計 19 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。里程輪是固定在檢測器上的裝置。但是 ,里程輪在轉(zhuǎn)動過程中可能出現(xiàn)打滑等現(xiàn)象 ,造成里程計量的誤差 ,檢測距離越長 ,累計的誤差就越大 ,地面標記系統(tǒng)的作用是將幾十 千米 的長輸管道分成幾 千米 的小段 ,在管道內(nèi)檢測器經(jīng)過這些小段的端點時 ,檢測器記錄下自身計量的里程值。 管道內(nèi)情況復雜 ,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。在實際運行過程中所跟蹤信號可能出現(xiàn)故障 ,比如打滑、停轉(zhuǎn) ,因此 ,要通過實時比較幾路信號的方法來確定當前跟蹤的信號是否正常。里程輪工作狀態(tài)的判斷要快速準確 ,這樣才能減少里程計量誤差。 螺旋式移動機構(gòu)由驅(qū)動電機、旋轉(zhuǎn)體和支撐體組成。隨著電機的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動電機帶動旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動，使驅(qū)動輪沿管壁作螺旋運動，保持機構(gòu)沿管道中心軸線移動。驅(qū) 動電機采用內(nèi)嵌方式安裝在支撐體上。腿輪與本體之間有彈簧連接，靠螺釘固定，彈簧的伸縮自動調(diào)節(jié)位置，腿輪可以伸縮，從而可以自動適應管道內(nèi)徑的變化，結(jié)構(gòu)如圖 28所示。 (2)對管徑大小和管道形狀變化的適應性較強 。 管道機器人在管道內(nèi)部實際受力情況很復雜，本文只考慮機器人垂直 管道上升時的情況，因為該過程受到的負載最大。 39。本文主要介紹了旋轉(zhuǎn)超聲探頭的檢測原理以及處理方法。 超聲測距 ]15[ 的原理也是通過檢測超聲波從發(fā)射到反射的時間來進行測距的，通常其所選擇的基本頻率與所要測量 的距離相關(guān)。超聲傳感器的環(huán)境適應能力相對較強，體積小，價格低廉，在早期的移動機器人研究中使用較多，但它同激光測距儀相比在性能和精度上存在明顯不足 :(1)由于超聲波在空氣中的傳播時能量會有較大的衰減，因此如果反射的超聲能量太弱以至于低于某一門限值，那就會得不到距離信息，而且通常超聲的返回信號會有比較大的噪聲干擾，導致難以得到準確的距離信息。(2)超聲的波長一般在幾個毫米級別，比一般室內(nèi)環(huán)境表面的粗糙度要大很多，因此容易發(fā)生鏡面反射現(xiàn)象。(3)超聲波波束角較大，且存在不同傳感器間交叉干擾的問題，使得反射目標點的準確方位難以確定。因此，超聲波傳感器一般僅應用于對感知精度要求不高的場合。由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中的傳播方向不同，聲波的波形也不同，聲波的波形可分為：縱波、橫波、表面波、蘭姆波。在役石油管道的受蝕缺中南大學本科畢業(yè)論文 第 2 章 管道檢測作業(yè)機器人的總體方案設(shè)計 22 陷主要是管壁的受蝕減薄，用超聲檢測技術(shù)來探測輸油管道壁厚的厚度最為簡便和直接，其檢測原理如圖 27。然后，超聲探頭又會接收到由管壁的外表面反射回來的脈沖，這個脈沖與內(nèi)表面產(chǎn)生的脈沖之間的間距為值就反映了管壁的厚度。 本章小結(jié) 本章在分析各種管道檢測機器人各種方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合本課題設(shè)計目標，提出了基于內(nèi)螺 旋推進管道檢測機器人總體方案，其中行走機構(gòu)采用 行星齒輪系傳遞動力和膠輪式可轉(zhuǎn)橡膠輪 ，裂紋位置確定采用里程輪定位系統(tǒng)，裂紋檢測采用超聲波檢測方案，為后續(xù)具體設(shè)計與仿真實驗提供了 理論 基礎(chǔ)。本章主要就機器人的里程輪定位系統(tǒng)和超聲波檢測系 統(tǒng)的工作原理和零部件組成以及各個部件的具體設(shè)計和校核。 機械本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計 彎道是管道機器人工作時常遇到的障礙，管道機器人若想順利完成任務， 就必須能夠順利通過彎管，所以機器人的設(shè)計必須滿足彎道的幾何約束 ]16[ 。下面將討論這三個參數(shù)對機器人幾何尺寸的影響．