一款智能管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 *

王子昊，董 卉

(德州學(xué)院，山東 德州 253023)

0 引 言

當(dāng)今世界運(yùn)輸大抵分為鐵路、公路、水運(yùn)、航空、管道五種方式，而管道運(yùn)輸在全世界運(yùn)輸方式中占到1/5的份額。管道運(yùn)輸主要包括原油管道運(yùn)輸、成品油管道運(yùn)輸、天然氣和石油管道運(yùn)輸、煤炭管道運(yùn)輸?shù)萚1]。我國(guó)是世界上最早使用管道運(yùn)輸天然氣的國(guó)家。我國(guó)輸送管道長(zhǎng)度占全世界輸送管道總長(zhǎng)的1/100，我國(guó)投資384億元建設(shè)“西氣東輸”工程的主管道總長(zhǎng)約為4 200 km，整個(gè)“西氣東輸”的項(xiàng)目總投資突破1 000億元。

運(yùn)輸管道大多深埋地下或海底，這對(duì)管道的使用壽命要求非常高。但由于各種自然損傷和人為損傷，導(dǎo)致管道出現(xiàn)不同程度的損壞，至今我國(guó)發(fā)生的管道災(zāi)難不下千次。美國(guó)也由于管道事故造成的損失達(dá)2.5億美元，其中還造成了55人死亡[2]。為了確保管道運(yùn)輸?shù)陌踩?，減少運(yùn)輸事故，需研究更可靠、更高效的檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更智能的管道管理。

筆者通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研得出各種管道機(jī)器人的分類(lèi)及其優(yōu)缺點(diǎn)并通過(guò)查閱資料得知管道檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀。綜合市場(chǎng)各類(lèi)管道機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)一款智能管道機(jī)器人，并給出總體設(shè)計(jì)方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及技術(shù)分析，成功制作出產(chǎn)品三維圖及三維模型。此款智能管道機(jī)器人的制作解決了傳統(tǒng)傳到機(jī)器人難以適應(yīng)復(fù)雜管道、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易轉(zhuǎn)向、不易操作的缺點(diǎn)。

1 智能管道機(jī)器人分類(lèi)及管道檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 輪式管道機(jī)器人

因?yàn)闄C(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可在平坦管道內(nèi)提供更多機(jī)動(dòng)性，所以此類(lèi)機(jī)器人的應(yīng)用范圍較大。并且此類(lèi)機(jī)器人行進(jìn)方式多樣，有正常行進(jìn)的，也有旋轉(zhuǎn)行進(jìn)的。但在內(nèi)面復(fù)雜管道內(nèi)有較大的局限性，車(chē)輪易卡住，影響前進(jìn)。

1.2 履帶式管道機(jī)器人

履帶式機(jī)器人抓地力強(qiáng)，動(dòng)力大，足以在潮濕、發(fā)霉的管道中正常運(yùn)動(dòng)。但由于此類(lèi)機(jī)器人具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、體型大、難以切換方向等缺點(diǎn)，導(dǎo)致此類(lèi)機(jī)器人未被廣泛應(yīng)用。

1.3 其他類(lèi)型管道機(jī)器人

管道機(jī)器人還有其他移動(dòng)形式如：蠕動(dòng)式、步行式等。

1.4 管內(nèi)檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

較成熟的管內(nèi)檢測(cè)技術(shù)主要有泄漏噪聲探測(cè)法、系纜式漏磁探測(cè)法和放射性示蹤劑檢漏法。

泄漏噪聲探測(cè)法：將探測(cè)器放入密閉管道中發(fā)出35 kHz的聲音信號(hào)，濾波后頻率為0.1～4 kHz。若管道外能收到聲音信號(hào)則為漏磁，錄音磁帶長(zhǎng)度反應(yīng)泄漏位置。此方式適合埋藏較淺的管道檢測(cè)工作。

系纜式漏磁探測(cè)法：將探測(cè)器送入管道內(nèi)然后退出并通過(guò)纜線連接探測(cè)裝置，可得到管內(nèi)腐蝕情況并可分析出具體破損位置。此方式操作繁瑣，需多人合作。

放射性示蹤劑檢漏法：將放射性物質(zhì)摻入管道介質(zhì)內(nèi)，若在管道外發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)則說(shuō)明管道有破損。此方式工作量大，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。

