基本信息
- 項目名稱：
- 新型螺旋型驅動小口徑管道機器人的設計與研制
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品的目的是要克服現有技術的困難和缺點，創(chuàng)造出優(yōu)于現有產品的管道行走機器人，嘗試通過使用一個主動器使機器人在完成沿著管道運動的基礎上盡量減少機械和電子裝置的復雜程度。 本作品是在科學分析、克服現有機器人的各種缺點的基礎上，提出的一種可遙控無需外接動力設備的新型螺旋型驅動可伸縮變徑管道機器人。 其工作原理是：通過電機驅動圓形轉子轉動，圓形轉子外壁上的三組輪子因貼緊于管道內壁產生的摩擦力而轉動 ，輪子的轉動軸線與轉子的軸線呈一銳角傾斜角，因此，輪子與管道內壁接觸點的運動軌跡為沿著管道軸線的空間螺旋線，從而迫使動力驅動裝置沿管道軸線行走；而行走導向裝置的的三組導向輪子的轉動軸線與行走導向圓柱或圓筒形體的軸線相互垂直，故行走導向裝置只能沿管道軸線方向隨動力驅動裝置一起前進或后退，起到導向作用，以保證機器人整體在管道中能夠平穩(wěn)地行進。 本作品具有較高的管道通過性能及較高的可靠度，可在一定曲率彎頭、變徑管道、閥門管道內進行作業(yè)。作品構思巧妙，機械結構簡單，設計、制造維修簡單、方便，成本低廉，具有較大的推廣開發(fā)價值。 本發(fā)明加工簡單方便、性能穩(wěn)定，功能全面、具有較高的智能化程度。所以在推廣應用上具有現有產品無可比擬的優(yōu)越性，可廣泛應用于各種石油、天然氣、液化石油氣管道，尤其是小口徑管道的檢測、清洗、修復等作業(yè)。
- 詳細介紹：
- 一. 背景和目的： 管道作為石油、天然氣、自來水等長距離輸送的重要載體，在現代工業(yè)建設以及日常生活中的作用日益突出，出于管道安裝、維護及檢測等工作穩(wěn)定性、安全性以及工作效率的考慮，管道作業(yè)越來越多地要求采用管道機器人作為移動載體來代替人工操作。 一方面，我國目前油氣管道長度累計達45865km，其長度居世界第六位，但由于油氣管道長期埋在地下，隨著運行時間的增長，管道內部容易發(fā)生腐蝕、疲勞破壞、雜質沉積等等，影響輸油輸氣管道的正常運行；另一方面，目前對地下輸送管道的質檢，常采用工程量十分巨大的“開挖”抽樣方法，由于隨機抽樣法經常出現漏檢，因而準確率低，效果并不理想，且勞動強度大。因此，設計、研制開發(fā)能在幾千公里管道內自動行走進行管道清洗的管道機器人十分重要。 目前國內外管道機器人移動機構的驅動方式包括電機驅動、壓電驅動、電磁驅動、氣壓驅動、液壓驅動等；而機器人的行走方式又可分為慣性沖擊行走、蠕動爬行、彈性驅動行走及輪式行走等等，通過對比研究發(fā)現，現有管道機器人都存在諸如：①驅動原理和結構相對復雜;②多數只能用于直徑較大的管道，對于直徑較小的管道則很難實現; ③動力提供大都要求外接電源，從而限制了機構的靈活性和運動范圍; ④很多機構只適用于特定直徑的管道，對于直徑有變的管道則無法運行, 等不同程度的不足之處，以至于它們很難被廣泛地推廣應用。 本項目的目的是要創(chuàng)造出一種性能優(yōu)異的能連續(xù)行走的管道機器人。 二. 基本思路和工作原理： 本項目所述的管道機器人如附圖1所示，它由動力驅動裝置、行走導向裝置以及連接這兩部分的萬向節(jié)8組成，動力驅動裝置由電機1驅動圓形轉子5構成，圓形轉子5的外壁上分別安裝有三組呈對稱布置的輪架2，每組輪架2上再安裝二個輪子3，輪子3的轉動軸線與轉子5的軸線呈一銳角傾斜角；而行走導向裝置由一圓柱或圓筒形體11的外壁上安裝有三組呈對稱布置的導向輪架12組成，每組導向輪架12上也安裝二個輪子10，輪子10的轉動軸線與圓柱或圓筒形體11的軸線相互垂直。