管道機器人的設計和研究

尚玉坤 張思昊 張耘皓 劉潤升 李冠岐

摘 要：近些年來，隨著“西氣東輸”等國家政策的推廣，在我們國家的石油運輸?shù)倪^程中，管道運輸成為比較主要的運輸工具。我國油氣管道的相關(guān)技術(shù)得到了較快的發(fā)展，但是由于近年來對石油各種行業(yè)的投資成本的提高，導致油氣管道施工技術(shù)，管道的成本控制等方面要求提高，難免會出現(xiàn)失誤，隨著石油輸送管線的不斷增多，使用年限的不斷增加以及打孔盜取原油等因素，輸油管道線路泄露導致的事故時常發(fā)生，再加上改革開放以來管道的鋪設，當時技術(shù)也不太成熟，再加上老化、腐蝕等問題，更容易出現(xiàn)泄露所以檢測管道泄露，快速補漏技術(shù)的重要性顯而易見，在石油管道輸送的過程中泄漏檢測的技術(shù)發(fā)展顯得非常重要。

關(guān)鍵詞：管道機器人;管道內(nèi)部補漏;管道內(nèi)部運動

一、研究背景

國內(nèi)的管道檢測補漏機器人起步相對較晚，且還具有比較大的局限性。雖然目前所擁有的機器人具有著比較特殊的四邊形結(jié)構(gòu)，而且還具有比較強的適應能力，但是還未實現(xiàn)管道內(nèi)的自我行走、檢測與補漏等功能一體化的機器人。僅僅局限在管內(nèi)行走與檢測。對于以鋼管和PE管為主要材質(zhì)的管道來說，如果管道使用過久或者遭到破壞等原因引起管道的泄露則會造成一系列的環(huán)境和經(jīng)濟的損失甚至會危害公共安全，且目前市面上并無良好解決方案，因此，比較全面地了解管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況，對管道進行結(jié)構(gòu)性、功能性檢測，可以及時，準確地為城市規(guī)劃、設計、施工、搶險以及建設和管理提供決策依據(jù)，保證成果質(zhì)量，以適應現(xiàn)代化城市的建設與發(fā)展。運用我們這一款管道檢測補漏機器人可以了解探測管道泄漏的發(fā)生，并且對管道泄露情況進行補救，對于保護好公共安全，維護環(huán)境安全等都具有重要的意義。

二、系統(tǒng)介紹

將查閱的資料和將自己的想法系統(tǒng)的歸納后，我們采用傘狀器加填塞式補漏的方式組成了管道機器人，既保證了機器人在管道中行走和制動，又不會對石油等能源的運輸產(chǎn)生較大影響。此結(jié)構(gòu)主要用于管道的維護與修補，當發(fā)現(xiàn)管道泄露的同時我們會將管道機器人放入石油管道內(nèi)部，通過石油內(nèi)部流速以及機器人動力系統(tǒng)相配合，尋找到泄漏點并實施補漏，起到減少泄露損失的作用。管道機器人主要分為兩個機械部分，兩邊的傘狀器和中間的補漏機構(gòu)。

根據(jù)實際需求計算出管道機器人的移動裝置尺寸、傘狀器結(jié)構(gòu)尺寸、以及補漏氣囊結(jié)構(gòu)大小等一些重要參數(shù)。并進行對子裝配的模塊劃分，特別是針對不同機構(gòu)間組合方式的處理做出了一系列的調(diào)整。

