螺旋轮式管道机器人毕业论文

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中文摘要 ···················································································································· Ⅰ 英文摘要 ···················································································································· Ⅱ

1 绪论 ................................................................................................................................... 1

1.1 课题的背景与意义 ............................................................................................... 1 1.2 机器人的发展现状及趋势 ................................................................................... 1

1.2.1 国内外管道微型机器人的发展近况 ....................................................... 2 1.2.2 商业领域的管道机器人 ........................................................................... 6 1.3 本课题的设计任务 ............................................................................................... 8 1.4 论文的主要内容 ................................................................................................... 8 2 螺旋轮式管道机器人的总体方案设计 ......................................................................... 11

2.1 机器人管内运动方式对比分析 ......................................................................... 11

2.1.1 轮式 ......................................................................................................... 11 2.1.2 蠕动式 ....................................................................................................... 12 2.2 螺旋轮式管道机器人的运动机理 ...................................................................... 14

2.2.1 机构的原理 ............................................................................................. 14 2.2.2 机器人设计要点 ..................................................................................... 15

3 管道机器人行走机构的分析与设计 ............................................................................. 16

3.1 旋转轮的结构设计 ............................................................................................. 16

3.1.1 机构运动受力分析 ................................................................................. 16 3.1.2 运动自由度分析 ..................................................................................... 18 3.1.3 电机的选择 ............................................................................................. 18 3.2 电机连接轴的设计 ............................................................................................. 19 3.3 弹簧的设计与选择 ............................................................................................. 21 3.4 支撑轮和电机的固定方案 .................................................................................. 22 3.5 探测头的定位方案 ............................................................................................. 23 4 管道机器人在管中运动通过性分析 ............................................................................. 24

4.1 管道环境对机器人的几何约束 ......................................................................... 24 5 监视控制系统 ................................................................................................................. 26

5.1 探测头的选择 ................................................................................................... 26 5.2 检测系统 .............................................................................................................. 26 5.3 单片机控制系统 .................................................................................................. 27 5.4 控制程序 ...................................................................................................................... 28

5.4.1 H桥式驱动电路( H- bridged power amplifier) ........................................ 28 5.4.2 机器人与主控计算机的通讯 ( The com-munication between the robot and master computer) .......................................................................................... 29

6 行程的计算 ..................................................................................................................... 31 7 应用前景 ......................................................................................................................... 32

参考文献 .................................................................................................................. 33

管道机器人的设计与仿真

摘 要

管道是人们日常生产生活中常用的一种运输工具，石油的运输、城市中废水和废气的排放，城镇集体供暖中暖气的输送和空调的通风等等，都需要用到管道。但管道并不能永久的保持有效性，如管道会出现老化、堵塞、破裂和附着细菌等现象，这就需要对管道进行检测、探伤与定位。有时由于管道结构的特殊性，使人们对管道破损进行检测与定位非常困难，最有效的方式就是利用管道机器人进入管道执行任务。所以管道机器人研制的根本意义在于：可以实现管道的无损维护、内窥检测及破损定位等工作，提高管道检测和清理的效率。

本文综合分析了国内外油气管道机器人近年来的发展情况, 特别对油气输送管道、油气井和油田与石化企业中的各种管道机器人进行了分析, 设计了一种螺旋轮式管道机器人，并详细说明了机器人的工作原理、结构特点及发展过程。最后结合我国石油工业发展的具体情况, 给出了管道机器人在油气输送管道、油气井及其他管道中的应用前景。

关键词： 管道/检测/机器人/变径

I

Spiral Roller Pipeline Robot Mechanism

Design And Simulation Analysis

ABSTRACT

The pipeline is a common means of transport in the people daily life, oil transportation, city waste water and exhaust emission of urban, collective heating heating transmission and air conditioning ventilation etc, require the use of pipeline. But the pipes are not permanently maintain effectiveness, such as pipeline will appear aging, jam, rupture and attachment of bacteria and other phenomena, it is necessary to detect, detection and location of pipeline. Sometimes because of the special structure of the pipeline, so that the piping detection and location is very difficult, the most effective way is to use the pipeline robot into the pipeline to perform a task. So design the pipe robot for fundamental significance lies in : it can realize pipeline non-destructive maintenance, endoscopic detection and localization of damage and so on, improving the pipeline detection and cleaning efficiency.

This paper analyzes the domestic and international oil and gas pipeline robot about the development in recent years, especially for oil and gas pipelines, oil and gas and oil and petrochemical companies in a variety of in pipe robot are analyzed, Design of a spiral roller pipeline robot, and a detailed description of the robot's working principle, structure characteristics and development process. Finally, combined with the development of industry of our country oil situation, gives the robot for pipeline in oil and gas pipelines, oil and gas and other pipeline application prospect.

