（机械工程专业论文）伸缩式管道机器人动力学建模与控制系统设计.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 管道是物质和能源输送的重要工具之一，被广泛应用于核电、煤气、石油、 医疗等多个领域。油田水平井通过扩大油层泄油面积来提高油井产量和开发效益。 一口水平井成本约为竖直井的两倍，而产量可达竖直井3 5 倍，因此水平井开发 越来越受到各国的重视，发展迅速。水平井石油管道的检测对于提高石油产量和 采油效率具有重要的作用，研制出高水平的水平井测井仪器送进装置对提高测井 技术有着重要意义。本课题主要针对直径在1 2 0 1 8 0 m m 范围的水平井管道的单向 运动机构和伸缩机构分别建立了动力学模型，并完成了管道机器人控制系统的设 计，最后对控制系统进行了调试试验，验证了动力学模型和控制系统设计的正确 性。主要研究工作包括： 1 ) 提出并介绍了伸缩式水平井管道机器人的单向运动机理和推进原理，该机 器人主要由单向运动机构和伸缩机构组成，单向运动机构采用独特的凸轮自锁原 理提供推进力，采用丝杠螺母副驱动的平面连杆机构作为支撑结构，适应水平井 管道直径的变化，具有小尺寸、大牵引力、模块化的特点。 2 ) 对单向运动机构进行了等效简化，分别对展开机构和锁止凸轮进行受力分 析和计算，建立了从无刷直流电机到滚珠丝杠副，再从展开机构到凸轮的单向运 动机构完整动力学模型，并在m a t l a b s i m u l i i l k 环境下对得到的框图模型进行仿真， 为单向运动机构的机械结构优化和控制系统设计提供一定依据。 3 ) 分析了伸缩机构简化模型与管道机器人整机系统简化模型的等效关系，得 到了伸缩机构完整动力学模型，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境下对得到的框图模型进 行仿真，分析整机系统的稳定性，以及运动速度和负载力对管道机器人运动性能 的影响，为伸缩机构的控制系统设计提供参考。 4 ) 从管道机器人控制系统的具体功能需求出发，设计管道机器人控制系统硬 件结构框图，重点设计实现了d c d c 模块、电机驱动模块、控制模块和离合器驱 动模块这四个主要功能模块电路，给出详细电路原理图，制作了p c b 板，各电路 模块设计制作完成后，分别进行独立调试通过。 在上述研究的基础上，搭建了水平井管道机器人运动控制系统，分别对单向 运动机构和伸缩机构进行了运动控制试验。试验结果表明，所设计的硬件电路成 功实现了单向运动机构和伸缩机构的运动控制，验证了管道机器人动力学模型和 控制系统设计的正确性和可行性。 关键词：管道机器人动力学建模硬件电路设计 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt o o l sf o rt r a n s p o r t i n gs u b s t a n c e sa n de n e r g ys o u r c e s ， p i p e l i n e sa r ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d ss u c ha sn u c l e u s ，g a s e s ，o i la n dm e d i c a l t r e a t m e n te r e t h eh o r i z o n t a lw e l lg o th i g ho i lp r o d u c t i o na n de f f i c i e n c yt h r o u g h e x t e n d i n gt h ea r e ao fo i l - y i e l d i n gs t r a t u m t h ep r o d u c t i o no ft h eh o r i z o n t a lw e l lc o u l d b et h r e et of i v et i m e sa st h ev e r t i c a lw e l l ，w h i l et h ec o s tj u s tt w i c e t h e r e f o r e ，t h e d e v e l o p m e n to ft h eh o r i z o n t a lw e l lh a db e e na t t a c h e dm o r ea n dm o r ei m p o r t a n c e ，a n d d e v e l o p e ds p e e d i l y t h ed e t e c t i o no ft h eh o r i z o n t a lw e l l si sv e r yu s e f u lt oi m p r o