動力驅動裝置與行走導向裝置兩部分的聯接件可以是萬向節(jié)8，也可以是球鉸，這樣，使機器人可以靈活地在具有較大曲率半徑的彎管中自如地轉彎進退。動力驅動裝置轉子5上的輪架2和行走導向裝置上圓柱或圓筒形體11上的導向輪架12均為浮動體，且分別用彈簧6和彈簧9來產生一定的徑向漲縮量使輪架2上的所有輪子3和導向輪架12上的所有輪子10始終貼緊于管道的內壁，以適應一定范圍內管道直徑的變化。 該管道行走機器人的工作原理是：電機1驅動圓形轉子5轉動，圓形轉子5外壁上的三組輪子3因貼緊于管道內壁產生的摩擦力而轉動 ，因輪子3的轉動軸線與轉子5的軸線呈一銳角傾斜角，因此，輪子3與管道內壁接觸點的運動軌跡為沿著管道軸線的空間螺旋線，從而迫使動力驅動裝置沿管道軸線行走；而行走導向裝置的圓柱或圓筒形體11的三組導向輪子10，因其轉動軸線與圓柱或圓筒形體11的軸線相互垂直，故行走導向裝置只能沿管道軸線方向隨動力驅動裝置一起前進或后退，起到導向作用，以保證機器人整體在管道中能夠平穩(wěn)地行進。本案所述的電機1既可以采用自帶電池驅動，也可采用外接交流電或直流電驅動。 若在電機1外殼或端部加裝攝像頭、清洗工具或者探傷設備7，并配置無線電控制裝置4（如圖1所示），再利用無線視頻傳輸成像技術等手段，就可使該管道機器人完成管道安裝、維護及檢測等工作的智能化。 三. 創(chuàng)新點： 1.能適應管道管徑變化，且始終能貼緊管壁，能在垂直的管道中行進; 2.由萬向節(jié)鉸鏈連接兩部分組成，能使機器人順利通過彎道, 保持優(yōu)良的通過性能; 3.通過簡單的設計和巧妙的螺旋型驅動原理，大大降低了機構的復雜程度、降低了加工難度、提高了行進效率，使得本裝置可以在直徑較小的管道內自如行進，最小設計管徑可小至40mm。 4.通過加裝無線遙控模塊，大大提高了裝置的靈活便攜性能，通過加裝探測裝置和攝像頭，方便地實現了機構的自動化。 四. 技術關鍵： 1.用自動彈簧機構使機器人適應管徑變化。 2.用自動彈簧預緊及瞬時補償, 實現機器人始終與管壁緊貼。 3.利用萬向節(jié)自動調整確定管道機器人的位置,以通過彎曲管道。 4.裝置能在直徑很小的管道內順利行進，螺旋型驅動行走的巧妙設計提高了裝置在管道內的行走效率。 5.通過連接二部分的萬向節(jié)鉸鏈設計，實現了管道機器人的柔軟靈活性能，通過無線遙控裝置的設計，克服外接拖線電源的局限性。 五. 技術指標： 管道直徑：68－72mm 彎道半徑：170mm 負 載：3N 速 度：10cm/s 電機功率：6w； 重 量：500g 六. 技術特點和優(yōu)勢： 本作品克服了現有技術的缺點和不足，其技術實現方案是：由動力驅動裝置、行走導向裝置以及連接兩部分的萬向節(jié)或球鉸組成，動力驅動裝置由電機驅動轉子構成，轉子的外壁上分別安裝有二組以上呈對稱布置的輪架，每組輪架上再安裝有二個輪子，且輪子的轉動軸線與轉子的轉動軸線呈一銳角傾斜角；而行走導向裝置由一柱形或筒形體的外壁上安裝有二組以上呈對稱布置的導向輪架組成，每組導向輪架上也安裝二個輪子，輪子的轉動軸線與柱形或筒形體的軸線相互垂直；動力驅動裝置轉子上的輪架和行走導向裝置上的導向輪架均為浮動體，且用彈性元件來產生一定的經向漲縮量使輪架和導向輪架的所有輪子始終貼緊于管道的內壁。 本發(fā)明與現有管道機器人相比，具有如下特點和優(yōu)勢：①結構簡單，加工制造成本低，徑向尺寸可以小至適用于直徑為40mm的管道；②由于動力驅動裝置與行走導向裝置之間使用萬向節(jié)或球鉸連接，機器人可以在曲率較大的彎管中靈活自如地行進；③采用彈簧等彈性元件使所有輪子緊貼于管道內壁，使該機器人可以在半徑有變化的管道中行進，同時起到避震作用，使得運行更加平穩(wěn)，且在豎直的或者截面并非嚴格圓形的管道中也可順利行進。 