題-1_100_100.jpg)
基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 新型螺旋型驅(qū)動小口徑管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研制
- 小類：
- 機(jī)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(xiàn)有技術(shù)的困難和缺點(diǎn)，創(chuàng)造出優(yōu)于現(xiàn)有產(chǎn)品的管道行走機(jī)器人，嘗試通過使用一個(gè)主動器使機(jī)器人在完成沿著管道運(yùn)動的基礎(chǔ)上盡量減少機(jī)械和電子裝置的復(fù)雜程度。 本作品是在科學(xué)分析、克服現(xiàn)有機(jī)器人的各種缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出的一種可遙控?zé)o需外接動力設(shè)備的新型螺旋型驅(qū)動可伸縮變徑管道機(jī)器人。 其工作原理是：通過電機(jī)驅(qū)動圓形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，圓形轉(zhuǎn)子外壁上的三組輪子因貼緊于管道內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦力而轉(zhuǎn)動 ，輪子的轉(zhuǎn)動軸線與轉(zhuǎn)子的軸線呈一銳角傾斜角，因此，輪子與管道內(nèi)壁接觸點(diǎn)的運(yùn)動軌跡為沿著管道軸線的空間螺旋線，從而迫使動力驅(qū)動裝置沿管道軸線行走；而行走導(dǎo)向裝置的的三組導(dǎo)向輪子的轉(zhuǎn)動軸線與行走導(dǎo)向圓柱或圓筒形體的軸線相互垂直，故行走導(dǎo)向裝置只能沿管道軸線方向隨動力驅(qū)動裝置一起前進(jìn)或后退，起到導(dǎo)向作用，以保證機(jī)器人整體在管道中能夠平穩(wěn)地行進(jìn)。 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(nèi)進(jìn)行作業(yè)。作品構(gòu)思巧妙，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)、制造維修簡單、方便，成本低廉，具有較大的推廣開發(fā)價(jià)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(yīng)用上具有現(xiàn)有產(chǎn)品無可比擬的優(yōu)越性，可廣泛應(yīng)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(fù)等作業(yè)。
- 詳細(xì)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(xiàn)代工業(yè)建設(shè)以及日常生活中的作用日益突出，出于管道安裝、維護(hù)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(jī)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(jì)達(dá)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(yùn)行時(shí)間的增長，管道內(nèi)部容易發(fā)生腐蝕、疲勞破壞、雜質(zhì)沉積等等，影響輸油輸氣管道的正常運(yùn)行；另一方面，目前對地下輸送管道的質(zhì)檢，常采用工程量十分巨大的“開挖”抽樣方法，由于隨機(jī)抽樣法經(jīng)常出現(xiàn)漏檢，因而準(zhǔn)確率低，效果并不理想，且勞動強(qiáng)度大。因此，設(shè)計(jì)、研制開發(fā)能在幾千公里管道內(nèi)自動行走進(jìn)行管道清洗的管道機(jī)器人十分重要。 目前國內(nèi)外管道機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方式包括電機(jī)驅(qū)動、壓電驅(qū)動、電磁驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動等；而機(jī)器人的行走方式又可分為慣性沖擊行走、蠕動爬行、彈性驅(qū)動行走及輪式行走等等，通過對比研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有管道機(jī)器人都存在諸如：①驅(qū)動原理和結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜;②多數(shù)只能用于直徑較大的管道，對于直徑較小的管道則很難實(shí)現(xiàn); ③動力提供大都要求外接電源，從而限制了機(jī)構(gòu)的靈活性和運(yùn)動范圍; ④很多機(jī)構(gòu)只適用于特定直徑的管道，對于直徑有變的管道則無法運(yùn)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(yīng)用。 本項(xiàng)目的目的是要?jiǎng)?chuàng)造出一種性能優(yōu)異的能連續(xù)行走的管道機(jī)器人。 二. 基本思路和工作原理： 本項(xiàng)目所述的管道機(jī)器人如附圖1所示，它由動力驅(qū)動裝置、行走導(dǎo)向裝置以及連接這兩部分的萬向節(jié)8組成，動力驅(qū)動裝置由電機(jī)1驅(qū)動圓形轉(zhuǎn)子5構(gòu)成，圓形轉(zhuǎn)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(gè)輪子3，輪子3的轉(zhuǎn)動軸線與轉(zhuǎn)子5的軸線呈一銳角傾斜角；而行走導(dǎo)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(dǎo)向輪架12組成，每組導(dǎo)向輪架12上也安裝二個(gè)輪子10，輪子10的轉(zhuǎn)動軸線與圓柱或圓筒形體11的軸線相互垂直。