油气管道爬行机器人的设计及仿真实验

针对新建无流体管道、非常规流体管道、分支管道和逆流体流向管道等特殊工况下,传统介质推动机器人无法完成作业的问题,对能够适应特殊管道工况的油气管道爬行机器人进行了研究,完成了一种气动式爬行机器人的详细设计,包括结构设计和控制系统设计等.利用ADAMS虚拟样机软件对油气管道爬行机器人在U型和90°管道的动力学进行了仿真分析.结果表明,该油气管道爬行机器人具有一定避障和过弯能力,可以完成油气管道特殊工况下的检测和维修.     

三轴差动式管道机器人的驱动特性及仿真研究

为解决轮式管道机器人弯管运行的干涉问题,研制一种具有差动运行功能的轮式管道机器人——三轴差动式管道机器人.首先介绍了机器人的结构组成和基本原理,对机器人的牵引力、越障能力等驱动特性进行分析,建立相应的理论分析模型.同时,建立机器人的虚拟样机仿真模型,对其牵引力、越障能力进行仿真研究,仿真结果与理论分析基本一致.机器人在弯管运行的仿真结果表明:机器人能够顺利通过弯管,三轴差动机构具有较好的差动效果.     

一种微型管道机器人移动机构的设计

论述了微型管道机器人移动机构的发展背景，在介绍了已有的微型管道机器人移动机构的基础上，指出了这种移动机构的缺陷．然后设计了一种新型微型管道机器人的移动机构，并给出了其运动机理及电磁铁的主要参数计算公式．这种新型微型管道机器人的移动机构以电磁驱动，可实现在微型管内的双向蠕动运行，并能够较顺畅的随弯管形状被动转向．     

柔性蠕动管道机器人的力学特性分析

为提高对管道复杂环境的适应性,实现机器人平稳、可靠行走,对柔性蠕动管道机器人进行了结构优化设计和力学特性分析.该机器人由前机体、导向头、后机体、柔性弹簧轴和行走轮组成,在管道中可实现蠕动行走,并能在一定范围内自主适应管道内径和形状的变化.通过机器人运动特性分析,对机器人在管道内行走时的支撑力、行走牵引力及通过弯管时的受力进行了分析,并分别建立了数学模型.根据机器人驱动力和阻力的分析结果,推导了机器人蠕动行走的条件.搭建了实验测试平台,对机器人进行实验的结果证明了设计和分析的有效性.     

基于Adams的管道机器人自适应机构优化设计

为了增强履带式管道机器人自适应机构的传力能力,本文优化设计了管道机器人的自适应机构。通过对自适应机构的运动原理进行表述以及对机构进行动力学分析,建立自适应机构的优化设计数学模型。同时,以Adams中参数化建模与优化设计的模块为工具,以对优化目标影响较大的机构参数为优化变量,以机构的结构和运动要求为约束条件,以自适应机构在适应管径过程中对管壁压力最大为目标,对管道机器自适应机构进行优化设计。优化结果表明,优化后自适应机构对管壁压力较优化前提高了11.3%,比较明显的提高了自适应机构传递力的能力,增强了管道机器人爬行能力。该研究为履带式管径自适应管道机器人的后续开发奠定了基础。     

基于光学导航定位的钹形压电微型管道机器人

为了提高管道机器人的装载能力、运行速度并使机器人具有感知其自身位移的能力，研制了一种基于钹形压电驱动器和光学导航技术的微型管道机器人.设计了基于Φ8 mm钹形压电驱动器的管道机器人装载机构,建立了该装载机构的动力学模型，并分别用有限元法分析和实验验证了该动力学模型.采用基于快速图像获取和图像处理技术的光学导航芯片，设计了机器人自身位移检测单元.实验结果表明，该机器人装载机构负载可达自身重量的4倍，最大速度达41.7 mm/s，自身位移检测单元能检测机器人在管道内的直线和旋转运动位移，检测精度为3‰.     