v et h e o i lp r o d u c t i o na n dt h ee f f i c i e n c y t od e v e l o pt h et e c h n o l o g yo ft h ei n s p e c t i o no ft h e h o r i z o n t a lw e l l s ，i t sg r e a ts i g n i f i c a n tt od e v e l o pt h em a c h i n e su s e df o rs e n d i n gt h e d e t e c t i o ni n s t r u m e n t si n t ot h eh o r i z o n t a lw e l l s i nt h i sp a p e r , t h ed y n a m i c sm o d e l so ft h eu n i l a t e r a lm o v e m e n tm e c h a n i s ma n dt h e t e l e s c o p i cm e c h a n i s m ，w h i c hc o u l da d a p tt h ec h a n g eo ft h ep i p ed i a m e t e rb e t w e e n 12 0 m mt o18 0 m m ，w e r eb u i l t a l s o ，t h ec o n t r o ls y s t e md e s i g no ft h ep i p er o b o tw a s d o n e ；t h ed e b u gt e s t ss h o w e dt h a tt h ed y n a m i c sm o d e l sa n dt h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n w e r ec o r r e c t 1 1 1 em a i nw o r ko ft h ep a p e rw e r ed o n ea sf o l l o w s ： 1 ) t h et m i l a t e r a lm o v e m e n tm e c h a n i s ma n dt h ed r i v ep r i n c i p l eo ft h et e l e s c o p i c h o r i z o n t a lw e l lr o b o t ，w h i c hw a sc o m p o s e db yt h eu n i l a t e r a lm o v e m e n tm e c h a n i s ma n d t h et e l e s c o p i cm e c h a n i s m w e r ei n t r o d u c e d t h eu n i l a t e r a lm o v e m e n tm e c h a n i s m c o n t a i n e dt h eu n i q u es e l f - l o c k i n gc a m st op r o d u c eh e a v yl o c k i n gf o r c ea n dt h es u p p o r t a r m sd r i v e nb ys c r e wp a i r st oa d a p tt h ed i a m e t e rc h a n g e a n dt h er o b o th a dt h e c h a r a c t e r so fs m a l ls i z e ，h i g hd r i v ef o r c ea n dm o d u l a r i z a t i o n 2 ) t h eu n i l a t e r a lm o v e m e n tm e c h a n i s mw a ss i m p l i f i e de q u i v a l e n t l y t h ef o r c e sa c t o nt h et h e s u p p o r ta r mt h es e l f - l o c k i n g c a mw e r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e d n l e d y n a m i c sm o d e lo ft h eu n i l m e r a lm o v e m e n tm e c h a n i s mw h i c hc o n t a i n e dt h eb r u s h l e s s d