KEYWORDS pipe, testing, robot, variable diameter

II

1 绪论

1.1 课题的背景与意义

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。工业管道的工作环境非常恶劣，容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部潜在的缺陷发展成破损而引起泄漏事故等，因此管道的监测、诊断、清理和维护就成为保障管道系统安全、畅通和高效运营的关键，管道的探查也就成了管道无损检测技术应用、发展的重要方向之一。然而管道所处的环境往往受人力或人手不及所限，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。目前关于地下管道的质检，常采用工程量十分巨大的“开挖”抽检方法，但劳动强度大、效益低，而且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。并且往往会妨碍道路交通。因此开发适应在管道这一特殊环境下工作的特种管道机器人，使人脱离危险作业的生产第一线，减轻人的劳动强度，提高生产效率，减少不必要的损失是机器人发展的一个必然方向。我国油气管道大多是在6 0 ~7 0年代建设的，迄今仅在役时间近 3 0年、处于中老龄期和事故多发性阶段的长输管线已逾1.7万k m，正面临着道进入中老龄期，处于事故多发阶段，油气管道的检测和评价的需求已日趋迫切。

在核工业、石油天然气、军事装备等领域中，管道作为一种有效的物料输送手段而得到广泛应用，为了提高管道寿命，防止泄漏等事故的发生，管道机器人作为高效准确的故障诊断、检测及维修手段应运而生，广泛地应用于管道的探伤、补口、维修、焊接等诸多领域。

1.2 机器人的发展现状及趋势

工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和1/44信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会

1

(IFR)的统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10％左右。2004年增长率达到创记录的20％。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%。

1.2.1 国内外管道微型机器人的发展近况

自驱动管内机器人包括图1-1所示的轮式、脚式、爬行式、蠕动式，还包括履带式等。

轮式（自驱动） 爬行式（自驱动）

蠕动式（自驱动） 脚式（自驱动）

利用管内流体压力 通过弹性杆加推力

图1-1管道机器人的基本形式

1.2.1.1 轮式

日本学者福田敏男、 细贝英夫在1986年研制了可以通过“L”无圆弧过渡的管内移动机器人。该机器人行走机构分别由头部和本体两部分组成，头部和本体可相对回转。当机器人在直管内行走时，本体上的电动机M1通过减速装置带动本体上的驱动轮转动，使机器人沿直管行走。当通过90度弯管时，电动机M2驱动头部做姿态调

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也对电机起过载保护的作用。 （2）柔性保持机构

为满足管道机器人“形封闭、力封闭”的设计要求，设计了柔性保持机构。其中保持轮轴线始终与管壁母线保持垂直，工作时，保持轮沿管壁滚动。当机器人在不同直径的管道内运动时，压簧的伸长和缩短带动滑块上下滑动，并通过连杆机构的作用，保持轮将始终贴紧管壁，达到“适应不同管径”的目的。这样机器人在管内运动时，其中心线基本与管道的中心线保持一致，保证各单元与管壁的夹角在稳定运动的范围内。

1.3 本课题的设计任务

本次设计的任务是设计一个螺旋轮式管道机器人，要求机器人可以在管道内实现前进、后退、按一定曲率半径回转动作，能高效地完成管道内的探伤和定位工作。具体设计内容为：

（1）了解螺旋轮式管道机器人的基本构成及工作原理，熟悉其设计、生产的基本知识。

（2）进行螺旋轮式管道机器人的总体方案设计及其零部件设计。 （3）设计原始参数：

1）机器人可以在管道内实现前进、后退、按一定的曲率半径回转向动作。 2）机器人的适应管径146-164mm 3）机器人的运动速度为16r/min 4）可以实现竖直管的前进后退。

1.4 论文的主要内容

(1)方案的确定：考虑课题所要求的变径需要，拟订几个可行的变径方案，并对每个方案进行可行性分析。最终，经过方案比较和各方面的综合考虑，确定最佳方案。

(2)材料的选择：为了使管道机器人在管道内更加灵活，所以采用铝合金型钢6063-T4合金，。

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表1-1 铝合金型钢6063-T4合金的特性

属性 弹性模量 泊松比 剪切模量 密度 张力强度 X压缩强度 屈服强度 热膨胀系数 热导率 比热 材料阻尼比率 数值 6.9e+010 0.33 2.58e+010 2700 170000000 90000000 2.4e-005 200 900 单位 牛顿/m2 不适用 牛顿/m2 Kg/m3 牛顿/m2 牛顿/m2 牛顿/m2 /k w/(m.k) J/(kg.k) 不适用

铝合金有如下优点：

铝合金是纯铝加入一些合金元素制成的，如铝—锰合金、铝—铜合金、铝—铜—镁系硬铝合金、铝—锌—镁—铜系超硬铝合金。铝合金比纯铝具有更好的物理力学性能：易加工、耐久性高、适用范围广、装饰效果好、花色丰富。铝合金分为防锈铝、硬铝、超硬铝等种类，各种类均有各自的使用范围，并有各自的代号，以供使用者选用。

铝合金仍然保持了质轻的特点，但机械性能明显提高。铝合金材料的应用有以下三个方面：一是作为受力构件；二是作为门、窗、管、盖、壳等材料；三是作为装饰和绝热材料。利用铝合金阳极氧化处理后可以进行着色的特点，制成各种装饰品。铝合金板材、型材表面可以进行防腐、轧花、涂装、印刷等二次加工，制成各种装饰板材、型材，作为装饰材料。

成本低，而且使用一种加工工艺可以大量生产同样的零部件，这也是他的特点之一。

它的材料特性是轻、容易加工、以及在可耐强度方面不像碳素纤维有一个最大受

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力范围。也就是说，碳素纤维因为有纤维的特性所以在一定的纤维方向上受力能力很强，但是在在别的方向上的受力就会很差。变得一层一层的。而铝会慢慢变形再损坏。

还有就是铝合金容易加工和具有高度的散热性。 此外，铝合金的加工工艺多种多样。通用性较强。

(3) 机械结构的设计：根据所确定的方案原理和管道检测机器人在石油管道中的工作情况，如：要克服5mm高的凸起、凹坑，要通过拐弯半径为R933mm的弯道，还要保证超声传感器的探头探测范围覆盖内径为Φ150mm的管道环面等，设计出能够满足实际要求的机械结构形式和各个零件的具体尺寸，并绘制出变径装置的零件图、装配图。

