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本科毕业设计（论文）开题报告

题 目： 细管小型机器人驱动机构

和控制系统设计

学生姓名： 何 飞 院 （系）： 机械工程学院 专业班级： 机械0702 指导教师： 刘雁蜀 完成时间： 2011 年 6 月 5 日

细管小型机器人驱动机构和控制系统设计开题报告

1.课题意义

工业管道系统已广泛应用于冶金、石油、化工及城市水暖供应等领域, 因其工作环境非常恶劣, 容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部潜在缺陷发展成破损而引起泄漏事故等. 有毒有害、易燃易爆物品在失控状态下向大气泄漏、排放造成的危害是事故风险评价的重要指标. 燃气管道(包括地下输油、输水管道) 长期使用后, 由于管内、管外介质的腐蚀, 造成管壁减薄甚至出现裂纹和漏孔, 导致燃气的泄漏、爆炸等事故, 严重影响正常的生产生活秩序. 因此, 必须定期地对这些管道进行检修和维护. 然而管道所处的环境往往是人力所限或人手不及, 检修难度很大, 故通常对重要和不允许泄漏的管道采用定期或提前报废的办法, 从而造成了巨大人力和物力损失;另一方面, 燃气中的杂质在管道中沉积, 造成燃气管道堵塞, 从而影响燃气输配和应用系统的正常运行.目前关于地下输送管道的质检, 常采用工程量十分巨大的“开挖”抽检方法, 由于随机抽样法经常出现漏检, 因而准确率低, 效果并不理想, 不但劳动强度大、效益低, 而且往往会妨碍道路交通. 因此燃气管道管内探测是一项十分重要的实用化工程, 关系到燃气的安全、合理地应用和管理。

为解决这一问题，针对特定的环境要求，有学者研制了相应类型的管道机器人，其主要分管外与管内两种，以代替人工进行作业。显然，机器人的移动性能与环境适应能力是完成任务的关键。

管道机器人是一种可沿管道内壁行走的机械，可以携带一种或多种传感器及操作装置(如CCD摄像机、位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道裂纹及管道接门焊接装置、防腐喷涂装咒、简单的操作机械手等)，在操作人员的控制下进行一系列的管道检测维修作业。

2.国内外研究现状

早在二十世纪五六十年代，随着以油气管道为代表的大口径管道敷设工程的迅速发展，管道运行事故频繁发生，引起了人们对管道检测和维护的高度重视。二十世纪七十年代，核工业等部门的管道和锥状容器的维护及检测需求刺激了管道机器人技术的研究和发展，同时，石油、天然气工业的发展也为其提供了广阔的应用背景。

2.1．国外管道机器人技术研究现状

从20世纪50年代起,为满足长距离管道运输、检测的需要,美、英、法等国相继展开了管道机器人的研究, 其最初成果就是一种无动力的管内检测设备, 一般译名称“管道猪” ( Pipe Pig) [ 3 ] 。该设备依靠其首尾两端管内流体形成的压力为驱动力, 随着管内流体的流动向前运动。它是一种被动的无自主动力的检测设备, 依靠外力的作用而实现在管道中移动。随着计算机、传感器、控制理论及技术的发展, 近些年来, 人们开始研究采用具有自主动力的机器人来进行管道检测。这种管道机器人能在管道中自主行走, 可以准确接近管道的故障截面, 获得故障状况的可靠信息, 精确到达操作位置。

日本东京工业大学航空机械系Shigeo Hirose和Hidetaka Ohno等人于1993年开始研究管道检测机器人.成功研制出能适应Φ150m m管道的Thes—Ⅲ型管道

检侧机器人。

美国纽约煤气集团公司(NYGAS)的Daphne Dp Zurko和卡内基梅隆大学机器人技术学院的Hagen Schempf博士在美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的资助下于2001年开发了长距离、无缆方式的管道机器人系统—EXLORER，专门用于检测地下煤气管道的情况。

德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。德国学者Bernhard Klaassen、Hermann Streich和Frank Kirchner等人在德国教育部的资助下于2000年研制成功了多关节蟠虫式管道检测机器人系统MAKRO德国Institute for Applied Mechanics Technical University of Munich的Dipl.-Ing.Andreas Zagler开发了管道爬行机器人。

综上所述，目前美国、德国和日本等国家的管道机器人技术处于世界领先地位，并且结合实际需要，注重产品的开发和应用，使得管道机器人的应用得到了推广。

2.2. 国内管道机器人研究现状

国内对管道机器人的研究己有20余年的历史。与西方发达国家相比，起步较晚，哈尔滨工业大学、上海交通大学、大庆石油管理局、中原油田及胜利油田等先后参与了这方面的研究工作。国内的管道在线检测技术大部分也应用了“管道猪”。近些年来, 我国也开始对带自主动力的机器人进行研究，取得了快速的发展。尤其是哈尔滨工业大学机器人研究所，在开展大中口径工程用管道机器人技术研究中处于领先地位。

