某管道巡檢智能機(jī)器人的總體方案設(shè)計案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u4562某管道巡檢智能機(jī)器人的總體方案設(shè)計案例分析 139391.1基于管道內(nèi)檢測的智能巡檢機(jī)器人總體方案論證 131881.2基于管道內(nèi)檢測的智能巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)方案論證 2301171.1.1驅(qū)動方案確定 250841.1.2驅(qū)動力結(jié)構(gòu)論證 5314961.3基于管道內(nèi)檢測的智能巡檢機(jī)器人控制單元方案論證 6211181.4基于管道內(nèi)檢測的智能巡檢機(jī)器人檢測單元方案論證 6機(jī)器人需要有自動尋路功能，在管道中按照規(guī)劃路線進(jìn)行巡檢，并在行進(jìn)路程中持續(xù)進(jìn)行超聲波檢測，在管道內(nèi)巡檢階段，不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將檢測數(shù)據(jù)暫時存儲，完成檢測任務(wù)后，由工程師導(dǎo)出機(jī)器人存儲的檢測數(shù)據(jù)并分析管道是否需要維修或更換。根據(jù)巡檢任務(wù)需求，要求機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)移動、越障、辨認(rèn)軌跡、探傷、轉(zhuǎn)向等功能。機(jī)器人要保持運(yùn)動過程中的平穩(wěn)性以達(dá)到檢測裝置的工作要求。同時，為滿足必須的工作時間長度，要具備足夠的續(xù)航能力提供保障；在傳感器的選擇中，不僅需要傳感器可以準(zhǔn)確檢測并定位到管道損傷的位置，還要能將圖像信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息進(jìn)行存儲。此外，在巡檢過程中遇到機(jī)體自身不能夠解決的突發(fā)情況，能及時發(fā)送機(jī)體位置進(jìn)行求救。例如：在管道中遇到機(jī)器人無法跨越的障礙時，能將機(jī)體所在位置發(fā)送到指定的計算機(jī)進(jìn)行求救。1.1基于管道內(nèi)檢測的智能巡檢機(jī)器人總體方案論證管道巡檢機(jī)器人按照其所尋求的功能，總體分為三個部分，分別為支撐式驅(qū)動器，攝像超聲波一體式探傷裝置，控制系統(tǒng)。驅(qū)動器：根據(jù)機(jī)器人在管道內(nèi)的移動方式，可主要分為腿式、輪式、蠕動式、被動行進(jìn)式等。不同的驅(qū)動方式具有不同的優(yōu)缺點，因此驅(qū)動方式的選擇需要放在結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要位置。綜合文獻(xiàn)調(diào)查，選擇輪式驅(qū)動方式。探傷裝置：管道的檢測方法可以分為監(jiān)控探頭法、超聲波檢測法、磁檢測法、光檢測法等。為配合輪式結(jié)構(gòu)，采用超聲波檢測的方法?？刂葡到y(tǒng)需要編程軟件進(jìn)行設(shè)計，單片機(jī)語言過于復(fù)雜，綜合程序編程的需要，決定采用plc進(jìn)行編程，主要包括對超聲波、超聲波存儲、行走電機(jī)，等進(jìn)行控制。1.2基于管道內(nèi)檢測的智能巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)方案論證驅(qū)動裝置是管道巡檢機(jī)器人中最重要的一部分，他負(fù)責(zé)移動機(jī)器人在管道中進(jìn)行巡檢，并精準(zhǔn)的按照規(guī)定路線行進(jìn)，所以驅(qū)動裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計無疑是重中之重，需要對比多種方案，選取最合適的驅(qū)動方案。1.1.1驅(qū)動方案確定管道巡檢機(jī)器人被廣泛運(yùn)用于各種管道，根據(jù)其移動方式不同大致可以分為履帶式、支撐輪式、蠕動式，支撐腿式，車式，螺旋式等。