管道检测机器人的设计和系统伟 ,封立泽 管道检测机器人的设计和系统分析 王 伟 , 封立泽 , 刘占民 ( 北京石油化工学院 机械工程学院 ,北京 102617) 摘 要 :本文设计了一款两轮驱动的轮式管道机器人 ,并完成了样机的研制. 经实践证明 ,该轮式管 道检测机器人能够在检测管道中平稳行走 ,适合于管径为 = 300 mm～500 mm 管道的自动检测和 评价. 关键词 :管道检测机器人 ;缺陷检测 ;可变径管道 中图分类号 : TP242 文献标志码 :A 文章编号 :1001 - 2443 (2013) 06 - 0546 - 04 随着我国经济的快速发展 ,煤气 、输水 、油气 、通讯 、化工等行业使用管道急剧增加 ,而且对管道内表面质 量要求很高 ,但这些管道在长期使用过程中 ,由于受到管内 、管外介质的挤压 ,腐蚀等 ,容易出现裂纹 、漏孔等 故障. 为此 ,必须要对管道进行定期的排查和养护 . 由于污水等管道内部含有大量的有毒气体 ,人工长时间作 业容易引起中毒 ,所以需要用管道机器人来代替人工对那些环境恶劣 、管径较小的管道进行检修. 本文在分 析现有管道检测机器人的基础上 ,设计了检测内径为 = 300 mm～500 mm 的管道检测机器人 ,可以实现对 管道缺陷自动检测与评价 ,测量简单 、直观 、高效 、准确. 1 管道机器人系统 管道检测机器人系统如图 1 所示 . 它由机器人机械本体 、图像采集系统 、地面监控系统和电力供给系统 四大部分组成 . 其中 ,机器人机械本体包括机器人行走机构和云台 ,完成携带图像检测系统在管道中进行检 测的任务 ;图像采集系统主要由摄像镜头 、光源等组成 ,完成缺陷图像采集任务 ; 地面监控系统由计算机组 成 ,实时监控机器人在管道内运行情况 ,通过计算机的相应处理算法实现管道缺陷图像的识别 、定位 ,获得缺 陷等级 、危害程度以及缺陷位置 ,给出管道缺陷问题的解决方法 ;电力供给系统是管道机器人的能量源泉 ,是 其他各系统正常工作的重要保障. 图 1 管道机器人系统 其工作过程是 :管道机器人通过管道检查口进入管道 ,在计算机发出的指令控制下以一定的速度在管道 中运行 ,通过安装在管道机器人机械本体上的图像传感器 ,实时的把管道内的环境参数和管道机器人的自身 状态反馈给管外的监控系统 ,便于操作人员掌握 、控制管道机器人的工作过程. 1 . 1 管道机器人机械本体1 管道机器人机械本体是其实现目标功能的前提条件 ,同时在某种程度上会影响管道机器人的控制性能 . 收稿日期 :2013 - 10 - 05 基金项目 :国家自然科学基金 ( ;北京市大学生研究训练U R T 计划项目 ( 2011J 00094) . 作者简介 :王伟 ( 1968 - ) ,女 ,北京市人 ,副教授 ,硕士 ,从事测量与控制方面的教学和科研工作. 引用格式 :王伟 ,封立泽 ,刘占民. 管道检测机器人的设计和系统分析J . 安徽师范大学学报 :自然科学版 ,2013 ,36 ( 6) :546 - 549 . 54736 卷第 6 期王 伟 ,封立泽 ,刘占民 : 管道检测机器人的设计和系统分析因此 ,良好的机械本体结构有利于增强管道机器人的多样化 547 36 卷第 6 期 王 伟 ,封立泽 ,刘占民 : 管道检测机器人的设计和系统分析 因此 ,良好的机械本体结构有利于增强管道机器人的多样化运动 ,提高机器人对环境的适应能力. 管道检测 机器人的机械结构主要包括行走机构和云台系统两部分. 1 . 1 . 1 管道机器人的移动方式 管道机器人的移动方式可以分为 :轮式 、蠕动式 、蛇行式 、履带式 、多足行走 式 、螺旋驱动式等. 表 1 给出了上述移动方式的各自特点. 表 1 各种移动方式的特点比较 特点 轮式 蠕动式 蛇行式 履带式 多足行走式 螺旋驱动式 驱动能力 越障性 弯道通过性 主动转向性 运动效率 运动可靠性 结构 成本 操作性 截面空间阻塞比 管径适应性 携带检测设备 强 较好 好 好 高 好 简单 低 简单 较小 强 方便 较强 差 较好 差 低 不好 较复杂 较高 较简单 较小 弱 较方便 强 差 好 好 低 不好 复杂 较高 较复杂 小 强 不方便 强 好 较好 差 高 好 复杂 较高 较简单 大 弱 方便 强 好 好 较好 较高 不好 复杂 高 复杂 小 较强 不方便 强 差 较好 差 较低 较好 较复杂 较高 简单 大 弱 方便 综合比较管道机器人的移动方式 ,同时为了更好的设计出适合管道复杂环境的机器人 ,本课题所设计的 管道机器人的移动方式采用结构简单 、运动灵活的轮式移动结构且为四轮结构 . 