2 總體方案的設(shè)計(jì)

2.1 管道機(jī)器人的技術(shù)要求

機(jī)器人可以在不同條件下(彎曲、T形三通、管道直徑突變)自由地在管道內(nèi)移動(dòng)，以免由于管道內(nèi)部變形和機(jī)器人的設(shè)計(jì)缺陷而導(dǎo)致機(jī)器人工作時(shí)突然出現(xiàn)故障，甚至是側(cè)傾或墜毀。此外，還應(yīng)具有測(cè)量管道內(nèi)壁的涂層厚度并可遠(yuǎn)程傳輸收集到的信息的能力。該機(jī)器人主要分為三部分:移動(dòng)機(jī)構(gòu)部分、實(shí)測(cè)部分和控制部分，技術(shù)要求需要實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)管道機(jī)器人自由運(yùn)動(dòng)，管道厚度測(cè)量和信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸。

2.2 總體方案的分析與確定

整個(gè)管道機(jī)器人分為三個(gè)部分，移動(dòng)機(jī)構(gòu)部分、實(shí)測(cè)部分和控制部分。移動(dòng)機(jī)構(gòu)部分和實(shí)測(cè)部分由控制區(qū)內(nèi)的PIC16F685控制，通過(guò)控制部分控制機(jī)器人的移動(dòng)和檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理傳送到總控計(jì)算機(jī)中。

移動(dòng)機(jī)構(gòu)部分由四個(gè)馬達(dá)控制，以確保機(jī)器人的自由運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人的實(shí)測(cè)部分采用超聲波測(cè)量，根據(jù)超聲波反射原理計(jì)算超聲波反射所需的總時(shí)間，由此計(jì)算管道表面涂層厚度，并可通過(guò)攝像頭觀察管壁破損情況。

管道機(jī)器人安裝有計(jì)程裝置，以確定管道中機(jī)器人的確切位置以及它移動(dòng)的距離。此裝置由霍爾組件組成，它通過(guò)記錄霍爾組件的脈沖數(shù)來(lái)確定輪子的轉(zhuǎn)數(shù)，以確定機(jī)器人行走的距離，并配合GPS定位確定其在管道中的確切位置，減小誤差。

控制段部分我們以PIC16F685單片機(jī)為核心，控制管道機(jī)器人的基本功能，包括其運(yùn)動(dòng)、測(cè)量、信號(hào)處理和傳輸，簡(jiǎn)單處理測(cè)量數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到總控計(jì)算機(jī)，并受計(jì)算機(jī)的控制。其演示圖如圖1所示。

圖1 作用原理圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及技術(shù)分析

3.1 管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理

為了確保機(jī)器人有更好的跨越障礙的能力，它安裝有四只可伸縮機(jī)械足。發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力引導(dǎo)至機(jī)械足，過(guò)管道內(nèi)壁和機(jī)械足之間的摩擦，帶動(dòng)機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)。如圖2所示。

圖2 管道機(jī)器人三維模型圖

3.2 管道機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有四個(gè)均勻分布的機(jī)械足，電機(jī)通電并帶動(dòng)四個(gè)機(jī)械足，以驅(qū)動(dòng)整個(gè)管道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。并且機(jī)器腳可以自由伸縮長(zhǎng)度，既保證機(jī)器人的正常運(yùn)行，又確保機(jī)器人在不同的環(huán)境中的穩(wěn)定站立。管道機(jī)器人三維模型俯視圖如圖3所示。

圖3 管道機(jī)器人三維模型俯視圖

3.3 測(cè)量系統(tǒng)原理

常用的無(wú)損測(cè)厚法均有成型的儀器設(shè)備，使用起來(lái)簡(jiǎn)單方便，且不會(huì)對(duì)表面涂層進(jìn)行破壞，完善的保留涂層現(xiàn)狀[3]。

機(jī)器人的實(shí)測(cè)部分根據(jù)超聲波反射原理利用聲波進(jìn)行測(cè)量，如圖4所示。超聲波探頭發(fā)出聲波接觸到管道后反彈到探頭。傳感器將反射波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)將被儀器數(shù)碼化，數(shù)碼化反射波被分析后便得反射波所花的具體時(shí)間，從而得出涂層厚度[4]，得出涂層完好情況。

