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1、前言油气管道输送是与铁路、公路、水运、航运并列的五大运输行业之一，长输油气管道作为一种特殊设备广泛应用于石油、石化、化工等工业领域以及城市燃气系统中，在国民经济中占有重要地位。随着“开发大西部”以及“西气东输”的战略指导方针，长输油气管道的数量在不断增加。由于历史原因，国内在役长输油气管道中部分管材制管质量较差，加上施工建设过程中存在部分焊接缺陷和涂层缺陷，这给管道的安全运行埋下隐患，即使部分投产验收合格的管道，在运行过程中也难免受到介质、温度、疲劳、腐蚀、局部载荷等因素影响，服役一段时间后产生缺陷或导致缺陷扩展，并可能最终发生失效，给人民生命财产、工业生产和社会稳定构成威胁。如何检测发现管道
2、缺陷，事前对含缺陷管道进行评价和预测(含缺陷管道的剩余强度评价，含缺陷管道的剩余寿命预测)，确保在役油气长输管道安全可靠运行是目前世界各国普遍关注和迫切需要解决的重大课题。由于在前面所述的一般工业、石油天然气、军事装备等领域中，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。而目前管道检测和维护多采用管道机器人来进行。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
3、纵或计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。 基于目前管道探伤机器人的研究现状，本课题主要研究目的是通过对管道X射线无损检测探伤机器人设计，及相关技术的查阅和应用，能够研制一台具有良好的弯道通过能力、视觉定位能力并能适应较长距离检测作业的实用样机。1绪论 管道机器人在人类社会中已经迅速的漫延开来，这一切都应归公于它自身的特点。因此，国内外都在不断的开发和研制更适合管内行走的管道机器人
4、，并开始走向微型化、智能化，使之性能更宜人化，可控性更好，准确性更高。但是管道机器人由于受到它工作环境的限制和沉重的任务负担，致使它也不断面临着更多，更严重的困难和问题。如何解决？已经成为现代人的责任和发展方向。管道机器人发展概况国外管道机器人研究进展国外关于燃气管道机器人的研究始于20世纪40年代，由于70年代的微电子技术、计算机技术、自动化技术的发展，管道检测机器人技术于90年代初得到了迅猛发展并接近于应用水平。一般认为，法国的JVERTUT较早从事管道机器人理论和样机的研究，1978年他提出了轮腿式管内行走机构模型IPRIV，该机构虽然简单，但起了抛砖引玉的作用 。日本机器人的发展经过了
5、60年代的摇篮期，70年代的实用期，到80年代进入普及提高期，开始在各个领域内广泛推广使用机器人。日本管道机器人众多，东京工业大学航空机械系Shigeo Hirose和Hidetaka Ohno等于1993年开始研究管道机器人，先后研制成功适用于直径50mm管道的Thes-、Thes-型管道机器人和适用于直径150mm管道的Thes-型管道机器人。Thes-型管道机器人的主要特点是轮子的倾斜角可以随着阻力大小的改变而改变，当机器人的负载较大时，轮子的倾斜角将产生变化，从而减小行走速度，增加推进力。Thes-型管道机器人的总长为300mm，质量只有3l0g。Thes-型管道机器人的每一节机器人单
6、元的左右两侧分别布置着由弹簧板支撑的一对轮子，轮子由带减速齿轮箱的电动机驱动，从而实现机器人在管道中的前进和后退运动，Thes-型管道机器人可以很容易地在带有几个弯管接头的管道中运动。Thes-型管道机器人如图1-1所示，其采用“电机一蜗轮蜗杆一驱动轮” 的驱动方案，同时每个驱动轮都有一个倾斜角度测量轮，通过测量轮探测机器人的倾斜角度，并反馈给电机从而保证管道机器人的驱动轮以垂直的姿态运动。该管道机器人系统通过CCD摄像头实现信息的采集，整个系统采用拖缆控制方式，检测距离超过100m。图1-1 Thes-型管道机器人1 Thes- Pipeline robot美国是机器人的诞生地，早在1962
7、年就研制出世界上第一台工业机器人，是世界上的机器人强国之一， 其基础雄厚，技术先进，并有很多管道机器人产品。美国Inuktun公司系列管道检测机器人Versatrax是国外现有的已成型管道机器人。Versatrax 150 检测管道最小直径为150mm，防水深度30m，电缆范围160m，速度010mmin，有效载荷92kg，CCD彩色直视摄像头。Versatrax 300”VLR检测管道最小直径为3omm，防水深度30m，电缆范围1830m，速度010mmin，有效载荷184kg，CCD彩色直视摄像头。美国纽约煤气集团公司(NYGAS)的DaphneDZurko和卡内基梅隆大学机器人技术学院的
8、HagenSchempf博士在美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的资助下于2001年开发了长距离、无缆方式的管道机器人系统EXLORER，专门用于检测地下煤气管道的情况， 如图1-2所示。该管道机器人系列EXPLORER就有如下特征：(1)一次作业检测距离长，采用无缆方式， 自带电池并且电池可以多次反复充电，使管道机器人具有良好的自推进能力。(2)可以在铸铁和钢质煤气管道中，低压和高压条件下工作。(3)管道机器人的彩色摄像头采用嵌入式“鱼眼” 镜头，结构非常紧凑。(4)可以顺利通过90。的弯管接头和垂直管道。(5)与外部操作人员采用无线通讯方式。(6)该管道机器人可以探测煤气管道内部是否水渗