機器人在管道中最惡劣的情況如圖 2所示，處于彎管正中央的位置，其中 L 為機器人主體長度， d 為機器人主體徑向最大尺寸．在彎管幾何參數(shù)滿足 (R+D／ 2)COS( 2? )(RD／ 2)0的情況下，機器人通過彎管時需考慮兩種情況：①機器人的兩個端面在彎管的直邊部分 (見圖 31(a))；②機器人的兩個端面在彎管的彎曲部分 (見圖 31(b))． 圖 31 機器人本體在管道內(nèi)收到的幾何約束 當機器人的兩個端面在彎管的直邊部分時，機器人的直徑和長度應滿足下式： 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 24 ? ????????????????)2/c o t ()2/()2/c s c ()2/()2/()2/c o s (20m a x ???dDRDRLDRDRd （ 31） 由計算可得 maxL =。 當彎管幾何尺寸滿足 (R+D／ 2)COS(λ／ 2)一 (R— D／ 2)0時，機器人通過彎管時，兩端面不能同時在兩端的直管部分，這時只需考慮機器人兩端面在彎管彎曲部分的情況 (見圖31(b))，此時機器人的直徑和長度應滿足式 (32)． 綜上所述，可確定 L 取值為 250mm。 圖 32 管道檢測作業(yè)機器人總體結(jié)構(gòu)圖 里程輪工作原理 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的。管道內(nèi)檢測器的定位方法由 兩 部分組成 ： 一是里程輪定位 ??17 ,二是地面標記系統(tǒng)。在實際運行過程中所跟蹤信號可能出現(xiàn)故障 ,比如打滑、停轉(zhuǎn) ,因此 ,要通過實時比較幾路信號的方法來確定當前跟蹤的信號是否 正常。里程輪工作狀態(tài)的判斷要快速準確 ,這樣才能減少里程計量誤差?；魻栐脑硎钱敶盆F接近霍爾元件時，產(chǎn)生一個霍爾電壓，經(jīng)過電路處理放大，再由單片機接受，再將數(shù)據(jù)送至計算機進行處理。 霍爾傳感器 是根據(jù) 霍爾效應 制作的一種 磁場傳感器 。 圖 33 霍爾效應 開關(guān)型霍爾效應傳感器是磁敏接近式傳感器，具有應用靈活、寬工作電壓范圍和采樣頻率高等特點，是一 種可靠性高無接觸清潔型傳感器，在位置傳感、旋轉(zhuǎn)測量等方面得到了廣泛應用。 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 26 霍爾芯片某一個感應面為磁體的 S極敏感，假設(shè)該面為 S面，那么另一面一定是 N極敏感，假設(shè)該面叫 N面 。由于 A、B芯片前后疊放，磁場要穿過 A芯片作用 B芯片的敏感面，顯然 B芯片的 靈敏度會有所下降。稀土磁鋼的磁場無須補償就能夠穿過 A芯片并能作用觸發(fā) B芯片，當 S極接近傳感器時， A芯片輸出， N極接近傳感器時， B芯片輸出。雙極性開關(guān)型霍爾效應傳感器優(yōu)點是無須關(guān)心磁體極性，傳感器的互換性強，更換維護方便。 圖 34 雙霍爾芯片采樣 原理圖 本里程輪技術(shù)系統(tǒng)采用最為簡單可靠的爽霍爾芯片取樣，因此使用的是如圖 34的設(shè)計原理。這樣霍爾元件也將跟隨彈簧的伸縮 而運動 ，但是測定里程輪的周長所在不變，計量準確。 在本管道檢測作業(yè)機器人的里程輪系統(tǒng)設(shè)計中，由于機械本體設(shè)計已將里程輪箱體設(shè)計為 ? 250mm，同時最大的機器人本體（彈簧在最初始的壓縮狀態(tài)）在開始時為 ? 300mm，因此設(shè)計測彈簧可以自由伸縮的范圍為 mmmmdDx 252 2503002 ?????? （ 33） 考慮到彈簧的伸縮量不能使里程輪的最外邊緣超出箱體的最外邊緣，因此取彈簧的自由伸縮量為 mmx 15?? 。里程輪安裝于清管器殼體上，通過彈性支撐裝置與管道內(nèi)壁緊密接觸，在里程輪邊緣沿圓周均勻嵌入多塊小型稀土釹鐵硼磁鐵，用霍耳磁敏傳感器檢測里程輪的轉(zhuǎn)數(shù)，里程輪每轉(zhuǎn)動一周，產(chǎn)生多個脈沖 信號，通過里程輪直徑及其轉(zhuǎn)數(shù)得到清管器的行駛里程。 里程輪系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 35所示。經(jīng)過在 淘寶網(wǎng)一店家處咨詢查的有如下直流驅(qū)動微電機合適本系統(tǒng)的設(shè)計要求， 其參數(shù)如表 31。 m 0..32kg 根據(jù)設(shè)計要求，在根據(jù)所選電機型