一種新型管道內(nèi)況檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

黃艷 侯博正

摘要：針對(duì)流體運(yùn)輸管道內(nèi)部狀況進(jìn)行定期檢查，設(shè)計(jì)了一種由單片機(jī)控制適用于30cm至50cm內(nèi)徑的管道內(nèi)況檢測(cè)機(jī)器人，該機(jī)器人采用旋進(jìn)式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，具備溫濕度、特種氣體濃度、光照度等多種參數(shù)檢測(cè)功能，同時(shí)可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行拍照記錄。本設(shè)計(jì)能及時(shí)方便的檢測(cè)管道內(nèi)的具體狀況并且檢測(cè)范圍大;不限定機(jī)器人能夠進(jìn)行采樣的數(shù)據(jù)類型、參數(shù)種類，可由工程技術(shù)人員依據(jù)當(dāng)前需求，自主改進(jìn)，加裝相應(yīng)裝置以滿足測(cè)量目的。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);管道內(nèi)況;檢測(cè)機(jī)器人;旋進(jìn)式運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）10-0180-03

0 引言

管道運(yùn)輸在當(dāng)今社會(huì)的多種行業(yè)起到至關(guān)重要的作用，資源領(lǐng)域的油氣運(yùn)輸、城市建筑的給排水、通風(fēng)系統(tǒng)中，管道的使用都必不可少。由于管道設(shè)計(jì)的復(fù)雜性與密閉性，在使用過程中的定期維護(hù)檢測(cè)成為工程技術(shù)人員的一大難題，對(duì)于管道內(nèi)部的實(shí)時(shí)狀況采用固定設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，成本高，并且易受損壞。儀器設(shè)備長(zhǎng)期處在某些特種物質(zhì)中，其自身精度、采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性難以為技術(shù)人員掌握。同時(shí)，固定設(shè)備僅能檢測(cè)較小范圍內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并且不便更新?lián)Q代，隨管道使用年限增加，局部老化、損毀、囤積異物的現(xiàn)象可能無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，極易引發(fā)相關(guān)事故，造成經(jīng)濟(jì)損失與環(huán)境破壞，給人們的生產(chǎn)生活帶來不利影響。發(fā)生于2013年11月22日的山東青島中石化東黃輸油管道爆炸事故直接原因正是受腐蝕管道未能及時(shí)檢修，造成了數(shù)億元的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。為解決此類管道失查問題，研究設(shè)計(jì)了一種新型管道內(nèi)況檢測(cè)機(jī)器人輔助各類常見管道內(nèi)部的維護(hù)工作。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本管道內(nèi)況檢測(cè)機(jī)器人由以下功能模塊組成，包括：（1）為機(jī)器人提供電力的電源模塊;（2）控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)模塊及與驅(qū)動(dòng)模塊相連的推進(jìn)機(jī)構(gòu);（3）用于采集外部信息的多種參數(shù)感知模塊和拍照記錄存儲(chǔ)模塊;（4）用于信息傳輸?shù)耐ㄐ偶皵?shù)據(jù)傳輸模塊;（5）對(duì)采集到的數(shù)據(jù)和外部指令進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)綜合處理模塊。

以上所述的驅(qū)動(dòng)模塊、多種參數(shù)感知模塊和拍照記錄存儲(chǔ)模塊分別與數(shù)據(jù)綜合處理模塊連接，經(jīng)由通信及數(shù)據(jù)傳輸模塊連接起數(shù)據(jù)綜合處理模塊和對(duì)機(jī)器人進(jìn)行輔助控制的外部監(jiān)測(cè)控制器。電源、驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)綜合處理模塊、通信及數(shù)據(jù)傳輸模塊和多種參數(shù)感知模塊固定在推進(jìn)機(jī)構(gòu)內(nèi)部，根據(jù)特種管道的要求可進(jìn)行密閉處理，以適應(yīng)更為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。拍照記錄存儲(chǔ)模塊固定在推進(jìn)機(jī)構(gòu)前端，用于對(duì)管道內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)影像記錄，方便外部工作人員對(duì)管道內(nèi)出現(xiàn)的各種突發(fā)問題進(jìn)行綜合分析處理[1]。

該新型機(jī)器人設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于采用一種新型推進(jìn)機(jī)構(gòu)，使其能夠適應(yīng)更多的管道結(jié)構(gòu)和適用領(lǐng)域，此外多種參數(shù)感知設(shè)備的綜合應(yīng)用能夠方便工程人員對(duì)管道內(nèi)部環(huán)境準(zhǔn)確判斷，進(jìn)而采取快捷有效的處理方案。

1.1 機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)