9、透、碎片堆积；可以确定管道内部缺陷的确切位置并且定位相应的作业装置；采用视频图像的形式准确地反映管道内部的状况条件。图1-2 EXLORER管道机器人2 EXLORER Pipeline robot德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。德国学者Bemhard Klaassen、Hermann Streich和Frank Kirchner等人在德国教育部的资助下于2000年研制成功了多关节蠕虫式管道机器人系统 MAKRO。该机器人由六节单元组成，其头部和尾部两个单元体完全相同，每个单元之间的节点由3个电动机驱动，使得MAKRO可以抬起或者弯曲机器人个体，从而可以轻松越过障碍物或实现
10、拐弯运动，该管道机器人系统MAKRO具有21个自由度，长度为2m，质量为50kg，采用无缆控制方式，MAKRO系统使用于直径为直径300直径600mm的管道。加拿大INUKTUN公司的双履带式管内机器人行走机构，履带采用刚性支承结构，两履带的夹角可以调节，以适应不同的作业管径。两履带调节到平行位置时，可以在平地或矩形管道内行走。但这种刚性支承的双履带式管内机器人行走机构的两履带夹角在行走过程中是无法改变的，因此不适应管径变化的作业场合。Kawaguch等研制的管道检测机器人系统只适用于200mm的管道，而且一次作业的检测距离不大于500m；Kuntze等采用四轮独立伺服驱动方案研制成管道检测机
11、器人系统KARO，该机器人系统只能实现对200mm管径的地下输水管道的检测，一次检测距离为400m，系统采用拖缆控制方式。国内管道机器人研究进展国内管道机器人研究进展国内在管道机器人方面的研究起步较晚，而且多数停留在实验室阶段。哈尔滨工业大学邓宗全教授在国家“863”计划课题“X”射线检测实时成像管道机器人的研制” 的支持下，开展了轮式行走方式的管道机器人研制。该机器人具有以下特点：(1)适应大管径(大于或等于直径900mm)的管道焊缝X射线检测。(2)一次作业距离长，可达2km。(3)焊缝寻址定位精度高为5mm。(4)检测工效高，每道焊缝(直径900mm为例)检测时间不大于3min；实现了管
12、内外机构同步运动作业无缆操作技术，并研制了链式和钢带式两种新型管外旋转机构，课题研究成果主要用于大口径管道的自动化无损检测。上海大学研制了“细小工业管道机器人移动探测器集成系统”。其主要包含20mm内径的垂直排列工业管道中的机器人机构和控制技术(包括螺旋轮移动机构、行星轮移动机构和压电片驱动移动机构等)、机器人管内位置检测技术、涡流检测和视频检测应用技术，在此基础上构成管内自动探测机器人系统。该系统可实现20mm管道内裂纹和缺陷的移动探测。上海交通大学研制出一种呈正方形体，由12个蠕动元件组成的管内蠕动机器人，外形尺寸为35mm35mm35mm，体重195g(包括控制电路)，步行速度为15mm
13、min，共有12个自由度，由SMA(形状记忆合金)与偏置弹簧组成一个驱动源，共12个驱动源。能实现管内上、下，左、右，前、后的全方位运动，能通过直管、曲率半径较大的弯管，以及L型、T型管。在北京市优秀人才项目的资助下，进行了仿蝎型管道机器人的研究工作。选择蝎子作为管道机器人模仿的对象，一方面是因为蝎子能在较复杂的地形上轻易而顺利地行走，另一方面是因为蝎子的反射作用要比那些哺乳动物要简单得多，控制算法较易实现。仿蝎管道机器人可以相对较易地跨过比较大的障碍，并且机器人的足所具有的自由度可以使机器人的运动更加灵活，可以在可达到的管面上选择最优支撑点，即使在管面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑
14、点，也能够行走自如，对凹凸不平表面的适应能力更强，机构模型如图1-3所示。 图1-3仿蝎管道机器人机构模型3 Model for imitation robot scorpion pipe典型的管道机器人1） 蠕动式管道机器人1988年，Ikuta等引用蚯蚓运动的原理开发出了蠕动机器人，后来随着蠕动机器人技术的不断完善，其开始向大型化发展，目前已可在200300 mm的管道内应用。蠕动式管道机器人主要由蠕动部分、头部、尾部组成，如图1-4所示，1头部，2蠕动部分，3尾部。前部和尾部支撑分别装有超越离合锁死装置，实现单向运动自锁。中问蠕动部分提供机器人运动的动力。对于蠕动动力机构，目前有很多实现
15、形式：如上海大学利用气压伸缩驱动；上海交通大学利用形状记忆合金伸缩驱动；昆明理工大学利用电磁吸合驱动如图1-5，1磁铁，2弹簧，3线圈等。下面以电磁驱动的蠕动式管道机器人为例，分析蠕动式管道机器人的运动机理。蠕动式管道机器人的运动原理如图1-6所示，1头部，2蠕动部分，3尾部，一个动作循环分为3个步骤：(1)当初始状态时，电磁铁失电，弹簧处于自由状态，故头部与尾部分离；(2)当电磁铁通电时，磁铁与线圈吸合，安装在头部上的超越单向行走方式使头部原位不动，尾部由于电磁吸力的作用向前移动；(3)断开电源，电磁力作用消失，弹簧促使磁铁与线圈分开，安装在尾部上的超越单向行走方式使尾部原位不动，头部由于弹簧力的作用向前移动。至此，机器人回到了初始状态，机器人前进了一步。蠕动机器人优点是可在细小的微型管道中行走。但由于速度的间断性和缓慢性阻碍了它的发展。 图1-4 蠕动式机器人总体结构图-4 The overall structure of Figure creeping robot 图1-5 蠕动驱动电磁铁图 图1-6 蠕动机器人运动原理图-5 Peristaltic drive solenoid map -6 Creeping robot schematics2） 轮式管道机器人目前，轮式管道机器人是实际工程中应用最多的一种。轮式管内移动机器人行走的基本原理是驱动轮靠弹簧力、液
