管道機器人的驅(qū)動原理及應用

管道機器人的驅(qū)動原理及應用

管道機器人的研發(fā)和國內(nèi)研究現(xiàn)狀在一般工業(yè)、原子能工業(yè)、石油、天然氣、軍事設備等領域，管道被廣泛應用于有效的材料輸送手段。為提高管道的壽命、防止泄漏等事故的發(fā)生,就必須對管道進行有效的檢測維護,管道機器人為滿足該需要而產(chǎn)生。管道機器人是一種可沿細小管道內(nèi)部或外部自動行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機械,在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下,進行一系列管道作業(yè)的機、電、儀一體化系統(tǒng)。目前國內(nèi)外管道機器人的研究成果已經(jīng)很多,可是在微小管道、特殊管道(如變徑管道、帶有U型管的管道)進行檢測、維修還剛起步,但是由于該類管道在各個領域的廣泛應用,因此研發(fā)該類機器人極具吸引力。管道機器人的驅(qū)動源大致有以下幾種:微型電機、壓電驅(qū)動、形狀記憶合金(SMA)、氣動驅(qū)動、磁致伸縮驅(qū)動、電磁轉(zhuǎn)換驅(qū)動等。管道機器人按照驅(qū)動方式大致可以分為以下三種(如圖一):1)自驅(qū)動(自帶動力源);2)利用流體推力;3)通過彈性桿外加推力;1.國內(nèi)外管道小型機器人的發(fā)展1.1自激管理系統(tǒng)機器人自驅(qū)動管內(nèi)機器人包括圖1所示的輪式、腳式、爬行式、蠕動式,還包括履帶式等。1.1.1驅(qū)動型機器人采用日本學者福田敏男、細貝英夫在1986年研制了可以通過“L”無圓弧過渡的管內(nèi)移動機器人。該機器人行走機構分別由頭部和本體兩部分組成,頭部和本體可相對回轉(zhuǎn)。當機器人在直管內(nèi)行走時,本體上的電動機M1通過減速裝置帶動本體上的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動,使機器人沿直管行走。當通過90度彎管時,電動機M2驅(qū)動頭部做姿態(tài)調(diào)整,同時驅(qū)動頭部履帶,引導機器人通過彎管。該機器人的技術指標為:適應管徑:φ50mm;行走速度:8.1mm/s;轉(zhuǎn)彎性能:可以通過90度直角彎管;機器人重量為:240g;機器人長度:76mm。日本東芝公司于1997年研制了一臺輪式管內(nèi)移動機器人,前部帶有一部微型CCD攝像機,能分辨管內(nèi)異物并用微型機械手實現(xiàn)清理。膠管聯(lián)接可過彎管,適應管徑:φ25mm;行走速度:0.36m/min;自重:16g。該機器人采用多輪驅(qū)動式為了增加牽引力,由于輪徑太小,越障能力有限,而且結(jié)構復雜。東京工業(yè)大學開發(fā)出基于螺旋輪式運動原理微型機器人,該機器人的本體由幾個單元通過彈簧聯(lián)接而成。每個單元體上均勻分布有三只支撐臂,用螺旋彈簧將支撐臂上的小輪緊壓在管道內(nèi)壁上,產(chǎn)生預壓力。小輪的軸線相對單元體的軸線傾斜了一個角度,通過軟軸將扭矩作用在單元體上使微型機器人移動。1.1.2機器人的組成與特點西門子公司W(wǎng)ernerNeubauer等人研制的微管道機器人有4、6、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,多腿可以方便地在各種形狀的彎管內(nèi)移動。國內(nèi)的太原理工大學研制成功管內(nèi)腳式行走機器人如圖2。該機器人可在管內(nèi)雙向行走,自動隨管道彎度轉(zhuǎn)向。