動力驅(qū)動裝置與行走導(dǎo)向裝置兩部分的聯(lián)接件可以是萬向節(jié)8，也可以是球鉸，這樣，使機(jī)器人可以靈活地在具有較大曲率半徑的彎管中自如地轉(zhuǎn)彎進(jìn)退。動力驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)子5上的輪架2和行走導(dǎo)向裝置上圓柱或圓筒形體11上的導(dǎo)向輪架12均為浮動體，且分別用彈簧6和彈簧9來產(chǎn)生一定的徑向漲縮量使輪架2上的所有輪子3和導(dǎo)向輪架12上的所有輪子10始終貼緊于管道的內(nèi)壁，以適應(yīng)一定范圍內(nèi)管道直徑的變化。 該管道行走機(jī)器人的工作原理是：電機(jī)1驅(qū)動圓形轉(zhuǎn)子5轉(zhuǎn)動，圓形轉(zhuǎn)子5外壁上的三組輪子3因貼緊于管道內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦力而轉(zhuǎn)動 ，因輪子3的轉(zhuǎn)動軸線與轉(zhuǎn)子5的軸線呈一銳角傾斜角，因此，輪子3與管道內(nèi)壁接觸點(diǎn)的運(yùn)動軌跡為沿著管道軸線的空間螺旋線，從而迫使動力驅(qū)動裝置沿管道軸線行走；而行走導(dǎo)向裝置的圓柱或圓筒形體11的三組導(dǎo)向輪子10，因其轉(zhuǎn)動軸線與圓柱或圓筒形體11的軸線相互垂直，故行走導(dǎo)向裝置只能沿管道軸線方向隨動力驅(qū)動裝置一起前進(jìn)或后退，起到導(dǎo)向作用，以保證機(jī)器人整體在管道中能夠平穩(wěn)地行進(jìn)。本案所述的電機(jī)1既可以采用自帶電池驅(qū)動，也可采用外接交流電或直流電驅(qū)動。 若在電機(jī)1外殼或端部加裝攝像頭、清洗工具或者探傷設(shè)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(shù)等手段，就可使該管道機(jī)器人完成管道安裝、維護(hù)及檢測等工作的智能化。 三. 創(chuàng)新點(diǎn)： 1.能適應(yīng)管道管徑變化，且始終能貼緊管壁，能在垂直的管道中行進(jìn); 2.由萬向節(jié)鉸鏈連接兩部分組成，能使機(jī)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(shè)計(jì)和巧妙的螺旋型驅(qū)動原理，大大降低了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度、降低了加工難度、提高了行進(jìn)效率，使得本裝置可以在直徑較小的管道內(nèi)自如行進(jìn)，最小設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的自動化。 四. 技術(shù)關(guān)鍵： 1.用自動彈簧機(jī)構(gòu)使機(jī)器人適應(yīng)管徑變化。 2.用自動彈簧預(yù)緊及瞬時(shí)補(bǔ)償, 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人始終與管壁緊貼。 3.利用萬向節(jié)自動調(diào)整確定管道機(jī)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(nèi)順利行進(jìn)，螺旋型驅(qū)動行走的巧妙設(shè)計(jì)提高了裝置在管道內(nèi)的行走效率。 5.通過連接二部分的萬向節(jié)鉸鏈設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了管道機(jī)器人的柔軟靈活性能，通過無線遙控裝置的設(shè)計(jì)，克服外接拖線電源的局限性。 五. 技術(shù)指標(biāo)： 管道直徑：68－72mm 彎道半徑：170mm 負(fù) 載：3N 速 度：10cm/s 電機(jī)功率：6w； 重 量：500g 六. 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢： 本作品克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案是：由動力驅(qū)動裝置、行走導(dǎo)向裝置以及連接兩部分的萬向節(jié)或球鉸組成，動力驅(qū)動裝置由電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)子構(gòu)成，轉(zhuǎn)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(gè)輪子，且輪子的轉(zhuǎn)動軸線與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸線呈一銳角傾斜角；而行走導(dǎo)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(dǎo)向輪架組成，每組導(dǎo)向輪架上也安裝二個(gè)輪子，輪子的轉(zhuǎn)動軸線與柱形或筒形體的軸線相互垂直；動力驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)子上的輪架和行走導(dǎo)向裝置上的導(dǎo)向輪架均為浮動體，且用彈性元件來產(chǎn)生一定的經(jīng)向漲縮量使輪架和導(dǎo)向輪架的所有輪子始終貼緊于管道的內(nèi)壁。 