cm o t o r ，t h es c r e wp a i r s ，t h es u p p o r ta r ma n dt h es e l f - l o c k i n gc a mw a sb u i l t m m o d e lw a ss i m u l a t e da n da n a l y z e di nt h es o f t w a r em t l a b s i m u l i n kt h er e s u l t c o u l db et h er e f e r e n c eo ft h em a c h i n ed e s i g na n dc o n t r o ls y s t e md e s i g no ft h eu n i l a t e r a l m o v e m e n tm e c h a n i s m 3 ) 1 1 1 ed y n a m i c sm o d e lo ft h et e l e s c o p i cm e c h a n i s mw a sp r o p o s e dc o m p l e t e l y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ee q u i v a l e n c eb e t w e e nt h es i m p l i f i e dt e l e s c o p i cm e c h a n i s m m o d e la n dt h es i m p l i f i e dr o b o tm o d e l i nt h es i m u l a t i o na n da n a l y s i ss o f t w a r e , m t l a b s i m u l i n kt i l es t a b i l i t yo ft h ec o m p l e t es y s t e ma n dt h ei n f l u e n c eo nt h e m o v i n gc a p a b i l i t yo ft h er o b o t ，p r o d u c e db yt h ev e l o c i t ya n dt h el o a d ，w e r ea n a l y z e d ， w h i c hc o u l db et h er e f e r e n c et ot h ed e s i g no ft h et e l e s c o p i cm e c h a n i s m sc o n t r o l s y s t e m 4 ) t om e e tt h es p e c i f i cn e e do ft h ep i p er o b o t sc o n t r o ls y s t e m ，t h ec i r c u i t r i e so f 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 f o u rm a i nf u n c t i o nu n i t s ，w h i c hw e e et h ed c d cu n i t ，m o t o rd r i v eu n i t ，c o n t r o ls y s t e m u n i ta n dt h ec l u t c hd r i v eu n i t , w e r ed e s i g n e d p a r t i c u l a r l y a l l t h eu n i t sw e r e m a n u f a c t u r e da n dp a s s e dt h et e s t s b a s e do nt h er e s e a r c ha b o v e ，t h em o v i n ga n dc o n t r o lt e s t so fh eu n i l a t e r a l m o v e m e n tm e c h a n i s ma n dt h et e l e s c o p i cm e c h a n i s ma c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls y s t e mo f t h ep i p er o b o tf o rh o r i z o n t a lw e l lw e r ed o n e t h er e s u l to ft h et e s t s p r o v e dt h a tt h e d e s i g no ft h ep i p er o b o t