1、演讲者：演讲者： 上海大学上海大学机械电子工程专业机械电子工程专业管道机器人管道机器人Pipe Robot22022-6-6研究背景意义研究背景意义特种机器人，是指除特种机器人，是指除工业机器人工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。的各种先进机器人。包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人和管道机器人等。 管道的管道的 空间、路况、光线，以及空间、路况、光线，以及 工作环境的限工作环境的限制制 管道机器人管道机器人 区别于其他机器人，又有它的区别于其他机器人，又有它的 用武之地用武之地32022-6-6研究背景意义研究背景意义
2、20世纪70年代以来, 石油、化工、天然气及核工业石油、化工、天然气及核工业等产业等产业迅速发展, 各种管道作为一种重要的物料输送设施, 得到了广泛应用。 但是它们常架设在空中或埋在地下，形成错综复杂的管网。受空间或地理位置的限制，人们很难直接介入，使人工检修不仅困难，而且成本高。 同时由于腐蚀、重压等作用, 管道不可避免地会出现裂纹、漏孔等现象。而管道所处的环境往往是人们不易或不能直接接触的。管道机器人的由来管道机器人的由来 管道机器人管道机器人 应运而生应运而生 42022-6-6研究背景意义研究背景意义2005年，上海在采用“凤凰工艺”对旧煤气旧煤气管道进行改造管道进行改造时，运用了可视
3、屏幕遥控操作可视屏幕遥控操作的管道机器人的管道机器人进入管道进行全面巡查和修补作业，取得了较好的效果，实现了地下管道非开挖修复，成功地在延安东路闹市区施工，修复了一条长1500m的地下煤气管道。中央空调风管内的中央空调风管内的灰尘灰尘等是传播病毒的载体。等是传播病毒的载体。科学家曾做过一项对比实验:开空调1小时后，室内空气中细菌的含量是不开空调房间内的3一4倍。城市“大楼病”的诸多病因中，中央空调常常是罪魁祸首。因此需要因此需要重视中央空调管道的清洗重视中央空调管道的清洗。案例案例 52022-6-6管道机器人管道机器人 管道机器人是一种可沿管道内部或外管道内部或外部自动行走部自动行走的特种机
4、器人 它可以携带一种或多种传感器及操作装置，在操作人员的遥控操作或自动控制下，能够进行一系列的管道检测维修作业的机电一体化系统。CCD摄像机、位置和姿态传感器、摄像机、位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道裂纹管道清理装置、管道裂纹及管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、及管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、简单的操作机械手等简单的操作机械手等62022-6-6管道机器人管道机器人管道机器人常用于石油、化工、核工业、城建等许多工程管道的管道质量检测、探伤、故障诊断、清洁、喷涂、焊接、管道维修等众多方面72022-6-6国内外研究国内外研究 国外关于燃气管道机
5、器人国外关于燃气管道机器人的研究 始于20世纪40年代； 管道检测机器人技术于90年代初得到了迅猛发展并接近于应用水平。由于70年代微电子技术、计算机技术、自动化技术的发展,2 2个行走轮个行走轮4 4个支撑轮个支撑轮腿：电机驱动腿：电机驱动（以适应不同管径）（以适应不同管径） 一般认为，法国法国的J.VERTUT 较早从事管道机器人理论和样机的研究，1978年他提出了轮腿式管内行走机构模型IPR IV，该机构虽然简单，但起了抛砖引玉的作用。82022-6-6国内外研究国内外研究日本日本 管道机器人的研究众多，如，东京工业大学航空机械系Shigeo Hirose 和Hidetaka Ohno等