圖4 超聲波測(cè)量圖層厚度原理圖

3.4 產(chǎn)品規(guī)格及參數(shù)

檢測(cè)參數(shù)要求如下:內(nèi)徑:520 mm；管道長(zhǎng)度220 m；涂層測(cè)量范圍0～500 μm；誤差±(15) μm；工作環(huán)境溫度0～55 ℃；行走速度：550 mm/min。

3.5 元件參數(shù)及分析

(1) 蓄電池。采用48 V鋰電池，儲(chǔ)存足夠的能源用來(lái)保證機(jī)器人的正常工作,48V電壓可滿(mǎn)足機(jī)器人的各元件電壓需求。

(2) 穩(wěn)壓電路。通過(guò)穩(wěn)壓電路將48V電池電壓降低為3.3V、5V、12V電壓，保證機(jī)器人各元件的正常工作。電池規(guī)格如表1所列。

表1 機(jī)器人鋰電池規(guī)格及參數(shù)

(3) 測(cè)量裝置。測(cè)量裝置由超聲波探頭和攝像頭組成。攝像頭支持紅外攝像功能，與超聲波探頭配合有效提高檢測(cè)準(zhǔn)確率。攝像頭規(guī)格及參數(shù)如表2所列。

表2 攝像頭規(guī)格及參數(shù)

4 設(shè)計(jì)應(yīng)用情況

4.1 實(shí)際應(yīng)用

實(shí)際工作時(shí)，只需將智能管道機(jī)器人放入管道入口，便可自主行進(jìn)記錄管道內(nèi)壁完好情況并將實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)娇偪赜?jì)算機(jī)中。工作人員可通過(guò)總控計(jì)算機(jī)得到的數(shù)據(jù)記錄破損點(diǎn)位置準(zhǔn)確報(bào)修，并通過(guò)總控計(jì)算機(jī)控制管道機(jī)器人的行進(jìn)和返回。

4.2 應(yīng)用成果

參加山東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽獲得省級(jí)立項(xiàng)，在第六屆互聯(lián)網(wǎng)+全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲得校一等獎(jiǎng)，在第十三屆iCAN國(guó)際創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、第十一屆山東省物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造力大賽中獲得省級(jí)獎(jiǎng)。

4.3 應(yīng)用范圍

此款機(jī)器人安裝有GPS定位裝置，定位更加精準(zhǔn)，無(wú)纜傳輸操作更加簡(jiǎn)便。伸縮足行走跨越障礙能力更強(qiáng)，可適應(yīng)多種復(fù)雜管道環(huán)境。

本設(shè)計(jì)可應(yīng)用于石油、天然氣運(yùn)輸管道內(nèi)壁探傷，以及大型超市、居民小區(qū)的地下管道的探查任務(wù)。

4.4 應(yīng)用局限性

(1) 液體運(yùn)輸管道需停止工作后進(jìn)行檢測(cè)，此款管道機(jī)器人無(wú)法完成在液體中的管道檢測(cè)任務(wù)。

(2) 智能管道機(jī)器人需在傾斜角度小于等于60°直徑突變小于5cm的管道內(nèi)可正常工作，否則管道機(jī)器人可能會(huì)發(fā)生側(cè)翻。

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)的智能管道機(jī)器人具有科學(xué)性、創(chuàng)新性、先進(jìn)性，足以完成多種管道的探測(cè)任務(wù)。它是結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)的一種機(jī)電一體化裝置。與其他同類(lèi)型管道機(jī)器人相比，此設(shè)計(jì)的智能管道機(jī)器人具有以下優(yōu)勢(shì)。超聲波測(cè)量和紅外成像技術(shù)可保證機(jī)器人在黑暗情況下也可準(zhǔn)確檢測(cè)管道完好情況；GPS定位、霍爾脈沖計(jì)程配合，定位更加精準(zhǔn)，減小誤差；伸縮足行走可曾強(qiáng)管道機(jī)器人跨越障礙的能力，環(huán)境適應(yīng)力更強(qiáng)。解決了管道檢測(cè)操作復(fù)雜、不易定位、工作量大等問(wèn)題。隨著現(xiàn)代制造、電信、控制、傳感器技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，必將推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在油氣管道技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展。