1 . 1 . 2 管道机器人的驱动方式 管道机器人的驱动装置可分为电动式 、气动式 、液压式三种. 由于电动式驱 动装置的动作灵敏度高 、控制简单 ,容易实现模块化 ,在管道机器人中得到了长足的发展应用. 在驱动方式上 ,轮式移动结构可分为两种 :导向驱动式 ,差分驱动式. 采用导向驱动式的管道机器人的运 动方向和运动速度分别由不同的轮子和驱动装置控制 ;而采用差分驱动式的管道机器人由相同的轮子和驱 动装置来控制管道机器人的运动方向和运动速度 ,运动方向的改变是通过控制轮子的速度和方向来实现的. 导向驱动式 ,差分驱动式在独轮 、双轮 、三轮 、四轮 、多轮 、全方位移动结构等轮式移动结构中得到了广泛 的应用. 下面就上述两种驱动方式在四轮移动结构的应用加以重点说明. 四轮移动结构具有较强的驱动能力 、负载能力 、环境适应能力及稳定性 ,常见的四轮移动结构有如图 2 所示的五种形式. 1) 两轮独立驱动结构 两轮独立驱动结构是一种比较常见的移动结构. 如图 2 ( a) 所示 ,这种结构由两个驱动轮和两个随动轮 构成 ,两个驱动轮由两个电机经减速器独立驱动 ,两个随动轮可安装于机器人移动载体的前部 ,也可安装于 移动载体的后部. 机器人的运动方向可由两个驱动轮的速度差来实现 ,属于差分驱动方式 . 这种结构的特点 是运动灵活 ,结构简单 ,缺点是对伺服系统要求比较高. 2) 四轮全驱结构 如图 2 ( b) 所示 ,四轮全驱动的每个轮子均没有安装转向结构 ,只能在前后方向上运动. 机器人的方向控 制完全由驱动轮的速度差使车轮产生侧滑来完成 ,这造成了四轮全驱结构转向损耗比较大. 该结构简单 ,机 动性较强. 3) 四轮全方位结构 如图 2 (c) 所示 ,四轮全方位属于同步驱动方式 ,四个轮子均可以独立的进行速度和转向控制. 该结构具 有很高的控制自由度 ,同时在运动过程中要求保持各个导向机构的相互协调 ,因此需要较复杂的控制算法实 现 . 4) 两轮独立驱动汽车转向结构 如图 2 ( d) 所示 ,该移动结构的两个驱动后轮分别由独立的电机驱动控制 ,实现机器人的速度控制 ,前端 两个导向轮利用一个转向装置实现机器人的方向控制. 5) 两轮差速器驱动汽车转向结构 如图 2 (e) 所示 ,该移动结构采用了艾克曼转向机构实现机器人的方向控制 ,后端两轮采用单电机驱动 548安 徽 师 范 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 548 安 徽 师 范 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2013 年 差速器的方式 ,这种结构通过两电机即可实现机器人的速度和方向控制 ,控制简单 ,可靠性高 ,但由于驱动轮 差速器的机械实现方式比较复杂 ,因此机器人的机械本体结构也会更加复杂. 综合上述四轮机器人驱动方式的特点 ,本课题所设计的管道机器人的驱动方式采用两前轮独立驱动结 构 . 如图 2 ( a) 所示. 其中前两个轮子独立驱动 ,每一个轮子由一个电机来控制其运动 ,通过两个电机的转速 不同 ,控制管道机器人的转向. 这种驱动结构简单 ,容易实现 ,能以平稳的速度行走 ,行走效率高. (a) 两轮独立驱动结构 ( b) 四轮全驱结构 (c) 四轮全方位结构 ( d) 两轮独立驱动汽车转向结构 (e) 两轮差速器驱动汽车转向结构 图 2 四轮机器人常见移动结构 1 . 1 . 3 云台系统 云台是为摄像头转动服务的 ,由两个步进电机提供动力 ,分别实现摄像头的水平转动和 竖直转动 ,对检测管道进行全方位的图像扫描. 1 . 2 图像采集系统的设计 图像采集系统是管道机器人的重要组成部分 ,管道机器人装载一套基于 CCD 的管内移动机器人管道缺 陷检测系统 ,它是由 CCD 图像采集系统由 CCD 摄像头 、PC I 数据采集卡和 PC 机组成. 