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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 流體驅(qū)動(dòng)、速度可控式管道機(jī)器人
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 管道機(jī)器人是管道缺陷檢測(cè)的有效工具，因此成為國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。管道機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)器人的行走速度控制是一個(gè)難題，速度的大幅度波動(dòng)將影響檢測(cè)精度；能源（電能）不能及時(shí)補(bǔ)充，制約了機(jī)器人的最大檢測(cè)距離。 針對(duì)目前存在的技術(shù)問(wèn)題，研制了一種新型管道機(jī)器人——流體驅(qū)動(dòng)、速度可控式管道機(jī)器人。該機(jī)器人利用流體的壓力能實(shí)現(xiàn)行走功能，通過(guò)雙閉環(huán)實(shí)時(shí)調(diào)速單元實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)摩擦輪與管壁間的摩擦力實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)速度的微調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)氣囊與管道間的環(huán)形溢流間隙實(shí)現(xiàn)移動(dòng)速度的粗調(diào)，最終達(dá)到穩(wěn)速行進(jìn)的目的；同時(shí)，構(gòu)建了以摩擦輪組為核心的在線(xiàn)取能單元，通過(guò)傳動(dòng)及運(yùn)動(dòng)合成機(jī)構(gòu)將摩擦輪的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)電機(jī)，發(fā)出來(lái)的電供檢測(cè)及控制系統(tǒng)使用，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人遠(yuǎn)距離作業(yè)。
- 詳細(xì)介紹：
- 管道機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中，能源供給是制約管道機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)距離作業(yè)的重要因素之一。根據(jù)國(guó)內(nèi)外管道機(jī)器人的技術(shù)現(xiàn)狀，我們研制了一種利用流體驅(qū)動(dòng)、速度可控、并能在線(xiàn)獲取電能的新型管道機(jī)器人。 該機(jī)器人由流體驅(qū)動(dòng)單元、在線(xiàn)取能單元、控制系統(tǒng)、變徑支撐系統(tǒng)等單元組成。流體驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)控制徑向直徑可變式皮囊，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道中利用流體的能量而自主行走，同時(shí)控制溢流間隙的大小，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按照期望的恒定速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，有利于保證檢測(cè)精度；同時(shí)，在線(xiàn)取能裝置通過(guò)機(jī)械取能的方式驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的電能。該機(jī)器人系統(tǒng)不但克服了傳統(tǒng)壓差驅(qū)動(dòng)式機(jī)器人速度不可控的不足，同時(shí)還可以將流體的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)器人所需的電能，具有重要實(shí)用價(jià)值。 本項(xiàng)目所提出的利用流體的動(dòng)能驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在管道內(nèi)穩(wěn)速運(yùn)行，并將部分能量轉(zhuǎn)換為電能供機(jī)器人使用的方案，為長(zhǎng)距離管線(xiàn)作業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，提供了一種創(chuàng)新性解決措施，利用這種原理所開(kāi)發(fā)的相關(guān)產(chǎn)品將具有廣闊的市場(chǎng)推廣前景。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 針對(duì)管內(nèi)機(jī)器人的檢測(cè)和在線(xiàn)作業(yè)的工程需要，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)展開(kāi)了智能管內(nèi)機(jī)器人的研究熱潮。但還普遍存在以下問(wèn)題：1）能源供給的限制，機(jī)器人不能長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)距離作業(yè)；2）介質(zhì)壓差驅(qū)動(dòng)管內(nèi)機(jī)器人，速度不可控，影響了機(jī)器人的檢測(cè)精度；3）具有自主行走能力的管內(nèi)機(jī)器人，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)復(fù)雜，造成機(jī)器人穩(wěn)定性差，造價(jià)高。針對(duì)以上問(wèn)題，研制了“流體驅(qū)動(dòng)、速度可控式管道機(jī)器人”。