創(chuàng)新設計-管道履帶式機器人

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1、履帶式管道機器人創(chuàng)新設計專業(yè)班級：機械設計姓名：學號：25引言現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中使用著大量管道，如核電廠的蒸汽發(fā)生器傳熱管、石油、化工、制冷行業(yè)的工業(yè)管道和煤氣管道等，多數(shù)管道安裝環(huán)境人不能直接到達或不允許人直接介入，為了進行質(zhì)量檢測和故障診斷，采用傳統(tǒng)的全面挖掘法、隨機抽樣法或SCADA系統(tǒng)法，工程量大，準確率低，因此需要開發(fā)管道機器人來解決這些實際問題。管道機器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部移動，攜帶一種或多種傳感器及操作器，在操作人員的遙控操作或計算機的自動控制下，能夠進行一系列管道作業(yè)的機電儀一體化系統(tǒng)。管道機器人可完成的作業(yè)有生產(chǎn)、安裝過程中的管內(nèi)外質(zhì)量檢測；使用過程中焊縫情況

2、、表面腐蝕、裂縫破損等故障診斷；惡劣環(huán)境下管道清掃、噴涂、焊接、內(nèi)部拋光等維護；對埋地舊管道的修復；管內(nèi)外器材運送、搶救等其他用途。251緒論管道機器人在人類社會中已經(jīng)迅速的漫延開來，這一切都應歸公于它自身的特點。因此，國內(nèi)外都在不斷的開發(fā)和研制更適合管內(nèi)行走的管道機器人，并開始走向微型化、智能化，使之性能更宜人化，可控性更好，準確性更高。但是管道機器人由于受到它工作環(huán)境的限制和沉重的任務負擔，致使它也不斷面臨著更多，更嚴重的困難和問題。如何解決？已經(jīng)成為現(xiàn)代人的責任和發(fā)展方向。1.1管道機器人發(fā)展概況1.1.1國外管道機器人研究進展國外關于燃氣管道機器人的研究始于20世紀40年代，由于70

3、年代的微電子技術、計算機技術、自動化技術的發(fā)展，管道檢測機器人技術于90年代初得到了迅猛發(fā)展并接近于應用水平。日本機器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期，70年代的實用期，到80年代進入普及提高期，開始在各個領域內(nèi)廣泛推廣使用機器人。日本管道機器人眾多，東京工業(yè)大學航空機械系ShigeoHirose和HidetakaOhno等于1993年開始研究管道機器人，先后研制成功適用于直徑50mm管道的Thes-Ⅰ、Thes-Ⅱ型管道機器人和適用于直徑150mm管道的Thes-Ⅲ型管道機器人。德國工業(yè)機器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。德國學者BemhardKlaassen、HermannSt—r

4、eich和FrankKirchner等人在德國教育部的資助下于2000年研制成功了多關節(jié)蠕蟲式管道機器人系統(tǒng)——MAKRO。1.1.2國內(nèi)管道機器人研究進展國內(nèi)管道機器人研究進展國內(nèi)在管道機器人方面的研究起步較晚，而且多數(shù)停留在實驗室階段。哈爾濱工業(yè)大學鄧宗全教授在國家“863”計劃課題“X”射線檢測實時成像管道機器人的研制”的支持下，開展了輪式行走方式的管道機器人研制。上海大學研制了“細小工業(yè)管道機器人移動探測器集成系統(tǒng)”。其主要包含20mm內(nèi)徑的垂直排列工業(yè)管道中的機器人機構(gòu)和控制技術(包括螺旋輪移動機構(gòu)、行星輪移動機構(gòu)和壓電片驅(qū)動移動機構(gòu)等)25、機器人管內(nèi)位置檢測技術、渦流檢測和視頻

5、檢測應用技術，在此基礎上構(gòu)成管內(nèi)自動探測機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)20mm管道內(nèi)裂紋和缺陷的移動探測。在北京市優(yōu)秀人才項目的資助下，進行了仿蝎型管道機器人的研究工作。仿蝎管道機器人可以相對較易地跨過比較大的障礙，并且機器人的足所具有的自由度可以使機器人的運動更加靈活，可以在可達到的管面上選擇最優(yōu)支撐點，即使在管面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴格選擇足的支撐點，也能夠行走自如，對凹凸不平表面的適應能力更強，機構(gòu)模型如圖1-1所示。圖1-1仿蝎管道機器人機構(gòu)模型1.2典型的管道機器人1）蠕動式管道機器人1988年，Ikuta等引用蚯蚓運動的原理開發(fā)出了蠕動機器人，后來隨著蠕動機器人技術的不斷完善，其開

6、始向大型化發(fā)展，目前已可在200～300mm的管道內(nèi)應用。蠕動式管道機器人主要由蠕動部分、頭部、尾部組成，如圖1-2所示，1—頭部，2—蠕動部分，3—尾部。前部和尾部支撐分別裝有超越離合鎖死裝置，實現(xiàn)單向運動自鎖。中間蠕動部分提供機器人運動的動力。對于蠕動動力機構(gòu)，目前有很多實現(xiàn)形式：如上海大學利用氣壓伸縮驅(qū)動；上海交通大學利用形狀記憶合金伸縮驅(qū)動；昆明理工大學利用電磁吸合驅(qū)動如圖1-3，1—25磁鐵，2—彈簧，3—線圈等。下面以電磁驅(qū)動的蠕動式管道機器人為例，分析蠕動式管道機器人的運動機理。蠕動式管道機器人的運動原理如圖1-4所示，1—頭部，2—蠕動部分，3—尾部，一個動作循環(huán)分為3個步驟

7、：(1)當初始狀態(tài)時，電磁鐵失電，彈簧處于自由狀態(tài)，故頭部與尾部分離；(2)當電磁鐵通電時，磁鐵與線圈吸合，安裝在頭部上的超越單向行走方式使頭部原位不動，尾部由于電磁吸力的作用向前移動；(3)斷開電源，電磁力作用消失，彈簧促使磁鐵與線圈分開，安裝在尾部上的超越單向行走方式使尾部原位不動，頭部由于彈簧力的作用向前移動。至此，機器人回到了初始狀態(tài)，機器人前進了一步。蠕動機器人優(yōu)點是可在細小的微型管道中行走。但由于