(4)结构优化分析：根据管道检测机器人在石油管道中的工作情况，如在5mm高的凸起、凹坑处以及在拐弯半径为R933mm的弯道处，对设计出来的机械装置进行受力分析，优化部分结构参数，从而使超声检测装置既能正常工作。

(5)基本尺寸的确定，使机构满足一定的几何限制条件。

(6)绘制出变径装置的零件图和装配图，并最终用Solidworks终绘制出该装置的

三维实体模型。

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2 螺旋轮式管道机器人的总体方案设计

2.1 机器人管内运动方式对比分析

2.1.1 轮式

日本学者福田敏男、 细贝英夫在1986年研制了可以通过“L”无圆弧过渡的管内移动机器人。该机器人行走机构分别由头部和本体两部分组成，头部和本体可相对回转。当机器人在直管内行走时，本体上的电动机M1通过减速装置带动本体上的驱动轮转动，使机器人沿直管行走。当通过90度弯管时，电动机M2驱动头部做姿态调整， 同时驱动头部履带，引导机器人通过弯管。该机器人的技术指标为：适应管径：φ50mm；行走速度：8.1mm/s；转弯性能：可以通过90度直角弯管；机器人重量为：240g；机器人长度：76mm。

目前,轮式管道机器人是实际工程中应用最多的一种。轮式管内移动机器人行走的基本原理是驱动轮靠弹簧力、液压、气动力,磁性力等压紧在管道内壁上以支承机器人本体并产生一定的正压力,由驱动轮与管壁之间的附着力产生机器人前后行走的驱动力,以实现机器人的移动。轮式管道机器人的行走方式有2种：

(1)如果驱动轮轴线与管道轴线垂直,驱动轮沿管道母线滚动,机器人在管内做平移运动,此为轮式直进式管内移动机器人,它的优点是机器人行走时,不产生姿态旋转。下面以上海交通大学研制的轮式管道机器人(图1-10)为例说明其工作原理。驱动电机通过轴驱动与之相连接的蜗杆,蜗杆驱动沿圆周方向成120°均匀分布的3个蜗轮,蜗轮又通过链轮和链条带动机器人本体的车轮转动,实现机器人本体在管道内的前进或后退。车轮与管道壁面之间的正压力由调节部分提供,调节电机驱动滚珠丝杠转动,丝杠螺母将在丝杠上来回轴向移动,并带动推杆通过链 使摇杆转动,从而实现预紧力的调节。

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1-蜗杆 2-驱动电机 3-驱动电机安装座 4-调整电机 5-铰链 6-推杆 7-丝杠螺母 8-丝杠 9-蜗杆 10-蜗轮 11-链条 12-车轮

图1-10驱动机构原理图

2.1.2 蠕动式

清华大学研制了一套小型蠕动机器人系统，其机构如图2-1，由1蠕动体和2、3、4电致伸缩微位移器组成。蠕动体的蠕动变形形态由粘贴于柔性铰链部位的电阻应变实时感，机器人的外形尺寸为150x61x46mm，重2kg，最大步距10μm，行程40mm，运动精度0.2 μm。走效率高，能以一定的速度平稳地运动。通过一些结构设计，可以适应一定的管径变化。

图2-1蠕动体结构示意图

蠕动式驱动是基于仿生学原理，参考蚯蚓、毛虫等生物的运动而实现的。首先，尾部支撑，身体伸长带动头部向前运动；然后，头部支撑，身体收缩带动尾部向前运动，如此循环实现机器人的行走。蠕动式驱动的优点在于可适用管径及曲率的变化。但是，蠕动式机构运动是间歇式的，速度波动大，不容易实现和传感器的集成。实现蠕动的方法复杂，附带的元件多，如气动蠕动，就需要外接多根导气管。

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1988年，Ikuta等引用蚯蚓运动的原理开发出了蠕动机器人，后来随着蠕动机器人技术的不断完善，其开始向大型化发展，目前已可在200~300 mm的管道内应用。蠕动式管道机器人主要由蠕动部分、头部、尾部组成，如图2-2所示。前部和尾部支撑分别装有超越离合锁死装置，实现单向运动自锁。中间蠕动部分提供机器人运动的动力。对于蠕动动力机构，目前有很多实现形式，如上海大学利用气压伸缩驱动；上海交通大学利用形状记忆合金伸缩驱动；昆明理工大学利用电磁吸合驱动。

下面以电磁驱动的蠕动式管道机器人为例，分析蠕动式管道机器人的运动机理。蠕动式管道机器人的运动原理如图2-2所示，一个动作循环分为3个步骤：

(1)当初始状态时，电磁铁失电，弹簧处于自由状态，故头部与尾部分离； (2)当电磁铁通电时，磁铁与线圈吸合，安装在头部上的超越单向行走方式使头部原位不动，尾部由于电磁吸力的作用向前移动；

(3)断开电源，电磁力作用消失，弹簧促使磁铁与线圈分开，安装在尾部上的超越单向行走方式使尾部原位不动，头部由于弹簧力的作用向前移动。

至此，机器人回到了初始状态，机器人前进了一步。

蠕动机器人优点是可在细小的微型管道中行走，但由于速度的间断性和缓慢性阻碍了它的发展。

图2-2蠕动机器人的运动原理

综合轮式驱动、履带式驱动、腿式驱动、电磁式驱动等不同结构的优缺点， 以及简单性和实用性特点，最后确定采用轮式驱动结构。轮式驱动机构结构简单，容易实现，行走效率高，能以一定的速度平稳地运动。通过一些结构的设计，可以适应一定的管径变化，通过控制轴向尺寸，采取适当的结构，可以实现在弯管中行走。而且轮式驱动控制方便，可以方便地和各种传感器（速度传感器、压力传感器等）集成。常见的轮式驱动机构有直进轮式驱动和螺旋轮式推进两种方式。由于螺旋式推进机构

