一种可跨越90

一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人及结构设计方法
技术领域
1.本发明属于机器人领域，具体涉及一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人及结构设计方法。


背景技术：

2.在工业领域内，铁磁材料管道大量应用于输送天然气、石油和其他液体。这些管道的焊接过程中和长期服役过程中因腐蚀、磨损、拉裂等原因产生各种缺陷，人无法通过肉眼直接观测管道内部的缺陷，而且通过人工方式对管道图像进行缺陷、裂缝识别存在着主观性强、效率低下等问题，因此，需要通过机器人携带检测工具进入管道内部进行检测。
3.当前，为了对管道进行定期的检测、维护和清理，管道机器人应运而生，传统机器人的结构大多无法通过90
°
折角障碍以及t型管道，并且各类研究对机器人在90
°
折角障碍处的通过性分析研究较少。
4.由此可见，管道机器人在进行工作时会出现直角弯的情况，通过现有设计方法所设计出的管道机器人无法实现直角转弯，给检测工作带来了极大的麻烦。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人及结构设计方法，采用本方法制得的管道机器人能够通过90
°
折角障碍以及t型管道，轻松实现直角转弯，提高了工作效率。
6.为了实现以上目的，采用如下技术方案：
7.一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的结构设计方法，包括：
8.s1：基于平面研究理论构建管道机器人前机体单矩形模型和全机体双矩形连接模型；
9.s2：根据机器人前机体单矩形模型和全机体双矩形连接模型获取模型参数，根据模型参数计算得到管道几何约束关系；
10.s3：根据管道机器人的自身结构要求得到机器人结构约束关系；
11.s4：结合管道几何约束关系与机器人结构约束关系，得到机器人在管道中可通过的整体尺寸，完成管道机器人的结构设计。
12.进一步地，s2中，模型参数包括管道内径、机器人前机体长度、机器人宽度和机器人前机体与45
°
中心线夹角。
13.进一步地，s2中，管道几何约束关系包括机器人高度d、机器人前机体长度l与管道内径d之间的关系，具体关系如下：
[0014][0015]
进一步地，机器人高度d、机器人前机体长度l与管道内径d之间还满足以下关系：
[0016][0017]
其中，θ表示机器人前机体与45
°
中心线夹角。
[0018]
进一步地，s3中，机器人结构约束关系包括：
[0019][0020]
其中，l
max
表示机器人前机体与管壁接触时最大长度；d表示机器人高度；l为机器人前机体长度；d
轮
表示机器人车轮直径；b
轮
表示机器人车轮宽度；d为管道内径。
[0021]
一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人，基于上述一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的结构设计方法，其特征在于，包括：机器人前机体和机器人后机体；机器人前机体和机器人后机体采用铰接方式；机器人前机体和机器人后机体的底部分别设置有车轮；机器人前机体和机器人后机体上设有检测装置；
[0022]
控制驱动装置，用于接收控制信号，根据控制信号驱动机器人前机体和机器人后机体在管道中移动。
[0023]
进一步地，所述检测装置包括超声相控阵和超声测厚仪，所述超声相控阵和超声测厚仪配合完成管道内、外表面的检查以及焊缝检查。
[0024]
进一步地，所述控制驱动装置包括与车轮相连的无刷电机，所述无刷电机通过传动轴与所述车轮相连。
[0025]
进一步地，所述车轮采用磁吸附轮。
[0026]
进一步地，所述机器人前机体和所述机器人后机体通过万向铰链相连。
[0027]
相比现有技术，本发明的有益效果如下：
[0028]
本发明提供了一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的结构设计方法，本方法利用平面研究理论，将机器人简化为在管道中的机器人前机体单矩形模型和全机体双矩形连接模型，基于平面通过性模型分别推导出机器人前机体单矩形模型和全机体双矩形连接模型通过90
°
折角管道的数学模型以及各模型参数之间关系，即管道几何约束关系，再结合机器人结构约束关系确定机器人在规定直径管道中可通过的整体尺寸，根据所确定整体尺寸完成机器人结构设计；采用本设计方法制得的管道机器人能够实现在管道内自由行走、转向、爬壁及通过90
°
直角弯，从而完成管道检测；本方法设计原理及推导过程简单，便于实施，具有良好的推广应用价值。
[0029]
本发明还提供一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人，该机器人采用上述结构设计方法制得，采用了铰接相连的前后机体和检测装置以及控制驱动装置，通过控制驱动装置接收控制信号，再控制车轮带动前后机体在管道内移动，从而完成管道检测。
[0030]