七.適應范圍及推廣前景的技術性說明及市場分析和經濟效益預測： 本發(fā)明由于盡量減少了裝置的復雜程度，并且采用無線遙控技術，大大降低了了其加工的困難程度與實用性，且具有較高的智能化程度、加工簡單方便、性能穩(wěn)定，功能全面等優(yōu)點。所以在推廣應用上具有現有產品無可比擬的優(yōu)越性，可廣泛應用于各種石油、天然氣、液化石油氣管道以及工業(yè)輸送管道甚至是自來水輸送管道尤其是小口徑管道的檢測、清洗、修復等作業(yè)。 八.使用說明： 將管道機器人放入相應直徑的管道中，通過遙控器的簡單操作，即可實現機器人往復直線運動，無論管道是水平、垂直還是傾斜放置。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 1. 目的：本項目的目的是要創(chuàng)造出一種性能優(yōu)異的能連續(xù)行走的管道機器人。 2. 基本思路：該管道機器人由動力驅動裝置、行走導向裝置以及連接這兩部分的萬向節(jié)組成，動力驅動裝置由電機驅動圓形轉子構成，圓形轉子的外壁上分別安裝有三組呈對稱布置的輪架，每組輪架上再安裝二個輪子，輪子的轉動軸線與轉子的軸線呈一銳角傾斜角；而行走導向裝置由一圓柱或圓筒形體的外壁上安裝有三組呈對稱布置的導向輪架組成，每組導向輪架上也安裝二個輪子，輪子的轉動軸線與圓柱或圓筒形體的軸線相互垂直。動力驅動裝置與行走導向裝置兩部分的聯接件可以是萬向節(jié)，也可以是球鉸。動力驅動裝置轉子上的輪架和行走導向裝置上圓柱或圓筒形體上的導向輪架均為浮動體，且分別用彈簧和彈簧來產生一定的經向漲縮量使輪架上的所有輪子和導向輪架上的所有輪子始終貼緊于管道的內壁，以適應一定范圍內管道直徑的變化。 3. 創(chuàng)新點： ①能適應管道管徑變化，且始終能貼緊管壁，能在垂直的管道中行進;②由萬向節(jié)鉸鏈連接兩部分組成，能使機器人順利通過彎道, 保持優(yōu)良的通過性能;③機構簡單、行進速度高，可在直徑較小的管道內（最小直徑可小至40mm）能連續(xù)自如行進。 4. 技術關鍵 1）用自動彈簧機構使機器人適應管徑變化，實現機器人始終與管壁緊貼。2）利用萬向節(jié)使管道機器人能通過彎曲的管道。 5. 技術指標 管道直徑：68－72mm；彎道半徑：170mm；速 度：10cm/s； 電機功率：6w；重 量：500g
科學性、先進性
- 1. 科學性 該管道機器人的科學工作原理是：電機驅動圓形轉子轉動，圓形轉子外壁上的三組輪子因貼緊于管道內壁產生的摩擦力而轉動 ，輪子的轉動軸線與轉子的軸線呈一銳角傾斜角，輪子與管道內壁接觸點的運動軌跡為沿著管道軸線的空間螺旋線，從而迫使動力驅動裝置沿管道軸線行走；而行走導向裝置的圓筒形體的三組導向輪子的轉動軸線與圓筒形體的軸線相互垂直，故行走導向裝置只能沿管道軸線方向隨動力驅動裝置一起前進或后退，起到導向作用，以保證機器人整體在管道中能夠平穩(wěn)地行進。 2.先進性 ① 結構簡單，加工制造成本低，徑向尺寸可以小至直徑為40mm的管道； ② 由于動力驅動裝置與行走導向裝置之間使用萬向節(jié)或球鉸連接，機器人可以在曲率較大的彎管中靈活自如地行進； ③ 采用彈簧等彈性元件使所有輪子緊貼于管道內壁，使該機器人可以在半徑有變化的管道中行進，同時起到避震作用，使得運行更加平穩(wěn)，且可在豎直的管道中也可順利行進。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- （ A ）實驗室階段 （D） 已制作出第2代樣機，在管道中運行很流暢。
