基本信息
- 项目名称：
- 流体驱动、速度可控式管道机器人
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 管道机器人是管道缺陷检测的有效工具，因此成为国内外科研机构的研究热点。管道机器人在运行过程中，机器人的行走速度控制是一个难题，速度的大幅度波动将影响检测精度；能源（电能）不能及时补充，制约了机器人的最大检测距离。 针对目前存在的技术问题，研制了一种新型管道机器人——流体驱动、速度可控式管道机器人。该机器人利用流体的压力能实现行走功能，通过双闭环实时调速单元实时调节摩擦轮与管壁间的摩擦力实现机器人移动速度的微调，通过调节驱动气囊与管道间的环形溢流间隙实现移动速度的粗调，最终达到稳速行进的目的；同时，构建了以摩擦轮组为核心的在线取能单元，通过传动及运动合成机构将摩擦轮的转速及转矩传递给发电机，发出来的电供检测及控制系统使用，最终实现机器人远距离作业。
- 详细介绍：
- 管道机器人在运行过程中，能源供给是制约管道机器人长时间远距离作业的重要因素之一。根据国内外管道机器人的技术现状，我们研制了一种利用流体驱动、速度可控、并能在线获取电能的新型管道机器人。 该机器人由流体驱动单元、在线取能单元、控制系统、变径支撑系统等单元组成。流体驱动单元通过控制径向直径可变式皮囊，可以实现机器人在管道中利用流体的能量而自主行走，同时控制溢流间隙的大小，可以实现机器人按照期望的恒定速度进行运动，有利于保证检测精度；同时，在线取能装置通过机械取能的方式驱动发电机转换成系统所需的电能。该机器人系统不但克服了传统压差驱动式机器人速度不可控的不足，同时还可以将流体的能量转换成机器人所需的电能，具有重要实用价值。 本项目所提出的利用流体的动能驱动机器人在管道内稳速运行，并将部分能量转换为电能供机器人使用的方案，为长距离管线作业机器人的设计及产业化应用，提供了一种创新性解决措施，利用这种原理所开发的相关产品将具有广阔的市场推广前景。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 针对管内机器人的检测和在线作业的工程需要，国内外已经展开了智能管内机器人的研究热潮。但还普遍存在以下问题：1）能源供给的限制，机器人不能长时间远距离作业；2）介质压差驱动管内机器人，速度不可控，影响了机器人的检测精度；3）具有自主行走能力的管内机器人，驱动机构及控制系统复杂，造成机器人稳定性差，造价高。针对以上问题，研制了“流体驱动、速度可控式管道机器人”。 创新点： 1）以径向尺寸可控式驱动气囊为核心，构建的机器人新型恒速流体压差驱动单元，确保了机器人在管道物理环境及流场参数变化的情况下能恒速行进，为检测探伤装置匀速行进检测提供了保障； 2）以摩擦轮组为核心构建的在线取能单元，有效地将管道内输送流体的动能转化为电能，为在役管线机器人的长距离作业提供可能； 3）提出以速度和压力为检测目标的双闭环实时调速单元，实现了机器人恒速行进，提高了机器人的检测精度。 技术关键： 1）驱动装置设计；2）摩擦轮式在线取能单元；3）双闭环实时调速结构实现及其自动控制。 技术指标： 1）流体类型：液体；2）驱动方式：流体压差驱动；3）行走速度：0～18m/min；4）控制方式：自主控制和无线监控；5）功能：在线取能及速度可控。
科学性、先进性
- 所研制的机器人集成了机械设计、机械制造、结构优化、多传感系统信息融合、智能控制等多学科知识，是一个典型的机电一体化产品。与现有技术相比较具有以下突出优势： 1.设计出了环形溢流间隙可变式气囊驱动装置及在线能量转换装置，使机器人利用管道中流体的能量驱动机器人行走，并将流体能量转换成系统所需的电能，实现了管道检测机器人的长距离无限作业。而目前国内外的管道机器人样机有的采用拖缆供能方式，有的采用携带蓄电池或燃油发电机组供能方式，其作业距离有限。 2.创造性地设计了驱动气囊环形间隙调速机构，实现了压差驱动管内机器人行走速度的自动控制，其可靠性较高。而国内外压差驱动管道机器人速度不可控，影响了检测精度。
