URT管道检测机器人

管道检测机器人在城市污水、天然气输送、工业物料运输、给排水和建筑物通风系统等领域里, 管道作为一种有效的物料输送手段而广泛应用。为提高管道的寿命、防止泄漏等事 故的发生，就必须对管道进行有效的检测维护等，而口询管道检测和维护多采用管 道机器人来进行工。所谓管道机器人就是一种可沿管道内部或外部自动行走、携带 一种或多种传感器件如位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器等以及操作机 械如管道裂纹与管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、操作手、喷枪、刷子等，在工 作人员的遥控操纵或讣算机控制下可在极其恶劣的环境中，能够完成一系列管道检 测维修作业的机电一体化系统。管道机器人可完成的管道作业有：生产、施工过程 中的管道内外质量检测；管道内部清扫、抛光、焊接、喷涂等维护;对接焊缝的探伤、 补口作业；旧管道腐蚀程度、破损情况检测和泄漏预报等等3：o1管道机器人的发展状况1. 1管道机器人的理论研究发展状况管道机器人的研究所涉及的面很广，随着7 0年代电子技术、计算机技术、自动 化技术的发展和进步，国外的管道机器人技术自9 0年代初以来得到了迅猛发展并接 近于应用水平。1 9 8 7年日本学者T.Morimitsu等人成功研制了一种振动式管内 移动机器人。I 99 9年西班牙Jorge Mor a leda与Aniba 1 Oller o等人在西班牙军 工基金资助下，利用水流喷射产生的冲力作为驱动力研制成检测地下输水管道内部 状况的管道机器人系统。2000年日本横滨国立大学电子与计算机工程系Chi Zhu 等人研制成功用于检测污水排放管道的管道检测机器人，它适用于直径为2 0 0mm 的管道。2001年美国纽约煤气集团公司的Daphn e D Z u rk o和卡内基梅隆大学 机器人技术学院Hag e n Sch e mpf博士在美国国家航空和宇宙航行局的资助下开发 了长距离、无缆方式的管道机器人系统。我国管道机器人研制工作起步较晚，已见报道的管道机器人多为国外进口，然而 近些年来,管道机器人的经济、技术和社会意义逐渐为更多的人们所认识，也有一些 单位开始进行研制，并在机构模型、动力学分析以及实验样机等方面均有所建树。 较有代表性的有中科院、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、东华大学、 大庆油建公司和中国石油天然气管道局等，其中中科院兰州分院于20 0 4年成功研制 出了我国第一台管道机器人，提升了我国在机器人研究开发领域的地位和影响力O1.2管道机器人的类型介绍LI前国内外已研制出的管道机器人类型很多，按能源供给方式可分为两种:有缆 方式和无缆方式。对于有缆方式供能的管道机器人，主要存在的问题是机器人行走距 离远、转弯较多时，线缆与管壁的摩擦力会变得很大，严重影响了机器人作业时的最 大行走距离，而且还会带来可靠性等一系列的问题。而采用无缆方式的能源供给LI 前有两种方案，一是携带蓄电池，二是携带燃油发电机组，这两种方案除了体积庞大 以及增加机器人本体的重量这些共有的缺点外，还有就是所储存的能量毕竟有限，而 且受电池质量、充电丄艺等因素的影响，因而机器人的行走距离仍然受限制“。管道机器人的驱动源大致有以下儿种:微型电机、压电驱动、形状记忆合金(SM A)、气动驱动、磁致伸缩驱动、电磁转换驱动等。管道机器人按照驱动方式大致可 以分为自驱动型管道机器人、流体推动型管道机器人、弹性杆外加推力型管道机器 人。管道机器人按其外型大小可分为大型、普通和微型三种，其中微型管道机器人 乂可按其电驱动技术种类划分为基于正弦波动驱动的微型管道机器人、基于电磁驱 动的管道鱼鳍机器人、直流电机驱动的蛇行机器人、压电元件驱动的微型管道机器 人、GMA驱动的微型管道机器人、SMA驱动的蚯蚓蠕动管道机器人。而如果按行走机构划分，管道机器人可分为以下儿种方式：(I )活塞移动式，其原理类似于活塞在汽缸内的运动，即把管道看作汽缸，把具 有一定弹性和硬度的PIG看作活塞。