本發(fā)明與現(xiàn)有管道機(jī)器人相比，具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢：①結(jié)構(gòu)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(qū)動裝置與行走導(dǎo)向裝置之間使用萬向節(jié)或球鉸連接，機(jī)器人可以在曲率較大的彎管中靈活自如地行進(jìn)；③采用彈簧等彈性元件使所有輪子緊貼于管道內(nèi)壁，使該機(jī)器人可以在半徑有變化的管道中行進(jìn)，同時(shí)起到避震作用，使得運(yùn)行更加平穩(wěn)，且在豎直的或者截面并非嚴(yán)格圓形的管道中也可順利行進(jìn)。 七.適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說明及市場分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測： 本發(fā)明由于盡量減少了裝置的復(fù)雜程度，并且采用無線遙控技術(shù)，大大降低了了其加工的困難程度與實(shí)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(diǎn)。所以在推廣應(yīng)用上具有現(xiàn)有產(chǎn)品無可比擬的優(yōu)越性，可廣泛應(yīng)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(fù)等作業(yè)。 八.使用說明： 將管道機(jī)器人放入相應(yīng)直徑的管道中，通過遙控器的簡單操作，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人往復(fù)直線運(yùn)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(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)
- 1. 目的：本項(xiàng)目的目的是要?jiǎng)?chuàng)造出一種性能優(yōu)異的能連續(xù)行走的管道機(jī)器人。 2. 基本思路：該管道機(jī)器人由動力驅(qū)動裝置、行走導(dǎo)向裝置以及連接這兩部分的萬向節(jié)組成，動力驅(qū)動裝置由電機(jī)驅(qū)動圓形轉(zhuǎn)子構(gòu)成，圓形轉(zhuǎn)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(gè)輪子，輪子的轉(zhuǎn)動軸線與轉(zhuǎn)子的軸線呈一銳角傾斜角；而行走導(dǎo)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(dǎo)向輪架組成，每組導(dǎo)向輪架上也安裝二個(gè)輪子，輪子的轉(zhuǎn)動軸線與圓柱或圓筒形體的軸線相互垂直。動力驅(qū)動裝置與行走導(dǎo)向裝置兩部分的聯(lián)接件可以是萬向節(jié)，也可以是球鉸。動力驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)子上的輪架和行走導(dǎo)向裝置上圓柱或圓筒形體上的導(dǎo)向輪架均為浮動體，且分別用彈簧和彈簧來產(chǎn)生一定的經(jīng)向漲縮量使輪架上的所有輪子和導(dǎo)向輪架上的所有輪子始終貼緊于管道的內(nèi)壁，以適應(yīng)一定范圍內(nèi)管道直徑的變化。 3. 創(chuàng)新點(diǎn)： ①能適應(yīng)管道管徑變化，且始終能貼緊管壁，能在垂直的管道中行進(jìn);②由萬向節(jié)鉸鏈連接兩部分組成，能使機(jī)器人順利通過彎道, 保持優(yōu)良的通過性能;③機(jī)構(gòu)簡單、行進(jìn)速度高，可在直徑較小的管道內(nèi)（最小直徑可小至40mm）能連續(xù)自如行進(jìn)。 4. 技術(shù)關(guān)鍵 1）用自動彈簧機(jī)構(gòu)使機(jī)器人適應(yīng)管徑變化，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人始終與管壁緊貼。2）利用萬向節(jié)使管道機(jī)器人能通過彎曲的管道。 5. 技術(shù)指標(biāo) 管道直徑：68－72mm；彎道半徑：170mm；速 度：10cm/s； 電機(jī)功率：6w；重 量：500g
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1. 科學(xué)性 該管道機(jī)器人的科學(xué)工作原理是：電機(jī)驅(qū)動圓形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，圓形轉(zhuǎn)子外壁上的三組輪子因貼緊于管道內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦力而轉(zhuǎn)動 ，輪子的轉(zhuǎn)動軸線與轉(zhuǎn)子的軸線呈一銳角傾斜角，輪子與管道內(nèi)壁接觸點(diǎn)的運(yùn)動軌跡為沿著管道軸線的空間螺旋線，從而迫使動力驅(qū)動裝置沿管道軸線行走；而行走導(dǎo)向裝置的圓筒形體的三組導(dǎo)向輪子的轉(zhuǎn)動軸線與圓筒形體的軸線相互垂直，故行走導(dǎo)向裝置只能沿管道軸線方向隨動力驅(qū)動裝置一起前進(jìn)或后退，起到導(dǎo)向作用，以保證機(jī)器人整體在管道中能夠平穩(wěn)地行進(jìn)。 2.先進(jìn)性 ① 結(jié)構(gòu)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(qū)動裝置與行走導(dǎo)向裝置之間使用萬向節(jié)或球鉸連接，機(jī)器人可以在曲率較大的彎管中靈活自如地行進(jìn)； ③ 采用彈簧等彈性元件使所有輪子緊貼于管道內(nèi)壁，使該機(jī)器人可以在半徑有變化的管道中行進(jìn)，同時(shí)起到避震作用，使得運(yùn)行更加平穩(wěn)，且可在豎直的管道中也可順利行進(jìn)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- （ A ）實(shí)驗(yàn)室階段 （D） 已制作出第2代樣機(jī)，在管道中運(yùn)行很流暢。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 面議