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具有诸多优点：前进速度快，驱动力大；对管径大小和管道形状变化的适应性较强；控制方便；机构的管内稳定性好。因此我们最终确定采用螺旋轮式驱动的方案，该方案采用了分节式螺旋驱动轮式结构。管道检测机器人基本结构由前后两部分螺旋驱动部分和中间的超声波探测部分构成。

2.2 螺旋轮式管道机器人的运动机理

2.2.1 机构的原理

如图2-3，螺旋机构由驱动电机Μ1(Μ2) ,旋转体 1（2）和支撑体1（2）组成。三组驱动轮均匀分布于旋转体上，且与管壁呈一定的倾斜角θ 。随着电机的转动，驱动电机Μ1(Μ2) 带动旋转体1（2）转动，使驱动轮沿管壁作螺旋运动，保持机构沿管道中心轴线移动。改变施加于电机的电流极性，可改变机器人的移动方向，从而使机器人在管内进退自如。电机采用内嵌式安装在支撑体1（2) 上，支撑体1（2）通过弹簧、万向联结接头与无损检测传感器相联结。旋转体1和支撑体 1（2）的轮腿上装有弹性机构，使得机械本体有较好的越障能力。腿轮与本体之间有滑块连接，靠螺钉固定，调节滑块位置，腿轮可以伸缩，使得管道检测机器人有一定的管径适应能力。

1旋转轮 2弹簧 3轮轴 4支撑轮 5电机托盖 6万向节联轴器 7探测仓 8 旋转电机 9探测头 10 万向节联轴器 11电机托盖 12 支撑轮 13 旋转轮 14 小轮支撑体

15 小轮 16 螺钉

图2-3油管检测机器人的检测本体结构

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2.2.2 机器人设计要点

第一：轮式驱动控制方便，可以方便地和各种传感器（速度传感器、压力传感器等）集成。对称机构，双电机安装方式可以使机器人前进速度快，驱动力大； 控制方便； 机构的管内稳定性好。

第二：管道检测机器人采用三节对称结构具有以下优点：

（1）两驱动电机分担机器人所需的驱动力， 可以降低电机的外形尺寸， 节省轴向安装空间；

（2）转弯时分别控制两电机的转动， 可以减小转弯时驱动内耗， 增加灵活性； （3）增加爬垂直管道的驱动力；

（4）前后两部分驱动，可以尽量缩短轴向尺寸，减小转弯半径。 第三：弹簧自定心作用

弹簧力的大小要考虑行走轮与管壁之间要有足够的正压力，使电机能够有较大的功率输出，使行走机构拖动力最大;同时，还要考虑保证机器人能够在弹簧力的作用下不会因其重力作用而明显地偏离管道中心。由于弹簧机械性能及参数变化该机构设计上有调正环节，以使3个弹簧拉力基本平衡自定心。当机器人放入管内后，弹簧力的大小仍可由外面的轴杆来调节。

通过理论分析与比较，螺旋轮式管内行走机构结构紧凑，双电机对称机构提供的拖动力大，并且结构稳定，灵活，电机的是一种理想的管内行走机器人载体。可以进行工业的应用和推广。

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3 管道机器人行走机构的分析与设计

3.1 旋转轮的结构设计

图3-1旋转轮零件图

旋转轮盘选择两盘相扣结构，使机构更加灵活。支撑滚动轮的支撑轴，设计一个凸起卡在一个盘内，既可以防止其在盘内轴向旋转，又不影响适应不同管径。变径范围146mm-164mm。

3.1.1 机构运动受力分析

管道内机器人其移动机构的主要任务是携带探测、修补或维护所需的设备，如CCD传感器，涡流传感器或复杂的微操作手等，这就要求移动机构有一定的负载能力。该机器人的供电方式为拖缆供电，随着机器人在管道内部行走的距离的加大，拖动电缆也就越长，这样电缆与管壁的摩擦力也就加大，所以要求机器人的移动机构有一定的带载能力。当检测不同的管道时，管道内径可能是在一定范围内变化的，这种变化也会影响到移动机构负载能力的变化。一般情况下，在不使机器人打滑的同时，管径增大时，撑紧机构施加到车轮上的正压力减小，从而摩擦力减小，负载减小，电机所需的驱动力降低。反之在管径变小时，撑紧机构施加到车轮上的正压力增大，从而摩擦力增大，负载增大，电机所需的驱动力降低。因此有必要将机构的负载能力，或说轴向输出牵引力，作为一个重要的指标来分析。由前面的分析可知，移动机构在管道中行走时，要实现力封闭及驱动行走。下面分析移动机构在管道中行走时的受力

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情况。

对管道检测机器人受力分析时，只考虑机器人在垂直管道上升时的情况，因为对管道检测机器人在垂直管道中上升过程中受到的负载最大，如果爬垂直管道时机器人的承受负载能力能够满足要求，那么，管道机器人本体在水平或者坡度管道时，负载能力必定能够达到要求。机械平台共有6 组12个驱动轮和6组12 个支撑轮，为了使计算出的负载能力有一定的安全系数，所以只考虑12 个驱动轮的负载能力来平衡机械本体的负载。以螺旋驱动部分的受力为例，如图3-2。假设处在理想状态下，每个橡胶驱动轮的受力状态相同，因此取一个车轮作为隔离体,对其进行受力分析。受力图如图3-2 。

