專利名稱：石油管道檢測機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種石油管道檢測機(jī)器人，是一種被動(dòng)式的用超聲波的檢測方法來檢測石油管道的石油管道檢測機(jī)器人。
背景技術(shù)：
管道機(jī)器人的工作空間是復(fù)雜、封閉的各種管道，包括水平直管、各角度彎管、斜坡管、垂直管以及變徑管接口等，它的運(yùn)行距離一般較長。因此，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)必須靈活可靠，且有較大的牽引力。為了具有通用性，適應(yīng)不同半徑的管道檢測，機(jī)器人應(yīng)具有可調(diào)節(jié)半徑。
目前，已經(jīng)開發(fā)的石油管道檢測機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式，主要包括主動(dòng)式和從動(dòng)式兩種，主動(dòng)式可以對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制，但是要消耗大量的能量，所以一般采用接入電纜的方法給機(jī)器人提供動(dòng)力和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，這就大大限制了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)距離；從動(dòng)式是依靠油管中石油的流動(dòng)來運(yùn)動(dòng)，所以消耗的能源很少，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，但是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度不是很穩(wěn)定，而且機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度也不受控制。
國外一些著名公司如NKK、Pipetonix、TD-Willianson等在管道檢測機(jī)器人的開發(fā)與研制方面開展比較多，國內(nèi)對(duì)這方面的研究尚處于起步階段。國外主要采用的多元蜂窩式檢測頭，其最多可載有566多個(gè)超聲探頭。各個(gè)超聲探頭直接向管壁發(fā)射寬頻超聲波，又直接接收反射波。這種機(jī)器人的內(nèi)部還設(shè)有擺錘及自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以免機(jī)器人在行進(jìn)的過程中發(fā)生自身的偏轉(zhuǎn)，這種檢測方法叫靜態(tài)超聲波檢測。還有動(dòng)態(tài)檢測，所謂動(dòng)態(tài)檢測，就是探頭盤帶著若干個(gè)(我們采用四個(gè))超聲頭在石油管道內(nèi)隨石油的流動(dòng)作旋轉(zhuǎn)探測。相比較而言，動(dòng)態(tài)檢測的優(yōu)點(diǎn)是成本低，檢測全面，易于采用。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提供一種石油管道檢測機(jī)器人，我們采用探頭盤帶著四個(gè)超聲頭的動(dòng)態(tài)檢測該管道檢測機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)在石油管道中的檢測，能夠自動(dòng)適應(yīng)一定的管道半徑變化，并能夠通過曲率半徑的較大的彎道。該機(jī)器人能夠?qū)z測結(jié)果通過單片機(jī)記錄到存儲(chǔ)器中，并且能耗很低，解決了管道檢測機(jī)器人長距離工作的問題。
石油管道檢測機(jī)器人采用從動(dòng)式結(jié)構(gòu)，是輪式載體，機(jī)器人由機(jī)身、行駛機(jī)構(gòu)和檢測裝置組成，檢測裝置是超聲波探頭(含超聲波發(fā)射和接受器)，安裝在機(jī)器人的機(jī)身前端，其特點(diǎn)是在機(jī)器人尾部有一橡膠圓盤(為機(jī)器人提供動(dòng)力)，機(jī)身由兩個(gè)圓柱體構(gòu)成，分成前部和后部兩部分，機(jī)身前部和后部通過萬向節(jié)連接(使得機(jī)器人可以自動(dòng)通過彎道，尤其是曲率較大的彎道)；行駛機(jī)構(gòu)是從動(dòng)輪，分別安裝在機(jī)身前部和后部；檢測裝置安裝在前機(jī)身上，檢測方法采用動(dòng)態(tài)超聲波檢測法。
當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，4個(gè)超聲波探頭繞周向旋轉(zhuǎn)，并發(fā)射超聲波，經(jīng)管道反射回來的超聲波被探頭接受，經(jīng)放大處理產(chǎn)生脈沖，經(jīng)內(nèi)部處理得到管道的內(nèi)部情況，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)油管的檢測。
本發(fā)明的有益效果是1.結(jié)構(gòu)簡單，能耗低，能夠適應(yīng)石油管道這種惡劣的環(huán)境，工作距離很長，而且能實(shí)時(shí)的對(duì)石油管道內(nèi)的情況進(jìn)行記錄存儲(chǔ)。
2.能夠自動(dòng)適應(yīng)管道直徑的變化，并且能夠通過萬向節(jié)對(duì)曲率較大的彎道進(jìn)行自身的調(diào)整。
3.檢測方法采用動(dòng)態(tài)超聲波檢測法，通過4個(gè)超聲波探頭隨著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了管道內(nèi)動(dòng)態(tài)超聲波檢測，提高了檢測的效率，能夠滿足管道檢測的要求。
