新型履带式管道检测机器人--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

新型履带式管道检测机器人

发表时间：2021/3/26 来源：《中国科技信息》2021年3月作者：刘嘉浩曹传剑刘树龙

[导读] 设计了一种以履带为执行部分的新型管道检测机器人，整体呈三角形结构，中心为机器人主体，三个角的位置为履带，利用摄像头来获取管道内部信息，以红外线传感器来检测管道内径及探伤等作用。

1.青岛黄海学院青岛刘嘉浩曹传剑刘树龙

该项目由青岛黄海学院校级国创项目《新型履带式管道检测机器人》（X202013320066）支持。
摘要：设计了一种以履带为执行部分的新型管道检测机器人，整体呈三角形结构，中心为机器人主体，三个角的位置为履带，利用摄像头来获取管道内部信息，以红外线传感器来检测管道内径及探伤等作用。本文详细介绍了该机器人的总体机械设计及机器人驱动设计，以及解释其工作原理，该机器采用减速电机作为其动力电机，利用其大扭矩，低转速的优点；以可塑性强的锂聚合物电池做动力源，起到降低自重，提高电流稳定性的作用。
        引言：管道作为石油、天然气、自来水等长距离输送的重要载体，在现代工业建设以及日常生活中的作用日益突出，出于管道安装、维护及检测等工作稳定性、安全性以及工作效率的考虑，管道作业越来越多地要求采用管道机器人作为移动载体来代替人工操作。因此，设计一种能在几千公里管道内自动行走进行管道检测的管道机器人具有十分重要的意义。目前国内外管道机器人移动机构的驱动方式包括电机驱动、压电驱动、电磁驱动、气压驱动、液压驱动等；而机器人的行走方式又可分为惯性冲击行走、蠕动爬行、弹性驱动行走及轮式行走等等，通过对比研究发现，现有管道机器人都存在驱动原理和结构相对复杂；动力提供大都要求外接电源，从而限制了机构的灵活性和运动范围；很多机构只适用于特定直径的管道，对于直径有变的管道则无法运行, 等不同程度的不足之处，以至于它们很难被广泛地推广应用。该项目拟设计一种性能优异、能连续行走的自适应管道机器人。
        1总体机械设计
        管道检测机器人整体呈三角形构架，三个角位置为三条履带，三角形中心为机器人主体，主体内设置了主板、电源、光源、摄像头等零件，主板与履带间由一组升降架和两组支撑架连接，以及中间的丝杠来将主体与履带的运动联系起来。内部共有两种电机，共四部，一部来调节履带与主体距离以适应管体大小，三部用来驱动管道检测机器人的运动，以齿轮来连接起履带与电机之间的联系，主体前置三枚LED灯及可调视角摄像头，主体外围镶嵌了红外线传感器，以上构成机器人总体。

         1.1结构特点
        （1）机器人整体采用三角形行进结构，因三角形结构的稳定性，其在圆形管道内的运动将会更加平稳，又因可通过控制架调节履带到主体的距离，因而可适应各种管径的变化，提升需求。
        （2）机器人采用履带的行进方式，可适应崎岖不平的路径，且重心低，稳定。
        （3）机器人电机采用两种不同的控制系统，一套用来控制机器人的运动，另一套可控制控制架的升降来调整履带到主体的距离，来适应不同的管径变化。
        （4）电池方面采用锂聚合物电池，该电池因其可任意改变其形状，可提高主体内部的空间利用率，并且其本质依旧为锂离子电池，具有重量轻，容量大，无记忆效应等优点，可降低机器人自重，增强内部电路电流稳定性
        （5）机器人前段为摄像头和三枚LED灯，以供及时反馈前方情况，在前端四周三个方向分别设置三个红外线传感器，用来检测管径大小
        （6）机器人的视觉是通过前端摄像头，用VB的外部AVCapture控件来实现在上位机界面上监视管道内情况，以便及时调整机器人的状态来适应复杂的工作

        1.2工作原理
        该机器人在管道内进行运动主要有行进驱动系统及径向调节系统构成，行进驱动系统由驱动直流电机、驱动齿轮、履带构成，形成驱动直流电机-驱动齿轮-履带的联动关系，控制机器的移动；径向调节系统由控制电机、丝杠、升降控制板、升降架构成，形成控制电机-丝杠-升降控制板-升降架的联动关系，控制机器的径向调节
        2 机器人驱动设计
        机器人内部采用两套驱动系统，一套为行进驱动系统，一套为径向调节系统，两套系统均以电机为中心，连接其他驱动零件。
        2.1行进驱动系统
        由于工作条件对小车尺寸的要求，驱动电机采用减速电机，因其低成本，低转速，大扭矩的特点，可提供足够动力及扭矩且运行稳定。减速电机连接驱动齿轮，以一个主动轮带动另外两个从动轮，驱动齿轮与履带进行连接，从而将驱动电机的动力传到履带进行运动。
        2.2管径调节系统
        由于管道管径大小不一，机器人又需要在不同管径下进行工作，所以设计了管径调节系统，通过主体后部减速电机的旋转来调整履带距主体的距离以适应管径的大小。减速电机与一齿轮相连，由齿轮带动丝杠转动，履带与主体间由升降架和辅助架连接，丝杠与升降架配合将旋转运动转换为竖直运动，从而以实现适应管道运动。

3 结论
随着产业迅速发展，各种管道作为一种重要的物料输送设施,得到了广泛应用。由于腐蚀、重压等作用，管道不可避免地会出现裂纹、漏孔等现象。而管道所处的环境往往是人们不易或不能直接接触的,因此,对于管道的检测和维护，成了工业生产中的重中之重，该机器人采用履带式设计，履带与管壁之间的接触面积比较大，这样可以在之间产生较大的摩擦力，防止打滑，减小无用功，提高效率，在越障碍能力上，履带式有很大优势。另外，越障因为过程复杂，其所受阻力不易详细估计，因此驱动器必须要产生足够的扭矩，所以驱动器的选择也是至关重要的，在很大程度上决定了管道机器人的体积、重量和性能指标，本设计选择步进电机为驱动方式。机器人的驱动机构与支架之间也是可以相对转动的，通过驱动机构同支架之间角度的调整，可以改变机器的高度，使之适应一些特殊的管道，如形状较矮的管道等。行走机构的三条履带，各成三组，每一组在空间成120角，实现了检测装置的定心。检测采用红外线传感器，通过吸收反射回来的红外信号进行测距，具有灵敏度高，反应快等优点，总体来说，该机器具有便携、工作稳定、易操作等优点。
参考文献
[1]王鹏飞. 基于机器视觉的管道巡检机器人设计与实现[D].西京学院,2020.
[2]王重勋. 小口径聚乙烯输气管道检测机器人研究与设计[D].北京交通大学,2019.