毕业设计论文管道机器人设计.docx

管道机器人设计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so1idworksmotion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AbstractInordertoso1vetheprob1emsthatexistintheinspectionandmaintenanceofthepipe1inesystem,suchashugework1oad,1ongtime-consuming,1owefficiency,etc.,existandseriousprob1ems.Onthebasisoffu11yresearchingthedeve1opmentandapp1icationstatusofpipe1inerobotsathomeandabroad,thispaperproposesanddesignsakindofpipe1inerobotwithvariab1ediameter.Throughtherationa1designoftherobot'svariab1ediametermechanism,thepipe1inerobotcanindependent1ychangethediameteroftheopensectiontoadapttodifferentsizesofpipe1inefaci1itieswithinacertainrange.Atthesametime,itsfunctionandstructura1feasibi1ityareca1cu1atedfrommu1tip1easpects.Fina11y,theSo1idWorksmotiondynamicana1ysissoftwarewasusedtosimu1ateandana1yzethedesignedpipe1inerobot.Throughcontinuousrevisionandimprovement,thefina1resu1tsobtainedbytheexperimentmeettheactua1workrequirements.Keywords：Pipe1inerobot;So1idWorksmotionsimu1ation;variab1ediametermechanism;pipe1ineinspection目录第一章绪论11.1 管道机器人的研究背景及意义11.2 国内外管道机器人的研究现状11.2.1 管道机器人在国内的发展11.2.2 管道机器人在国外的发展31.3 管道机器人的发展趋势31.4 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52.1 引言52.2 设计中需要解决的关键问题52.3 管道机器人总体结构的设计和比较72.3.1 管道机器人的机械部分总体设计72.3.2 行走机构的总体设计与比较72.3.3 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113.1 行走机构的设计计算113.1.1 行走机构驱动电机的功率计算113.1.2 行走机构机械结构的设计计算123.2 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154.1 管道机器人控制过程及组成模块154.2 主控芯片的选择164.3 电机控制技术174.3.1 电机控制原理174.3.2 电机控制方法184. 4控制系统中的电路设计184.1.1 时钟电路及复位电路的设计194.1.2 电源模块电路设计194.1.3 串口通讯模块电路20第五章运动仿真分析215.1 管道机器人变径过程的仿真设计215.2 运动过程的实现及仿真22总结24参考文献25致谢26第一章绪论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km11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1.2.1 管道机器人在国内的发展总体上来说，国内对于机器人的研究起步比国外晚了很多，当然这其中对于管道机器人的设计与研究也不例外。沈阳自动化研究所和同日本立命馆大学联合研制了一种具有轴向和轴向探查功能的螺旋式管道机器人，该机器人提高了管道缺陷检测的准确率和探测效率解决了螺旋式管道机器人携带电缆容易发生缠绕的问题。