第一章緒論1.1選題背景中國近年由于西氣東輸和國家電網(wǎng)組建等的工程，得益于這些工程，國家的管道在這幾年有著飛速的發(fā)展，各式各樣的管道正在高速建造，全國各種管道的公里數(shù)依照穩(wěn)定的增速在穩(wěn)定的逐年上升，各種各樣的覆蓋面廣，橫跨面積大的管道系統(tǒng)正逐漸建成，可是隨著管道不停發(fā)展的同時，早年間鋪設的主要重點管道也開始逐漸的老化，管道的替換和定期檢測成了現(xiàn)在的老大難問題。單純的人工檢測是難以實現(xiàn)的，需要使用現(xiàn)代化、機械化的產(chǎn)品來替代人工。1.2研究意義在油氣管道持續(xù)發(fā)展的大背景下，越來越多的管道開始投入使用，隨著第一批主要管道的逐漸老化，很多的管道都設立在無人居住的兩城之間的地帶，人工檢修往往不能做到及時高頻，較為偏遠的管道的維護，無疑對檢修工人也是一種折磨，這種情況下人工檢修的效果開始變得差強人意，這時便有很多公司開始研發(fā)管道檢測機器人。歐洲在上世紀50年代開始對管道巡檢機器人的研究，對比其他國家起步較早，隨著信息技術、制造業(yè)、機械設計等行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)如今歐洲管道機器人已達到世界頂級的應用水平。歐洲制造業(yè)翹楚德國的IPEK管道內(nèi)窺檢測機器人設計精巧，操作簡單。機身內(nèi)置信息采集裝置，可在巡檢路程中隨時對管道進行信息采集。日本電子行業(yè)的發(fā)展刺激著管道機器人的不斷革新。東京大學于20世紀90年代開始了管道爬行機器人的研究，開發(fā)了THES系列管道爬行機器人，能利用自身配置的設備對管道進行檢測、維修作業(yè)。1.3管道巡檢機器人的發(fā)展歷史和情況基于管道內(nèi)檢測的智能巡檢機器人（下文簡稱管道巡檢機器人）在上世紀60年代便開始設計，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了60多年。經(jīng)過多年的更新?lián)Q代，當今管道巡檢機器人的樣式繁多，從檢測方式、驅(qū)動方式、移動方式等，都有很多分支種類。下文介紹了60年來管道巡檢機器人的發(fā)展歷程。1.3.1管道的主要腐蝕形式現(xiàn)在的管道損壞分為內(nèi)腐蝕，外腐蝕和斷裂三種形式：（1）外腐蝕的檢修主要分三種方式：交流電位梯度法、直流電位梯度法、密間隔電位測試法[1]。交流電位梯度法主要是通過向管道施加一定的頻率的交流電流信號，這些信號具有感應作用，如果管道外防腐層受到了腐蝕和侵害，這些交流電流信號就會逐漸流出，形成一個環(huán)形的磁場區(qū)域，在對管道進行檢查的時候，很容易發(fā)現(xiàn)這個環(huán)形的磁場區(qū)域，使工作人員可以快速準確的確定管道腐蝕的位置[2]。直流電位梯度法與交流電位梯度法其工作原理都差不多，直流電位梯度法主要是在埋地管道表層上施加直流電源，電流通過土壤介質(zhì)流入管道防腐層時，其管道破損處位置會形成一個電位梯度，我們通過對電位梯度的檢測就可以找到管道破損處。密間隔電位測試法主要是在陰極保護系統(tǒng)的管道上，測量管道的電位變化，跟蹤管道防腐層的變化情況，判斷陰極保護系統(tǒng)是否有效，在陰極保護設施上安裝了GPS同步電流通斷器，主要用來檢測電位同步情況，通過可視化分析可以判斷出防腐層的總體平均質(zhì)量優(yōu)劣狀況。（2）內(nèi)腐蝕內(nèi)腐蝕分為管道均勻腐蝕，管道坑蝕和管道沖刷腐蝕三種類型[3]，目前基本沒有很好的維護檢修手段，只能夠做到內(nèi)部防護。