在结构上，P IG其后面的流体压力大于前面的压 力时，在压差的作用下，PIG克服了管壁与活塞之间的摩擦阻力而向前运动。PIG可 以携带各种传感器，一边行走一边用于管道检测。(2) 滚轮移动式，利用滚轮驱动式的行走结构，以电机作原动机，为了增加牵引 力，一般采用多轮驱动式，由于轮径太小，越障能力有限，而且结构复杂。(3) 履带移动式，仿造履带式车辆行走原理，采用带齿轮减速箱的直流伺服电 机驱动。(4) 足腿移动式，其基本原理是利用足腿推压管壁来支撑机体，利用多腿可以方 便地在各种形状的弯管内移动。山撑脚机构、牵引机构和转向机构构成，可在各种类 型的管道里移动。(5) 蠕动移动式,模仿昆虫在地面上爬行时蠕动前进与后退的动作设计，机构III 蠕动丝杠、螺母、前后支撑足及前后封闭弹簧构成。在行走时,分别使左右支撑足上 端与管壁接触，下端用滚轮与管壁接触。驱动蠕动丝杠依次左转和右转，使螺母在丝 杠上左右移动。(6) 螺旋移动式，利用螺旋原理使管外电机推动带有弹性的驱动部件前进，该驱 动螺旋部件可以自动越过小的台阶。D国外管道机器人发展概况1. PEARPOINT公司开发的轮式自来水管道检测机器人血图1.1轮式自来水管道检测机器人如图1. 1所示，该机器人具有六个行走轮，能在自来水管道内前进或倒退行走， 适应管径为0150-07 5 Omm：行走速度为0-12m/min；行走距离大约6 0 0m左右。 对于更大管径的管道，加装2 0W灯泡(选件)，提供更明亮、精确的图像，电缆使 用质地牢固重量轻的合成纤维，坚固、防水，可抵抗1. 5 k的张力。配有电缆自 动收放系统，高性能的带马达电缆盘，可提供超过50 kg的牵引力。仪器精确确定 电缆层数，可提高电缆回绕速度和增加电缆寿命。微处理器控制的离合器和刹车系 统，减少电缆回绕的摩擦力，在整个测量过程中，使用操纵杆可精确控制爬行器及摄 像机。2. R o boPr o b e Tec h nolog i es Inc 的系列产品 此爬行器分为串联式爬行器和并联式爬行器两种，如图1. 2和图1.3所示。此 爬行器系列采取不同结构形式，适应大范围的管径范围，最小管径1 0 Omm,大管径 可至9 00mm以上。该爬行器是用于管道对接焊缝X射线探伤的管道机器人，其驱动系统采用四轮 车式结构，山同位素137Cs及其接收器定位，在管道外进行全遥控操作，系统主要 山机器人本体(牵引装置)、可充电电池组、控制单元、遥控探测装置和射线源等组 成。该爬行器无须拖缆，作业距离较长。日本Osaka煤气公司的Y. K a wagu c hi等人于19 9 5年研制成功的管道检测机 器人系统的行走装置则釆用内外轮结构，山电动机驱动的内轮为磁性轮,系统携带彩色 摄像头，并通过棱镜改变成像方向，该机器人采用光纤进行通信，可以检测管径为 200mm的铁管，一次作业的检测距离不超过500m,该管道检测机器人系统自带电源, 电源有普通型电源(8. 4V/1. 5 A)和增强型电源(16. 8V/3.0A)两种模式，在这两种 电源模式下,管道检测机器人的牵引力、驱动轮的输出扭矩和最大行走速度分别为:I . 8 kg f / 1 . 5kgf、2. 3kgf. cm/ 6.4k gf. cm 和 3m / min、5m/min。机器人的轮 子由于具有磁力吸附，每个轮子的吸力达到30k g,因而可在管道的侧面、顶面稳定 运行。管道检测机器人的外形尺寸为：长410mm、宽90mm、高140mm,其重量为 4.25kg,如图1 .5(a)所示。此外，Osaka煤气公司还研制出铁质煤气管道自动焊 接修补机器人，该机器人采用多节方式，重量250kg,长度4. 5m,可以通过弯管, 具备焊接、打磨、探测的功能，拖缆控制，检测距离300m,如图1. 5 ( b )(C)所示。3. 日本横滨国立大学的检测污水排放管道的管道检测机器人Iki.WpPMHlf 7、图1. 6管道检测机器人系统组成日本横滨国立大学电子与计算机工程系Chi Zhu等人于2 000年研制成功用于 检测污水排放管道的管道检测机器人20,该管道检测机器人适用于管径为200 mm的管道。如图1.6所示，整个管道检测机器人系统山四部分组成：管道检测机 器人行走装置、作业操纵装置、用于污水采集的注射器系统、机器人控制系统。