青岛科技大学本科毕业设计（论文）
图1-12 制动及发电机构示意图
Fig.1-12 Schematic diagram of brake and power generation sector
1.3所需解决的关键技术问题
1） 能源供给问题
常规管道机器人能源供给一般采用有缆方式，拖缆的摩擦力并未对机器人的行走带来太大的影响，至少在几百米以内是可以作业的。但对于几百km长的石油天然气管道，机器人后部拖缆显然不可行。目前，据报道的拖缆管道机器人最多也只能在管道内行走2km．所以要想开发出具有实用意义的在线管道机器人，必须首先解决能源供给问题。
2） 可靠性问题
石油天然气管道是很重要的能源命脉，对于现有的大口径管道，管道事故将直接影响管道公司的经济效益及国家的能源供给。为此，管道机器人在线作业时，不能影响管内介质的正常输送，在线管道机器人的运行可靠性必须给予保证。
3） 速度及位置识别
常规管道机器人一般采用与驱动轮连接的光电码盘构成闭环控制，实现速度和位置检测。但管道机器人在一些工况复杂的管道内，驱动轮在管道壁面上有时会产生打滑现象，这将影响光电码盘的检测精度。除了速度位置检测问题外，由于管内的信号屏蔽，通信问题对于石油天然气管道尤为重要。
4） 管道机器人的越障能力
在管道内，由于施工，维修或工艺等原因，一条管道不可能是光滑笔直的，这就需要管道机器人有越过障碍(如阀门、三通、弯管)的能力。另外，对于石油
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管道射线探伤机器人结构设计
天然气管道运输行业而言，为适应社会发展需要，已逐步形成了城市管网、地区管网，甚至是整个世界能源运输管网，因此，目前的石油天然气管道已经不是单一的一条线路。为此，要想设计出能大范围应用的管内机器人，管道机器人在分叉点时的自动选择路径的能力应进行研究。
5） 高度自治的控制系统
对现有的管道机器人的研究仍然停留在管内运动、检测等方面，而对工程有实用价值的是管道机器人的管内运动、检测、修复一体化作业，因此必须考虑管道机器人的高度自治的实时检测修复功能，这将使管道机器人有显著的应用前景。
1.4 管道X射线探伤技术最新进展
在五大常规无损检测方法中，射线检测和超声检测是比较可靠和有效的管道焊缝检测方法。射线检测主要用于铸件及焊接件的检测，几乎适用于所有材料，对检测物体形状及表面粗糙度均无严格要求。射线检测对管道焊缝中的气孔、夹渣、疏松等体积型缺陷的检测灵敏度较高，对平面缺陷的检测灵敏度较低，如当射线方向与平面缺陷（如裂纹）垂直时就很难检测出来，只有当裂纹与射线方向平行时才能对其进行有效的检测。对此，为了弥补X射线探伤的一些缺陷，大量的研究对其进行了分析和优化?15?。 1.4.1 X射线照相检测技术
目前，工程中应用的管道对接焊缝无损检测方法都是基于X射线检测技术的，如外部透照法，采用定向X射线源从管道外侧透照，在管道另一侧的胶片上感光成像，每道环形焊缝的检测需转换多次X射线源的投照角度。应用于小管径管道对焊缝的无损探伤，该方法存在双层壁投影而导致评片困难的特点。而又如内部透照法，智能移动载体携带周向X射线源进入管道，将X射线源焦点对准于管道环状焊缝处，如图1-13所示。该机器人采用CCD实现精确定位。
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图1-13 管道射线检测机器人 Fig.1-3 the radial inspection pireline robot.