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1）以徑向尺寸可控式驅(qū)動(dòng)氣囊為核心，構(gòu)建的機(jī)器人新型恒速流體壓差驅(qū)動(dòng)單元，確保了機(jī)器人在管道物理環(huán)境及流場(chǎng)參數(shù)變化的情況下能恒速行進(jìn)，為檢測(cè)探傷裝置勻速行進(jìn)檢測(cè)提供了保障； 2）以摩擦輪組為核心構(gòu)建的在線(xiàn)取能單元，有效地將管道內(nèi)輸送流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，為在役管線(xiàn)機(jī)器人的長(zhǎng)距離作業(yè)提供可能； 3）提出以速度和壓力為檢測(cè)目標(biāo)的雙閉環(huán)實(shí)時(shí)調(diào)速單元，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人恒速行進(jìn)，提高了機(jī)器人的檢測(cè)精度。 技術(shù)關(guān)鍵： 1）驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)；2）摩擦輪式在線(xiàn)取能單元；3）雙閉環(huán)實(shí)時(shí)調(diào)速結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)及其自動(dòng)控制。 技術(shù)指標(biāo)： 1）流體類(lèi)型：液體；2）驅(qū)動(dòng)方式：流體壓差驅(qū)動(dòng)；3）行走速度：0～18m/min；4）控制方式：自主控制和無(wú)線(xiàn)監(jiān)控；5）功能：在線(xiàn)取能及速度可控。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 所研制的機(jī)器人集成了機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、多傳感系統(tǒng)信息融合、智能控制等多學(xué)科知識(shí)，是一個(gè)典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。與現(xiàn)有技術(shù)相比較具有以下突出優(yōu)勢(shì)： 1.設(shè)計(jì)出了環(huán)形溢流間隙可變式氣囊驅(qū)動(dòng)裝置及在線(xiàn)能量轉(zhuǎn)換裝置，使機(jī)器人利用管道中流體的能量驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走，并將流體能量轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的電能，實(shí)現(xiàn)了管道檢測(cè)機(jī)器人的長(zhǎng)距離無(wú)限作業(yè)。而目前國(guó)內(nèi)外的管道機(jī)器人樣機(jī)有的采用拖纜供能方式，有的采用攜帶蓄電池或燃油發(fā)電機(jī)組供能方式，其作業(yè)距離有限。 2.創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)氣囊環(huán)形間隙調(diào)速機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了壓差驅(qū)動(dòng)管內(nèi)機(jī)器人行走速度的自動(dòng)控制，其可靠性較高。而國(guó)內(nèi)外壓差驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人速度不可控，影響了檢測(cè)精度。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2008年11月，該項(xiàng)目被評(píng)為“國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”項(xiàng)目； 2009年6月12日，在第十一屆“挑戰(zhàn)杯”吉林省課外科技作品競(jìng)賽中獲得一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 調(diào)試實(shí)驗(yàn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 1）一次性技術(shù)轉(zhuǎn)讓?zhuān)?）技術(shù)入股
作品可展示的形式
- 1、實(shí)物展示；2、錄像動(dòng)畫(huà)展示；3、圖片展示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 將機(jī)器人本體放入管道，在管道內(nèi)高壓流體的沖擊下，機(jī)器人行走，摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)發(fā)電，并將產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存在所攜帶的充電電池中。通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)將機(jī)器人的控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換成自主運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)器人就可以自主運(yùn)行于管道內(nèi)，并隨時(shí)根據(jù)壓差的變化，通過(guò)調(diào)速單元調(diào)節(jié)機(jī)器人本體運(yùn)行速度。 目前，我國(guó)主要靠人工方式來(lái)完成管道的檢測(cè)，對(duì)于管道的內(nèi)部損傷，人工方式很難發(fā)現(xiàn)；尤其在一些特殊場(chǎng)合，如高溫環(huán)境等區(qū)域，線(xiàn)路的人工檢測(cè)存在極大的技術(shù)難度；已有的管道機(jī)器人由于存在能源供給等技術(shù)瓶頸，實(shí)用化程度不高。