（3）斷裂斷裂基本上就沒有檢修方法，只能夠用數(shù)理分析的方法，現(xiàn)在國內(nèi)常用的故障樹分析法（FaultTreeAnalysis，簡稱FTA）是一種重要的推理分析方法，通過對可能造成系統(tǒng)故障的各種因素（硬件、軟件、環(huán)境、人為、管理因素等）進行分析，畫出邏輯框，從而確定系統(tǒng)故障原因的各種組合方式，以便采取相應的改進措施。不同的管道失效形式，現(xiàn)在使用的不同的規(guī)避方案，無論是哪一種規(guī)避方案，要么花費大量的人力進行定期的巡檢，要么根據(jù)管道所用的材料，定期更換，可以為了保證不出現(xiàn)意外，往往把更換年限定的很低，這樣的話，既不能對完全防范概率事件的發(fā)生，更是會浪費人力物力。1.3.2國內(nèi)管道機器人（1）管道CCTV檢測機器人管道CCTV(ClosedCircuitTelevision)檢測,此于20世紀90年代中期引進國內(nèi)用于管道內(nèi)部狀況及排水管道健康檢測,它是國際上目前用于管道狀況檢測最為先進和有效的手段。對管道內(nèi)的銹層、結垢腐蝕、穿孔、裂紋等狀況進行探測和攝像,同時記錄管道內(nèi)的目前狀況,從而將地下隱蔽管線變?yōu)樵陔娔X上可見的內(nèi)部錄像,方便管理部門根據(jù)管道狀況作出最合理的管道處理方案,依據(jù)檢測技術規(guī)程再進行評估,為制定修復方案提供重要依據(jù)。整個機器人分三個部分組成，分別為：主控器，線纜車，爬行器。主控器控制整個設備的運行與操作,包括硬件控制和軟件控制，主控制器面板上裝有操作按鈕和旋鈕,用于控制攝像頭、燈光和爬行器，主控制器上的液晶顯示器及鼠標和鍵盤還便于顯示日期、時間、距離信息、標注字符。線纜車安裝有手搖柄,用于手動盤繞電纜于線纜盤上，裝有距離計數(shù)器,用于記錄爬行器行進距離,確定管道缺陷位置，電纜端部與爬行器相連。爬行器有輪胎式和履帶式，連接在電纜尾部的爬行器內(nèi)部裝有馬達,結構上為防水設計,可以在有水的管道內(nèi)進行，爬行器的頭部安裝了攝像頭和燈光，根據(jù)管徑的不同,可選配不同直徑大小的輪胎和爬行器相連[4]。這種管道機器人是我國第一種類型的管道機器人，通過長達30年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)有4，6，8輪式，氣動式履帶式等的檢測機器人，其主要是能夠通過控制爬行器的移動，來進行管內(nèi)的探測，在爬行器行走的過程中，頭部的攝像頭會將周邊的影像返回主控器，再由相關的工作人員對管內(nèi)的情況進行分析[5]。但是由于其基礎技術較為落后，對勘探要求和環(huán)境要求較為嚴苛，需要該管道的平面圖，使用材料，焊接技術，管內(nèi)水位等，一些詳細的資料，對于管道的水深工作溫度等，都有較高的要求，而且所返還的影響清晰度并不高，只能夠達到640×480的分辨率，其續(xù)航能力因為需要線纜連接的原因，只能夠達到80m，對于動輒上萬米的管道系統(tǒng)來說，實在是杯水車薪。圖1-1早期管道CCTV檢測機器人（2）X5-HS地下管網(wǎng)檢測機器人X5-HS型號的管道機器人，是武漢中儀公司于2017年，在早期CCTV檢測機器人的基礎上，對其進行開發(fā)研究創(chuàng)行的新式管道機器人，改進了早期管道機器人的大部分缺點，對機器人的防水能力，可適應溫度等等都做了極大的改善。