sc o n t r o ls y s t e mw a sc o n e c ta n dt h ec i r c u i t r i e so ft h es y s t e m w a ss u c c e s s f u l ，i ta l s os h o w e dt h a tt h e s y s t e md y n a m i c sm o d e l sw e r er i g h ta n d c o n t r o l l a b l e k e yw o r d s ：i n - p i p er o b o t ，d y n a m i cm o d e l i n g ，h a r d w a r ec i r c u i td e s i g n 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1 国外主流产品的性能参数表9 表3 1 单向运动机构仿真参数表2 8 表4 1 伸缩机构仿真参数表3 4 表5 。1a d 7 5 2 4 输出电压与输入数据关系表5 1 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 螺旋推进管道机器人2 图1 2 轮式小管道移动机器人3 图1 3 仿蚯蚓式管道机器人3 图1 4 气囊驱动柔性微型驱动器3 图1 5 仿蚯蚓式气囊驱动管内机器人4 图1 6 气囊驱动管内机器人结构4 图1 7 气囊驱动管内机器人仿尺蠖运动方式4 图1 8 汽缸蠕动式移动机器人4 图1 9 叠层压电执行器微型管道机器人外形与原理5 图1 1 0 电磁驱动蠕动式移动机器人6 图1 “细小工业管道机器人6 图1 1 2s o n d e x 公司轮式直进管道机器人7 图1 1 3w e l l t e c 公司轮式直进管道机器人7 图1 1 4s m a r t t r a c t o r 公司伸缩式管道机器人8 图1 15s c h l u m b e r g e r 公司伸缩式管道机器人8 图2 1凸轮自锁原理1 l 图2 2 基于单向运动机构伸缩式管道机器人的运动原理1 2 图2 3 管道机器人系统的工作流程图1 3 图2 4 管道机器人机械结构组成框图1 4 图2 5 管道机器人整体结构设计模型1 4 图2 6 单向运动机构结构示意图15 图2 7 单向运动机构左向运动时凸轮状态示意图1 5 图2 8 伸缩机构1 6 图2 9 扶正器局部半剖视图1 6 图2 1 0 电磁离合器结构1 7 图3 1 单向运动机构简化模型1 9 图3 2 单向运动机构框图模型简图2 0 图3 3 无刷直流伺服电机框图模型2 l 图3 4 滚珠丝杠副2 1 图3 5 滚珠丝杠框图模型2 2 图3 6 凸轮轮廓曲线分析2 3 图3 7 凸轮受力分析2 4 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 8 凸轮框图模型2 5 图3 9 展开机构分析2 5 图3 1 0 展开机构几何关系框图模型2 6 图3 1 1 展开机构力学模型2 7 图3 1 2 单向运动机构动力学框图模型2 7 图3 1 3 凸轮压力与展开半径关系曲线2 9 图3 1 4 展开半径r 随时间变化曲线2 9 图3 1 5 单向运动机构系统零极点图3 0 图3 1 6 展开半径与电机电流关系曲线3 0 图4 1 伸缩机构结构示意图3 1 图4 2 管道机器人系统简化模型3 2 图4 3 伸缩机构滚珠丝杠框图模型3 3 图4 4 伸缩机构动力学框图模型3 3 图4 5 输出位移随时间变化曲线3 5 图4 6 开环系统b o d e 图3 5 图4 7 系统的零点极点图3 5 图4 8 理想方波电压输入与电机电流关系3 6 图4 9 增加延时过渡的电压输入与电机电流关系3 6 图5 1管道机器人控制系统硬件组成框图3 9 图5 2 开关稳压电源电路原理4 1 图5 3 单端反激式稳压电源电路原理4 2 图5 4d c d c 模块电路原理图。4 6 图5 5d c d c 模块电路实物图4 6 图5 6 i r 2 13 0 组成的三相驱动电路。4 7 图5 7电机驱动模块电路原理图4 8 图5 8 电机驱动模块电路实物图4 8 图5 9l t c l 7 9 9 应用电路5 0 图5 1 0a d 7 5 2 4 典型应用电路5 0 图5 11 控制模块电路原理图5 l 图5 1 2 控制模块电路实物图5 2 图5 1 3 离合器驱动电路原理图5 2 图5 1 4 离合器驱动电路实物图5 3 图6 1单向运动机构机电系统硬件设备5 4 图6 2电路安装支架5 5 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图6 3 单向运动机构调试试验平台5 5 图6 4 切换控制端电平变化图。