4.采用超聲波檢測的方法，通過超聲波在管道內(nèi)、外側(cè)的發(fā)射產(chǎn)生的時(shí)間差，來計(jì)算石油管道的厚度。將厚度與預(yù)先設(shè)定好的厚度進(jìn)行比較，若厚度小于設(shè)定的厚度，則將讀取時(shí)間信息，并將其存放在存儲(chǔ)器中。
5.機(jī)器人工作完成后，通過計(jì)算機(jī)讀取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，即可對(duì)管道內(nèi)的狀況進(jìn)行分析與處理。


圖1是機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是輪子的伸縮機(jī)構(gòu)示意圖。
圖3是檢測過程示意圖。
圖4是超聲波測量原理。
圖5是信號(hào)處理時(shí)序圖。
圖6是動(dòng)態(tài)檢測掃描重疊示意圖。
圖7是數(shù)據(jù)處理單元框圖。
具體實(shí)施方式
如圖1、圖2所示，本實(shí)用新型提供一種石油管道檢測機(jī)器人，機(jī)器人采用從動(dòng)式結(jié)構(gòu)，機(jī)器人由機(jī)身、行駛機(jī)構(gòu)和檢測裝置組成，檢測裝置是超聲波探頭，含超聲波發(fā)射和接受器，安裝在機(jī)器人的機(jī)身前端，其特征在于在機(jī)器人尾部有一橡膠圓盤1，機(jī)身由兩個(gè)圓柱體構(gòu)成，分成前部2和后部3兩部分，機(jī)身前部2和后部3通過萬向節(jié)4連接；行駛機(jī)構(gòu)是從動(dòng)輪，分別安裝在機(jī)身前部和后部；檢測裝置安裝在前機(jī)身上。實(shí)施時(shí)，檢測裝置使用了四個(gè)超聲波探頭。
行駛機(jī)構(gòu)是六組從動(dòng)輪，兩個(gè)輪子5為一組，每組輪子相差120度，分別安裝在機(jī)身前部2和后部3。機(jī)器人后部的輪子為里程輪，用于機(jī)器人的內(nèi)定位，隨著機(jī)器人的行走而轉(zhuǎn)動(dòng)。通過測定它的參數(shù)，確立機(jī)器人移動(dòng)距離，從而得出所檢測出的缺陷在管道中的位置。
實(shí)施時(shí)，機(jī)器人機(jī)身后部3內(nèi)還裝有電池和數(shù)據(jù)處理裝置。
見圖1、圖2，從動(dòng)輪由輪子5、輪架6、主軸7、扭簧12和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，輪子5安裝在輪架6上，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤8、曲柄9、滑塊10和支撐架11組成，曲柄9一端設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤8邊緣，曲柄9另一端與滑塊10相連，滑塊10另一端與輪架6相連接，轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤8通過支撐架11安裝在機(jī)身內(nèi)，并使轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤8套在主軸7上，通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)輪子的伸縮，并能夠適應(yīng)一定的管道直徑變化。
見圖3、圖4，檢測過程如下當(dāng)超聲探頭對(duì)管壁發(fā)出一個(gè)超聲脈沖后，探頭首先接收到由管壁的內(nèi)表面反射回來的脈沖，這個(gè)脈沖與基準(zhǔn)脈沖之間的間距是很容易測量的，該間距值表示為t1。然后，超聲探頭又會(huì)接收到由管壁的外表面反射回來的脈沖，這個(gè)脈沖與內(nèi)表面產(chǎn)生的脈沖之間的間距為t2，t2值就反映了管壁的厚度。
見圖5、圖6，動(dòng)態(tài)檢測掃描重疊示意圖，其中的圓形區(qū)域表示單個(gè)超聲脈沖在管壁上的覆蓋范圍，即檢測面積。檢測頭的轉(zhuǎn)動(dòng)加上機(jī)器人本體的移動(dòng)，就會(huì)在被測管道的管壁上產(chǎn)生無數(shù)的掃描帶，控制機(jī)器人的移動(dòng)速度，相鄰的掃描帶的重復(fù)區(qū)域?yàn)?/4，便會(huì)形成一個(gè)連貫的掃描段。隨著檢測機(jī)器人在被測管道內(nèi)的行進(jìn)，便可以完成對(duì)整個(gè)管線的檢測。
由于通過超聲波計(jì)算管道的壁厚需要很大的計(jì)算量和很長的時(shí)間，所以通過先前的計(jì)算，得到允許的脈沖間距t2，當(dāng)t2過大時(shí)，通過單片機(jī)將時(shí)間數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器中。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可以近似看為勻速運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)于時(shí)間的紀(jì)錄也就是對(duì)位置的記錄。