因而長(zhǎng)距離作業(yè)管道檢測(cè)機(jī)器人產(chǎn)品具有廣闊的市場(chǎng)需求空間。我們研制的流體驅(qū)動(dòng)、速度可控式管道機(jī)器人樣機(jī)具有理論上作業(yè)距離無(wú)限長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易、可靠性高、擴(kuò)展性好、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，適合作為管道的檢測(cè)平臺(tái)，且有很大的優(yōu)勢(shì)。一旦得到大范圍推廣使用，可以提高管道檢測(cè)的速度和質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)部存在的安全隱患，具有重要社會(huì)意義及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 國(guó)內(nèi)外的很多科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)把管道機(jī)器人作為主要研究方向，并且在全世界范圍內(nèi)，已經(jīng)形成一個(gè)研究熱點(diǎn)。早在20世紀(jì)50年代，美、英、法、德、日等國(guó)家相繼開(kāi)展了以長(zhǎng)距離管道的清淤及檢測(cè)為目的的自動(dòng)機(jī)械研究。并成功研究了用于管道檢測(cè)、探傷、維護(hù)、管內(nèi)加工等用途的機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)及商業(yè)化產(chǎn)品。目前，美國(guó)、日本等國(guó)家的管內(nèi)機(jī)器人技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。 我國(guó)管內(nèi)機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代，近些年來(lái)取得了快速發(fā)展。沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、大慶石油管理局及勝利油田、國(guó)內(nèi)高校等單位都進(jìn)行了這方面的研究工作，并且研制出了各種各樣的工程樣機(jī)。 管道機(jī)器人按能源供給方式可分為：拖纜供能和自帶能源兩種。1998年，德國(guó)H.B. Kuntze等研制的管道機(jī)器人系統(tǒng)（KARO）采用拖纜供能方式，一次檢測(cè)作業(yè)距離超過(guò)400m。國(guó)內(nèi)于2002年研制成的海底管道機(jī)器人，需拖帶3個(gè)電池箱，才能實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)作業(yè)距離為十多千米。管內(nèi)機(jī)器人按驅(qū)動(dòng)方式可分為：介質(zhì)壓差驅(qū)動(dòng)方式和自主行走驅(qū)動(dòng)方式。美國(guó)研制的最具代表性的清管器，采用介質(zhì)壓差驅(qū)動(dòng)，實(shí)用性好、行走距離可達(dá)300km、但其速度不可控，影響檢測(cè)精度。德國(guó)學(xué)者B.Klaassen等于2000年研制成功了多關(guān)節(jié)蠕動(dòng)式管道機(jī)器人系統(tǒng)，采用自主行走的驅(qū)動(dòng)方式，由六節(jié)單元體組成，每個(gè)單元體之間的節(jié)點(diǎn)由三個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜。 綜上所述，目前管內(nèi)機(jī)器人存在的共性問(wèn)題： 1.采用拖纜供能的機(jī)器人存在拖纜力有限的問(wèn)題，采用自帶能源的機(jī)器人存在儲(chǔ)存能量有限的問(wèn)題，均使機(jī)器人不能長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)距離進(jìn)行作業(yè)； 2.流體壓差驅(qū)動(dòng)管內(nèi)機(jī)器人，由于速度不可控，影響了檢測(cè)精度； 管道機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，涉及到機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、智能控制、無(wú)線(xiàn)遙控、探傷檢測(cè)、多傳感器信息融合、電源供給等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，是一個(gè)多學(xué)科技術(shù)的綜合產(chǎn)物。管道機(jī)器人所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：能源供給，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作電源、導(dǎo)航及定位技術(shù)、線(xiàn)路損傷檢測(cè)技術(shù)。 為了盡早將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于各領(lǐng)域的管道檢測(cè)和在線(xiàn)作業(yè)，還有很多工作要做，還需要很多人的共同努力?？梢灶A(yù)見(jiàn)：在未來(lái)的幾年內(nèi)，有關(guān)管道機(jī)器人的高機(jī)動(dòng)性本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、智能控制技術(shù)、管道損傷檢測(cè)技術(shù)等領(lǐng)域的研究將會(huì)特別活躍，并有望得到突破。
