煤氣管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究.pdf

1、管道檢測(cè)機(jī)器人是針對(duì)輸油、氣等工業(yè)管道的檢測(cè)、噴涂、接口焊接、異物清理等維護(hù)檢修作業(yè)所研制的一種特種機(jī)器人,它綜合了智能移動(dòng)載體技術(shù)和管道缺陷無損檢測(cè)技術(shù).這類機(jī)器人能進(jìn)入人所不及、人力所限的復(fù)雜多變的非結(jié)構(gòu)管道環(huán)境中,通過攜帶的無損檢測(cè)裝置和作業(yè)裝置,對(duì)工作中的油氣管道進(jìn)行在役檢測(cè)、清理、維護(hù),以保障管道的安全和暢通無阻地工作.特別是對(duì)穿越河流、鐵路、道路的特殊管道或埋地管道的重要部位進(jìn)行有選擇的檢測(cè)時(shí),管道檢測(cè)機(jī)器人具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).

2、因此,開展管道檢測(cè)機(jī)器人的研究具有重要的科學(xué)意義和明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,得到了世界各國的高度重視.經(jīng)過多年的研究與發(fā)展,管道檢測(cè)機(jī)器人的技術(shù)得到了迅猛發(fā)展.但從總體技術(shù)水平來看,管道檢測(cè)機(jī)器人的研制和開發(fā)在國內(nèi)外都還處于發(fā)展階段,研究成果大多停留在實(shí)驗(yàn)室樣機(jī),距離大規(guī)模實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化還有一定的差距. 本文依托國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目"油氣管道管內(nèi)自動(dòng)探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的研制"(項(xiàng)目編號(hào):2002AA422110)、云南省省院省校合作基金

3、項(xiàng)目"管道機(jī)器人"(項(xiàng)目編號(hào):2001KABAA00A025)、上海市重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目"油、氣管道機(jī)器人實(shí)時(shí)探測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)用化研究''(項(xiàng)目編號(hào):021111117),以具有彎管、變徑管、"T"型管道等復(fù)雜情況的煤氣管道為應(yīng)用環(huán)境,結(jié)合項(xiàng)目中為云南省昆明市煤氣公司煤氣管道主干線的檢測(cè)研制開發(fā)煤氣管道檢測(cè)機(jī)器人的需要,對(duì)管道環(huán)境下,煤氣管道檢測(cè)機(jī)器人的管內(nèi)運(yùn)動(dòng)方式、本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)控制和導(dǎo)航等問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究,研

4、制了二代實(shí)驗(yàn)樣機(jī),為解決復(fù)雜煤氣管道環(huán)境下的管道檢測(cè)機(jī)器人研究所面臨的一些關(guān)鍵問題奠定了基礎(chǔ).本研究旨在對(duì)煤氣管道檢測(cè)機(jī)器人的實(shí)用化進(jìn)程及產(chǎn)業(yè)化推廣起到進(jìn)一步的推動(dòng)作用,在城市燃?xì)狻⒚簹夤艿赖陌踩珯z測(cè),保障人民生命財(cái)產(chǎn)及社會(huì)穩(wěn)定等方面,具有重要的意義和顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益.本文的具體研究內(nèi)容及主要工作可以概括為以下幾個(gè)方面: 1.在查閱和掌握大量管道檢測(cè)機(jī)器人相關(guān)文獻(xiàn)和資料的基礎(chǔ)上,深入細(xì)致地分析了各種機(jī)器人管內(nèi)運(yùn)動(dòng)方式的運(yùn)動(dòng)機(jī)理

5、和特點(diǎn),并結(jié)合煤氣管道環(huán)境特點(diǎn)及檢測(cè)作業(yè)需求,通過綜合對(duì)比分析,確定了更適合煤氣管道環(huán)境的運(yùn)動(dòng)方式,設(shè)計(jì)了新型的煤氣管道檢測(cè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu). 2.對(duì)煤氣管道檢測(cè)機(jī)器人管內(nèi)運(yùn)動(dòng)力學(xué)的有關(guān)問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究,包括機(jī)器人的管內(nèi)空間運(yùn)動(dòng)方程、管內(nèi)運(yùn)動(dòng)阻力、姿態(tài)偏轉(zhuǎn)、徑向調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)、越障能力、管內(nèi)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性等問題. 3.針對(duì)機(jī)器人在煤氣管道中的彎道通過及轉(zhuǎn)向控制問題,以圓弧彎管和"T"型管道為典型,詳細(xì)討論了機(jī)器人通過彎道及"

6、T"型管道的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制問題,并針對(duì)機(jī)器人彎道通過及轉(zhuǎn)向控制中暴露出來的行走機(jī)構(gòu)問題,進(jìn)行了行走機(jī)構(gòu)的改進(jìn),使機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)更符合煤氣管道管內(nèi)運(yùn)動(dòng)要求. 4.研究了基于視覺的機(jī)器人管內(nèi)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航以及機(jī)器人管內(nèi)自主定位等技術(shù)問題,并根據(jù)煤氣管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種新型的、基于網(wǎng)絡(luò)的煤氣管道檢測(cè)機(jī)器人遠(yuǎn)程信息交換系統(tǒng),對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制提供底層支持,在此基礎(chǔ)上,討論了機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制結(jié)構(gòu)問題,提出一種適合煤氣管道檢測(cè)機(jī)器

7、人系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制結(jié)構(gòu). 5.成功研制了二代實(shí)驗(yàn)樣機(jī),根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和有關(guān)的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究,并針對(duì)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題,對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了相關(guān)的改進(jìn)工作.基于電磁漏磁檢測(cè)原理,研制成功與樣機(jī)配套的高精度管道壁厚無損檢測(cè)裝置,通過理論分析計(jì)算和大量的實(shí)驗(yàn)研究,獲得了影響無損檢測(cè)裝置傳感器檢測(cè)精度的重要設(shè)計(jì)參數(shù),并對(duì)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn). 盡管本文的研究基本實(shí)現(xiàn)了研究目標(biāo),但整個(gè)系統(tǒng)距離實(shí)用化還有許多工作需要進(jìn)行,在