优选地，本发明的检测装置采用了超声相控阵和超声测厚仪，通过两者的配合可完成管道内、外表面的检查以及焊缝检查。
[0031]
优选地，本发明的控制驱动装置包括了无刷电机，使得前后机体在管道中自由运
动。
[0032]
优选地，本发明的车轮采用磁吸附轮，永磁体吸附的车轮，能大大提升机器人的稳定性，配合无刷电机，实现机器人在管道内自由行走、转向、爬壁及通过90
°
直角弯。
[0033]
优选地，本发明的前机体与后机体通过万向铰链连接，这样，大大提升了机器人移动的自由度。
附图说明
[0034]
图1为本发明实施例提供的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的前机体过折角弯临界状态示意图；
[0035]
图2为本发明实施例提供的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的全机体过折角弯临界状态示意图；
[0036]
图3(a)为本发明实施例提供的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人前机体管道中简化模型图；
[0037]
图3(b)为本发明实施例提供的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人全机体管道中简化模型图；
[0038]
图4(a)为本发明实施例提供的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人前机体尺寸关系图；
[0039]
图4(b)为本发明实施例提供的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人全机体尺寸关系图；
[0040]
图5为本发明实施例提供的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的设计示意图；
[0041]
图6(a)为本发明实施例提供的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的结构示意图；
[0042]
图6(b)为本发明实施例提供的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的前视图；
[0043]
图6(c)为本发明实施例提供的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的侧视图；
[0044]
图6(d)为本发明实施例提供的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的俯视图；
[0045]
图7为本发明实施例提供的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的结构设计方法的流程图。
具体实施方式
[0046]
本发明提供一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的结构设计方法，其特征在于，包括：
[0047]
s1：基于平面研究理论构建管道机器人前机体单矩形模型和全机体双矩形连接模型；
[0048]
s2：根据机器人前机体单矩形模型和全机体双矩形连接模型获取模型参数，根据模型参数计算得到管道几何约束关系；模型参数包括管道内径、机器人长度、机器人宽度和机器人前机体与45
°
中心线夹角。
[0049]
管道几何约束关系包括机器人高度d、机器人前机体长度l与管道内径d之间的关系，具体关系如下：
[0050][0051]
机器人高度d、机器人前机体长度l与管道内径d之间还满足以下关系：
[0052][0053]
其中，θ表示机器人前机体与45
°
中心线夹角。
[0054]
s3：根据管道机器人的结构要求得到机器人结构约束关系；
[0055]
机器人结构约束关系包括：
[0056][0057]
其中，d
轮
表示机器人车轮直径；b
轮
表示机器人车轮宽度；l
max
表示机器人前机体与管壁接触时最大长度。
[0058]
s4：根据管道几何约束关系与机器人结构约束关系，得到机器人在管道中可通过的整体尺寸，完成管道机器人的结构设计。
[0059]
本发明还提供一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人，基于上述一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的结构设计方法，包括：
[0060]
机器人前机体和机器人后机体，两机体通过万向铰链相连。
[0061]
机器人前机体和机器人后机体的底部分别设置有车轮(磁吸附轮)；机器人前机体或/和机器人后机体上设有检测装置；
[0062]
控制驱动装置，用于接收控制信号，根据控制信号驱动机器人前机体和机器人后机体在管道中移动。
[0063]
检测装置包括超声相控阵和超声测厚仪，超声相控阵和超声测厚仪配合完成管道内、外表面的检查以及焊缝检查。
[0064]
控制驱动装置包括与车轮相连的无刷电机，无刷电机通过传动轴与车轮相连。