5 6 图6 5 单向运动机构展开过程5 7 图6 6 伸缩机构调试试验设备5 8 图6 7 伸缩机构伸缩运动过程5 8 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期：少斫年，1 月杉日 l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：三堑叁涟 作者指导教师张岱。叁叠鳖 日期：灿彳年，f 月哆日 魄护7 月矽日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 课题来源：国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目“基于单向运动机构的 伸缩式微管道机器人”和“水平井测井配套技术研究”。 管道是物质和能源输送的重要工具之一，可以输送水、石油、煤气等气态、 液态甚至固态物质，被广泛应用于核电、煤气、石油、医疗等多个领域。为解决 各种管道的检测和维修问题，从2 0 世纪7 0 年代开始，发达国家就开始致力于研 制各种各样特殊用途的管道机器人。 石油管道系统是石油行业的血管，是整个石油行业的基础，水平井石油管道 的检测对于提高石油产量和采油效率具有重要的作用。水平井是指井身呈水平或 近似水平状态的井，包括井斜角大于6 5 。的大斜度井、井斜角近似等于9 0 。的水 平井和井斜角大于9 0 。的上翘井【l 】。水平井通过扩大油层泄油面积来提高油井产 量和开发效益。一口水平井成本约为竖直井的两倍，而产量可达竖直井3 5 倍， 因此水平井开发越来越受到各国的重视，发展迅速【2 h 5 1 。在我国，1 9 9 9 年全国水 平井总数仅2 9 3 口，到2 0 0 1 年底，仅胜利油田就投产水平井2 1 9 口，2 0 0 6 年国内 水平井数已达2 1 0 0 余口，近两年国内水平井的数量又以每年近千口的数量递增。 在这样的形势下，搞好水平井的开发和管理是油田稳产的关键所在，发展水平井 检测技术如井身检测、剩余油评价等显得尤为重要。 水平井特别是大位移水平井的发展对测井等井下作业及其配套仪器送进技术 提出了越来越高的要求。一些在直井中应用成熟的测井及其配套仪器送进技术在 水平井测井中面临诸多问题【6 】。采用水平井管道机器人测井具有施工简便、节省工 时、深度控制准确、测井过程中油井正常生产等优点。成为水平井监测最为经济 有效的输送工具和关键技术手段【7 】圳例。 水平井管道机器人技术集机械、电子、控制、油田探测等技术于一体，是一 项跨学科的重要技术，对其研究无论是在石油工业领域还是在国防工业领域、不 论在理论研究还是工程应用上都有很大的意义。 研究项目针对直径在1 2 0 1 8 0 m m 范围的水平井管道，研制出一种新型的基于 单向运动机构的伸缩式水平井管道机器人，具有小尺寸、大负载、模块化的特点， 并满足牵引速度不小于6 r n r n i n 、牵引力大小超过2 0 0 0 n 的设计指标要求。为了分 析伸缩式管道机器人的动力学特性和实现机器人的控制，本课题主要针对管道机 器人的单向运动机构和伸缩机构分别建立了动力学模型，并完成了管道机器人控 制系统的设计，最后对控制系统进行了调试试验，验证了动力学模型和控制系统 第1 页 防科学技术凡 研究生冼碗i 学位论主 1 2 课题相关研究技术的国内外发展现状 121 管道机器人移动机构研究现状 一个完整的只有门土驱动能力的管道机器人系统由移动机构、竹道内部环境 u 川1 j 榆测系统、信号传递和动力传输系统以及控制系统组成】。其移动方式则 卜要表现为轮式、蠕动式与惯性冲击式二种形式。 l 轮式管道机器人 比利时靠鲁塞尔自山大学研制的螺旋推进管道机器人m i 如图l1 所示，采 川月向节连接两部分， 部分山平行丁管道轴线运动的轮系驰动t 另一部分山于 牲动轮帽埘轴线略倾斜而作螺胜运动。所有轮均安装在悬挂系统f 以适成不同 竹杼和曲率。随身装备i u 池、光线装咒。研制r4 种机器人原“分别适用于 1 7 0 r a m 、7 0 r a m 、4 0 r a m 管径，型小的管道顽将电池和正线接收装骨裟在辨一个额 外的单元上。 削1 1 螺旋排进胥遵机器t 凡 日本学扦福1 1 1 敏男、细贝英夫1 9 8 6 年研制丁可以通过“l ”型尢圆弧过渡的 管内移动机器人i ”。如图l2 所示，该机器人行走帆构由可毗十日对回转的头部和本 体两部分组成。当机器人在 臀道内行走时水体七的电机m l 带础本体上的驰动 轮转动使机器人沿直管行走：当遇到9 0 。弯管时，电机m 2 驱动头部作姿态调 整。同时驱动头部履带q i 导机器人通过弯管。 第2m 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 2 轮式小管道移动机器人 轮式管道机器人的优点是移动速度快，机动性能良好，但是结构和控制相对 复杂，受摩擦力的限制而使牵引力比较小。 