管道机器人检测系统研究

本文提出了一种能够对口径在φ59mm～φ70mm范围的管道内表面质量实现半自动检测的管道机器人检测系统.该系统主要由清扫头、机器人驱动装置、反射棱镜、CCD像机、图像监视器和计算机等组成.可以把管道内壁裂纹、砂眼、焊缝、疵病等图像信息检测并摄录下来,并通过监视器随时观察,经计算机进行图像处理与识别,给出管道内表面的粗糙度等级.     

支撑轮式管道机器人牵引机构结构设计

管道机器人可以在油气管道内进行特殊作业,运动方式是其核心。介绍了一种新型管道机器人牵引机构,采用支撑轮式运动方式。首先介绍了机构的整体设计和技术特点,并详细阐述了驱动机构和支撑机构的设计方案和工作原理,同时对其力学特性进行了分析。该机构行走速度快,驱动能力强,工作可靠并可以适应较大的管径变化,可以用于油气管网作业。     

油气管道机器人技术现状及发展趋势

随着我国管道建设速度的加快、管道数量的增加,管道检测、维护及运行安全成为近年来研究的热点。通过对常见7大类管道机器人的优缺点和应用环境进行的对比分析,系统阐述国内外管道机器人技术的研究现状;对当前油气管道机器人亟待解决的运动控制和定位控制2大技术难点进行分析;指出未来油气管道机器人的研究重点应集中在构造灵活可靠的机械结构、构建实时稳定的控制系统、提出新的能量供给技术等方面。综述分析内容对油气管道机器人的研究具有一定的参考价值。     

管道内壁四足爬壁机器人的运动学与步态规划

研究用于检测气体绝缘金属封闭开关（GIS）内部的负压吸附管道内壁四足爬壁机器人. 分别对机器人的腿部和机身进行运动学分析,采用改进的牛顿迭代法解决机身正运动学求解困难的问题. 对机器人沿管道轴向和圆周方向的爬壁运动进行步态规划,提出运动过程零冲击的轨迹规划方法. 使用Adams进行运动仿真,并在四足爬壁机器人样机上进行水平和垂直管道的全方位爬壁实验. 结果表明：机器人的运动轨迹与所规划的步态一致,运动过程中速度与加速度无突变,运动平稳,无明显冲击,运动学模型的正确性和所规划步态的合理性得到验证. 在GIS管道的实际检测应用中,实现机器人在不同工况下的平稳爬壁运动与检测.     

基于CATIA的管道清洁机器人设计与研究

针对管道内径为200mm-250mm的管道清洁机器人设计,提出了基于螺旋推进原理的管道机器人的设计方案,运用三维建模软件CATIA进行实体建模,并对自适应管道机器人的机械结构进行了设计与研究。同时,通过CATIA,Analysis对管道机器人关节薄弱处进行校核优化,用以提高机器人运行的可靠性及较好的完成工作目标。     

管道机器人电缆恒张力控制系统的研究

为保证管道机器人能在管道内顺利地自由移动,对以AVR单片机为核心的电缆恒张力控制系统进行了研究,实现系统自动收放线功能。该控制系统包括硬件系统设计和软件系统开发两方面。其中硬件系统包括作为上位机的主控箱、作为下位机的绞盘和爬行器3个主要功能模块。软件系统开发基于一主二从的通讯模式,实现了基于AVR单片机的下位机与上位机的串行通信、绞盘电动机的恒转矩输出,从而保证爬行器运行时绞盘电缆一直处于恒张力状态。实验表明,该方法性能稳定可靠,控制精度高,有较大的推广应用价值。     

平行四杆联动式管道机器人弯管过渡阶段的速度控制

为提高平行四杆联动式管道机器人弯管过渡阶段的通过能力,提出一种基于机器人过弯偏角变化的速度控制模型。通过对机器人弯管过渡阶段的运行状态的分析,建立了机器人在该阶段运行的位姿模型,求解该位姿模型可得到机器人各驱动轮的轮心以及驱动轮与管壁接触点的位置坐标。以建立的位姿模型为基础,结合无干涉条件下的驱动轮运行速度与驱动转速之间的关系,得到各驱动轮驱动转速基于偏角变化的速比关系,即速度控制模型。对所提出的基于偏角变化的速度控制模型进行仿真验证,仿真结果与理论计算基本一致,验证了该控制模型的正确性。     

管道机器人弯道处驱动力研究

弯道是管道机器人经常遇到的一种障碍,与在直管内行走相比,在弯道处无论是对机器人本体结构和行走方式还是对机器人驱动性能都提出了不同的要求.在管道机器人弯道通过性研究的基础上,对轮式全主动驱动管道机器人在弯道处驱动力的变化以及诸多方面影响因素进行了虚拟实验分析,为是管道机器人弯道自主行走驱动力设计准则提供了数值基础.     