不同的移動方式對于機(jī)械設(shè)計的要求是全然不同的，按照不同的移動方式最初共指定三種機(jī)械結(jié)構(gòu)方案。履帶式巡檢機(jī)器人：履帶式是車式的升級版管道機(jī)器人，通過單純改動移動方式，驅(qū)動能力得到了極大的提升。而且履帶式機(jī)器人對比其他種類的機(jī)器人，設(shè)計較為簡單，消耗能源較低，巡檢時移動速度較快效率高。缺點對比其優(yōu)點也同樣明顯，履帶式機(jī)器人雖說對比車式機(jī)器人越障能力有了很大的提升，可還是很容易打滑，轉(zhuǎn)彎效率較低（需要的轉(zhuǎn)向半徑較大，對地面摩擦力要求較高），對凹凸不平、彎道較多的復(fù)雜地形難以做到自如進(jìn)行巡檢任務(wù)。圖2-1履帶式管道機(jī)器人蠕動式機(jī)器人：蠕動式較為適合中小型、內(nèi)部填充液體的管道，其優(yōu)勢在于可以在流體中靈活轉(zhuǎn)向，且轉(zhuǎn)向半徑較小，適合對小型的石油，化工液體運(yùn)輸管道進(jìn)行巡檢。其缺點在于，對工作的環(huán)境要求較高，加工較為困難、價高（需要較高的防水技術(shù)），行進(jìn)速度較慢，巡檢效率低，液體介質(zhì)也會影響檢測設(shè)備的準(zhǔn)確性，驅(qū)動時所產(chǎn)生的不規(guī)律波動會使部分液體介質(zhì)產(chǎn)生爆炸、裂解、聚合或變質(zhì)等的反應(yīng)。圖2-2蠕動式管道機(jī)器人支撐式機(jī)器人：其優(yōu)點在于可調(diào)節(jié)的支撐單元可以使用大部分直徑的管道，支撐輪始終緊密貼合管道，可以實現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)向；多角度驅(qū)動輪的設(shè)計讓機(jī)器人有更強(qiáng)的越障能力；支撐式可以實現(xiàn)機(jī)器人的模塊化設(shè)計，首尾為負(fù)責(zé)行進(jìn)的支撐輪，中段就可以放置各種功能模塊。圖2-3支撐式管道機(jī)器人遇到管道分岔路口，大部分的支撐輪會失效，支撐式管道機(jī)器人的轉(zhuǎn)向能力較差；結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)計難度較高；支撐環(huán)長期收縮易損壞，需要較為優(yōu)質(zhì)的材料。綜上所述，由于管道中環(huán)境復(fù)雜，管道下壁常有淤泥和積攢的障礙物；且管徑逐漸開始多樣化，這就要求管道機(jī)器人對管徑的適應(yīng)能力強(qiáng)；管道中作業(yè)，常常會遇到很多不同的情況，模塊化管道巡檢機(jī)器人的設(shè)計可以通過更換、加入新的功能模塊來解決不同的突發(fā)情況。對比三種方案的優(yōu)缺點（如表2-1所示），綜合當(dāng)今社會的實際需要，采用支撐式管道機(jī)器人，設(shè)計出一種新式的、模塊化管道巡檢機(jī)器人。表2-1綜合方案優(yōu)缺點對比類型優(yōu)點缺點履帶式管道機(jī)器人速度快、效率高、能源消耗低、設(shè)計較為簡單。越障能力差；轉(zhuǎn)向能力需求空間大；容易打滑；對地面環(huán)境適應(yīng)能力差。蠕動式管道機(jī)器人轉(zhuǎn)向靈活、可在液體中作業(yè)；適用于小型管道。對工作環(huán)境要求高；加工困難、巡檢效率低；行進(jìn)速度慢；易引起工作介質(zhì)反應(yīng)。支撐式管道機(jī)器人管徑適用性強(qiáng)；越障能力強(qiáng)；可以實現(xiàn)模塊化設(shè)計。通過岔路口困難；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜；需要較為優(yōu)質(zhì)材料。整個機(jī)械結(jié)構(gòu)中，最基礎(chǔ)的模塊單元共有四個，前側(cè)的支撐單元、后側(cè)的支撐單元、檢測單元和控制單元。下文中對其一一論證。