海底管道檢測機器人技術(shù)的研究.pdf

1、近淺海油氣輸送管網(wǎng)長期承受地質(zhì)變化、介質(zhì)腐蝕、海流沖擊等因素的影響，易產(chǎn)生腐蝕、裂紋等缺陷。如不及時修復(fù)，發(fā)生油氣泄漏，將造成巨大的經(jīng)濟損失和嚴重的海洋環(huán)境污染。因此，海底管道的維修與維護對油氣輸送的安全運行具有重要意義。 本文結(jié)合國家“863”計劃渤海大油田勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)重大專項“海底管道內(nèi)爬行器及其檢測技術(shù)”項目(編號：2001AA602021)，對海底管內(nèi)機器人技術(shù)進行了深入系統(tǒng)的研究，并成功研制出六獨立輪式驅(qū)動管內(nèi)移動

2、機器人樣機。 機器人采用一種新型的行走機構(gòu)——內(nèi)置電機及減速系統(tǒng)的六只模塊化式驅(qū)動臂結(jié)構(gòu)。六只驅(qū)動臂采用軸向交錯、周向60°等間距首尾交替布置的方式，構(gòu)成兩個前后平行的驅(qū)動截面，使牽引力分散、獨立產(chǎn)生。力封閉機構(gòu)采用一種完全對稱式的電驅(qū)動主動可控柔性結(jié)構(gòu)，能夠在線調(diào)整輪壁接觸力及主動解鎖，有利于檢測系統(tǒng)故障救援。針對相鄰的驅(qū)動臂布置特點，提出了一種“一拖二”的“主-從”控制方式，簡化了機器人在直管內(nèi)的移動控制。 對機器人

3、行走機構(gòu)的力學(xué)特性、變徑特性及越障能力等進行了深入系統(tǒng)的研究。提出了評價幾何變徑特性的數(shù)學(xué)模型，并給出相應(yīng)的機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化取值準則。詳細分析了封閉力與姿態(tài)的變化關(guān)系特性及移動機構(gòu)的越障能力。根據(jù)所建立的ADAMS仿真測量平臺，結(jié)合幾何變徑特性，給出了動態(tài)變徑力學(xué)特性的詳細分析。同時，進一步建立了機器人虛擬樣機模型，并通過預(yù)緊力和牽引力仿真，證明機器人能夠勝任檢測系統(tǒng)的牽引任務(wù)，為工程樣機的設(shè)計及制造提供了更充足的依據(jù)。 針對管內(nèi)注

4、水檢測環(huán)境，闡明液體中的輪壁接觸在封閉力下處于一種邊界摩擦狀態(tài)，封閉力的分配是導(dǎo)致確定附著系數(shù)困難的原因。因此，為改善易滑管壁的牽引特性，提出了基于滑動率與附著系數(shù)關(guān)系準則進行驅(qū)動系統(tǒng)反饋控制的濕摩擦驅(qū)動控制模型，并以Simulink控制系統(tǒng)仿真工具，進行了給定封閉力條件下的附著系數(shù)及牽引力仿真，驗證了控制模型的合理性與可行性。 以本文研制的海底管內(nèi)機器人為例，首先，通過輪壁接觸點及截面參數(shù)的詳細分析，闡明截面間距、管徑及彎管曲

5、率是影響彎管內(nèi)機器人差速轉(zhuǎn)向速比控制復(fù)雜性的主要因素。為此，結(jié)合海底管道R0/D較大的特點，提出了一種驅(qū)動截面過彎管曲率中心的簡化控制方法，并由給定典型姿態(tài)的簡化速比與準確速比結(jié)果的比較，可行性得到了驗證。其次，揭示了彎管內(nèi)機器人行走產(chǎn)生螺旋自轉(zhuǎn)體的原因，并建立了描述其產(chǎn)生機理的力學(xué)模型。為減輕自轉(zhuǎn)體，進一步確定出機器人進入彎管時應(yīng)采取的最佳初始姿態(tài) 基于機器人移動機構(gòu)模塊化的組成特點，提出功率流分析法，建立了相應(yīng)的分析模型，并