該機器人由撐腳機構、牽引機構和轉(zhuǎn)向機構構成。撐腳機構由電機(16)、小齒輪(15)、齒圈及平面螺紋(14)、滑桿(13)、腳靴(12)組成。牽引機構由電機(1)、螺桿(2)、螺母(5)、拔銷(4)、拔桿(7)和支撐桿(9)組成。轉(zhuǎn)向機構由萬向節(jié)(21)組成。當電機(1)帶動螺桿轉(zhuǎn)動時,螺母受撥桿的約束不能轉(zhuǎn)動而沿螺桿軸向移動,固連其上的撥銷(4)撥動撥桿(7)順時針方向轉(zhuǎn)動,由于腳靴(12)鎖死在管壁上,支撐桿(9)不能向后運動,撥桿(7)通過銷(6)帶動支架(3)及其固連在(3)上的套筒(11)在筒體(10)內(nèi)向前滑動,同時通過萬向節(jié)(21)拖動機器人的后單元(此時后單元的腳靴在抬起狀態(tài))向前運動,整個機器人前進。當腳靴(12)處在抬起的位置時,撥桿(7)通過支承桿(9)推動筒體在套筒(11)上萬向節(jié)方向滑動、改變了腿的姿勢。1.1.3微管道機器人的組成和工作原理清華大學研制了一套小型蠕動機器人系統(tǒng),其機構如圖5,由1蠕動體和2、3、4電致伸縮微位移器組成。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變實時感,機器人的外形尺寸為150x61x46mm,重2kg,最大步距10μm,行程40mm,運動精度0.2μm。石油大學仿照蚯蚓在孔內(nèi)蠕動的過程,研制了一種在孔內(nèi)行走的機器人驅(qū)動裝置。該機器人如圖7所示,由蠕動進給裝置1、SMA脹緊環(huán)2、轉(zhuǎn)向裝置3、工作電極4和限位元件5等部分組成。動作過程如下:前SMA脹緊環(huán)通電膨脹壓緊孔壁,然后SMA拉伸螺旋彈簧通電收縮,偏壓彈簧壓縮,整個裝置向前收縮。上海交通大學針對微小空間、微小管道實時探測的要求,研制成電磁驅(qū)動微小型管道機器人樣機(如圖8)。微小管道機器人由四節(jié)電磁驅(qū)動單元組成,驅(qū)動機理模擬生物體的蠕動爬行。它是通過給線圈加一系列的時序脈沖的控制,依次使各單元動作,以多拖少而達到蠕動式爬行的運動形式。廣州工業(yè)大學借用仿生學原理,研制成結(jié)構獨特、簡單的微管道機器人。機器人的運動由電磁力驅(qū)動如圖10。初始狀態(tài)時線圈C1、C2、T1、T2分別通電,機器人的驅(qū)動器1和驅(qū)動器2(主體)相互吸合,當線圈C1掉電時,由S1將機器人前部(驅(qū)動器1)向前推動一段位移;其它依次類推。1.2石油管道檢測機器人利用管道流體壓力對管道進行直接檢測和清理技術的研究始于上世紀50年代,受當時的技術水平的限制,其主要的成果是無動力的管道清理設備---PIG,此類設備依靠管內(nèi)流體的壓力差產(chǎn)生驅(qū)動力,隨著管內(nèi)流體的流動向前移動,并可攜帶多種傳感器。但是PIG自身沒有行走能力,其移動速度、檢測區(qū)域不易控制。上海大學利用石油管道的石油高壓研制成在役石油管道檢測機器人如圖11,該型機器人分成多節(jié),利用與管道密封的橡膠環(huán)(皮碗),相當于活塞,在輸油管內(nèi)壓力油作用下,推動檢測機器人向前行走。主要由探頭1、高壓密封件2、電機倉3、電池倉4、儀器倉5、儀器倉6、萬向節(jié)7、里程倉8、清管器9和皮碗10組成。1.3螺旋原理日本東京科技學院利用外加推力研制成“螺旋原理”的微型機器人圖12。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。2.