自动变位履带式管道内检测机器人开发.pdf

1 绪论 1 绪论 1.1 引言 自 1920 年捷克著名作家卡雷尔.卡佩克提出“机器人”一词，至今已经历了 90 多年 的迅速发展，但对“机器人”的定义至今仍然没有一个统一的说法。我国科学家把机器人 定义为：“机器人是一种高度自动化的机器，与其他机器所不同的是：它具备一些与生物 或者人类相似的智能能力，如协同能力、动作能力、规划能力和感知能力，是一种具有高 [1] 度灵活性的自动化机器 。” 自20 世纪 60 年代机器人问世以来，随着科学技术的迅速发展和社会的不断进步，尤 其是在计算机技术、控制工程、机电一体化等学科迅速发展的推动下，机器人的种类不断 增加，性能不断完善，应用领域也在不断地扩展。从深海到浩瀚的宇宙空间，在各种人类 所不能承受的恶劣环境中都能看到机器人的身影。可以说，现代的机器人技术已经突破了 传统的工业机器人范畴，逐渐转向应用于各种特殊环境、特殊工况，以完成特定工作任务 的特种机器人技术[2-6] 。 特种机器人工作于随机环境中，即无法在事先布置好的特定条件下进行工作，而且在 工作执行过程中，周围环境或工作内容有可能随时发生变化。研究开发在随机环境中工作 的特种机器人，可以使人们脱离危险作业的生产线，减轻人们的劳动强度，是现代机器人 发展的一个必然方向。特种机器人的新结构、新机构、新型传感器、新型驱动系统和新型 智能控制系统的开发己经成为机器人研究的一个重要方向。 管道机器人是一种可沿着管道内壁或外壁自动行走，携带一种或多种传感器和操作机 构（如焊枪、喷头、操作手），在计算机自动控制或操作人员的遥控操作下完成一系列作 [7] 业的机、电、仪一体化系统 。 1.2 课题的提出与意义 管道是天然气重要输送工具之一，近几十年来，随着科技的进步和能源消耗的增加， 管道运输技术取得了长足进步。由于天然气管道一般深埋在地下、海底、空中或者建筑物 中，难以检测、清扫和维修，一旦因管道污染、腐蚀（如图 1-1）或破损（如图 1-2）就 会引起运送物质的污染，甚至管道系统的崩溃，造成巨大的经济损失或人类健康安全。随 着服役年限的延长，管道逐渐老化，其内壁会发生不同程度的结垢和杂质粘附，造成不同 程度的腐蚀和泄漏，严重影响管道的正常运行，降低管输效率。此外，管道输送的物质一 般为易燃、易爆、易挥发的气体，一旦管道发生损坏或泄漏，很可能引发爆炸、火灾等重 大安全事故，对人们的生命财产造成巨大的损失，对周围生活环境造成长时间的负面影响。 长距离输送的天然气管道途经地区地下情况复杂、周围环境恶劣，长时间使用造成管道内、 外发生腐蚀，严重的可能导致焊缝开裂、腐蚀穿孔、爆管等问题，从而使管道存在着安全 隐患。此外，由于管道所处环境复杂且工作人员不宜甚至不能进入其中进行作，而管道机 1 万方数据 西安理工大学硕士学位论文 器人能进入人所不及、复杂多变的非结构化管道环境中，通过携带的无损检测装置和作业 装置，完成管道的检测、清扫和维护等任务。使用管道机器人，不仅可以提高管道检测的 效率，而且能够保障人身安全、改善劳动条件、减轻劳动强度、降低作业成本和提高作业 效率。因此，研发燃气管道机器人对输气管道的检修、清理和维护工作具有重要的现实意 义。 图 1-1 严重腐蚀的天然气管道 图 1-2 破损的天然气管道 Fig.1-1 severe corrosion of gas pipeline Fig.1-2 damaged natural gas pipeline 管道企业开展管道检验检测是必要的，其在满足国家法律法规要求的同时，能延长管 道使用寿命、降低管道企业安全事故风险。 1. 国家法律的要求 按照国务院 313 号令《石油天然气