该 机器人采用视觉伺服定位方式，其工作原理为主控制计算机通过处理山摄像头拍摄 的管道内壁图像来获得管道检测机器人操作装置和管壁上漏洞之间的相对位置，然 后根据管道检测机器人的逆动力学模型分别讣算出每个电机所需转动的角度，计算 结果通过RS 2 3 2C送到微处理器SH7050中，在SH7 0 50的控制下，每个电机转过相 应的角度，从而使作业操纵装置的位置正对着漏洞，进而将垫圈牢牢地压入漏洞中, 防止污水泄漏污染环境,注射器系统在电机的驱动下采集管道漏洞处的污水样本。整 个管道检测机器人系统的规格为：长620mm、宽1 6 6mm、高158mm,其重量为2 4 k go4徳国的管道爬行机器人,，：图17管道爬行机器人德国的 Institut e for Appli e d Meeh anics T e ch n ical Univers i ty o f Mun i ch 的 Dipl. - I ng. An d reas Zag 1 er JF发了管道爬行机器人，如图 1 7,该管道爬行机器人重量为2 Okg,采用八足爬6行驱动，驱动能力为1 5 k g。机 器人长为0 . 75m,宽为0. 6m,高为0. 6 m,最大速度为0 . I m/s ,采用直流供电 方式。5.俄罗斯的TARIS公司针对地下输水管道的检测、清理研制了多个系列管道 机器人系统,参看图1.8。这些管道机器人为轮式驱动，能源供给和通信采用拖缆方 式，带有可旋转控制方向的彩色摄像头，能进行视频探测，采用防水材料制作，具有 较好的密封防水性。P- 1 0 0 CCTV Rob otic Sys t em适应管径90mm90 0 mm, P-200 CCTV Robo t ic System 适应管径 130mm 12 0 0mm, C-200 C C TV Robotic Syste m除了能进行视频探测外，还可以进行切割、清理工作，适应 管径200mm、60 0 mm,管道内最大作业距离为300m。2）国内管道机器人发展概况我国的管道机器人的研究始于20世纪80年代，与西方发达国家相比起步较晚, 但近些年来取得了快速发展。其中开展丄程管内机器人技术研究的单位中，较有代表 性的有哈尔滨工业大学、上海交通大学、清华大学等。1.哈尔滨工业大学19 9 5年，邓宗全教授领导的课题组受国家“86 3 ”计划资助开发的野外大口径 管道对接焊缝X射线探伤机器人,是国内笫一台X射线探伤机器人（如图1. 9所示）， 该机器人已成功应用于“陕一京”天然气管线的无损探伤施工中，取得了较好的经济 效益。该管道机器人在管内一次作业行走距离为3 0 0米;作业位置处定位精度优于 5mm;最大爬坡能力可达30。图196660管道X射线探伤机器人2 0 00年，在国家“ 8 63”计划资助下，邓宗全教授领导的课题组乂研制成功 了内置动力源的X射线探伤机器人，如图1.10所示。在该管道机器人中，引入CC D传感器作为示踪定位传感器并以有缆方式供电;但是,定位过程中尚需要人1：参与, 有缆方式限制作业距离C13o图1. 11所示为哈尔滨工业大学邓宗全教授等人于1 9 97年1 0月研制的航空输 油管内喷涂机器人，该机器人已在上海浦东机场工程中投入使用。图1.11航空输油管内喷涂机器人2. 上海交通大学CCD传感戏支架图1. 12履带式管道机器人的运动机构简图上海交通大学的履带式管道机器人，该管道机器人仿造履带式车辆行走原理, 采用带齿轮减速箱的直流伺服电机驱动。机器人上部装有CCD图像传感器，山另一个 直流伺服电机控制CCD图像传感器作俯仰运动，以扩大检测范围。另外，机器人上 还装有角度传感器。如图1 .12所示:其相关参数如下：电机功率减速箱减速比 为100,输出转速为030r/mi n ;最小管道直径Wei20mm;运行速度可由计算机给 定，一般为1. 2m/min J门。3. 清华大学机器人图1. 13淸华大学研制的电致伸缩小型蠕动机器人和管道淸淤机器人图1. 14淸华特种机器人研究小组的P ipesb o t - I和Pipesbot-II清华特种机器人研究小组（简称THSR）先后研制了.电致伸缩小型蠕动机器 人，.