跟随其后的是哈尔滨工业大学的邓宗全教授，他通过对先前出现的管道机器人的深入学习，设计研究除了一种三轮退式的管道机器人。相较于先前出现的管道机器人，他所设计的管道机器人通过对滚柱丝杠的合理运用，可以达到改变管道机器人轮腿与主架之间的角度的目的，从而可以实现改变管道机器人截面半径的功能需求。虽然这种方法较大范围内实现对管道直径变化的自适应，但该设计方案存在着一个很明显的设计缺陷，那就是该调节方式是通过电机驱动滚柱丝杠来实现的，这种调节方式属于主动调节方式的一种，有较大的概率出现误动作。继螺旋式和轮腿式之后，上海建通大学又紧接着提出并设计了一款蠕动式管道机器人。这款管道机器人由SMA材料制成的蠕动元件组成，具有体积小质量轻的突出特点。通过蠕动元件在管道内的蠕动行进，实现管道机器人在管道内部的移动。这种由多个蠕动元件组成的管道机器人在很大程度上提高了机器人在管道内部运动的自由性与便利性，但在这种设计方案中要准确控制每一个独立的蠕动元件的运动才能使得整个管道机器人的整体运动达到预期效果，毫无疑问的增加了该管道机器人在实际运用中动作控制的难度。紧接着，随着仿生概念的提出与无数科研人员的不断实践与深入研究，各种仿生机器人也开始慢慢出现在人们的视野当中。在管道机器人领域，一款由石油化工大学设计的仿蝎子管道机器人出现了。顾名思义该管道机器人的结构和运动方式都与蝎子类似，提高了机器人在实际工作环境中的越障能力，简单的机械结构也使得对机器人运动的控制变得简单了许多。同时，与蝎子类似的多足结构使得该管道机器人能够以最佳的姿态在管道中行进，对管道的形状、大小都有了更强的适应性。但与多个蠕动元件组成的蠕动式管道机器人类似，多个行动足的协调控制也是极为复杂的。此外，行动速度慢、驱动效率低也是该管道机器人不可忽视的缺点。对于长距离运输的管道来说，管道机器人就必须拥有能够提供长久的动力支持的能力。目前管道机器人的能源供给主要可以分为有缆和无缆两类。面对长距离的运输管道有缆的能源供给方式很显然不适用，如果采用自己携带移动电源进行能源供给则需要大容量的电池，这无疑会增大管道机器人整体的体积和质量。为了解决这个棘手的问题，广东工业大学研发了一种能源自给式管道机器人。该管道机器人能够利用管道内的介质的流动的能量转化为电能存储在电池之中，可以达到长时间续航的目的。从总体上来看，目前国内伴随着现代科学与计术的高速发展，越来越多企业和研究机构开始展开对管道机器人的深入研究，管道机器人也是应用在了越来越多的工作领域并在这个实际运用的过程中得到了逐步发展与完善。1.2.2管道机器人在国外的发展相较于国内对机器人的研究，国外的研究起步就早了很多。早在1978年，法国的Jivertut就提出一种轮式管道机器人的行走机构模型。在此之后世界各国陆续开始了对管道机器人的研究与学习。美国的工业制造业及先进科学技术研究反面一直以来都是走在国际前列，先后有很多公司及大学制造出管道机器人。美国在研究早期研制了一种轮式的管道机器人P350F1exitrax0这种管道机器人以滚轮作为行走机构，使得自身在行进过程中具有较好的灵活性。同时在设计过程中为了适应复杂的工作环境，机器人的主体和驱动轮采用了相互独立的方式。但这种机械结构也存在着一种弊端就是每次更换的驱动轮只能适应某一次特定的管径和工况，这就使得管道机器人对于环境变化的自适应性不强，工作效率也大打折扣。为了给管道机器人在行进过程在提供充足的动力，加拿大研发出了VerSatraX系列管道机器人，这一系列管道机器人最大的特点就是采用履带作为行走装置，可以给机器人的行进提供充足的驱动力。同时这款管道机器人通过改变管道机器人两侧履带机构之间的夹角，可以改变机器人的轴向尺寸，以此满足适应不同管径管道的要求。日本也早在1993年就开始了对管道机器人的研究工作，在结合现有管道机器人优点的基础之上，日本设计出了一款名为KANTARO的管道机器人。这款管道机器人以独立的电池作为其动力源，摒弃了传统的拖蓝方式，使得其在行进过程中动作变得更加灵活，同时也可以适用于长距离管道的作业。将机械结构和控制系统分开的设计方法也是对模块化设计理念的一种很好运用。目前，国外对人工智能及机器人领域的研究日趋成熟化，很多方面都走在了国内的前面，有很多值得我们学习的地方。当然也有很多不足的地方需要我那么去改进、去超越。13管道机器人的发展趋势伴随着现代社会生产及科学技术的高速发展，管道机器人的研究及设计也得到了很大的发展，特别是当机器人的生产制造与柔性理念相结合的时候，机器人整体的生产效率也得到了很大的提高。通过对国内外管道机器人研究现状的学习与分析，未来更为智能化的管道机器人将具有下面几种发展趋势：(1)环境适应性由于