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管道扫描机器人本体设计综述

摘要：管道检测机器人是一种装载一种或多种传感器、可以在管道内、外部行走的可操作机械。管道机器人主要由行走机构、信号传递、动力传输系统、内部识别监测系统、控制系统等组成，工作人员通过远程遥控或用计算机编撰的程序操控管道检测机器人完成一系列的管道作业，管道检测机器人的应用在保证管道通畅运输以及管道损伤检测方面起到至关重要的作用，而目前国内在管道检测机器人的研究与创新上还亟待改善，本文通过对管道检测机器人的本体的设计，运用PLC编程技术和EPLAN等电气设计软件进行机器人内部电路与控制设计，并针对目前管道机器人适应管径能力单一等问题,提出了一种能主动适应管径变化的管道机器人,采用SolidWorks软件建立其虚拟样机模型,设计并检验管道检测机器人设计结构的合理性,分析了其变径能力及过弯能力,然后将模型导入ADAMS中,根据实际条件添加约束,对其进行管道爬行运动学及动力学仿真分析。综合实现对管道检测机器人的性能的检测。

关键字： 管道检测机器人 自适应 仿真

Abstract: The pipeline inspection robot is an operable machine loaded with one or more sensors that can walk inside and outside the pipeline. The pipeline robot is mainly composed of walking mechanism, signal transmission, power transmission system, internal identification monitoring system, control system, etc. Workers control the pipeline detection robot to complete a series of pipeline operations through remote control or programs compiled by computers. The application of the pipeline detection robot plays a vital role in ensuring smooth transportation of pipelines and pipeline damage detection. However, the research and innovation of the pipeline detection robot in China still needs to be improved urgently at present. Based on the design of the main body of the pipeline inspection robot, this paper uses PLC programming technology and electrical design software such as EPLAN to design the internal circuit and control of the robot. Aiming at the problems of single pipe diameter adaptability of the pipeline robot at present, a pipeline robot that can actively adapt to pipe diameter changes is proposed. SolidWorks software is used to establish its virtual prototype model, and the rationality of the design structure of the pipeline inspection robot is designed and verified. The variable diameter capability and over-bending capability are analyzed. Then the model is imported into ADAMS, and constraints are added according to the actual conditions to carry out pipe crawling kinematics and dynamics simulation analysis. The performance of the pipeline inspection robot is comprehensively detected.

Key words: Pipeline inspection robot, Self-adaptation, Simulation

1 选题的目的及意义

管道内、外移动机器人是机器人智能化研究的重要分支之一。随着当代工业化、信息化的迅猛的发展，输水、油气、通讯、煤气、化工以及其他用途管道急剧增加。由于腐蚀、压力、冲压以及其它外力或人为损伤等因素，管道在长期的使用中难免会破裂、堵塞、积污，但是管道的检测、清理、维护却不是很方便，以往在没有管道机器人的条件下要实现管道的探伤、清洁、疏通、修补等需要耗费巨大的人力物力。如果因为无法检测到出现腐蚀、裂纹和泄漏孔的管道的具体位置而更换全部的管道将造成资源和经费的严重浪费。一般情况下，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，成了工业生产中的一道难题，而内管道机器人可以在管道内自由地行走，能够搭载各种仪器设备，可以实现管道的检测、清洗、疏通、损伤修补等，使得管道的安全更高效的工作得到了保障。

近年来，随着我国的城市化建设的迅速发展，城市的能源供给、通信电缆的排布、水资源的输送回收、污水的净化处理等等，对管道输送的依赖日益加剧，国内外对管道机器人进行了较为深入和广泛的研究，设计出多种移动检测机构和通讯及控制系统，使得管道检测机器人更加广泛的的应用于管道检测、矿井勘探、隧道验收、地震搜救、消防救援、军事侦察、灾害援助、电力巡检、反恐排爆、超高温、高辐射以及有毒环境等。

管道检测机器人的研究与研发对我国具有重大的战略意义，随着西气东输战略以及南海油气资源开发战略的日益深入推进，管道输送作为一种经济、高效的运送方式，一直备受青睐，但由于管道输送的距离更远以及管道输送的环境更加苛刻，使得管道的维护与修补也更加难以实现，管道机器人的设计面临一系列的挑战，管道机器人不仅要具备足够的承载能力，还要具有一定的爬坡能力、转角能力，有时还需要能够在在流体中作业，甚至在天然气管道内管道机器人还要具备完全的气密性来防止内部的电子器件产生电火花或静电与管道中的天然气接触；虽然远距离管道机器人、超远距离管道机器人的研发也在日益跟进，目前管道机器人的功能应用也更加广泛：有集管道探伤并精确定位以及修补的管道机器人，还有检测管道内外腐蚀状况的管道机器人等，但我国的管道内检测技术和应用仍与国外一些顶尖的检测技术公司存在一定的差距，所以我们应当正视差距，补足短板，防患于未然，使我国的管道运输更可持续、更高效、更安全。