创新设计-管道履带式机器人

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1、履带式管道机器人创新设计专业班级：机械设计姓名：学号：25引言现代工农业生产及日常生活中使用着大量管道，如核电厂的蒸汽发生器传热管、石油、化工、制冷行业的工业管道和煤气管道等，多数管道安装环境人不能直接到达或不允许人直接介入，为了进行质量检测和故障诊断，采用传统的全面挖掘法、随机抽样法或SCADA系统法，工程量大，准确率低，因此需要开发管道机器人来解决这些实际问题。管道机器人是一种可沿管道内部或外部移动，携带一种或多种传感器及操作器，在操作人员的遥控操作或计算机的自动控制下，能够进行一系列管道作业的机电仪一体化系统。管道机器人可完成的作业有生产、安装过程中的管内外质量检测；使用过程中焊缝情况

2、、表面腐蚀、裂缝破损等故障诊断；恶劣环境下管道清扫、喷涂、焊接、内部抛光等维护；对埋地旧管道的修复；管内外器材运送、抢救等其他用途。251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，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。1.1管道机器人发展概况1.1.1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

3、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。日本机器人的发展经过了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ShigeoHirose和HidetakaOhno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-Ⅰ、Thes-Ⅱ型管道机器人和适用于直径150mm管道的Thes-Ⅲ型管道机器人。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BemhardKlaassen、HermannSt—r

4、eich和FrankKirchner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。1.1.2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。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)25、机器人管内位置检测技术、涡流检测和视频

5、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。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。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1-1所示。图1-1仿蝎管道机器人机构模型1.2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

6、始向大型化发展，目前已可在200～300mm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1-2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。中间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1-3，1—25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1-4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

7、：(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