對于傘狀器結(jié)構(gòu)的設計，我們采用螺旋傳動、平行四邊形機構(gòu)和搖桿歡快機構(gòu)來實現(xiàn)傘狀器的伸展和收縮?；瑒勇菪齻鲃右驗榻Y(jié)構(gòu)簡單，裝配方便并且利于更換。此裝置就是帶動各種機構(gòu)的基礎，見其他機構(gòu)進行連接，聯(lián)動，以實現(xiàn)各自的功能?；瑝K運動的同時是搖桿進行擺動使得整個傘狀器在管道中支撐，各個運動副為面接觸。減少機構(gòu)在管道中的摩擦，抑制摩擦力產(chǎn)生高溫。利用電機來驅(qū)動絲桿來完成滑塊的上下。遙感滑塊機構(gòu)來實現(xiàn)傘狀器的收放，滑塊向右將傘狀器撐開。平行四邊形機構(gòu)傳動時受到單位面積上的壓力較小，且有利于潤滑，所以磨損較輕，壽命較長。另外由于平行四邊形機構(gòu)接觸面多為圓柱面或平面，制造比較簡單，易獲得較高的精度。我們用此機構(gòu)作為支撐，完成機器人在管道內(nèi)部的行走與補漏功能的實現(xiàn)。鏈接部分我們采用了萬向連軸器作為連接，以適應管道的偏移和小角度彎曲，避免管道機器人只能在直線管道行走，適應各類地形管道環(huán)境。補漏我們主要是利用滑塊機構(gòu)將氣囊裝置貼合管壁將氣囊撐開以起到填補漏點的作用。

管道機器人的軟件控制模塊主要用來檢測漏點，做出反應填補漏點的，我們視覺采用OV2640模塊進行視覺采集，該模塊具有200W像素（1632*1232），通信協(xié)議采用IIC總線協(xié)議通信，通過對外部視覺信息采集后，進行數(shù)字化處理，傳輸?shù)竭b控端顯示成像。檢測我們采用對可燃氣體敏感的MQ系列模塊進行檢測，該模塊響應恢復特性快，且使用壽命長，電路驅(qū)動簡單，使用溫度在-10°C-50°C，對管道內(nèi)氣體變化與危險判斷起到輔助作用，無線數(shù)據(jù)的傳輸將控制數(shù)據(jù)從控制器裝有發(fā)送到機器人所裝配接受模塊上，采用頻率為2.4GHz射頻收發(fā)機，數(shù)據(jù)傳輸速率在0-1Mbit/s，可完成無線對機器人上電機進行控制，進行傘狀器開合與補漏裝置工作，從而完成在外部操控機器人在運動和補漏。程序我們采用keil C51由Keil Software公司推出的兼容單片機C語言的51系列開發(fā)系統(tǒng)，且內(nèi)部包括微控制器開發(fā)所有組件如ARM、C編譯器、Pack Installeru Vision和調(diào)試跟蹤器，以及鏈接器和庫管理，可完成編輯、編譯、連接、調(diào)試與仿真等整個程序開發(fā)流程。通過該軟件向單片機內(nèi)燒寫程序，完成一系列控制系統(tǒng)的操作從而使機器人完成管道修補等一系列工作的處理。

三、效益分析

國內(nèi)的管道檢測補漏機器人起步相對較晚，且還具有比較大的局限性。雖然目前所擁有的機器人具有著比較特殊的四邊形結(jié)構(gòu)，而且還具有比較強的適應能力，但是還未實現(xiàn)管道內(nèi)的自我行走、檢測與輔助修復一體化的功能。僅僅局限在管內(nèi)行走與檢測，所以快速反應及時填補漏點，降低損失是補漏機器所需要具備的功能，設計可以快速反應進行臨時堵漏，等待專業(yè)人員從外部進行比較嚴謹?shù)男迯?，該設計打破了傳統(tǒng)的修補方式，減少資源的浪費，減少損失。

四、結(jié)語

經(jīng)過我國對管道運輸發(fā)展的政策的實施，各大企業(yè)的不斷研究，管道運輸已成為中國繼鐵路、公路、水路、航空運輸之后的第五大運輸行業(yè)，隨著我們國家工業(yè)化的加速發(fā)展和能源優(yōu)化的向前推進，我國的油氣管道建設正在蓬勃發(fā)展，隨之而來的補漏工具的更新?lián)Q代也投入大量的人力物力，我們的產(chǎn)品也將不斷更新，圍繞管道機器人實現(xiàn)短暫補漏進行的設計，但由于此設計尚在第一代版本。目前還有許多不足與需要改進的地方，還需要進一步的更新。區(qū)分模塊以實現(xiàn)對不同類型的管道進行補漏，并且不斷調(diào)試設計我們的產(chǎn)品，做到更多方面的考慮并完善使我們產(chǎn)品做的更好。