2 蠕动式 1 9 9 4 年日本东京工业大学的1 w a oh a y a s h i 等研制了一种仿蚯蚓式微型管内机 器人【1 4 】。该机器人为气囊驱动，可以模仿蚯蚓运动，如图1 3 所示，该机器人包括 三个驱动单元，每个单元由一个柔性微型驱动器和四个铰链结构组成，通过主体 分段的产生轴向的伸缩运动来实现移动，如图1 4 所示，柔性微型驱动器铝制圆盘 四周等距安装4 个铰链机构，铰链机构中具有支撑腿，当柔性微型驱动器受到气 压作用膨胀伸长时，会带动铰链机构膨胀而使支撑腿压紧于管壁上。该机器人主 体直径为2 5 m m ，长度8 5 m m ，在管道中的移动速度为2 2 m m s 。 图1 3仿蚯蚓式管道机器人图1 4 气囊驱动柔性微型驱动器 1 9 9 5 年美国加州理工大学的a b s l a t 虹n 等研制了一种仿蚯蚓运动式的管内机 器人【1 5 】。该系统以压缩气体为动力源，驱动器采用橡胶气囊，并分为伸缩驱动器 和夹紧驱动器。夹紧驱动器如气球状，可沿管道径向膨胀并贴紧倡导内壁给系统 提供支撑力；伸缩驱动器位于夹紧驱动器之间，可以沿管道轴向交替伸缩使得机 器人如蚯蚓般运动，其系统结构如图1 5 所示。 第3 页 童翅趣 ，j l i伽f洳t删 - _ lll 国防科学技术人学研究生院硕+ 学位论文 图l5 仿蚯蚓式气囊驱动管内机器人 1 9 9 6 年意大利的pd a r i o 等和比利时l e u v e n 大学的j p e i r s 等合作研发了一种 仿尺蠖式具有自推进能力的内窥镜系统【l 。浚系统南机器人本体、控制系统和微 型检测及操作手三部分组成。系统的奉体运动部分为三个气囊驱动器，其中一个 气囊驱动器产生轴向伸缩运动以推进机器人，另外两个气囊驱动器径向膨胀使得 机器人与肠道央紧以产生摩擦力，系统驱动气体、检查及控制信号均通过管形线 缆与外部系统相连，其结构及运动方式如图l6 和图17 所示。谈系统整体直径为 1 8 m m ，运动为仿尺蠖运动，收缩时长5 0 m m ，伸长时为8 0 m m 。 ”芝幸r 瑁糙 垂、勖! 爿瞄：嘭磊二? 言。二 二：匿1糊。3 2 6 4 5 2 c ： 酗i8 汽缸蠕动式移动机器人 蠕动式管道机器人的特点足结构巧妙，体积小、质量轻，尤其适合微管道的 旃4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 应用，不足之娃是移动速度慢，牵引力也受管壁摩擦力的限制。 3 惯性冲击式 e l 本n i p p o n d e n s oc ol t d 公司的研究实验室开发了一种叠层压电执行器微型 管道机器人。8 h ，如图1 9 所示。机器人的直径仅为55 m m ，自重l g ，适用于 8 m m 管径( 包括弯管) ，移动速度为1 0 m m j s 。它由6 0 u m 厚的薄板金属基体、两 个涡流传感器检测管壁缺陷、运动机构( 三个u 形弹簧夹紧单元弹性贴紧管壁， 一个叠层压电执行器，一个质量块) 和散热片四部分组成，采用压电晶体作微驱 动器。压电微驱动器的工作原理是采用压电材料的压电效应，它具有体积小、动 态响应频率宽和速度快的优点。驱动器的不足是输出位移小，输入与输出具有滞 回非线性特征，但利用其动态响应快、力输出大的突出特点实现微管道机器人的 冲击式行走。 馨越 鼙潼 翟墓 闰1 9 叠层压电执行器微型管道机器人外形与原理 上海大学研制出了电磁驱动的腿足式管内移动微小机器人【”2 3 1 。图1 ，l o 所示 为微机器人的移动示意图。其主要部件为：与芯柱衔铁m 3 相连的配重块m l 和电 磁铁本体m 2 ，前后两组支撑脚，以及位于m 1 与m 2 之间的螺旋弹簧。支撑脚均 匀分布在机器人的外缘，并与管壁呈一定夹角布置。电磁铁受激振动时，电磁吸 引力与弹簧力相互作用，产生往复变形并借助支撑脚与管壁的摩擦，促使微小机 器人沿管壁移动。最初电磁线圈失电时( 图1 1 0 a ) ，电磁吸力凡为0 ，m l 与m 2 之间距离最大当对电磁铁通电时( 图l1 0 b ) ，f d 作用于芯柱衔铁，f d 大于m 2 所 受的弹簧力只和摩擦阻力f 2 ，m 2 向左移动；电磁铁失电后( 图1 1 0 e ) ，e 大于 m 1 所受的摩擦阻力，l ，m 1 向左移动，从而整个微机器人向左移动了一步。其 尺寸为。1 5 x 3 0 m m ，可实现2 0 m m 管道内裂纹和缺陷的移动探测。水平方向管道 内的移动速度达到53 84 m m s ，垂直方向的移动速度达到4 1 66 m m s 。 惯性冲击式管道机器人特点是利用质量块的惯性力驱动机器人前进，移动速 度快，但是驱动力仍然受到管壁摩擦力的限制。