获奖情况及鉴定结果
- 2008年11月，该项目被评为“国家大学生创新性实验计划”项目； 2009年6月12日，在第十一届“挑战杯”吉林省课外科技作品竞赛中获得一等奖。
作品所处阶段
- 调试实验阶段
技术转让方式
- 1）一次性技术转让；2）技术入股
作品可展示的形式
- 1、实物展示；2、录像动画展示；3、图片展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 将机器人本体放入管道，在管道内高压流体的冲击下，机器人行走，摩擦轮转动，发电机发电，并将产生的电能储存在所携带的充电电池中。通过上位机监控系统将机器人的控制状态转换成自主运行状态，机器人就可以自主运行于管道内，并随时根据压差的变化，通过调速单元调节机器人本体运行速度。 目前，我国主要靠人工方式来完成管道的检测，对于管道的内部损伤，人工方式很难发现；尤其在一些特殊场合，如高温环境等区域，线路的人工检测存在极大的技术难度；已有的管道机器人由于存在能源供给等技术瓶颈，实用化程度不高。因而长距离作业管道检测机器人产品具有广阔的市场需求空间。我们研制的流体驱动、速度可控式管道机器人样机具有理论上作业距离无限长、结构简单、控制容易、可靠性高、扩展性好、机动性强、性价比高等优点，适合作为管道的检测平台，且有很大的优势。一旦得到大范围推广使用，可以提高管道检测的速度和质量，及时发现管道内部存在的安全隐患，具有重要社会意义及经济价值。
同类课题研究水平概述
- 国内外的很多科研机构已经把管道机器人作为主要研究方向，并且在全世界范围内，已经形成一个研究热点。早在20世纪50年代，美、英、法、德、日等国家相继开展了以长距离管道的清淤及检测为目的的自动机械研究。并成功研究了用于管道检测、探伤、维护、管内加工等用途的机器人试验样机及商业化产品。目前，美国、日本等国家的管内机器人技术处于世界领先地位。 我国管内机器人的研究始于20世纪80年代，近些年来取得了快速发展。沈阳自动化研究所、大庆石油管理局及胜利油田、国内高校等单位都进行了这方面的研究工作，并且研制出了各种各样的工程样机。 管道机器人按能源供给方式可分为：拖缆供能和自带能源两种。1998年，德国H.B. Kuntze等研制的管道机器人系统（KARO）采用拖缆供能方式，一次检测作业距离超过400m。国内于2002年研制成的海底管道机器人，需拖带3个电池箱，才能实现在线作业距离为十多千米。管内机器人按驱动方式可分为：介质压差驱动方式和自主行走驱动方式。美国研制的最具代表性的清管器，采用介质压差驱动，实用性好、行走距离可达300km、但其速度不可控，影响检测精度。德国学者B.Klaassen等于2000年研制成功了多关节蠕动式管道机器人系统，采用自主行走的驱动方式，由六节单元体组成，每个单元体之间的节点由三个电动机驱动，机器人系统相当复杂。 综上所述，目前管内机器人存在的共性问题： 1.采用拖缆供能的机器人存在拖缆力有限的问题，采用自带能源的机器人存在储存能量有限的问题，均使机器人不能长时间远距离进行作业； 2.流体压差驱动管内机器人，由于速度不可控，影响了检测精度； 管道机器人是一个复杂的机电一体化系统，涉及到机械设计、机械制造、智能控制、无线遥控、探伤检测、多传感器信息融合、电源供给等多个技术领域，是一个多学科技术的综合产物。管道机器人所涉及的关键技术有：能源供给，机械结构设计、工作电源、导航及定位技术、线路损伤检测技术。 为了尽早将机器人技术应用于各领域的管道检测和在线作业，还有很多工作要做，还需要很多人的共同努力。可以预见：在未来的几年内，有关管道机器人的高机动性本体机构设计方案、智能控制技术、管道损伤检测技术等领域的研究将会特别活跃，并有望得到突破。