如圖5、圖7所示，在同步信號(hào)上升沿的作用下，超聲波產(chǎn)生器產(chǎn)生超聲脈沖，經(jīng)過超聲波探頭向介質(zhì)中發(fā)射，碰到輸油管內(nèi)壁產(chǎn)生第一次反射；由該探頭接收到，放大處理產(chǎn)生脈沖，稱為A波；同樣在輸油管外壁也產(chǎn)生第二次反射，再由該探頭接收到，放大處理得到脈沖稱為B波。4路測量接收機(jī)都測到4個(gè)A波和4個(gè)B波；而溫度補(bǔ)償接收機(jī)得到一個(gè)溫度補(bǔ)償?shù)腁t波。將超聲波接收系統(tǒng)送來的九路反射信號(hào)整形成脈沖信號(hào)，由零基準(zhǔn)信號(hào)前沿觸發(fā)單路溫度波門形成電路，形成波門前沿，而分別在At波前沿再觸發(fā)形成波門后沿，將此波門分別控制十二位計(jì)數(shù)器，對(duì)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，計(jì)出波門內(nèi)時(shí)鐘個(gè)數(shù)，送到鎖存器中，這個(gè)數(shù)據(jù)代表了溫度補(bǔ)償。同樣，由A波分別觸發(fā)的四路壁厚波門形成電路，產(chǎn)生波門的前沿，再由B波分別觸發(fā)產(chǎn)生波門后沿，將此波門控制四通道八位計(jì)數(shù)器，對(duì)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，求得波門內(nèi)時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)，送到鎖存器中，它代表了輸油管壁的厚度，由單片機(jī)從鎖存器循環(huán)讀出壁厚值，通過比較器，與預(yù)先設(shè)置的值進(jìn)行比較，若壁厚小于設(shè)定值，則單片機(jī)讀取時(shí)間信息和壁厚信息，并將其記錄到存儲(chǔ)器中。
權(quán)利要求1.一種石油管道檢測機(jī)器人，機(jī)器人采用從動(dòng)式結(jié)構(gòu)，機(jī)器人由機(jī)身、行駛機(jī)構(gòu)和檢測裝置組成，檢測裝置是超聲波探頭，安裝在機(jī)器人的機(jī)身前端，其特點(diǎn)是在機(jī)器人尾部有一橡膠圓盤(1)，機(jī)身由兩個(gè)圓柱體構(gòu)成，分成前部(2)和后部(3)兩部分，機(jī)身前部(2)和后部(3)通過萬向節(jié)(4)連接；行駛機(jī)構(gòu)是從動(dòng)輪，分別安裝在機(jī)身前部(2)和后部(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石油管道檢測機(jī)器人，其特征在于行駛機(jī)構(gòu)是六組從動(dòng)輪，兩個(gè)輪子(5)為一組，每組輪子相差120度，分別安裝在機(jī)身前部(2)和后部(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石油管道檢測機(jī)器人，其特征在于從動(dòng)輪由輪子(5)、輪架(6)、主軸(7)、扭簧(12)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，輪子(5)安裝在輪架(6)上，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(8)、曲柄(9)、滑塊(10)和支撐架(11)組成，曲柄(9)一端設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(8)邊緣，曲柄(9)另一端與滑塊(10)相連，滑塊(10)另一端與輪架(6)相連接，轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(8)通過支撐架(11)安裝在機(jī)身內(nèi)，并使轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(8)套在主軸(7)上.。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石油管道檢測機(jī)器人，其特征在于機(jī)器人機(jī)身后部(3)內(nèi)還裝有電池和數(shù)據(jù)處理裝置。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種石油管道檢測機(jī)器人，采用從動(dòng)式結(jié)構(gòu)，是輪式載體，機(jī)器人由機(jī)身、行駛機(jī)構(gòu)和檢測裝置組成，檢測裝置是超聲波探頭，安裝在機(jī)器人的機(jī)身前端，其特征在于在機(jī)器人尾部有一橡膠圓盤1(為機(jī)器人提供動(dòng)力)，機(jī)身由兩個(gè)圓柱體構(gòu)成，分成前部2和后部3兩部分，機(jī)身前部2和后部3通過萬向節(jié)4連接(使得機(jī)器人可以自動(dòng)通過彎道，尤其是曲率較大的彎道)；行駛機(jī)構(gòu)是從動(dòng)輪，分別安裝在機(jī)身前部2和后部3；檢測方法采用動(dòng)態(tài)超聲波檢測法。結(jié)構(gòu)簡單，能耗低，工作距離很長，通過4個(gè)超聲波探頭隨著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了管道內(nèi)動(dòng)態(tài)超聲波檢測，提高了檢測的效率，能夠滿足管道檢測的要求。
文檔編號(hào)F16L101/30GK2937755SQ200520144560
公開日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2005年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月12日
發(fā)明者丁希倫, 張逍, 袁海文 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)