[0065]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步解释说明：
[0066]
实施例
[0067]
本实施例提出的是一种磁轮式双节可过90
°
折角障碍的管道检测机器人，并对机器人在90
°
折角管道中的通过性进行分析，具体设计过程如下：
[0068]
尺寸较小的中小型管道要求机器人构紧凑。要使机器人能顺利在管道中通行需对机器人在管道中的一些特殊位置尺寸、角度等进行计算测量。在明确相关数据后再确定机器人的整体尺寸，确定整体尺寸后再根据标准件的尺寸对非标准件的尺寸予以确定，在整体设计中需考虑机器人的整体机构的合理性以及所设计零件的工艺合理性，确保机器人能在管道中顺利通行并且可以完成设定动作。
[0069]
分析管道机器人通过性时需分析机器人前机体通过姿态和整体机体通过姿态两
种极限姿态，在同时满足两种极限姿态时可以确定机器人整体尺寸。
[0070]
将管道机器人前机体平面模型简化为矩形，精确分析管道机器人在90
°
折角障碍管道中的通过性。在通过难度最大的折角处研究其过弯特性。
[0071]
如图1所示，机器人前机体过弯临界状态为：机器人前机体在通过直角时，与内管壁折角处相切、外管壁与矩形两角处相切。o为距两管壁的距离为d的点，d为管道内径，d为机器人高度，l为机器人前机体长度，机器人前后机体为对称结构，整体长度为2l。
[0072]
图1中，矩形粗实线代表机器人的剖面轮廓，机器人前机体与内管壁切于c点，与外侧管壁相切于a、b两点，此时机体与各管壁夹角均为45
°
。由三角形之间关系可得d与l之间关系为：
[0073][0074]
根据剖面模型可以看出，在折角管中，机体四角最容易与管壁发成碰撞，因此管道机器人前机体是否于管道内壁发生接触可作为判断所选机器人高度与前机体长度合理性的条件。若要使机器人能通过管道，则有：即可得出：
[0075][0076]
管道机器人整体平面模型简化为两个相连的矩形，分析管道机器人整体在90
°
折角障碍管道中的通过性。
[0077]
如图2所示，机器人整体过弯临界状态为：机器人在通过直角时，与内管壁两点相切、与外管壁两点相切。
[0078]
图2中，2个矩形粗实线代表机器人的剖面轮廓，此时机器人前机体和机器人后机体沿过管壁两折角处中心线对称，故可对整个机体进行研究，选机器人前机体为研究对象，机器人前机体与内管壁切于c点，与外侧管壁相切于b点，e点为两机体连接点，此时机体与45
°
中心线夹角为θ，由三角形之间关系可得d与l之间关系为：
[0079][0080]
在设计中，根据机器人前机体长度l与夹角θ来确定机器人在弯管中的高度d。通过计算各参数的合理取值范围，确定每一个参数设计的合理性，从而保证机器人在管道内的通过性。
[0081]
机器人各参数不仅要满足管道的几何约束关系(管道几何约束关系)，也需要满足结构设计要求(机器人结构约束关系)，相关约束条件如下：
[0082]
(1)为使管道机器人顺利通过管道，机器人高度应小于管道直径，且高度应大于0；
[0083]
(2)机器人前机体长度应不小于车轮直径(d
轮
)，并且不大于机器人前机体与管壁接触时最大长度l
max
；
[0084]
(3)机器人宽度(b)应不小于两车轮宽度(b
轮
)之和，小于管道直径。
[0085][0086]
式(1)、(3)主要用于确定机器人前机体长度与高度之间关系；(2)主要用于判断所选机器人前机体长度与高度的合理性；不等式(4)用于约束机器人前机体长度、高度和宽度。
[0087]
如图5所示，基于通过性分析，设计一种可满足以下技术指标的可跨越90
°
折角障碍的管道机器人。
[0088]
表1为管道机器人的技术指标参数表
[0089][0090]
如图3(a)和图3(b)所示，分别对机器人在管道中前机体过折角弯和整体过折角弯模型进行简化。
[0091]
代入管道参数对机器人前机体通过性进行计算验证：即d＝350mm，机器人前机体与管道内壁相切时，由(1)式可得l-d，如图4(a)所示，l范围取0-250mm进行绘图。
[0092]
代入管道参数对机器人整体通过性进行计算验证：即d＝350mm，机器人机体与管道内壁相切时，由(3)式可得l-θ-d，如图4(b)所示，l范围取0-250mm、θ范围取0
°‑
45
°
进行绘图。
[0093]
跟据(4)式可取机器人前机体长度l的取值范围为150-250mm，机器人前机体选取长度的合理性如下表所示：
[0094]
表2为机器人选取长度的合理性分析表
[0095][0096]
由上表可知，机器人前机体长度l为200mm时较为合理。
[0097]
当机器人前机体长度l为200mm时，由(1)式可得机器人高度d＝395mm。根据限制条件(4)，机器人最大高度取350mm。
[0098]
因矩形模型计算结果机器人高度d的最大值为机器人前机体长度l，故可对机器人高度在满足约束条件下进行合理设计。机器人在管道内直线前进时车轮与管道接触处到管道底部内壁还有一段距离且机器人上部还需搭载其他检测仪器，综合考虑以上因素，根据(4)式的限定范围，将机器人高度d确定为210mm；车轮直径需小于机器人高度，即小于210mm，确定其直径d
轮
为150mm、宽度b
轮