驅(qū)動方式和工作原理基本沒有變化，還是最基礎的三部分組成，由最初的后置驅(qū)動變成了四輪驅(qū)動，爬坡能力和抗打滑能力得到了極大的增強，影像設備也得到了升級，可以及時反饋高達400萬像素的3D圖像，并且可以10倍對焦，還新增加了激光測量技術，用于測量裂縫寬度，可以精準找到管道內(nèi)部外表面的各種損傷[6]。圖1-2X5-HS地下管網(wǎng)檢測機器人可是其不足之處在于，一是依舊沒有拜托電纜的束縛，在管道內(nèi)可移動的距離依舊只有150m，并且在需要拐彎等的管道內(nèi)，電纜容易碰到管道內(nèi)壁，使得機器人無法行進或磨損電纜，二是只能夠探測到表面的損傷，管道內(nèi)部斷裂或者外表面磨損都是無法探測的。（3）超聲波管道檢測機器人西安石油大學的王兵于2018年綜合傳統(tǒng)人工超聲波探傷和行走機器人，研發(fā)出超聲波管道檢測機器人，以便于提高，檢測效率和準確率，也可以突破高空作業(yè)的限制[7]，目前還在理論技術階段。超聲波機器人對比傳統(tǒng)的CCTV探測機器人，它可以通過現(xiàn)代化設備的手段直接分析管道表層和內(nèi)部的損傷，避免了影像分析的諸多缺點，直接用超聲波對管道進行掃描。超聲波管道機器人在進行探傷前，首先需要在工件表面涂抹合適的耦合劑，超聲波通過耦合劑能夠順利射入被檢物體，當聲波遇到缺陷時，缺陷將被視為新的波源，發(fā)射出的聲波將被探頭接收，其波形將顯示在屏幕上。根據(jù)反射回來的聲波形狀或聲波在傳播過程中衰減特性，可以判斷工件內(nèi)部是否有缺陷存在[8]。機器人的移動采用AT89C52單片機為基本控制單元，驅(qū)動步進電機實現(xiàn)前進、停止、前進功能。并且伴隨有電磁鐵吸附系統(tǒng)，讓機器人在探測的時候，數(shù)據(jù)來源更加的穩(wěn)定。本系統(tǒng)主要由三個模塊組成：驅(qū)漏磁測量節(jié)、數(shù)據(jù)采集艙及電池艙[9]。圖1-3三軸高清漏磁內(nèi)檢測機器人驅(qū)漏磁測量節(jié)，這一模塊是整機的核心模塊，用于向檢測超聲波磁場的設備。數(shù)據(jù)采集艙用以記錄在管道檢測過程中的相關數(shù)據(jù)。電池艙，后期可以對電池艙進行升級，擴大電力的容量和縮小電池艙的大小，使得整機更加的輕巧，且續(xù)航能力提升，這一個產(chǎn)品相對于CCTV管道機器人做了很多創(chuàng)新，首先是擺脫了電纜，探索距離不再是一個較小的固定值，其次在探傷形式上，做了很大的改進，從單純的靠眼睛識別損傷，升級到了現(xiàn)在的超聲波感應。但是他的不足之處在于對管道大小要求較高，過大的管道用這個設備測量的數(shù)據(jù)往往不太準確，且需要在表面噴涂耦合劑，對于深埋地底的管道，設備的使用還是很麻煩的。（4）氣動式管道檢測機器人北京交通大學李文章Y結合機械與氣壓傳動研發(fā)出一種全氣動的管道機器人。機器人通過氣缸撐壁以及連桿變幅，實現(xiàn)了在不同直徑管道的撐壁行走。采用大減速比氣動馬達低速旋轉實現(xiàn)攝像頭沿壁面慢速移動，從而進行對管道壁面的圖像采集[10]。整個機器人的機械結構主要包括兩大部分，一是行走機構的設計，二是圖像采集機構的設計，通過行走機構下井，帶著圖像采集機構完成相應功能的工作任務。這兩大部分在設計的氣動邏輯下，協(xié)調(diào)完成檢測的功能，通過氣動調(diào)壓閥、節(jié)流閥等調(diào)節(jié)，實現(xiàn)機器人前進的速度與旋轉速度的變化[11]。氣動管道機器人的創(chuàng)新點在于氣動系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)的輪式驅(qū)動，其抗障礙能力更強，有更好的管道爬行能力，其次是撐壁行走的設計，對于管徑的適應能力強，且不受地面雜物污泥等的影響。