6、，于1993年开始研究管道机器人，先后研制成功了：适用于适用于 25mm 管道的管道的Thes-型管道机器人型管道机器人适用于适用于 50mm 管道的管道的Thes-、Thes-型管道型管道机器人机器人适用于适用于150mm 管道的管道的Thes-型型 管道机器人。管道机器人。92022-6-6国内外研究国内外研究Thes-Thes-型管道机器人，特点：型管道机器人，特点：p轮子的倾斜角可以随着阻力大小的改变而改变, 当机器人的负载较大时, 轮子的倾斜角将产生变化, 从而减小行走速度, 增加推进力。p总长为300mm, 质量只有310g。 Thes-Thes-型管道机器人，特点：型管道机器人，
7、特点：p “电机-蜗轮蜗杆-驱动轮”的驱动方案；p 每个驱动轮都有一个倾斜角度测量轮, 测量机器人的倾斜角度，并反馈给电机从而保证管道机器人的驱动轮以垂直的姿态运动；p 该管道机器人系统通过CCD摄像头实现信息的采集，整个系统采用拖缆控制方式，检测距离超过100m。102022-6-6国内外研究国内外研究美国美国 纽约煤气集团公司(NYGAS) 的Daphne DZurko 和卡内基梅隆大学机器人技术学院的Hagen Schempf 博士在美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的资助下于2001年开发了长距离、无缆方式的管道机器人系统EXLORER。主要特征：主要特征： 一次作业检测距离长，采用
8、无缆方式； 可以在铸铁和钢质煤气管道中，低压和高压条件下工作； 可以顺利通过90的弯管接头和垂直管道； 与外部采用无线通讯方式；112022-6-6国内外研究国内外研究国内国内 在管道机器人方面的研究起步较晚, 而且多数停留在实验室阶段。目前国内外管道机器人的研究成果已经很多，可是在微小管道、特殊管道微小管道、特殊管道（如变径管道、带有U型管的管道）进行检测、维修还刚起步还刚起步，但是由于该类管道在各个领域的广泛应用，因此研发该类机器人极具吸引力。122022-6-6国内外研究国内外研究 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 邓宗全教授在国家“863”计划课题“X射线检测实时成像管道机器人的研制”的支
9、持下, 开展了轮式行走方式的管道机器人研制。研究成果主要用于大口径管道的自动化无损检测。并相继进行了管道机器人 弯道通过性、弯道驱动控制等方面的理论实践研究。该机器人特点：该机器人特点： 适应大管径适应大管径(大于或等于大于或等于900mm) 的管道焊缝的管道焊缝X射线检测。射线检测。 一次作业距离长一次作业距离长, 可达可达2km。 实现了管内外机构同步运动作业无缆操作技术实现了管内外机构同步运动作业无缆操作技术132022-6-6国内外研究国内外研究 上海大学上海大学 研制了“细小工业管道机器人移动探测器集成系统”。其主要包含： 20mm 内径的垂直排列工业管道中的机器人机构机构和控制技术
10、控制技术(包括螺旋轮移动机构、行星轮移动机构和压电片驱动移动机构等)、机器人管内位置检测技术位置检测技术、涡流检涡流检测和视频检测应用技术测和视频检测应用技术, 在此基础上构成管内自动探测机器人系统。 该系统可实现 20mm 管道内裂纹和缺陷的移动探测管道内裂纹和缺陷的移动探测。142022-6-6国内外研究国内外研究 同时，同时，国内外都对微型管道机器人微型管道机器人展开了大量的研究。日本名古屋大学日本名古屋大学 研制出一种微型管道机器人, 可以由管道外面的电磁线圈驱动电磁线圈驱动, 而无须以电缆供电, 可在生物医学领域的小空间内作微小工作。国内的上海大学上海大学 和 上海交通大学上海交通大
11、学 都研制出了惯性冲击惯性冲击式管道微机器人式管道微机器人上海大学上海大学 利用石油管道的石油高压研制成石油管道石油管道检测机器人检测机器人；上海交通大学上海交通大学 研制出一种呈正方形体, 由12个蠕动元件组成的管内蠕动机器人管内蠕动机器人152022-6-6管道机器人管道机器人行走条件行走条件 形封闭形封闭：机器人在管道中工作时，为了能够保持一定的姿态，不出现倾覆、扭转等现象，这就要求管道对机器人施加的一个封闭的形状约束； 力封闭力封闭：移动机构在行走过程中，应具备支撑在管道内壁上而不失稳的能力，即机器人的支撑机构受到管道的径向支反力而组成的一个封闭力多边形。 驱动行走驱动行走：指行走机构