1.1.2驅(qū)動力結(jié)構(gòu)論證管道巡檢機(jī)器人采用六支撐腳，六輪獨立驅(qū)動的移動方式，支撐腿設(shè)計如圖2-4所示，六個驅(qū)動輪獨立控制，有利于通過管道的分叉路口，且可以縮小機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。機(jī)器人預(yù)定適用于40cm直徑以下的小型管道，由以下部件組成：圖2-4支撐腿（1）直流電機(jī)：該管道機(jī)器人為小型機(jī)器人，負(fù)載重量小，使用鉛酸蓄電池給直流電機(jī)供電，不僅可以簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，還可以提高機(jī)器人的續(xù)航能力和模塊重組能力。（2）減速器：機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動力較小，所以減速器產(chǎn)生的扭矩相對較小，使用普通的齒輪減速器結(jié)構(gòu)即可。齒輪減速器具有傳動效率高、可承載傳動比大、高精度、免維護(hù)等的特點?？墒褂谬X輪減速器來降低管道巡檢機(jī)器人的移動速度。（3）支撐腿：支撐腿為兩節(jié)式的結(jié)構(gòu)，中間用鉚釘或銷連接，直流電機(jī)位于支撐腿的下段，縮短機(jī)械傳動的距離可以減少后期出故障的幾率。機(jī)械腿的上下段通過彈簧支撐，給腿提供伸張力，將腿的下端壓緊在管壁上，使得機(jī)器人可以正常移動。（4）支撐彈簧：彈簧是支撐腿中的重要結(jié)構(gòu)，彈力過大會導(dǎo)致機(jī)器人的越障能力弱，遇到障礙物，支撐腿不能自動收起；彈力過小會導(dǎo)致支撐力不足，機(jī)器人移動困難。（5）感應(yīng)同步器：主要用于速度檢測、定位與反饋，提高檢測信息和運(yùn)動的精度。1.3基于管道內(nèi)檢測的智能巡檢機(jī)器人控制單元方案論證管道巡檢機(jī)器人采用PLC控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的順序控制器的加以改良的新型編程方式，使用程序框圖等的方式進(jìn)行編程，使編程更加快速簡單。對比其他的控制編程軟件，按照本管道巡檢機(jī)器人的需要，其具有以下三大優(yōu)越性：（1）可靠性高，在管道復(fù)雜多變的環(huán)境下，常常有影響程序正常運(yùn)行的情況發(fā)生，plc編程方式抗干擾能力強(qiáng)，無疑適用于本管道巡檢機(jī)器人。（2）外加功能多，配套程序齊全，相關(guān)功能完善，在各種機(jī)器控制的情況下實用性強(qiáng)。（3）芯片較為小巧，空間利用率高，適合用于小型管道巡檢機(jī)器人。主控單元選用plc-200對聲波、行走電機(jī)，聲波定位電機(jī)進(jìn)行控制?？偣采婕八膫€電機(jī)、一個超聲波發(fā)射器和一個傳感器，所以共需要4個接口和10出口來實現(xiàn)對管道機(jī)器人的控施。傳感器和超聲波探頭結(jié)合，超聲波探頭在未定位到管道損傷以較小的功率進(jìn)行作業(yè)，通過機(jī)器人身上的感受器接受反射回來的超聲波輔助機(jī)器人自動尋路，定位到管道損傷時，超聲波探頭加大工作功率以穿透管道識別損傷。1.4基于管道內(nèi)檢測的智能巡檢機(jī)器人檢測單元方案論證現(xiàn)階段的檢測方式分為六種：攝像頭、電磁感應(yīng)、激光、超聲波檢測、紅外線等。不同的檢測方式各有利弊，選擇正確的檢測方式無疑是非常重要的，不僅可以優(yōu)化檢測信息的準(zhǔn)確性，還可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計[19]。攝像頭是現(xiàn)如今最流行的信息采集裝置，直接作為眼睛的延展，是管道巡檢機(jī)器人信息采集系統(tǒng)不可或缺的一部分，由于管道中沒有光源，所以所選用的攝像頭必須具有夜視功能。圖2-6攝像頭其缺點則在于只能獲取管道表面的信息，無法對內(nèi)部損傷進(jìn)行檢測，且容易受到環(huán)境的影響；在管道內(nèi)復(fù)雜的情況下，鏡頭容易污濁并損壞；單純的2維影像很難對損傷位置精準(zhǔn)定位。超聲波檢測是新式的