将采集的图像存储在 PC 机的硬盘上 ,应用数字图像处理技术对采集的图像进行处理 ,提取缺陷图像的特征参数 ,与现有计算机中 存储的缺陷特征进行相关运算 ,实现管内缺陷的检测与评价. 1 . 3 控制系统的设计 管道检测机器人的控制系统采用的是 PC 机 + 运动控制卡 ,主要是对机器人本体的运动控制 ( 即行走机 构的控制) 和图像采集系统的控制 (包括云台转动和摄像头的变焦控制) . 其工作过程如图 3 所示. ∴ → 减速器 → 运动控制卡 图 3 检测机器人控制系统 管道检测控制系统主要是对电机进行控制. 管道机器人的下位机控制系统采用基于 PC 机的开放式控 制系统 ,即“PC + 运动控制卡 + 电机”模式. 本管道机器人的运动控制卡采用美国 Delta Tau 公司的可编程多 轴系列中的 PMAC2A2PC104 卡 ,该控制卡具有高性能的伺服运动能力 ,能够通过灵活的高级语言最 多可同时控制四轴运动 , PMAC2A2PC104 卡的 CPU 采用是 Moto rola 公司的 DSP56303 . 这种控制系统具有 良好的开放性 、较强的可移植性 、网络通讯能力强等优点2 . 计算机 电机 54936 卷第 6 期王 伟 ,封立泽 ,刘占民 : 549 36 卷第 6 期 王 伟 ,封立泽 ,刘占民 : 管道检测机器人的设计和系统分析 1 . 4 电力供给系统 电力供给系统主要有机械本体携带电池和通过动力电缆由管外获得电力供给的两种方式. 机械本体携 带电池方式 ,一旦电池发生故障 ,将导致管道机器人无法正常工作 ,甚至无法直接收回管道机器人 ;动力电缆 方式电缆线增加了管道机器人的拖动负载 ,造成管道机器人无法长距离运行3 . 综合考虑管道的特殊环境以及管道机器人的运行安全 ,可对管道进行分段检测 ,管道机器人的电力供给 系统采用外部电力供给方式 ,同时为减轻管道机器人的拖缆负载 ,选择轻质抗拉力的电力供给缆线 验证结论 经过实践证明 ,本文设计的两轮驱动的轮式管道检测机器人适合于管径为 ? 管道的检测 ,能够在检测管 道中平稳行走 ,实现对管道缺陷的自动检测和评价. 机器人牵引力测试验证了机器人最大牵引力与理论值计 算的合理性 ,保证机器人工作过程中提供强劲动力 . 速度测试验证了机器人行走速度与理论计算的合理性 , 实现高速 、中速 、低速三个速度的测试 ,保证机器人对不同速度的需求. 爬坡实验测试了机器人最大爬坡角 度 ,与理论计算角度吻合. 转弯测试 ,实现机器人按照固定轨道转向 ,可实现灵活控制 ,保证机器人在工作过 程中灵活转弯等. 视频采集测试验证了机器人图像采集清晰 、无延迟 ,保证机器人在工作过程中实现图像实 时传输 ,工作人员可清晰的明确管道内故障位置等. 下一步将重点增加管道缺陷图谱 ,不断完善管道缺陷特 征参数库 ,通过图像自动识别系统 ,实现管道缺陷的精确评价 . 参考文献 : 1 2 3 4 5 王伟. 轮式排水管道检测机器人设计理论与试验研究D . 安徽工业大学 ,2011 . 唐鹏. 基于 PMAC 的管道机器人系统设计D . 辽宁石油化工学院 ,2012 . 李明河 ,王伟 ,王健 ,等. 一种全方位移动机器人的系统设计J . 安徽工业大学学报 :自然科学版 ,2011 ,28 ( 1) :51 - 54 . 唐鹏 ,石成江 ,刘占民 ,等. 基于 ADAMS 的管道检测机器人动力学分析及仿真J . 机械设计与制造 ,2012 ,7 ( 7) :150 - 152 . 王伟 ,叶真 ,李瑞杰. 在线参数自整定模糊 P ID 的设计与仿真J . 安徽师范大学学报 :自然科学版 ,2013 ,36 ( 2) :133 - 136 . Pipe Detect ion Robot Design an d System Anal ysis WAN G Wei , F EN G Li2ze , L IU Zhan2min ( School of Mechanical Engineering , Beij
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