图3-2力学分析原理

分析可知，整个移动机构是依靠电机驱动，驱动轮紧紧压着管壁，驱动轮转动时与管壁之间产生纯滚动，依靠管壁对驱动轮的摩擦力作用而实现行走的，因此，机器人在管道内部的前进、后退、启停、加减速等动作只需控制电机的正反转、启停和调整电机电压大小来实现。 得出及机器人的最大载荷：

W max = 12(N×f－F×sinθ) 由ΣMAZ=0 ΣF y=0 可得F=N/R (f1 R + f2 r)

带入可得：W max = 12[N×f－N/R (f1R + f2r)×sinθ]

3.1.1.1 受力分析时的一些假设条件

因为管道机器人的实际受力情况比较复杂，为了简化分析和计算，所以对管道机器人的移动机构的受力情况，先做一些假设，以满足分析的需要。下面是一些假设条件：

（1）移动机构是在直管中运动，忽略管道的内径的不均匀性；

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参考文献

[1] 张秀丽，郑浩峻，赵里遥.一种小型管道检测机器人［J］.机器人2001.23.(7): 626~629. [2] 钱晋武，章亚男，孙麟治等.FC螺旋轮驱动的细小管内移动机器人的研究［J］.光学精密工程，

1999.7(4): 54~58.

[3] 宋一然，颜国正，林良明.FC基于电磁驱动的蠕动型微机器人运动机理［G］.上海交通大学

学报，2000.31(11) : 1504 ~1530.

[4] 孙萍，孙麟治，秦新捷等.压电式细小管道微机器人结构特点与运动分析［J].仪器仪表学报，

2001，增刊335 ~ 336.

[5] 龚进峰，彭商贤.履带式可变结构管道机器人及其双控制系统的研究［J].高技术通讯，

2001.(12):70 ~72.

[7] 朱敬德，周明，应金贵等.在役石油管道检测机器人机械设计［J］.上海大学学报（自然科学

版）2001.1(7):57 ~ 59.

[8] 陈晶晶．基于MSP430单片机的智能小车设计与实现[J].孝感学院学报2011年11月第30卷

第6期.

[9] 蒋贤海，罗彤．路径识别智能小车[J]广东水利电力职业技术学院学报2011年第9卷第1期. [10] 余永权，江明慧，黄英．单片机在控制系统中的应用[M].北京电子出版社2003年10. [11] 蓝和慧，宁武．单片机原理与技术应用[M].北京大学出版社2008年05月.

[12] 邓志辉，朱江．基于Atmega8515的轮式智能小车控制系统的设计[J].农业科技与装备2010

年2月第2期.

[13] Explorer : Untet hered Real_ ti m e Gas Main Assessment Robot System， 1st International

Workshop on Advances in Service Robotics ， ASER 0 '3 ,Bardoli no Italy ， March 13~15 ，2003.

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（2）管道机器人的移动机构的车轮在管道内作纯滚动，而忽略掉零件加工中的误差而导致的机构其他形式的运动；

（3）整个移动机构作匀速运动，不考虑其惯性力的影响；

（4）移动机构移动时共有六个轮子与管道内壁接触，假设每个轮子的封闭力都相同；

（5）忽略一切损失； （6）负载无波动；

（7）分析时采用标量，当所求值为负时表示实际方向与图示方向相反。

3.1.2 运动自由度分析

移动机构自由度的设计与其要完成的任务是相关的，往往采用完成任务时所需的最小自由度数。本设计任务中对移动机构的自由度要求是能够在管道的约束下沿管道的轴线方向移动，且不能作沿管道轴心线的旋转运动，即只要求是一个单自由度移动机构。由上一节的分析可知，在所设计的双电机驱动直进式移动机构中，电机壳体与机架固连，电机座的反力在电机内部被平衡掉，驱动轮仅受平面力系的作用，只能作沿轴线方向的运动而不会产生沿管道轴心线的转动，即整个移动机构是一个单自由度移动机构。

3.1.3 电机的选择

12Fsinθ＞G G=mg=2×9.8=19.6 12F.>75.4 N

提供的牵引力至少75.4N。 T=75.4×0.082=6.18Nm 每个电机提供转矩3.09Nm

（1）根据外形尺寸，估计机器人的总质量M M=各个零件的质量总和。大体估计总质量为2kg。

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（2）计算驱动机器人所需要的牵引力F

F=履带轮摩擦力+旋转刷摩擦力，据估计牵引力大小在75.4N左右 （3）电机的选取

由于所需的负载转矩小，并且转速不宜太大，故选择带减速装置的电机。

P=T×w=3.09×2π×16/60=5.2kw

即每个电机需要提供2.6kw的功率。 JBY37-540 减速电机

实体图3-4

基本尺寸3-5

考虑到在油管里，由于油管内的压力和摩擦力，选择如下参数的电机。

3.2 电机连接轴的设计

图3-6电机连接轴

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表3-3电机选择参数

电空载 压 V 转速 rpm/min 464 290 154 97 66 51 32 22 17 24 转速 928 580 308 20 电流 A 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 电流 0.3 0.3 0.3 0.3 转速 rpm/min 371 232 123 77.6 53 61 26 18 14 转速 724 464 246 16 电流 扭矩 功率 扭矩 电流 A 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 Kg.cm 3 4 5 7 9 10 12 14 15 W 8 8 8 8 8 8 8 8 8 Kg.cm 10 13 16 18 22 25 30 35 38 扭矩 10 15 20 55 A 1 1 1 1 1 1 1 1 1 电流 2 2 2 2 负载 堵转 比 1:00 箱长 mm 约 g 250 250 258 258 263 263 263 268 268 250 250 258 减速减速重量 12 6.25 10 18.8 30 43.75 56.25 90 131.2 168.7 6.25 10 18.8 270 19 19 22 22 24 24 24 26.5 26.5 19 19 22 电流 扭矩 功率 0.6 0.6 0.6 0.6 4 6 9 21 12 12 12 12 26．5 275 表3-1 选择电机参数