該機器人在經(jīng)濟領域2.1自動化內(nèi)矛盾儀檢測該管道內(nèi)窺儀針對工業(yè)設備中管道的檢測而設計。通過調(diào)節(jié)螺母帶動連桿運動,從而調(diào)節(jié)整個支架的直徑。具有中心定位、手動或自動爬行、直徑可調(diào)節(jié)、自動對焦、電動變倍、內(nèi)置白光照明、周向360度掃查、軸向90度可手動調(diào)節(jié)等功能的自動化內(nèi)窺儀。儀器采用高清晰度的彩色CCD鏡頭,支架全部采用不銹鋼制作而成,并且能與計算機相連進行圖象數(shù)字化處理。適用于工業(yè)設備中各種管道的內(nèi)部缺陷和異物的檢查。2.2水平管道的檢測該管道爬行器攜帶CCD攝像機,應用于熱電廠、核電廠、水電廠、石油化工等管道的檢測,三足豎管爬行器可以在垂直的管道爬行檢測,增加二級三足爬行器,可以由垂直管轉(zhuǎn)彎爬行到水平管道中。2.3管道無保溫層模塊MagSteer是一個智能爬行系統(tǒng),它能出色的檢測有保溫層或無保溫層或無保溫層管道內(nèi)部及外部缺陷。通過計算計遠程控制,爬行器可以自動爬行在有保溫層或無保溫層的管道上。MagSteer可以裝配橡膠輪子來檢測有保溫層或非磁性材料的管道,也可以裝配強磁性的輪子檢測無保溫層的管道。3.動力系統(tǒng)的機構設計從以上的資料文獻來看,管道機器人的研制、開發(fā)在國際上也屬發(fā)展階段,離實際應用還有一定的差距。大部分機器人還只能運行一般的直管道,而工程中廣泛應用的變徑管道、U型彎管道的檢測機器人還處在試驗開發(fā)階段,通用性也很差。運行在彎管道里主要靠支撐管內(nèi)壁(即靠封閉力)、磁吸附和真空吸附等,而這些應用極其有限。因此研究特殊管道(管徑變化、無磁性、有彎管等)機器人檢測維修系統(tǒng),有著極高的學術價值和實用價值。這些特殊管道機器人的研究設計應從以下方面考慮:(1)靈活可靠的行走機構:管道機器人在彎管、支岔管中的通過性問題是一個難點,要解決這一問題,要在機構上保證機器人能夠在這些特殊環(huán)境中順利行走,需要尋找融合各種機構優(yōu)點及可靠的機構方案。(2)驅(qū)動方式:由于管道機器人是在管道限定的環(huán)境里運行,尤其是在有彎曲管道里運行,一方面,機器人在彎管(包括垂直管道)行走中要有足夠的摩擦力來克服重力的影響,另一方面需要提供足夠大的驅(qū)動力來克服各種阻力,現(xiàn)在使用的驅(qū)動方式一般是電機,這就需要尺寸小而扭矩大的電機。(3)信號、電力的傳輸和供給方式:在直管道線纜可以順利進出,但是在彎曲管道里,尤其是有幾個彎曲的管道里,必須考慮線纜在轉(zhuǎn)彎處的阻力。采用無線的方式來傳遞信號,由于金屬管道具有一定的屏蔽作用,需要考慮發(fā)射信號的頻率。電力的供給現(xiàn)在一般采用高能干電池、蓄電池和管外供電(線纜)的方式。上海交通大學研發(fā)了小口徑管道內(nèi)蠕動式移動機構如圖3,它是模仿昆蟲在地面上爬行時蠕動前進與后退的動作設計的。其主要機構由(1)撐腳機構、(2)氣缸、(3)軟軸、(4)彈簧片、(5)法蘭盤組成。蠕動運動為:氣缸2a動作,氣缸活塞左移,松開前撐腳;氣缸2c動作,氣缸活塞左移,撐緊后撐腳;氣缸2b動作,氣缸活塞左移,使氣缸2a前進;氣缸2a動作,氣缸活塞左移,撐緊前撐腳;氣缸2c動作,氣缸活塞左移,松開后撐腳;氣缸2b動作,氣缸活塞右移,使氣缸2c前進。西安交通大學以電致伸縮陶瓷微位移器做驅(qū)動器,電磁鐵機構做可吸附于行走表面的保持器,設計制作了蠕動式微動直線自行走機構如圖4。由簧片組3與左右支架1、6聯(lián)接成一體,作為電致伸縮陶瓷微位移器4的載體,驅(qū)動器4的一端與支架1的側(cè)面貼和,另一端與螺釘