直进轮式微型管道机器人的行走系统设计

微型管道机器人是一种适合小口径管内移动作业的微型机器人,其移动机构是机器人研究领域重要的研究内容之一.介绍了直进轮式微型管道机器人行走机构的设计.提出了管道内受限微机器人的动力学模型,并分析了微型管道机器人的动力学稳定性.该移动机构具有结构紧凑,驱动效率高,安装方便,工作可靠,成本较低的特点.     

一种新型石油管道检测机器人的设计

针对石油输油管道受蚀后,管壁变薄,容易产生裂缝,造成漏油的问题,设计了一种被动式石油管道检测机器人,分析了其总体机械结构和检测原理及方法。机器人通过轮伸缩机构来实现自适应管道直径的变化,万向节保证了机器人能够顺利通过一定曲率半径的弯道,提高了机器人的稳定性和灵活性。介绍了超声波检测的工作原理和具体方法。该机器人可用于输油管道的无损检测,在石油管道探测方面具有广阔的应用前景。     

小口径管道机器人的检测精度分析

研制一种基于介质压差驱动的用于检测小口径在役石油管道残余壁厚的管道检测机器人，探究影响该种机器人检测精度的因素．研究了探头与管壁的距离及探头轴线与管壁表面法线存在偏离时对检测精度的影响，反射镜片安装角度的改变以及其它影响检测精度的因素，并在此基础上提出有效提高机器人检测精度的措施．     

谐振式微型管道机器人设计与实验

针对直径在18~30 mm范围内的细小管道难以检测的问题,提出一种微型机器人。该机器人采用谐振原理驱动,简化了传动机构。由微型电机带动偏心轮旋转作为激励源,建立了机器人在管道壁约束下的数学模型,求解机器人柔性足与管壁碰撞产生的角加速度和接触点位置,分析了机器人的运动机理。研制机器人样机,并搭建管道试验环境,进行速度和牵引力测试实验。最小样机尺寸15 mm×15 mm×22 mm,由实验结果得出:样机在8 V电压下,速度最高可达到68.29 mm/s,功耗约为0.15 W,最大爬坡角度30°。     

含特殊管段的含蜡原油管道热力计算与分析

针对含蜡原油长输管道管内外情况均十分复杂的特点,详细研究了含特殊管段的含蜡原油长输管道,利用有限元法对热油管道处于不同工况下的热力模型进行了求解,并在计算过程中对特殊管段进行了巧妙的处理,最后通过算例详细分析了特殊管段对处于不同工况的原油管道热力特性的影响。结果表明,结蜡层的存在会使处于正常运行管道中的原油散热能力减弱,但却会使停输管道内的原油温降速率增大;而管道沿线浸水段的存在,不仅会使管道正常运行中末端油温偏低,还可能使管道在停输中中间浸水段的油温远远低于末端温度,严重影响对停输管道顺利再启动的判断。     

机械差速式管道机器人运动特性及仿真分析

针对支撑轮式管道机器人在过弯时驱动轮与管道内壁易发生打滑的问题,设计了一种可适应140～150 mm管内径的机械差速式管道机器人.对机器人的结构组成及驱动原理进行了介绍,建立了机器人变径支撑、越障条件及过弯阶段的理论模型.运用ADAMS软件对管道机器人进行运动仿真分析.结果表明,仿真数据与理论模型分析结果误差较小,验证了该机构的合理性.本文设计的机器人驱动轮在过弯时具有差速功能,避免了与管道内壁之间的打滑,提高了运动稳定性.