电压 功率 24V 12w 转速 电流 16r/min 0.6A 减速比 额定力矩

27 21Nm 体长 重量 26.5mm 275g 20

采用键连接，使结构紧凑稳定。

第一：键连接的作用：键连接是通过键实现轴与轴向零件间的周向固定以传递运动和转矩，其中有些类型还可以实现轴向固定和传递轴向力，有些类型并能实现轴向动连接。普通平键用途最广，因为其结构简单，拆装方便，对中性好，适合高速、承受变载、冲击的场合。

第二：键连接的装配工艺要点

（1）装配前应检查键的直线度、键槽对轴心线的对称度和平行度。

（2）普通平键的两侧面与轴键槽的配合一般有间隙。重载荷、冲击、双向使用时，须有过盈。键两端圆弧应无干涉。键端与轴槽应留0.10mm的间隙。 （3）普通平键的底面与键槽底面应贴实。

（4）半圆键的半径应稍小于轴槽半径，其他要求与一般平键相同。 第三：键的选择和键联接的强度计算 （1） 键的选择

键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。选择键连接类型时，一般需考虑传递转矩大小，轴上零件沿轴向是否有移动及移动距离大小，对中性要求和键在轴上的位置等因素，并结合各种键连接的特点加以分析选择。键的截面尺寸（键宽b和键高h）按轴的直径 d 由标准中选定；键的长度 L 可根据轮毂的长度确定，可取键长等于或略短于轮毂的宽度；导向平键应按轮毂的长度及滑动距离而定。键的长度还须符合标准规定的长度系列。

（2）平键连接的强度计算

平键连接的可能失效形式有：较弱零件工作面被压溃（静连接）、磨损（动连接）、键的剪断（一般极少出现）。因此，对于普通平键连接只需进行挤压强度计算；而对于导向平键或滑键连接需进行耐磨性的条件性计算。

3.3 弹簧的设计与选择

拉伸弹簧是直进轮式管道机器人的关键部件，如果拉伸弹簧的拉力不够，不能保证每组轮轴机构都能被拉开使车轮挤压在石油管道内壁，这样不能保证机器人能够平稳行驶；如果拉伸弹簧的拉力太大，虽能保证机构都能被拉开并挤压在石油管道内壁，

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但挤压在石油管道内壁的压力过大，使得直进轮式管道机器人运动阻力过大，这对电机要求也会相应提高。因此，拉伸弹簧的设计是一个关键问题，需要选择合适的参数，不仅要机构平稳行驶，而且要尽量减小整个行走机构的运动阻力，降低对电机功率要求。

F=75.4N F/12=6.3N

故此弹簧所受力为6.3N 经查表得： (1)弹簧中径为8mm

(2)压缩弹簧有效圈数为10mm (3)压缩弹簧的自由高度H0=16mm

(4)圆柱螺旋弹簧极限应力与极限载荷，工作极限应力τj=1.67τ(5)端部并紧磨平 d<8mm

总圈数 n1=n+2 =12 自由高度 H0=nt +1.5d t=1.45mm 压并高度 H b = (n +1.5)d=7.5mm

p

3.4 支撑轮和电机的固定方案

由于电机固定在支撑轮上，电机带动旋转盘旋转，使得旋转盘上的轮沿管道做螺旋运动，而支撑轮沿管道平行运动。

图3-7电机的固定方案

右图是一个电机套盖，电机放在里面，可以支撑电机的重量，而且和支撑轮用螺

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钉连接起来，如上图所示方案。

3.5 探测头的定位方案

探测头和一个旋转电机连接在一起，实现圆周运动，可以进行周向全方位扫描。由于所需转矩很小，一般直流电机即可满足。电压：3-6V， 转速：1700转

图3-8电机尺寸图

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4 管道机器人在管中运动通过性分析

由于管道微型机器人可能在弯管中运动，为了防止机器人在管道中运动时，由于管道的曲率半径太小而使得机器人搁浅而卡在管道中，不能前进和后退，现对管道曲率半径对机器人的影响分析如下。设机器人处于刚好被搁浅的状况如图4所示。

图4-1管道机器人搁浅示意图

当管道机器人经过的管道曲率半径大于此时管道的曲率半径，机器人则能顺利通过。反之，当机器人通过的管道曲率半径小于此时管道的曲率半径时，机器人肯定被卡住。此时管道的曲率半径为管道机器人顺利通过管道的临界值。

已知：管道直径D=150mm，经设计得a=97mm，机器人近似直径D1=164mm，由几何关系(x-75)2+(97/2)2 = x2，解得：x=53.2,故，当转弯半径大于53.2mm时，机器人不会产生搁浅现象。

