摘 要

为了解决在对管道系统的检测与维护上存在的工作量庞大、耗时长久、效率低下等实际存在且严重的问题。在充分研究国内外管道机器人的发展与应用现状的基础上，本文提出并设计了一种可自主变径的管道机器人。通过对机器人变径机构的合理设计，该管道机器人可在一定范围内实现自主改变撑开截面直径以适应不同大小的管道设施，同时从多个方面对其功能及结构上的可行性进行了计算与分析，最后利用动力学分析软件solidworks motion对所设计的管道机器人进行了仿真模拟以及动力学分析。通过不断地修正与完善，实验所得到的最终结果满足实际工作需求。

关键词：管道机器人；运动仿真;变径机构；管道检测

Abstract

In order to solve the problems that exist in the inspection and maintenance of the pipeline system, such as huge workload, long time-consuming, low efficiency, etc., exist and serious problems. On the basis of fully researching the development and application status of pipeline robots at home and abroad, this paper proposes and designs a kind of pipeline robot with variable diameter. Through the rational design of the robot's variable diameter mechanism, the pipeline robot can independently change the diameter of the open section to adapt to different sizes of pipeline facilities within a certain range. At the same time, its function and structural feasibility are calculated from multiple aspects.Finally, the SolidWorks motion dynamic analysis software was used to simulate and analyze the designed pipeline robot. Through continuous revision and improvement, the final results obtained by the experiment meet the actual work requirements.

Key words: Pipeline robot; SolidWorks motion simulation; variable diameter mechanism; pipeline inspection

目录

第一章 绪论 1

1.1管道机器人的研究背景及意义 1

1.2国内外管道机器人的研究现状 1

1.2.1管道机器人在国内的发展 1

1.2.2管道机器人在国外的发展 3

1.3管道机器人的发展趋势 3

1.4本课题研究的内容与要求 4

第二章 管道机器人总体方案设计 5

2.1引言 5

2.2设计中需要解决的关键问题 5

2.3管道机器人总体结构的设计和比较 7

2.3.1管道机器人的机械部分总体设计 7

2.3.2行走机构的总体设计与比较 7

2.3.3变径撑开机构的总体设计与比较 9

第三章 移动部件的设计计算 11

3.1行走机构的设计计算 11

3.1.1行走机构驱动电机的功率计算 11

3.1.2行走机构机械结构的设计计算 12

3.2变径撑开机构的设计计算 13

第四章 管道机器人控制系统设计 15

4.1管道机器人控制过程及组成模块 15

4.2主控芯片的选择 16

4.3电机控制技术 17

4.3.1电机控制原理 17

4.3.2电机控制方法 18

4.4控制系统中的电路设计 18

4.4.1时钟电路及复位电路的设计 19

4.4.2电源模块电路设计 19

4.4.3串口通讯模块电路 20

第五章 运动仿真分析 21

5.1管道机器人变径过程的仿真设计 21

5.2运动过程的实现及仿真 22

总结 24

参考文献 25

致谢 26

1. 绪论

1.1管道机器人的研究背景及意义

随着全社会生产生活的不断发展与进步，管道作为物料运输当中的一种重要工具，其在居民生活与工业生产中运用的场所也随之变得越来越多、越来越普遍。到“十二五”末期，我国城镇燃气普及率将分别达到94%和65%以上，而我国城镇燃气管道总长将达60万km[^[1]]。除此之外的各种城市生活管道线路可以说是四通八达。但与此同时也带来了的如，腐蚀、生锈、泄露等各种管道问题，由于管道大小、形状等客观实际因素的限制使得对管道内部的检测任务也变得十分困难。但如果不能够定期且及时的对运输管道进行系统的检测、清理及维修就很有可能会导致发生严重的灾害事故，造成极大的不必要的损失。此外，对于管道的监测与维护，像实地挖掘勘测、随机抽样检测这些传统的方法存在着工作量庞大、耗时太长等严重缺陷。整个市场迫切的需要一种更为智能高效的管道检测方法。当下，科学技术水平的突飞猛进，各类可以减少人工且提高效率的机器人应运而生。在全社会科技水平高速发展的大环境下管道机器人的研究与应用也得到了极大的发展，目前管道机器人的研究与应用在国外已经是开始了相当长的一段时间，对于机器人的结构研究、功能开发、性能优化等技术也是越来越成熟。但相较于国外管道机器人的的发展状况，目前国内的发展状况则显得较为落后，总体上处于由起步阶段向高速发展阶段大步迈进的过程之中，具有广阔的市场前。毫无疑问相对于传统的人工检测方法来说，管道机器人运用于解决实际管道问题将会具有很突出的、无可比拟的优势。在计算系统的支持下，管道机器人可以独立的进行采样、拍摄、检测、清理等工作任务。

针对我国城市管道运输系统的结构特点，设计研发可普遍运用于管道系统检测与维护的管道机器人具有很重要的实际意义，是生产生活的迫切需要也是整个市场环境的大势所趋。本文从基础的机械结构出发，设计了一款可以实现自主变径的管道机器人，从结构上可大致分为机械系统和控制系统。通过对变径机构的合理设计，管道机器人可在一定范围内自主适应管道系统的管径变化，提高了管道机器人对多变的工作环境的适应性，可以很好的服务于对城市管道系统的检测与维护。全文着重从机械结构、运动控制、运动仿真三个方面展开介绍管道机器人的设计与实现过程，最终成果满足市场的实际需求，具有较高的现实意义。

1.2国内外管道机器人的研究现状