12、具有主动驱使机构。一般管道机器人欲在管内平稳、可靠的启停、行走，必须满足以下几个基本条件：行走机构至少需要三个对称支撑点162022-6-6管道机器人管道机器人驱动方式驱动方式管道机器人按照驱动方式驱动方式大致可以分为以下三种： 自驱动（自带动力源）；自驱动（自带动力源）；微型电机、压电驱动、形状记忆合金（SMA）、磁致伸缩驱动、电磁转换驱动 等 利用流体推力；利用流体推力； 通过弹性杆外加推力通过弹性杆外加推力172022-6-6管道机器人管道机器人作业方式作业方式作业类型作业类型 管外作业管外作业 管间作业管间作业 管内作业管内作业 圆形，矩形，定直径直管直管； 含直角弯头（L 形，T 形
13、）、弯道、台阶、凹坑、径向尺寸变化的管道； 水平、倾斜、铅垂布置布置。 管道类型管道类型182022-6-6管道机器人管道机器人作业方式作业方式管外移动机器人管外移动机器人只适于暴露在外的管道作业，需要多个需要多个自由度的协调运动自由度的协调运动才能跨越管道支架、接头等障碍，灵活性要求高，移动机构设计复杂，使控制难度增加，工作可靠性降低。管内移动机器人管内移动机器人目前以直管和圆弧弯管应用为主，实现移动的可控自由度少，可靠性提高。但受管内有限空间和机器人结构尺寸的限受管内有限空间和机器人结构尺寸的限制制，尤其是通过小管径弯管，大功率驱动机器人的研制难度要增大。管道爬竿两用机器人管道爬竿两用机器
14、人192022-6-6管道机器人管道机器人行进方式行进方式(a) 摆动式摆动式(b) 轮式轮式(c) 蠕动式蠕动式(d) 顶壁式顶壁式(e) 腿式腿式(f) 尺蠖尺蠖(g) 旋转旋转行进方式分类行进方式分类下面，我们将详细予以介绍：下面，我们将详细予以介绍：202022-6-6管道机器人管道机器人摆动方式摆动方式摆动式摆动式 0.002 s 0.012 s Carnegie Melllon University 仿生机器人实验室仿生机器人实验室tube climbing robot 212022-6-6管道机器人管道机器人履带式履带式变位履带式机器人变位履带式机器人爬坡能力强爬坡能力强履带式履
15、带式 222022-6-6管道机器人管道机器人轮式轮式轮式轮式 轮式两用机器人轮式两用机器人采用轮式移动机构，这种移动机构在管道接头部分或者管道里污垢沉积较多时就不能行走自如232022-6-6管道机器人管道机器人腿式腿式腿式机器人结构图腿式机器人结构图太原理工大学太原理工大学 1、16：电机2 螺杆，5 螺母4 拔销，7 拔杆9 支撑杆12 脚靴21 万向节腿式腿式 242022-6-6管道机器人管道机器人蠕动式蠕动式上海交通大学上海交通大学 小口径管道内蠕动式机器人小口径管道内蠕动式机器人 蠕动式蠕动式 活塞左移活塞左移DE连杆拉紧连杆拉紧构件构件BCD撑紧撑紧252022-6-6管道机器
16、人管道机器人流体压力驱动流体压力驱动上海大学石油管道检测机器人流体压力驱动流体压力驱动 该型机器人分成多节，利用与管道密封的橡胶该型机器人分成多节，利用与管道密封的橡胶环（皮碗），相当于活塞，在输油管内压力油环（皮碗），相当于活塞，在输油管内压力油作用下，推动检测机器人向前行走。作用下，推动检测机器人向前行走。探头探头1、高压密封件、高压密封件2、电机仓、电机仓3、电池仓、电池仓4、仪、仪器仓器仓5、仪器仓、仪器仓6、万向节、万向节7、里程仓、里程仓8、清管器、清管器9 和和 皮碗皮碗10262022-6-6管道机器人管道机器人螺旋轮式螺旋轮式转子结构图 螺旋轮式螺旋轮式 定子结构图 万向节
17、272022-6-6管道机器人管道机器人螺旋轮式螺旋轮式主体由转子、定子、万向节三部分组成。转子转子的主要作用是通过螺旋运动, 产生管道轴线方向的牵引力轴线方向的牵引力, 使机器人沿着管道轴线运动。定子定子的主要作用是产生沿管道切线方向的摩切线方向的摩擦力擦力, 防止定子转动防止定子转动。万向节万向节的主要作用是连接定子与转子, 将转子的螺旋运动转化转化成定子的直线运动运动。电机电机安装在定子部分。安装在定子部分。电机带动万向节转动, 万向节又带动转子转动。由于转子的轮子安装与轴线不垂直,转子实际上是做螺旋运动螺旋运动。282022-6-6实例实例空调管道机器人空调管道机器人工作原理：工作原理