4.1 管道环境对机器人的几何约束

弯道是管道机器人工作时常遇到的障碍，管道 机器人若想顺利完成任务，就必须能够顺利通过弯管，所以机器人的设计必须满足弯道的几何约束。弯管的主要参数有曲率半径尺、弯曲角度A和管道内径 D，设计时必须考虑周全，且当参数确定时，相对细长 或短粗的机器人都会发生卡死现象。下面将讨论这三个参数对机器人几何尺寸的影响．机器人在管 道中最恶劣的情况如图2所示，处于弯管正中央的 位置，其中，J 为机器人主体长度，d为机器人主体径向最大尺寸。弯管几何参数满足( R+D/2 ) COS (λ/2 )－(R－D/2 )> 0的情况下，机器人通过弯管时需考虑两种情况： ①机器人的两个端面在弯管的直边部分(见图4-2) ； ②机器人的两个端面在弯管的弯曲部分。（见图4-2）

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（a） (b) 图4-2 机器人处于弯管时的几何约束

当机器人的两个端面在弯管的直边部分时，机器人的直径和长度应满足下式 ：

0

L max =( R+D/2) C S C ( a /2) －( R－D/2 +d) c o t ( a /2)

当机器人的两个端面在弯管的弯曲部分时， 机器人的直径和长度应满足下式：

0

L max=2[(R+D/2)2－(R－D/2+d)2]1/2

当弯管几何尺寸满足( R+D/2) C O S ( a/2 ) －( R－D/2)< 0时， 机器人通过弯管时， 两端面不能同时在两弯端的直管部分， 这时只需考虑机器人两端面在弯管弯曲部分的情况( 见图4-2) ， 此时机器人的直径和长度应满足上式。

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5 监视控制系统

5.1 探测头的选择

（1）目前，市场上的主流摄像头使用的感光元件主要有CCD和CMOS两种。CCD是应用在摄影、摄像方面的高端元素技术，采用CCD感光元件的摄像头在各方面的性能都不错，具有成像灵敏度高、抗震动、体积小等优点，但价格较贵。CMOS则主要应用于较低影像品质的产品中，具有价格低、响应速度快、功耗低等优点，但CMOS摄像头对光源要求高。

（2）现在市场上数码摄像头的连接方式有接口卡、并口和USB接口三种。 通过对工作环境、图像要求以及经济性的综合考虑，决定采用GS-388彩色数码摄像机，由于管道内光线较暗，所以另外安装灯光照明系统。

5.2 检测系统

检测系统的主要目的是使用超声传感器检测化工管道的壁厚和腐蚀程度， 如果检测得到的壁厚较薄， 则管道腐蚀较为严重需要更换； 如果检测得到的壁厚较厚， 管道腐蚀较轻可继续使用。因此， 检测系统的稳定性直接影响检测水平， 并直接影响化工管道检测机器人的性能。超声检测是目前广泛应用的一种无损检测方法,具有灵敏度高、穿透力强、探伤灵活、效率高、成本低的特点。动态超声波检测法就是旋转体带着若干超声波测厚探头在管道内随检测机器人前进作旋转探测。与静态检测方法对比而言，动态检测的优点是：成本低，检测全面，易于采用。

设计检测系统时需要注意两个问题! 一是超声传感器的驱动；二是返回信号的检测和间隔时间的确定。其中，超声传感器的驱动是硬件问题，关键在于振荡电路和驱动电路的设计，本文使用集成运放设计的超声传感器，其发射电路和接受电路分别如图5-1和图5-2 所示。

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图5-1超声传感器发射电器

图5-2超声传感器接受回路

其中，STX为超声发送传感器，SRX为超声接收传感器超声发送传感器的振荡频率由R1C1确定，C2为滤波装置。

5.3 单片机控制系统

管道检测机器人单片机控制系统如图 5-3所示，主要完成驱动电机的伺服驱动和与上位机的通信。

图5-3机器人单片机控制系统

其中，速度传感器用于检测机器人的实际运行速度；定位码盘与里程轮相连，用于机器人实际行走距离和有缺陷管道位置的确定；与速度传感器配合使用即可确定机器人正常行走还是打滑的工作状态；微动开关用于确定管道中是否存在凸台或杂物等障碍；转换器1为RS232-RS485转换装置，转换器2为RS485-RS232转换装置，配

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合使用即可增加PC上位机和机器人间的通信距离；S/H为采样/保持器，与模/数转换芯ADC0809的转换初值比较即可确定机器人的转弯方向；DAC0832为数/模转换芯片，经过运放电路进行电压放大后用于驱动电机M1和M2的伺服驱动。MAS708为看门狗芯片，用于维持AT89C51单片机的稳定运行。

5.4 控制程序

上位机采用Visual c++6.0编程，主要完成通信端口的初始化、控制字的输出、机器人运行速度以及运行状态等的反馈和显示。一般情况下，通信格式可设为波特率4800，1为开始位，无奇偶校验，1位停止位即可。单片机控制程序主要完成串口的初始化，上位机控制字的接收，电机的伺服驱动，运行速度的检测和状态的反馈等。