管道清淤机器人（四轮驱动，单螺旋桨式作业）（图I .13）,.小型长距离 管道检测机器人P i pe s bot I和Pipes bot- H Pi p esbo t I适用管径范围 O l4 0 -16 0 mm,多级串连驱动方式,机器人本体前端携带CCD摄像头，后部拖带 控制小车和电源小车；通过交流输入和电源转换模块供电，采用PWM调速，RS4 22 串行通讯。Pipesbot-II为全驱动直进式结构，由三个直流电机通过蜗轮蜗杆副, 带动三个径向均布的驱动轮，通过一个剪形压紧结构使驱动轮撑紧管壁，依靠摩擦 力运动。剪形压紧机构具有可调接合点，调节接合点的位置，可使机器人的驱动轮 向内缩进或向外扩张，适应一定范围的管径，如图1.14所示。4. 东华大学的自主变位履带式管道机器人GXJZ-I图1. 15 GXJZ- I的总体结构GXJ Z-I机器人系统采用线缆遥控,可采用控制箱控制或PC机直接操作，并可通过PC机进行监控和录像。机器人采用了四履带足结构的行走机构，具有较强的越 障能力和复杂管道的适应能力。主要用于中央空调的管道清洗工作。此外，上海大学的钱晋武等人在2 0 01年研制成了适用于管径为O20mm的T u botll型管道内缺陷的自动探测微小机器人系统，该系统由一个两级计算机控制 的管内移动机构携带涡流探头，外加涡流分析仪和数据记录设备等组成。中原油田 研制了适用于管径为052 9 630mm埋地钢质管道的内环焊缝区域喷涂常温固化液 态涂料的补口机。中国石油天然气管道局管道技术公司经过5年的科技攻关，研制出 的管道在线智能漏磁检测系列装置。这家公司应用这套装置，已对我国在役的各种 口径油气干线管道进行了上万公里的腐蚀情况无损检测。在国家自然科学基金的资 助下，沈阳工业大学、新媼三叶管道技术有限责任公司的专家和工程技术人员于2 0 00年5月研制成功高精度管道漏磁在线检测系统。总之，近儿年我国的管内机器人技术研究已取得了很多成果，在某些单项技术上 已具有世界领先水平。但限于我国总体技术发展水平的限制，所研制的管内机器人 的综合性能还远不及发达国家，特别是在管内机器人产品的实用化和商品化方面还 有很大差距，除此之外，使用国外的管道机器人一般费用很高,不适合我国的国情；国 内这一领域的研究很少，还处于科研阶段，所以本课题的研究非常必要，而且具有 很大的社会效益和经济效益。尽管我国在研制多种形式的轮式管内移动机器人方面 已经作出了很大努力，并取得了一定的成绩,但仍存在不少的缺点，如管内行程不够 大,力的提高受封闭力的限制，研究还有待进一步的完善和成熟，研制可适用于小管 径和不同管径的深行程管内移动机器人有着广阔的发展前景。综合上述国内外发展情况，根据U询实际应用的要求，管道机器人一般都应该具 备实时检测、与操作人员交互的功能，在管道中行走时，需要具有自驱动能力。因 此管道检测机器人系统的研究是一项十分巨大的产业工程，从而得到了世界各国的 高度重视。经过多年的研究与发展，国内外已经在管道检测机器人领域取得了大量 的研究成果，管道检测机器人的技术得到了迅猛发展，但从总体技术水平来看，管 道检测机器人的研制和开发在国内外都还处于发展阶段，上述成果大多停留在实验 室样机，距离大规模实用化还有一定的差距，主要面临一些关键技术问题待以解决。4 总结城市道路交通的飞速发展，传统的开肠破肚式铺设和修护管道的方式已经不再 适应时代的需求，非开挖管道铺设及修补技术已经越来越广泛的应用到城市的管线 工程中，在新铺管道的竣工验收以及管道修复前的方案设讣，修补过程中的施丄监测 以及修补后复测都需要CCTV管道内窥检测技术实时监测整个施工过程来完成的。如果将管道摄像检测的数据如：检测报告、图片、影像资料等作为排水管网地 理信息系统(G I S)数据库的一个组成部分,将极大的丰富G I S系统的先进性和实用 性。使排水管网的管理和养护更加科学化。排水管道的检测在我国仍在起步阶段，随着人们环保意识的增强，国家对污水 处理项口的投资力度不断的加大，排水管网的管理维护也得到了应有的重视,建设部 及不少城市和地方还相继出台了相应的政策与法规。这表明了我国各级政府已经充 分地认识到排水管网管理和维护的重要性，排水管道检测和维护有着巨大的市场前 景和无限商机。