管道机器人变径技术的研究分析

管道机器人变径技术的研究分析

谷俊伟 张振豪

郑州大学 机械与动力工程学院，河南 郑州 450001

摘要：本文介绍了变径式管道机器人的发展历程，并从国内外两个方面展开了对比分析。全文介绍了变径管道机器人在不同管道领域的应用，并设计出一种动力驱动主动机构变径的旋进式管道机器人。完成了其主体结构设计并建立了简单的三维模型，并对其工作性能进行了简单的分析。

关键词：管道机器人、变径技术、设计、自适应

0引言

现阶段，伴随着我国城市化进程的迅猛发展，管道如同城市的生命线一般无处不在。由于其管线输送量大并且受道路和地形的限制较小可以在不依靠道地形环境因素影响，通过管线铺设就可运输到需要输送的位置，从而被广泛应用于石油与天然气、化工、城市供排水等相关领域[1-3]。但因为其工作环境较为恶劣,容易发生腐蚀、疲劳破坏或因为安装不当或者制造时内部存在的缺陷造成破损而引起运输事故。定期对管道进行检修排查成为必然趋势。[4-6]然而管道所处的环境检修难度较大,而管道机器人在这种情况下，作为一种较为简便且有效、可靠的管道检测工具,已经成为国内外研究的热点。本文根据管道机器人在管内工作情况设计了一种动力驱动主动机构变径的旋进式管道机器人。[7-8]

1国内外研究现状

随着城市现代化水平越来越高，城市输水等管道应用场景越来越广泛，与此同时各种管道问题频发。这逐渐引起了人们对管道检测和维护的高度重视。在这样的背景下推动了管道机器人的发展。管道机器人属于特种工业机器人，可以进入狭小或者人力较难达到的的管道内部环境进行工作，在操作人员的控制或者程序端自动控制下进入原本人力无法企及的管道内，完成特定的工作。欧洲相对而言对管机器人研究的起步较早，其管道机器人技术已经达到了可投如实际应用的水平。日本的电子行业发展迅猛也侧面带动了其管道机器人技术的发展东京大学也是较早提出的变径管道机器人结构。而国内相关的研究起步较晚，例如清华大学提出的Pipesbot。随着传感器技术、智能控制技术等基础技术的快速发展，变径管道机器人相关技术也有了很大进步。

2整体结构及变径设计

设计的管道机器人结构根据被测管道的直径调节伸缩杆，能够适应被测管道；将管道检测机器人放置到被测管道内，控制器通过无线通讯装置向接收控制信号，驱动第一电机转动，从而使管道检测机器人在被测管道内前进；在管道机器人前进的过程中，控制器通过传感器会对被测管道内部进行检测，并将检测结果通过无线通讯装置发送给上位机；在被测管道的转弯处通过两主动轮差速旋转引起偏向左或右的力实现辅助过弯，变径机构采用螺旋绕线式电机控制。

3驱动系统设计

由于螺旋推进式管道机器人采用主动旋进的运动方式，且具有行进速度稳定、驱动力大等特点。因此，本设计方案选用主从动轮复合式运动方案。 本文所设计的自适应管道机器人的驱动机构主要是指对主动轮的驱动。考虑到供电模块的设计和驱动力的要求，选用直流电机作为动力来源。 结合管道机器人在行进过程中断电情况下的自锁需求和大传动比要求，采取主从动轮复合结构并配合上选择蜗轮蜗杆减速机作为驱动部分的传动部件实现自锁性能。最终确定的驱动系统动力总成为：直流电机+蜗轮蜗杆减速机+从动轮旋进。这种方案可以减少传动部件，增加动力传递的稳定性和降低动力损耗，各部件布置紧凑，大大节省空间，缩小了机器人体积。

4管道机器人的控制

电源作为整个控制系统的能量供给单元给机器人的压力传感器、超声波传感器、转速传感器、摄像头等搭载的检测设备供电。控制系统中的伺服电机驱动器和直流电机驱动器组成的控制器模块来接受上位机传来的无线信号并转化为电信号驱动变径调节机构和驱动轮动作。在内置的设计程序中，工作人员可根据自身需求控制变径管道机器人进行变径前进后退等作业。还可以进行速度调节、牵引力调节。机器人无线通讯装置可以实时接收远程操作端发出的控制指令，以一定的控制算法把信号转化为控制信号传递给控制器，以此来驱动各类传感器以及主体驱动部分。并把采集来的检测信息数据经简单处理后上传给远程操作端。远程上位机作为控制端，主要起发出控制指令和显示数据、图像的作用。机器人控制系统可以根据压力信号和丝杆螺母位置信号，对各变径调节机构采用 PID 算法进行闭环控制，主动自适应控制模型可以根据各传感器信号计算机器人当前状态，结合上位机控制指令，对第一第二电机和各类传感器输出控制信号。

6结论

变径管道机器人作为一种新型高效可靠的管道作业设备，可以代替人工完成恩来人力无法企及的管道的工作环境，被广泛应用于各类管道领域。本论文在研究国内外变径管道机器人发展现状的基础上，从提高管道机器人通过性、灵活性、稳定性的角度出发，提出了一种主动自适应旋进式管道机器人的设计方案。其优点是可以保证牵引力恒定，自动适应不同的管径，且力学性能稳定，可以提高机器人的越障、过弯能力。在变径管道机器人设计和研究过程中，本文的主要取得的成果如下：

分析了目前国内管道机器人存在的主要问题，然后自主设计提出了一种新型变径管道机器人方案。提出了主从动轮配合驱动分解旋向力的方案，配合智能控制系统，机器人可以具有更高的灵活性和适应性。验证了力学分解计算模型的正确性和结构设计、主动变径控制系统的合理性。不足之处在于，没有进行实际管道实验，这也是下一步研究工作的重点。

参考文献

【1】任君坪，多功能管道机器人管径自适应技术研究 2018 TP21-621

【2】张建伟,齐咏生,王林等.一种新型可变径管道机器人的结构设计与控制实现[J].测控技术， 2014,33(10):64-67.

【3】王毅. 螺旋轮式驱动管道检测机器人控制系统研究与实现[D].天津理工大学,2016.

【3】龚 俊 , 谯 正 武 . 管 道 机 器 人 自 适 应 管 径 调 节 机 构 的 研 究 与 仿 真 [J]. 机 械 传 动,2009,33(03):49-51+72+129.

【4】李春林，程百慧，王大伟，贾宝占. 管径自适应轮式管道机器人设计[J].石油矿场机 械,2010,39(06):39-42.

【5】唐德威,李庆凯,姜生元,邓宗全,刘航. 具有差动运动功能的管道机器人设计与分析[J]. 机械工程 学报,2011,13:1-8.

【6】管径自适应轮式管道机器人设计 李春林,程百慧,王大伟,贾宝占 2010

【7】管道机器人的发展与展望 邵琦 谢哲东 吉林农业大学 吉林 长春2016，130033

【8】刘清友,李雨佳,任涛,陈永华.主动螺旋驱动式管道机器人[J].机器人,2014,36(06):711-718