作品可展示的形式
- √實(shí)物、產(chǎn)品 □模型 √圖紙 □磁盤 √現(xiàn)場演示 √圖片 √錄像 √樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 1.使用說明：將管道機(jī)器人放入相應(yīng)范圍直徑的管道中，通過遙控器的簡單操作，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人往復(fù)直線運(yùn)動，無論管道是水平、垂直還是傾斜放置。 2.技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢：本作品克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，由動力驅(qū)動裝置、行走導(dǎo)向裝置以及連接兩部分的萬向節(jié)或球鉸組成，動力驅(qū)動裝置上輪子的轉(zhuǎn)動軸線與轉(zhuǎn)子的軸線呈一銳角傾斜角；而行走導(dǎo)向裝置上輪子的轉(zhuǎn)動軸線與圓柱形體的軸線相互垂直。優(yōu)勢為1）結(jié)構(gòu)簡單，加工制造成本低，經(jīng)向尺寸可以很??；2）因使用萬向節(jié)或球鉸連接，機(jī)器人可以在曲率較大的彎管中靈活自如地行進(jìn)；3）采用彈簧等彈性元件使所有輪子緊貼于管道內(nèi)壁，使該機(jī)器人可以在半徑有變化的管道中行進(jìn)，同時(shí)起到避震作用，且可在豎直的管道中也可順利行進(jìn)。 3.適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說明及市場分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測：該管道機(jī)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(diǎn)，可廣泛應(yīng)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(fù)等作業(yè)。
同類課題研究水平概述
- 管道機(jī)器人技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)由于石油、天然氣等大口徑管道的發(fā)展激勵(lì)人們研究一種管內(nèi)檢測設(shè)備，這就是通常所說的無動力的管內(nèi)清理檢測設(shè)備PIG，它主要靠首尾兩端管內(nèi)流體形成的壓力差做驅(qū)動力向前運(yùn)動，由于PIG設(shè)備無自行走能力，移動速度及檢測區(qū)域均不易控制，嚴(yán)格來說它不能算做是機(jī)器人。 到了80年代初，由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，推動管道檢測機(jī)器人進(jìn)入快速發(fā)展期。在國外，德國于1998年采用四輪獨(dú)立伺服驅(qū)動方案研制成管道檢測機(jī)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(chǎn)生的沖力作為驅(qū)動力并帶有兩個(gè)高清晰度彩色攝像頭的檢測輸水管道內(nèi)部狀況的機(jī)器人系統(tǒng)，日本于1999年采用伺服電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、斜軸驅(qū)動輪構(gòu)成螺旋推進(jìn)運(yùn)動，研制成螺旋輪管道機(jī)器人系統(tǒng)。此外,韓國的ASIA PROTECH公司所研制的管道清潔機(jī)器人在世界上也有了很成功的應(yīng)用。在最近的幾年內(nèi)，國外各種各樣的管道機(jī)器人研制發(fā)展很快，管道機(jī)器人現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展了許多類型。 在國內(nèi)，一些科研院所已經(jīng)開始著手研制各種各樣的管道機(jī)器人，如對蠕動類管道機(jī)器人的研究, 上海交大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、中國石油大學(xué)等院校都已有樣品；上海大學(xué)利用管內(nèi)油壓作用研制的在役管道檢測機(jī)器人等等都取得了很大的發(fā)展, 但是在國內(nèi)自己研制的管道機(jī)器人離工業(yè)運(yùn)用還有一段距離。 本作品為了克服其他管道機(jī)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、無法在小口徑管道中行進(jìn)、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(shè)備的可伸縮變徑螺旋型驅(qū)動管道機(jī)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(nèi)進(jìn)行清洗作業(yè), 尤其能解決小口徑管道中行進(jìn)時(shí)存在的卡死、不易轉(zhuǎn)彎、不易通過閥件、結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)簡單、加工容易、成本低廉且功能全面、智能程度高等優(yōu)點(diǎn)。