确定为40mm；在满足机器人约束条件的和搭载检测设备能力的基础的上使机器人宽度尽可能小，根据(4)式对机器人宽度限制，确定机器人宽度
b为160mm。车轮上安装无刷电机驱动整个机器人的主体且车轮上装有永磁体可提供吸附力，既实现了吸附，又保证了机器人在改变姿态时的稳定性。机器人的整体结构由前后两部分通过中间万向铰链连接。
[0099]
如图6(a)所示，本实施例还提供一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人，通过上述结构设计方法设计制得，如图6(b)、图6(c)和图6(d)所示，其具体结构包括了机器人前机体和机器人后机体，两机体由万向铰链连接，大大提升了机器人移动的自由度，方便在管道内过弯；机器人前机体和机器人后机体分别安装了超声相控阵和超声测厚仪，主要适用于在碳钢等有磁性管道内，完成其外表面的检查和焊缝检查；两机体分别设置一组车轮，车轮为磁吸附轮，配合无刷电机，在接收控制移动信号后，无刷电机驱动磁吸附轮，完成机器人在管道内自由行走、转向、爬壁及通过90
°
直角弯。
[0100]
本实施例提供的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人，具有负载功能的同时，也具有通过90
°
直角弯的能力，能够满足多种管道的检测需求，轻松实现直角转弯，提高了工作效率。

技术特征：
1.一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的结构设计方法，其特征在于，包括：s1：基于平面研究理论构建管道机器人前机体单矩形模型和全机体双矩形连接模型；s2：根据机器人前机体单矩形模型和全机体双矩形连接模型获取模型参数，根据模型参数计算得到管道几何约束关系；s3：根据管道机器人的自身结构要求得到机器人结构约束关系；s4：结合管道几何约束关系与机器人结构约束关系，得到机器人在管道中可通过的整体尺寸，完成管道机器人的结构设计。2.根据权利要求1所述的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的结构设计方法，其特征在于，s2中，模型参数包括管道内径、机器人前机体长度、机器人宽度和机器人前机体与45
°
中心线夹角。3.根据权利要求1所述的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的结构设计方法，其特征在于，s2中，管道几何约束关系包括机器人高度d、机器人前机体长度l与管道内径d之间的关系，具体关系如下：4.根据权利要求3所述的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的结构设计方法，其特征在于，机器人高度d、机器人前机体长度l与管道内径d之间还满足以下关系：其中，θ表示机器人前机体与45
°
中心线夹角。5.根据权利要求1所述的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的结构设计方法，其特征在于，s3中，机器人结构约束关系包括：其中，l
max
表示机器人前机体与管壁接触时最大长度；d表示机器人高度；l为机器人前机体长度；d
轮
表示机器人车轮直径；b
轮
表示机器人车轮宽度；d为管道内径。6.一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人，基于权利要求1-5任一项所述的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人的结构设计方法，其特征在于，包括：机器人前机体和机器人后机体；机器人前机体和机器人后机体采用铰接方式；机器人前机体和机器人后机体的底部分别设置有车轮；机器人前机体和机器人后机体上设有检测装置；控制驱动装置，用于接收控制信号，根据控制信号驱动机器人前机体和机器人后机体在管道中移动。7.根据权利要求6所述的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人，其特征在于，所述检测装置包括超声相控阵和超声测厚仪，所述超声相控阵和超声测厚仪配合完成管道内、外表面的检查以及焊缝检查。
8.根据权利要求6所述的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人，其特征在于，所述控制驱动装置包括与车轮相连的无刷电机，所述无刷电机通过传动轴与所述车轮相连。9.根据权利要求6所述的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人，其特征在于，所述车轮采用磁吸附轮。10.根据权利要求6所述的一种可跨越90
°
折角障碍的管道机器人，其特征在于，所述机器人前机体和所述机器人后机体通过万向铰链相连。

技术总结
本发明公开了一种可跨越90


技术研发人员：徐向前 张波 张骁勇 刘彦明 李星
受保护的技术使用者：西安石油大学
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/8/1