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 0 电磁驱动蠕动式移动机器人图1 1 1 细小工业管道机器人 除了上述典型机器人结构外，国内还有许多管道机器人的研究成果。如上海 大学研究人员对一种基于气动蠕动移动机构进行了研列2 4 1 ，结构如图1 1 1 所示。 西北工业大学研制出了在电致伸缩陶瓷致动条件下、借助电流变技术实现蠕动的 微小机器人【2 5 1 。此外，清华大学特种机器人研究小组、上海交通大学、广东工业 大学等先后开展了电致伸缩驱动和电磁驱动等小型蠕动型管道机器人研究。 总结上述机器人结构特点可以发现，采用轮式直进或轮式螺旋推进方式的管 道机器人必须利用驱动轮与管道壁之间的摩擦力来推动机器人前进或后退，摩擦 力的大小直接决定驱动力的大小，受到结构和动力源的约束，机器人所能提供的 牵引力非常有限。多数伸缩式管道机器人也主要利用支撑模块与管道壁之间的摩 擦力来驱动伸缩模块，牵引力也受到支撑模块张力的制约。采用压电等新型驱动 方式的微管道机器人牵引力普遍较小。 1 2 2 水平井管道机器人发展及研究现状 随着水平井数量的增加以及对水平井开发的高采收率综合效益的认识，国内 外都开始了水平井管道机器人的研究。水平井管道机器人依靠自身带有的机电液 系统提供动力，具有长度小、质量轻、运输方便、操作简单，输送准确等优点。 它的出现大大降低了井下作业成本【2 6 1 。水平井管道机器人根据其驱动方式的不同 又分为伸缩( 爬行) 式水平井管道机器人、轮式水平井管道机器人、高压射流反冲式 水平井管道机器人和螺旋桨推进式水平井管道机器人【2 6 】。水平井管道机器人技术 在国外发展较早，2 0 世纪9 0 年代后期，国外许多公司相继开发了能够在井下独立 作业的水平井管道机器人，目前已经有了商品化的产品，在众多产品中，以s t a t o i l 、 m a r i t i m ew a l ls e r v i c e ( m w s ) 和w e l l t e c3 家公司联合开发的轮式水平井管道机器 人、s m a r t r a c t 公司的伸缩式水平井管道机器人和s o n d e x 有限公司的轮式水平井 管道机器人最为突出。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 s o n d e x 公司的产品是电动机驱动的转动轮式管道机器人口”，如图1 1 2 所示。 s o n d c x 管道机器人采用模块化设计，由驱动模块和扶正模块组成，可自由选配， 标准配置为两组4 轮，一个电动机同时驱动两组驱动轮的转动，另一电动机驱动 两组驱动轮的张开和收合。是目前唯一采用电动机和机械传动机构来控制驱动拖 拉器的设计。国内仅有大庆油田测试技术服务分公司引进的s o n d e x 管道机器人， 2 0 0 3 年在塔里木油开；i 成功地录取了第一口水平井生产测井资料唧j 。 图11 2 s o n d e x 公司轮式直进管道机器人 如图1 1 3 所示为w e l l t e c 公司生产的液压泵驱动转动轮式管道机器人口9 1 ，该 系统驱动结构标准配置为3 组1 2 轮，结构紧凑，牵引力3 6 3 k g ，平均运动速度达 到8 1 8 m h ，于1 9 9 6 年试验成功并在北海等地投入使用。1 9 9 9 年，在阿曼的l e k h w a i r 油田首次用该管道机器人进行了长为l t i f f o m 韵测井作业。2 0 0 0 年，在裸眼井段达 4 0 0 0 m 的井下也成功使用了轮式水平井管道机器人 3 0 h ”i 。 i 标准电缆接头；2 牵引部分；3 一补偿部分；4 测井仪器联接： 5 - 动力部分：6 电动机：7 控制系统；8 测井电缆 图l1 3w e l i t c c 公司轮式直进管道机器人 s m a r t r a c t 伸缩式水平井管道机器人口目是s m a rt r a c t 公司于2 0 0 0 年推出的一 种伸缩式水平井管道机器人咖图11 4 所示1 0 该水平井管道机器人具有轻巧、牵引 力大，对动力源功率需求小、地面设备紧凑、易于运输等优点，抓紧式的爬行方 法有选择的与管壁问距接触，管内越障能力强；双方向( 推拉) 驱动方式对接卡和 长水平段起收电缆更具优势，代表了最先进的拖拉器的类型之一。它先后在加拿 大和墨西哥湾进行了泖l 井作业，不借助其他设备，其牵引距离接近1 2 1 9 2 m f 3 6 】【州。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学竹论文 翻l1 4s m a r t t r a c t o r 公司伸缩式瞥道机器人 s c h l u m b e r g e r 管道机器人是一种采用机电液驱动的伸缩式管道机器人【“i ，如 图115 所示，包括两个支撑臂和伸缩机构，其结构特点：】) 采用二爪臂，能自动 定心，撑紧内肇；2 ) 采用独特的抓靠臂结构，三点离散与管擘结合；该系统外径 为5 4 m m ，k 度98 m ，速度为6 7 i m h ，牵引力大小为4 4 5 k g 。 