在役管道检测机器人系统设计

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【摘 要】针对在役油气管道健康检测任务，本文设计的管道机器人系统采用单元组合式结构，由移动牵引机构、通信布缆机构、发电储能机构构成，其中移动牵引机构采用蠕动式的移动方案，流体动能转化为电能供给整个系统，采用光缆通信结合无线电磁波的方式实现整个系统的无缆作业。

【关键词】管道健康检测 管道机器人 蠕动式 光缆通信 无缆作业

管道作为能源运输的重要形式，在我国“管线千山万水，网通南北西东”。在全球海底油气管道、陆上油气管道纵横发展，管道长时间运营，通常的故障类型有：管壁局部腐蚀变薄、焊缝开裂、地质滑波挤压管道裂缝、地震，前三种故障都可提前检测到。管道故障破坏导致事故频发，为了防患于未然，对在役管道需要进行健康检测，管道机器人进入管道内执行检测任务是一种可选的方案[ 1-4 ]。目前管道检测机器人在与外部通信问题、管道内整个机器人的能量供给问题、灵活自如移动行走机构问题难以很好的解决[5-6]，本项目研发的管道机器人系统对这些方面的技术难题解决有所推进。本项目研发的管道检测机器人总体结构采用单元模块组合式结构类型，此结构有利于后续系统功能扩展。系统由功能相对独立的移动牵引机构、通信布缆机构、发电储能机构三节模块单元通过软连接而成，各模块之间通信采用总线结构。

1、 系统机械结构设计：

移动牵引机构采用 “蠕动式”的移动方案，充分考虑在役管道的特殊环境和管道内机器人的功耗问题，设计此移动机构时采用两种驱动方式：其一，通过流体推动桨叶的旋转产生驱动力驱动丝杠正反转，其二，机构中通过电机驱动丝杠的旋转，丝杠上右端滑架左右移动使得前后两组腿臂交替支撑在管壁，使得移动机构周期性前进运动。研发的桨机械叶换向装置实现类似于电机的正反转，通过电磁离合器实现两种驱动方式的互补结合。

通信布缆机构在管道内被牵引机构牵引着做前进运动，超声波探伤仪、光学成像仪、光端机安装在滚筒内部，滚筒相对于外部支架之间可以做旋转运动，使缠绕在滚筒上的线缆在前进过程中脱离滚筒，附着在管道内壁上。两端的弹簧可起到震动调节作用，使运动更平稳，并且起到了变径调节的作用。发电储能机构中安装有电池、发电机、充电模块。其中移动机构桨叶机械换向装置改变桨叶迎流体面的偏转角度，实现类似于电机的正反转，两种驱动方式的互补切换运行通过电磁离合器实现。

2、 电控系统设计

根据机器人系统功能需求，整个系统中上位机作为整个系统的主机，移动牵引机构MCU1，通信布缆机构MCU2，发电储能机构 MCU3分别是从机1、从机2、从机3，它们之间通过RS485总线连接，协议采用MODBUS协议。

移动机构中通过控制电机的正反转使得移动机构前、后腿与管道内壁交替支撑产生周期式前进运动；通信布缆机构中设置光端机、光学成像仪及超声探伤仪，将视频及超声探伤数据送入光端机经光缆引出到管道口光端机中；流体推动发电储能机构的桨叶旋转，带动发电机旋转产生电能，发电机输出的电能经充电模块给A和B电池组充电，A和B电池组的乒乓工作机制由切换电路模块来实现，A和B电池组的乒乓工作给移动机构、布缆机构和发电与储能机构控制板供电。

3、 通信系统设计

管道机器人传输的信息主要可分为两种形式，一种是光学成像仪采集来的管道内部视频信息，一种是通过RS485总线传输的双向数据信息，包括机器人的工作状态、定位信息、电池组状态数据、探伤信息以及各种上位机命令等。管道机器人在通信布缆单元放置视频光端机，通过光端机实现数据和视频信号的复合。复合后的信号通过光纤传输至位于管道口视频光端机后进行分离，分离出的视频信号接入上位机的视频采集卡，数据信号经必要的电平转换后与上位机串口连接。上位机监控程序采用VC6.0编写，采用DirectShow技术完成管道内实时视频显示、录像和拍照功能，同时按照MODBUS协议与管道机器人的各个单元模块交互数据，获得机器人信息，向机器人各项命令。监控程序提供的串口操作功能，可以选择所用串口，完成串口数据格式设置，打开和关闭串口。当串口打开后，监控系统循环读取各从站数据信息并进行某个机构“离线”、“在线”显示及其他数据信息更新，包括电池组状态信息，机器人位置、速度、状态信息，电动机状态信息的显示更新。通过“切换电池组”按钮，可实现电池组的乒乓切换功能；利用机器人位置设定可使机器人在行走至指定位置后自动停车；机器人速度设定能够满足不同工作环境的要求；系统还可以实现机器人的启动停止控制以及电动机的正反停控制。

结论

本文介绍了应用在油气管道健康检测中管道机器人系统，该系统通信采用光缆结合无线通信的方式，系统的能量来自流体动能转化成的电能，使得机器人无限续航成为可能。文中给出了系统的机械结构和电控系统及通信系统的设计，通过在管道中原理样机的运行验证了设计方案的合理性。

致谢

感谢陕西省科学技术研究发展计划项目（项目编号：2013k07-47）对该论文的支持。

参考文献：

[1]， 马书根， 李斌，王越超，具有自适应能力管道机器人的设计与运动分析[J] 机械工程学报2009（ 1）154-161

[2]李庆凯，唐德威 ，姜生元，邓宗全 管道机器人弯管运动转体原因分析 [J] 西安交通大学学报 2011（10）19-23

[3]唐德威； 李庆凯； 姜生元； 邓宗全； 刘航，具有差动运动功能的管道机器人设计与分析[J] 机械工程学报2011（ 13）1-8[5]

[4]； 马书根； 李斌； 王越超 具有轴向和周向探查功能的螺旋驱动管内机器人[J] 机械工程学报2010（ 21） 20-27

[5]张学文； 邓宗全； 贾亚洲； 姜生元； 江旭东 管道机器人三轴差动式驱动单元的设计研究[J] 机器人 2008（1） 22-28

[6] 徐从启； 解旭辉； 戴一帆 新型微小管道机器人驱动特性分析[J] 国防科技大学学报2010.1153-157