本推進(jìn)機(jī)構(gòu)采用一種具有清障功能的旋進(jìn)式機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括用于放置各類功能模塊的圓柱形中空主體;用于清除機(jī)器人前進(jìn)道路上小型障礙物的旋轉(zhuǎn)式雙葉鋸齒形刀片，刀片通過旋轉(zhuǎn)軸連接一小型直流電機(jī)固定在中空主體前端，可進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)以清除障礙物。推進(jìn)機(jī)構(gòu)主體外側(cè)前部有三組支撐輪，后部有三組驅(qū)動(dòng)輪，其均由氣彈簧與主體或電機(jī)聯(lián)軸器相連，氣彈簧作為輪軸支架，能夠起到避震效果提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程的穩(wěn)定性。支撐輪均勻固定在中空主體前部的圓周面上，沿管道內(nèi)壁徑向運(yùn)動(dòng);驅(qū)動(dòng)輪與管道徑向呈一10度至30度之間的夾角沿管道內(nèi)壁徑向傾斜運(yùn)動(dòng)，具體角度根據(jù)管道材質(zhì)等因素進(jìn)行調(diào)整，保證該推進(jìn)機(jī)構(gòu)能在管道內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。該推進(jìn)機(jī)構(gòu)前進(jìn)動(dòng)力由位于主體后部的主直流電機(jī)提供，利用相應(yīng)驅(qū)動(dòng)模塊控制機(jī)器人在管道內(nèi)部進(jìn)退[2]。

1.2 多種參數(shù)感知模塊和拍照記錄存儲(chǔ)模塊

機(jī)器人裝載的參數(shù)感知模塊包括檢測(cè)溫度和濕度的溫濕度傳感器、檢測(cè)管道內(nèi)氣體濃度的氣體濃度傳感器、檢測(cè)管道內(nèi)氣壓的環(huán)境氣壓傳感器、檢測(cè)管道內(nèi)是否有漏光現(xiàn)象的光照度傳感器和檢測(cè)管道傾斜度和較大異物的重力傳感器，多種感知模塊協(xié)同配合能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)檢測(cè)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)的綜合分析。

各檢測(cè)模塊采用總線式通用模塊化控制方式，可在一定程度上自由組合，達(dá)到設(shè)備成本與檢測(cè)目的的最佳匹配，方便檢測(cè)機(jī)器人的技術(shù)升級(jí)。機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)前，由工程技術(shù)人員依據(jù)管道種類配置設(shè)定好相應(yīng)參數(shù)，將管道待測(cè)段節(jié)點(diǎn)打開放入本設(shè)備，固定好機(jī)器人與管道相對(duì)位置后，即可在相應(yīng)管道內(nèi)部進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量監(jiān)控。檢測(cè)過程中能實(shí)時(shí)對(duì)管道內(nèi)的溫濕度、特殊氣體濃度、氣壓、光照度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)遇到管道內(nèi)囤積異物的情況，管道機(jī)器人會(huì)根據(jù)重力檢測(cè)模塊閾值報(bào)警，并啟動(dòng)攝像記錄設(shè)備，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境拍照定位，并與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合檢測(cè)結(jié)果，存儲(chǔ)備查，同時(shí)通過通信及數(shù)據(jù)傳輸模塊向外部監(jiān)測(cè)控制器反饋當(dāng)前情況。

檢測(cè)模塊采用數(shù)字傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而保障整體系統(tǒng)的精度;氣壓、光照與溫濕度的配合檢測(cè)可綜合防范易燃易爆氣體的在管道運(yùn)輸中可能產(chǎn)生的危害;通過重力傳感器獲得的數(shù)據(jù)來掌握機(jī)器人行進(jìn)過程中的實(shí)時(shí)姿態(tài)，借此判斷是否遇上管道內(nèi)存在的異物或管道自身的傾斜方向，同時(shí)決策進(jìn)一步的行進(jìn)方案。拍照記錄存儲(chǔ)模塊由固定在推進(jìn)機(jī)構(gòu)前端的攝像頭、照明設(shè)備及位于機(jī)器人內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡和顯示器組成，可對(duì)行進(jìn)過程中遇到的異常情況拍照記錄并能加載到顯示器，該模塊采用協(xié)處理單元的模式，與數(shù)據(jù)綜合處理模塊通過通訊方式關(guān)聯(lián)，共同完成檢測(cè)任務(wù)[3]。

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和環(huán)境信息采集傳輸過程的綜合處理，其硬件設(shè)計(jì)如圖2所示[4]。

數(shù)據(jù)綜合處理模塊采用MSP430系列單片機(jī)作為主控芯片，對(duì)電源、驅(qū)動(dòng)模塊、通信及數(shù)據(jù)傳輸模塊、多種參數(shù)感知模塊顯示及拍照記錄存儲(chǔ)模塊集中管理。機(jī)器人與外部監(jiān)測(cè)控制器通訊因受具體管道環(huán)境影響，采用無線與有線兩套方案，執(zhí)行任務(wù)期間采用自動(dòng)控制運(yùn)行，通過設(shè)備間通信方式可實(shí)現(xiàn)人工輔助操作[5]。機(jī)器人檢測(cè)流程如圖3所示。