1.4.2 X射线实时成像检测技术
X射线实时成像检测技术主要有两大类：一种是基于X射线图像增强器的实时成像技术的，另一种是X射线数字实时成像检测技术。基于X射线图像增强器的实时成像技术如图1-14所示，1—X射线源，2—被检测件，3—图像增强器，4—图像采集卡，5—计算机，被检测件的X射线图像经图像增强器成像后，由图像采集系统采集并传输到计算机中[16]。
图1-14 基于图像增强器的X射线实时面像检测系统
Fig.1-14 X-ray real-time imaging inspection system based on image intensifier
一种是X射线数字实时成像检测技术，如图1-15所示，1—X射线源，2—被检测件，3—计算机，4—CMOS数字成像板，亦称为X射线数字照相。被检测件的X射线图像经由CMOS数字成像后，直接转化为数字信号并传输到计算机中。
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管道射线探伤机器人结构设计
图1-15 X射线数字照相检测系统
Fig.1-15 The sketch kf digital X-ray radiography system
图像增强器诞生于20世纪50年代初，经过几十年的发展，主要是改进图像增强器输入屏材料以提高亮度。现在图像增强器的亮度增益提高了10几倍，亮度增益高达10000以上，输出屏上的图像亮度可达0.3x103cd/m2 [17]。
虽然X射线数字实时成像检测技术的显像元件的像元尺寸达到极小，因而成像质量及分辨率优于基于图像增强器的X射线系统，但目前市场上的CMOS图像传感器，一直没有摆脱光照灵敏度低、信噪比低和图像分辨率低的缺点，且受该系统检测面积小、透照厚度薄痼素的影响，X射线数字实时成像检测技术的检测系统还只能应用于密度较小、尺寸也较小的被检工件。同时由于价格因素的影响，这种数字成像检测系统在国内工业中几乎还未得到使用。在国外，这种系统也在美国、德国等国家得到应用。
尽管如比，随着CMOS技术的不断完善，X射线数字照相是X射线实时成像检测技术最终发展目标，也必将在我国得到应用。
比较两种X射线实时成像检测技术，当采有微(小)焦点X射线机成像、高清晰度图像增强技术、高分辨率数字采集技术和计算机数字化图像处理技术、高分辨率图像显示技术以及采用投影放大的透照工艺时，并考虑到经济性，可以说，基于X射线图像增强器的实时成像技术，就目前技术水平而言，比X射线数字实时成像检测技术更具有工程意义，并且，其成像质量与胶片照相底片相当甚至更好。
1.5本次设计的主要研究内容和研究意义
本课题是针对中型管道安全检测探伤的实现而提出的，并结合当今机器人的发展趋势，利用现代先进科学技术，对管内X射线无损检测机器人的机械结构进行设计和优化，充分利用现代视觉传感器和人工智能方面的优势，对机器
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人的智能化做一些有意义的研究工作。其目的是通过对管道X射线无损检测探伤机器人设计，及相关技术的查阅和应用，能够研制一台具有良好的弯道通过能力、视觉定位能力并能适应较长距离检测作业的实用样机。
课题要求该机器人能够实现基本的管内定位、视觉监测，要求适应管径范围较大，性能稳定，有良好的越障能力。
本论文主要设计内置动力的履带式管内X射线无损检测机器人的机械结构。其主要内容为：
1)通过查阅资料，了解管内机器人常用机构和先进技术，融合自己的知识，对内置动力源的管内X射线无损检测机器人总体设计提出方案和实现办法；并阐述机器人的结构、特点、工作原理；
2)通过利用最优化设计和机械手册，并结合一些相似结构，对设计的机器人的总体结构进行分析和优化，让机体内耗减到最小，包括机构之间的摩擦，自身的重量，而有效的加强履带与管壁之间的接触面积，加大摩擦力，提高本体的牵引力和推动力；
3)通过利用三维软件，将管道内检测机器人各机构进行建模，同时进行各部分的装配，目地是调整各配合部分、连接部分之间的配合尺寸，使各机构能够相互协调运动，使整个机体能够协调平稳的工作。
其主要目标设计管内X射线无损检测机器人调整机构和驱动机构。绘制二维原理图和装备图，并进行引导和驱动机构的三维总体装配。
通过对管道内X射线无损检测机器人设计，使我对各种机械机构的组合，及机械机构之间协调运动的实现有了更深层次的掌握，还能够利用所学的最优化设计，对机构进行合理优化；而且，设计的这种模块化检测机器人，可以灵活的安装、配对，可携带其它一种或多种检测仪器仪表进行管道检测，管道的材料也不会受到限制，实现检测和行走也是非常容易的。就是说这种机器人的通用性比较高，适应性比较强。
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