18、：封闭管道内产生压差，扫落的灰尘被压入净化器。 传统空调管道清洗传统空调管道清洗 系统结构：系统结构：1.气囊， 2.吹扫装置， 3. 被清洗风道，5.软管， 8.大功率风机9. 集尘净化器，灰尘清理：灰尘清理： 纵向移动纵向移动工人的推送软轴实现； 横向移动横向移动清洗电机切换旋转方向实现。292022-6-6实例实例空调管道机器人空调管道机器人主要弊端：主要弊端： 清扫装置的移动不方便， 易出现清洗死角； 软轴推送受制多多； 软轴过长，将带来存放问题； 需要较多劳动力 传统空调管道清洗传统空调管道清洗 302022-6-6实例实例空调管道机器人空调管道机器人 空调管道机器人空调管道机器人
19、无需手工推送操作；无需手工推送操作；机器人携带吹扫装置，如气鞭、气锤或者清扫刷，还可配有CCD，供管外人员观察，处理死区或管道分支。检测，取样，清洗，消毒检测，取样，清洗，消毒 312022-6-6空调管道机器人空调管道机器人设计问题设计问题 机器人机器人系统设计系统设计 需考虑的问题：需考虑的问题：1. 机器人尺寸问题（风管非标准化）， 2. 管道弯曲处的 可通过性， 3. 管道内无线信号屏蔽，5. 管长30米，电缆的阻力需要考虑， 8. 电机体积与功率的优化配置，9. 视野范围，防走偏，10. 管道内缺乏光源，11. 清洗电压不允许超过36V。（清洗刷的动力可由气动马达提供）机器人系统设计
20、机器人系统设计 机械结构设计机械结构设计 控制结构设计控制结构设计 车载系统车载系统 322022-6-6空调管道机器人空调管道机器人问题解决问题解决解决方法：解决方法： 模块化组合式结构，适应不同尺寸的管道；模块化组合式结构，适应不同尺寸的管道； 采用采用 Maxon 空心杯电机，行进电机选取空心杯电机，行进电机选取A-MAX32型号：型号： 最大输出功率为15W，配合减速箱，其最大输出扭矩可达4.5N.m；驱动我们的机器人可产生的最大拉力在100N以上； 行进偏差问题的解决，行进偏差问题的解决， 电机配有数字编码器，对电机转速实现闭环控制； 采用采用SONY FCB一一EX480一体化摄像
21、机：一体化摄像机： 具有超强的感光能力、智能化的自动夜视功能，可以对摄像机的全部参数进行远程动态设置。通过调节关学和数字参数，在光源充足的情况下，它能够观察到5米外直径为lmm的丝状物体； 照明灯采用大功率超高亮度发光二极管：照明灯采用大功率超高亮度发光二极管： CEWH05P60型号额定功率为5W，其直径仅为15mm，亮度高达110流明。通过调节驱动电路中的电位器，可实现亮度调节；332022-6-6空调管道机器人空调管道机器人机械系统机械系统采用可组合模块化结构，适应不同管径采用可组合模块化结构，适应不同管径行进机构行进机构 ：为获得更大的摩擦力，采用为获得更大的摩擦力，采用 双履带双履带
22、式行进模式；式行进模式；云台云台 ：主要用来带动主要用来带动 摄像机、消毒管摄像机、消毒管 和和 清扫刷清扫刷子子 的运动；的运动； 机械系统机械系统 342022-6-6空调管道机器人空调管道机器人机械系统机械系统履带式行进履带式行进左右两侧履带各有一个电机驱动（对角线配置）左右两侧履带各有一个电机驱动（对角线配置） ：实现直线、曲线、爬坡等运动。实现直线、曲线、爬坡等运动。每条履带各装有一个主动轮，其余为从动轮；每条履带各装有一个主动轮，其余为从动轮；可在行进模块上配置旋转与俯仰模块（安装摄像可在行进模块上配置旋转与俯仰模块（安装摄像机、实现机、实现 5 的上下转动的上下转动）；）；352
23、022-6-6空调管道机器人空调管道机器人机械系统机械系统旋转式云台旋转式云台底板安装在行进机构上，回转板用来安放清扫装底板安装在行进机构上，回转板用来安放清扫装置等。置等。云台可云台可 水平转动水平转动 355，垂直转动垂直转动10 ；水平转动采用水平转动采用 水平滚珠轴承水平滚珠轴承，以保障，以保障 稳定性；稳定性；垂直转动采用垂直转动采用 凸轮机构凸轮机构，转动较小；，转动较小；362022-6-6空调管道机器人空调管道机器人机械系统机械系统其他功能模块其他功能模块清洁模块清洁模块 ：清洁刷旋转清洗，采用：清洁刷旋转清洗，采用 气动马达；气动马达；检测、采样模块检测、采样模块 ：依赖：依