技術轉讓方式
- 面議
作品可展示的形式
- √實物、產品 □模型 √圖紙 □磁盤 √現場演示 √圖片 √錄像 √樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 1.使用說明：將管道機器人放入相應范圍直徑的管道中，通過遙控器的簡單操作，即可實現機器人往復直線運動，無論管道是水平、垂直還是傾斜放置。 2.技術特點和優(yōu)勢：本作品克服了現有技術的缺點和不足，由動力驅動裝置、行走導向裝置以及連接兩部分的萬向節(jié)或球鉸組成，動力驅動裝置上輪子的轉動軸線與轉子的軸線呈一銳角傾斜角；而行走導向裝置上輪子的轉動軸線與圓柱形體的軸線相互垂直。優(yōu)勢為1）結構簡單，加工制造成本低，經向尺寸可以很小；2）因使用萬向節(jié)或球鉸連接，機器人可以在曲率較大的彎管中靈活自如地行進；3）采用彈簧等彈性元件使所有輪子緊貼于管道內壁，使該機器人可以在半徑有變化的管道中行進，同時起到避震作用，且可在豎直的管道中也可順利行進。 3.適應范圍及推廣前景的技術性說明及市場分析和經濟效益預測：該管道機器人具有較高的智能化程度、加工簡單方便、性能穩(wěn)定、功能全面等優(yōu)點，可廣泛應用于各種石油、天然氣等工業(yè)輸送管道尤其是小口徑管道的檢測、清洗、修復等作業(yè)。
同類課題研究水平概述
- 管道機器人技術始于20世紀50年代，當時由于石油、天然氣等大口徑管道的發(fā)展激勵人們研究一種管內檢測設備，這就是通常所說的無動力的管內清理檢測設備PIG，它主要靠首尾兩端管內流體形成的壓力差做驅動力向前運動，由于PIG設備無自行走能力，移動速度及檢測區(qū)域均不易控制，嚴格來說它不能算做是機器人。 到了80年代初，由于微電子技術、計算機技術、自動化技術的發(fā)展和進步，推動管道檢測機器人進入快速發(fā)展期。在國外，德國于1998年采用四輪獨立伺服驅動方案研制成管道檢測機器人系統(tǒng)，西班牙于1999年在ASA基金及軍工基金的資助下，研制出利用水流噴射產生的沖力作為驅動力并帶有兩個高清晰度彩色攝像頭的檢測輸水管道內部狀況的機器人系統(tǒng)，日本于1999年采用伺服電機、傳動機構、斜軸驅動輪構成螺旋推進運動，研制成螺旋輪管道機器人系統(tǒng)。此外,韓國的ASIA PROTECH公司所研制的管道清潔機器人在世界上也有了很成功的應用。在最近的幾年內，國外各種各樣的管道機器人研制發(fā)展很快，管道機器人現已經發(fā)展了許多類型。 在國內，一些科研院所已經開始著手研制各種各樣的管道機器人，如對蠕動類管道機器人的研究, 上海交大學、西安交通大學、清華大學、中國石油大學等院校都已有樣品；上海大學利用管內油壓作用研制的在役管道檢測機器人等等都取得了很大的發(fā)展, 但是在國內自己研制的管道機器人離工業(yè)運用還有一段距離。 本作品為了克服其他管道機器人的能源供給問題、沒有變徑能力、遇到故障無法自行解決、結構復雜、無法在小口徑管道中行進、自動化和智能化程度較低等等缺陷，提出一種無線無需附加動力設備的可伸縮變徑螺旋型驅動管道機器人，它具有較高的管道通過性能及較高的可靠度，可在一定曲率彎頭、變徑管道、閥門管道內進行清洗作業(yè), 尤其能解決小口徑管道中行進時存在的卡死、不易轉彎、不易通過閥件、結構復雜、笨重等問題，本作品具有較高的科技含量和創(chuàng)新性，而且具有結構簡單、加工容易、成本低廉且功能全面、智能程度高等優(yōu)點。
