管道爬行机器人的设计

机器人本体结构A0

1.绪论
在管内机器人的应用中，管内检测的应用比例主要集中在管道投入运行前施
工质量的检测，而能对长期连续运行的管道实施检测的还比较少，特别是海底输油管道内壁缺陷准确定位检测。由于管径小、内部状态复杂、距离长、布设环境恶劣及维修成本高等原因，目前海底管道的准确定位检测还是空白。常规的有缆遥控型管内机器人检测系统，拖缆摩擦力是不可忽视的负载[1]，在弯管和长距离行
走时，会出现因牵引力不足而阻碍机器人行走的现象，因此不满足长距离检测的要求。与以视频检查为主的管道检测机器人集成式结构相比，功能相对独立的分散配置式结构，由多节模块化单元串联构成，可实现多参数检测[2,3]，也是海底管道检测可行的解决方案。因此，针对胜利油田海底输油管道内壁检测的具体指标要求，研制了一种新型管内模块化机器人检测系统模拟样机。
胜利油田海底石油管道位于水下20m，埋深约1．5～2m，长度大于20km，管道内径φ195mm，最大管道变形为管径的±2．5％，管内介质温度5～80 C。为了评价管道的运行状况：第一步，利用油压差驱动设备进行在役检测，初步确定海底管线走向图及超标缺陷的大地坐标定位；第二步，利用机器人检测系统进行实时检测，以获得缺陷的精确定位，为管道的检修与维护提供依据。本项目属于第二步研究内容。检测系统共8节，总长不超过3.6m，总重小于284kg。其中，机器人应达到的技术指标为：(1)正常行走速度为lkm／h，检测行走速度为0．5km／h；(2)驱动轮自适应管道变形；(3)长度控制在450mm以内，且能过最小曲率半径R900mm的圆型弯管；(4)本体重量小于50kg；(5)控制电源24V／1A；(6)电机驱动电源
48V／15A。
该项目技术难度比较大，目前属国内空白。我们结合多年研制管内机器人的成功经验，研制了一种新的轮式机器人行走机构，与目前其他管内轮式机器人相比,具有几项创新特点：(1)六独立轮驱动方式，可以单独驱动，有利于转向时内外轮的转速调整；(2)电机及减速器内置的驱动臂结构，周向600等间距分布，且首尾交替布置，节约空间，结构紧凑；(3)驱动轮直接安装于驱动臂的端部，传动级数少，效率高；(4)主动可调式的柔性力封闭机构，使驱动轮与管壁的压力可以调整；(5)截面牵引力大。因此，其适合做小直径管道的理想牵引装置。
下面详细介绍此机器人的设计过程。

2.机器人检测系统总体结构
集成化的检测系统虽然结构紧凑，便于控制，但结构复杂，可靠性低，携带负载能力差。因此，采用多节模块式结构是检测系统的基本特征。每节模块结构简化，功能独立，彼此用万向节连接，单节长度控制在许可的范围内，有利于通过弯管，如图2.1所示。该系统由：(1)牵引机器人；(2)机器人控制箱；(3)电池仓；(4)漏磁检测单元；(5)数据采集与智能控制单元；(6)实时定位单元等六部分组成。本文主要介绍牵引机器人的研制情况。

齿轮轴A2

倒勾板式机械对接机构A2

力封闭机构保留A1

驱动臂结构A1

锥齿轮A2