海底管道檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)的研究.pdf

1、近淺海油氣輸送管網(wǎng)長(zhǎng)期承受地質(zhì)變化、介質(zhì)腐蝕、海流沖擊等因素的影響，易產(chǎn)生腐蝕、裂紋等缺陷。如不及時(shí)修復(fù)，發(fā)生油氣泄漏，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的海洋環(huán)境污染。因此，海底管道的維修與維護(hù)對(duì)油氣輸送的安全運(yùn)行具有重要意義。 本文結(jié)合國(guó)家“863”計(jì)劃渤海大油田勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)重大專項(xiàng)“海底管道內(nèi)爬行器及其檢測(cè)技術(shù)”項(xiàng)目(編號(hào)：2001AA602021)，對(duì)海底管內(nèi)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，并成功研制出六獨(dú)立輪式驅(qū)動(dòng)管內(nèi)移動(dòng)

2、機(jī)器人樣機(jī)。 機(jī)器人采用一種新型的行走機(jī)構(gòu)——內(nèi)置電機(jī)及減速系統(tǒng)的六只模塊化式驅(qū)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)。六只驅(qū)動(dòng)臂采用軸向交錯(cuò)、周向60°等間距首尾交替布置的方式，構(gòu)成兩個(gè)前后平行的驅(qū)動(dòng)截面，使?fàn)恳Ψ稚?、?dú)立產(chǎn)生。力封閉機(jī)構(gòu)采用一種完全對(duì)稱式的電驅(qū)動(dòng)主動(dòng)可控柔性結(jié)構(gòu)，能夠在線調(diào)整輪壁接觸力及主動(dòng)解鎖，有利于檢測(cè)系統(tǒng)故障救援。針對(duì)相鄰的驅(qū)動(dòng)臂布置特點(diǎn)，提出了一種“一拖二”的“主-從”控制方式，簡(jiǎn)化了機(jī)器人在直管內(nèi)的移動(dòng)控制。 對(duì)機(jī)器人

3、行走機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性、變徑特性及越障能力等進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。提出了評(píng)價(jià)幾何變徑特性的數(shù)學(xué)模型，并給出相應(yīng)的機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化取值準(zhǔn)則。詳細(xì)分析了封閉力與姿態(tài)的變化關(guān)系特性及移動(dòng)機(jī)構(gòu)的越障能力。根據(jù)所建立的ADAMS仿真測(cè)量平臺(tái)，結(jié)合幾何變徑特性，給出了動(dòng)態(tài)變徑力學(xué)特性的詳細(xì)分析。同時(shí)，進(jìn)一步建立了機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型，并通過(guò)預(yù)緊力和牽引力仿真，證明機(jī)器人能夠勝任檢測(cè)系統(tǒng)的牽引任務(wù)，為工程樣機(jī)的設(shè)計(jì)及制造提供了更充足的依據(jù)。 針對(duì)管內(nèi)注

4、水檢測(cè)環(huán)境，闡明液體中的輪壁接觸在封閉力下處于一種邊界摩擦狀態(tài)，封閉力的分配是導(dǎo)致確定附著系數(shù)困難的原因。因此，為改善易滑管壁的牽引特性，提出了基于滑動(dòng)率與附著系數(shù)關(guān)系準(zhǔn)則進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)反饋控制的濕摩擦驅(qū)動(dòng)控制模型，并以Simulink控制系統(tǒng)仿真工具，進(jìn)行了給定封閉力條件下的附著系數(shù)及牽引力仿真，驗(yàn)證了控制模型的合理性與可行性。 以本文研制的海底管內(nèi)機(jī)器人為例，首先，通過(guò)輪壁接觸點(diǎn)及截面參數(shù)的詳細(xì)分析，闡明截面間距、管徑及彎管曲

5、率是影響彎管內(nèi)機(jī)器人差速轉(zhuǎn)向速比控制復(fù)雜性的主要因素。為此，結(jié)合海底管道R0/D較大的特點(diǎn)，提出了一種驅(qū)動(dòng)截面過(guò)彎管曲率中心的簡(jiǎn)化控制方法，并由給定典型姿態(tài)的簡(jiǎn)化速比與準(zhǔn)確速比結(jié)果的比較，可行性得到了驗(yàn)證。其次，揭示了彎管內(nèi)機(jī)器人行走產(chǎn)生螺旋自轉(zhuǎn)體的原因，并建立了描述其產(chǎn)生機(jī)理的力學(xué)模型。為減輕自轉(zhuǎn)體，進(jìn)一步確定出機(jī)器人進(jìn)入彎管時(shí)應(yīng)采取的最佳初始姿態(tài) 基于機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊化的組成特點(diǎn)，提出功率流分析法，建立了相應(yīng)的分析模型，并