5.4.1 H桥式驱动电路( H- bridged power amplifier)

管道机器人的运动控制包括升降速、正反转和制动控制。采MOS门驱动器IR2110 和TMOS 管IRF540 构成H桥式电路， 可实现系统PWM 信号的放大，完成机器人驱动电机的控制要求。IR2110 是高电压 MOS 门驱动器，双端差动输入，可兼容CMOS 和LSTT L 信号电平，具有耗散功率小、欠电压保护等优点，最大工作频率可达 500KHz。另外，IR2110 具有一个SD引脚，利用它可构成过流保护或急停电路。IRF540 是TMOS 场效应管，击穿电压BVDS： 100V， 栅源极门槛电压 VGS ( th) ：4V ，正向最大导通电流ID( ON )：27A，开关时间分别为TON= 30ns，TOFF= 80ns。系统中，计数器 8253 输出的脉宽信号，经过光电隔离后分为两路，将其中一路反相，与原信号分别作为IR2110 的高端输入和低端输入。IR2110 输出的两路信号，接入后级由四片IRF540 构成的H 桥式电路进行功率放大(图5-4-1) ，改变IR2110 高端输入和低端输入的相位差即可调节电机的速度及方向。系统信号波形如图5-4-2所示，当253 输出对称方波时，光耦T LP521 的输入被钳制为高低电平分别为4.7V 与3.8V 的脉冲。由于光耦开启、关断时间的差异，输出波形有一定失真，经过IR2110 整形、变换，输出为欠对称方波，其中低电平时间约为高电平时间的 1.1倍，由此形成的电枢电流换向死区，有助于减轻对续流二极管的冲击，使电机工作更加平稳。

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图5-4 H桥式驱动电路

图5-5系统信号波形图

5.4.2 机器人与主控计算机的通讯 ( The com-munication between the robot and master computer)

管道机器人的设计行走距离为150m，需要进行长距离通信。RS422 是一个双端差动信号传送系统。最大传输率为100Kbps(< 90m)；最大传输距离为1200m( < 1000bps)。本系统数据传输量不大，因此，采用RS422 的9位异步串行口通讯，波特率选为1202bps，由89C51定时器1产生。采用Mo to rola公司的传输线驱动器MC3487和接收器MC3486，实现RS422与89C51之间的电平转换( 图5-4-3) 。通过RS422 接口，主控计算机将控制信号、速度值等发送给控制卡，控制卡将相应的状态信号传回主控计算机。

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图5-6系统信号波形图

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6 行程的计算

旋转轮做螺旋运动，管道直径150mm，所以旋转一圈，前进π×150 tan15=126.3

图6-1 旋转轮的螺旋运动

示意图

旋转轮所走的圈数×126.3mm = 管道机器人的行程。

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7 应用前景

综上分析，油气管道机器人技术是油气管道技术的研究热点。长输管道的“管道猪”检测技术相对其他油气管道机器人发展得比较成熟，但其智能化、模块化和管道适应性不够。油气井机器人技术正处在发展的初级阶段，尽管国外一些公司已推出产品，包括视像探测装置、井下拖拉机等，但其井下探测的工作质量， 井下动力与井下操作的可靠性，对不同类型井通道的适应性等方面都需要进一步研究和发展。油田与石化企业的各种管道机器人技术，无论是在管道内部工作还是在管道外部工作的机器人，都处于刚刚起步阶段。

管道机器人系统是一种融合了多种先进技术的机电一体化装置，随着现代制造技术、通信技术、控制技术、传感技术、智能技术等技术领域的发展，必将推动机器人技术在油气管道技术领域中的广泛应用与发展。

随着石油工业的发展，在未来几年内油气管道机器人将在如下几个方面取得进展并获得应用：

( 1) 大口径长输管道用的“管道猪”将提高智能化水平，可适应性将会进一步发展与应用。

( 2) 随着钻井技术的发展，适应直井、斜井、大位移水平井测井技术的井下拖拉机将得到广泛应用，以提高完井和测井技术水平。

( 3) 随着数字化技术的发展，智能修井技术要求能准确探测井下，尤其是井下故障点的状态。要完成这一任务井下探测装置 (井下机器人) 将进一步得到重视与发展。

( 4) 油田内部的各种管道检测与维修，石化企业中不同类型的管道检测与维修，要求管道机器人不断提高其适应性，各种适应不同功能要求的管道检测机器人与维修操作机器人将受到企业和研究单位的重视，并将获得发展。

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参考文献

[1] 张秀丽，郑浩峻，赵里遥.一种小型管道检测机器人［J］.机器人2001.23.(7): 626~629. [2] 钱晋武，章亚男，孙麟治等.FC螺旋轮驱动的细小管内移动机器人的研究［J］.光学精密工程，

1999.7(4): 54~58.

[3] 宋一然，颜国正，林良明.FC基于电磁驱动的蠕动型微机器人运动机理［G］.上海交通大学

学报，2000.31(11) : 1504 ~1530.

[4] 孙萍，孙麟治，秦新捷等.压电式细小管道微机器人结构特点与运动分析［J].仪器仪表学报，

2001，增刊335 ~ 336.

[5] 龚进峰，彭商贤.履带式可变结构管道机器人及其双控制系统的研究［J].高技术通讯，

2001.(12):70 ~72.

[7] 朱敬德，周明，应金贵等.在役石油管道检测机器人机械设计［J］.上海大学学报（自然科学

版）2001.1(7):57 ~ 59.

[8] 陈晶晶．基于MSP430单片机的智能小车设计与实现[J].孝感学院学报2011年11月第30卷

第6期.

[9] 蒋贤海，罗彤．路径识别智能小车[J]广东水利电力职业技术学院学报2011年第9卷第1期. [10] 余永权，江明慧，黄英．单片机在控制系统中的应用[M].北京电子出版社2003年10. [11] 蓝和慧，宁武．单片机原理与技术应用[M].北京大学出版社2008年05月.

[12] 邓志辉，朱江．基于Atmega8515的轮式智能小车控制系统的设计[J].农业科技与装备2010

年2月第2期.

[13] Explorer : Untet hered Real_ ti m e Gas Main Assessment Robot System， 1st International

Workshop on Advances in Service Robotics ， ASER 0 '3 ,Bardoli no Italy ， March 13~15 ，2003.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/aq2d.html