哈尔滨工业大学邓宗全等人于1987年起就对管内行走机构进行了较深入的研究，并研制了“螺旋驱动式管内移动机器人”实验样机和平面四点支撑的“RIP-R型管内移动机器人”实验样机。此后，又结合国家863计划“管内作业机器人产业化开发”项目研制了“Φ89mm管内补口作业机器人”和“Φ660mm野外大直径管道X射线探伤机器人”，其中“d660mm野外大直径管道X射线探伤机器人”已在国家重点工程“峡一京”天然气管线工程中得到实际应用。其研制的六轮独立驱动式管内移动机器人。

哈尔滨工业大学于2007年研制了一种由单电机输入，同时带动周向的多个驱动轮转动，而且每个驱动轮转速可以由周围环境决定的驱动系统，即具有机械差速功能的驱动系统—三轴差动式机械自适应驱动单元。

国防科技大学于2006年研制了“微小型螺旋推进管道机器人”， 上海大学研制的“细小工业管道机器人移动探测器集成系统”，该系统可实现Φ20mm管道内裂纹和缺陷的移动探测。其中螺旋轮移动机构管道机器人适应管径Φ38mm，水平行走平均速度4mm/s，最大牵引力4N左右。

哈尔滨理工大学于2005年研制了一款炮膛检测机器人，如图}.1所示，该机器人通过电机一蜗杆一蜗轮的传动方式，在步进电机的带动下平滑前进，而且还具有自动定心功能，能够侧量的炮管口径范围是Φ100mm-Φ203mm。

总之，近几年我国的管道机器人技术研究已取得了很多成果，在驱动方式和机器人各种性能的研究上都己取得了一定成果，随着机器人技术的发展，管道机器人的应用将日益广泛。

目前, 国内外已研制出多种类型的管道机器人, 它们依据行走方式可分为轮式行走管道机器人、履带式行走管道机器人、螺旋轮式行走管道机器人、胀闸2活塞式行走管道机器人、多脚式行走管道机器人, 它们分别适应不同的管道和

不同的工作需求。目前, 应用在石油工业管道中的机器人大致可以分为3类: ①油气输送管道机器人; ②油气井机器人; ③油田与石化企业中各种管道机器人。

3.毕业设计（论文）的主要内容

1.机器人驱动机构的工作原理分析。

根据运动机理和驱动方式的不同，主动运动方式主要包括轮式、履带式、多足式和蠕动式等主要方式。由于管道口径较小，不宜采用履带式运动方式，且考虑移动机构的拖动力，不宜采用多足式和蠕动式行走方式，因此，管道机器人采用轮式行走方式。

对于本文管道机器人需要设计管径适应调整机构，其主要作用有：在管道中能张开或收缩，使机器人能方便的进出管道；可以提供附加正压力增加机器人的驱动轮与管道内壁间的压力，改善机器人的牵引性能。对于预紧收缩机构主要有弹簧预紧机构、蜗杆蜗轮预紧机构、升降机预紧机构和丝杠螺母副预紧机构，其 示意图如下：

（a）蜗轮蜗杆预紧支撑机构示意图

（b）升降机预紧支撑机构示意图

（c）丝杠螺母预紧支撑机构示意图

（d）弹簧预紧支撑机构示意图

综合考虑以上预紧机构的优缺点和任务要求的限制，本文设计了一种可调的预紧机构，示意图如下：

考虑移动机构对管内机器人的重要性，分析适合于管内环境的机器人管内运动方式，研究其运动机理和特点，是研究管内机器人必须首先考虑的一个问题。本章通过对常见的四种管内运动方式的运动机理和优缺点进行了分析，最终选择了适合管内环境的轮式行走方式，并采用了单电机全驱动可调节的轮式移动机构。该机构具有结构紧凑能够提供较大的拖动力。

本章最后对管内机器人的控制系统进行了设计控制功能模块采用上下位机的总体设计思路，上位机采用工控机，下位机以控制器为核心。管内机器人可搭载多种检测元件，下位机通过串口与上位机进行通讯，对采集到的数据进行分析，从而全面实现管内监测和维护作业。

2.机器人驱动机构总体方案设计及整体总装配图设计。 3.机器人驱动机构主要零部件设计。 4.设计驱动控制系统。

4.采用方法、手段及步骤

工程应用中的管内机器人首先承担移动载体的作用。特别在小管径应用中，移动灵活、输出驱动力大是机器人完成任务的基本前提。考虑管径为Φ80mm的