24、赖CCD摄像机获取风管内摄像机获取风管内部图像；部图像；可拍摄高清晰动态图像。并以数字视频可拍摄高清晰动态图像。并以数字视频文件的方式记录图像。文件的方式记录图像。铲子铲子 ：采集管道内的积尘或其他异物：采集管道内的积尘或其他异物372022-6-6空调管道机器人空调管道机器人控制系统控制系统 控制系统控制系统 控制系统的系统结构图控制系统的系统结构图382022-6-6空调管道机器人空调管道机器人控制系统控制系统 控制系统控制系统 控制系统的系统结构图控制系统的系统结构图 电机、电机、 L298 H L298 H桥桥 驱动芯片驱动芯片 摄像头摄像头 高亮度高亮度 LED LED灯灯 3920
25、22-6-6空调管道机器人空调管道机器人控制系统控制系统行进电机采用行进电机采用 Maxon 的的A一一max d32 石墨有刷直流电机，标称值石墨有刷直流电机，标称值 20W；云台电机采用云台电机采用RE一一max d17 金属有刷直流电机，标称值金属有刷直流电机，标称值 2.5W；铲电机采用铲电机采用A一一max d16 石墨有刷直流电机，标称值石墨有刷直流电机，标称值 2W。 L298 H L298 H桥驱动芯片桥驱动芯片 输出功率可达输出功率可达 48W 48W ，完全满足电机功率要求。完全满足电机功率要求。402022-6-6空调管道机器人空调管道机器人控制系统控制系统ARM 功用：
26、功用： 响应主控制器的命令，对机器人各机构进行控制；响应主控制器的命令，对机器人各机构进行控制； 反馈机器人的状态、速度、位移等其他信息；反馈机器人的状态、速度、位移等其他信息； 检测电机电流，防止过流，保护电机；检测电机电流，防止过流，保护电机； 摄像头控制；摄像头控制；CPLD 功用：功用： 实现实现ARM的的IO扩展；扩展； 控制信号锁存和译码；控制信号锁存和译码； 电机编码信号计数；电机编码信号计数； 产生产生PWM(脉宽调制脉宽调制)信号。信号。412022-6-6管道机器人发展趋势管道机器人发展趋势 管道机器人的研制、开发在国际上也属发展管道机器人的研制、开发在国际上也属发展阶段，
27、离实际应用还有一定的差距。阶段，离实际应用还有一定的差距。 大部分机器人还只能大部分机器人还只能运行一般的直管道运行一般的直管道，而，而工程中广泛应用的工程中广泛应用的变径管道、变径管道、U型弯管道型弯管道的检测的检测机器人还处在试验开发阶段，机器人还处在试验开发阶段，通用性也很差通用性也很差。 运行在弯管道里主要靠运行在弯管道里主要靠支撑管内壁支撑管内壁（即靠封（即靠封闭力闭力）、磁吸附和真空吸附等）、磁吸附和真空吸附等，而这些应用极其，而这些应用极其有限。有限。422022-6-6管道机器人发展趋势管道机器人发展趋势这些特殊管道机器人的研究设计应从以下方面考虑：这些特殊管道机器人的研究设计
28、应从以下方面考虑：（1 ）灵活可靠的行走机构：）灵活可靠的行走机构： 寻找融合各种机构优点及可靠的机构方案；p 振动式和冲击式适合于刚性管壁环境下应用; p 具有柔弹性的蠕动机构适合于在柔性管壁环境下应用；p 具有多足的管道机器人则有更好的管道适应能力。（2）驱动方式：）驱动方式： 限定空间内，需要尺寸小而扭矩大的电机；432022-6-6管道机器人发展趋势管道机器人发展趋势（4）高度自治的控制系统）高度自治的控制系统: 完成检测、维修作业，完成检测、维修作业， 其自身定位及环境的识别能力其自身定位及环境的识别能力是关键；是关键； 开发机器人视觉系统，提高图像处理速度；开发机器人视觉系统，提高图像处理速度； 采用神经网络及人工智能等先进的控制理论；采用神经网络及人工智能等先进的控制理论；（3）信号、电力的传输和供给方式：）信号、电力的传输和供给方式： 采用有缆时，需考虑线缆在转弯处的阻力。采用有缆时，需考虑线缆在转弯处的阻力。 采用无线的方式来传递信号，由于金属管道具采用无线的方式来传递信号，由于金属管道具有一定的屏蔽作用，需要考虑发射信号的频率。有一定的屏蔽作用，需要考虑发射信号的频率。442022-6-6