圈11 5s e h l u m b e r g e r 公司伸缩式管道机器人 o m e g a 公司管道机器人口q ( 如图11 6 所示) 同样采用张丌或收合的抓靠臂交 替撑在管壁e 的方式，不同之处：1 ) 通过仪器主体伸长( 缩短) 来实现两组抓靠臂 行进；2 ) 动力源非电力，而是地面柬的缆线提供的拉力。当缆线拉拖 t 器头部， 上抓靠臂撑在管壁上处于静止，仪器主体伸长，f 抓靠臂向前移动行程；缆线 松弛，下抓靠臂抓住井壁，仪器主体缩短，上抓靠臂向前移动行程。系统采用 纯机械结构，将不会受到电力或电子组件损坏的影响，可靠性高，足设计的独到 之处。该管道机器人长度为3 m ，外径较大为8 4 m m ，牵引力小，只有1 8 2 k g 。 图11 6 0 m e g a 公司伸缩式管道机器人 以上管道机器人已商品化，除各自公司应月j 外，一些石油公司如s t a t o i l ， o i l d a t a 、m a r i t i m e w e l ls e r v i c e 等公司也应用管道机器人进行水平井服务。因为与 挠性管传输方法相比，管道机器人更能节省时间、作业费用，是水平井虽为经济 的f 井输送工具，也是近十余年迅速发展的新技术具有更大的市场。 国内方面，以应用研究为主，哈尔滨工业大学埘管道机器人头部张力测控系 统和井下远程载波通讯技术进行了设计与研究。国内水平井测井技术尚处于初级 阶段，水平井管道机器人技术运异j 还不是很成熟，测井市场青较大的发展空m 。 第8 页 雠0 一 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表1 1 为国外主流管道机器人产品的性能参数。 表1 1 国外主流产品的性能参数表 公司名称 运动方式驱动方式外径 长度速度牵引力 w e l l t e e轮式电液驱动5 4 m m 8 0 m m5 8 m8 1 8 m h 3 6 3 k g 5 4 5 k g s o n d e x 轮式电机驱动 5 4 m m7 4 m5 4 0 m h 2 7 3 k g s c h l u m b e r g e r 伸缩式电液驱动 5 4 r n m9 8 m6 7 l m l l 4 4 5 k g s m a r t r a c t 伸缩式电液驱动 5 4 m ml o m5 4 9 m h 4 5 4 k g o m e g a 伸缩式纯机械驱动8 4 m m3 m3 5 5 m h 1 8 2 k g 总结国外水平井管道机器人的特点可以发现，轮式水平井管道机器人的牵引 力仍受滑动摩擦力的限制，且机械结构相对复杂，在管径变化的管道中控制操作 也相对复杂；采用电液驱动的伸缩式水平井管道机器人牵引力大，机械结构相对 简单，可靠性高，但是机身较长；纯机械驱动的伸缩式水平井管道机器人结构精 巧，可靠性高，但是驱动能力和移动速度比较低。 1 3 本文主要研究内容 通过对国内外现有的管道机器人和牵引器的分析和比较，吸收借鉴各种方案 的优点，提出一种基于单向运动机构的伸缩式水平井管道机器人的方案，该方案 综合水平井牵引器技术和伸缩式微管道机器人技术，采用独特的单向运动机构提 供推进力，具有结构简单、大牵引力、安全可靠等优点。课题的前期已经完成了 原理验证，机械设计、加工制造和模块装配等工作【删。本文主要任务是对伸缩式 水平井管道机器人的核心组成部件单向运动机构和伸缩机构进行动力学分析 与计算，分别建立了单向运动机构和伸缩机构的完整动力学模型，仿真分析模型 的动态特性，为管道机器人结构优化和控制策略的研究奠定基础，并在此基础上， 设计并实现了水平井管道机器人的控制系统。全文主要研究内容如下： 第一章介绍课题的来源、研究背景及意义，并对伸缩式微管道机器人和水平 井牵引器国内外研究现状进行阐述。 第二章介绍基于单向运动机构的伸缩式水平井管道机器人概况。具体介绍管 道机器人单向运动和推进的原理、机械系统的组成，并对单向运动机构和伸缩机 构等关键模块进行详细介绍，为动力学模型的建立奠定基础。 第三章对单向运动机构的展开机构和锁止凸轮进行分析计算，建立从伺服电 机到凸轮的单向运动机构完整动力学模型，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境下对得到的 框图模型进行仿真，为单向运动机构的机械结构优化和控制系统设计提供一定依 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 据。 第四章分析了伸缩机构简化模型与管道机器人整机系统简化模型的等效