圖1-4氣動式管道檢測機器人整體設計圖（5）模塊化管道作業(yè)機器人天津大學聯(lián)合天津揚天科技有限公司于2021共同研發(fā)了一種模塊化的管道作業(yè)機器人，具有可根據(jù)不同的作業(yè)環(huán)境更換不同的組件，大大的增加機器人的適應性和延展性。并對機器人的轉向系統(tǒng)等等做了較大的改革創(chuàng)新。該管道機器人以驅(qū)動模塊為核心，相關作業(yè)工具可以安裝到驅(qū)動模塊或者以獨立模塊形式與驅(qū)動模塊連接，形成模塊化管道作業(yè)機器人整體，具備管道內(nèi)部檢測、清障、打磨等功能，由于對輪式管道機器人彎的創(chuàng)新，使的機器人可以順利通過最小曲率半徑1.5倍管徑的管道和T型管道。由于機器人以模塊化來設計的，各模塊之間可實現(xiàn)快速拆卸和安裝，提高工作效率的同時節(jié)約了大量成本[12]。在管道機器人過彎的創(chuàng)新中，集中對輪子和管道的接觸點做了研究，因為不同輪子與管道內(nèi)壁接觸點的曲率半徑不同，因此各輪子的速度不匹配會產(chǎn)生內(nèi)耗，這就必須要對機器人速度模型進行分析[13]。通過這一分析大大加強了機器人的過彎能力。機器人的機械結構主要分為3個模塊，分別為驅(qū)動模塊，作業(yè)模塊，轉向模塊。驅(qū)動模塊是整個機器人的核心，其主要包括驅(qū)動機構和變徑機構，驅(qū)動機構主要提供機器人的動力，而變徑機構可以伸縮驅(qū)動機構來適應管徑的變化。圖1-5驅(qū)動模塊作業(yè)模塊塊是由較小的驅(qū)動模塊直接安裝作業(yè)工具構成，或者以獨立模塊的形式通過萬向節(jié)、快換與驅(qū)動模塊連接，在驅(qū)動模塊的牽引下在管道內(nèi)部完成作業(yè)任務。因此其功能多樣靈活，在工作前直接將需要的模塊裝上即可。主要的創(chuàng)新在于打磨模塊，在需要進行打磨作業(yè)時，機器人兩端支撐機構的支撐桿撐開，打磨機構的砂輪伸出對準打磨點進行打磨，并且設置有防護措施，在焊縫打磨完畢后限制砂輪片的徑向移動防止管道損傷[14]。轉向模塊轉向模塊由轉向機構和較小的驅(qū)動模塊構成，轉向機構底部可以連接到驅(qū)動模塊，充當驅(qū)動模塊的“頭部”，輔助驅(qū)動模塊通過T型管道。轉向機構的設計，改變了以往傳統(tǒng)的機械機構，變成了長蛇式的管道機器人，對比之前的坦克式管道機器人，蛇式機器人更加適合在小管徑的工作環(huán)境下進行作業(yè)[15]。圖1-6轉向機構圖1-7模塊化管道作業(yè)機器人（6）油氣管道爬行機器人中國石油大學的彭鶴聯(lián)合英特爾（中國）和新疆石油管理局于2021年研發(fā)了油氣管道爬行機器人，針對性的解決了傳統(tǒng)介質(zhì)推動機器人在新建無流體管道、非常規(guī)流體管道、分支管道和逆流體流向管道等特殊工況下無法作業(yè)的問題。機器人的機械結構分三個板塊，分別為支撐模塊，伸縮模塊和行走模塊[16]。支撐模塊選擇小型氣缸作為支撐結構的動力源，在機器人的前后部分別布置三個呈120°周向均布的氣缸作為機器人的支撐結構，支撐結構的設立，使得機器人和傳統(tǒng)機器人有了很大的不同，這樣的形式的機器人有著更為強大的過障能力。圖1-8伸縮機構伸縮模塊不同于上述模塊化機器人，這款機器人使用的助腳式的，但是3只助腳會使得驅(qū)動氣缸在機器人運動過程中缸筒和活塞桿發(fā)生轉動，就會形成一個角度且不利于機器人繼續(xù)前進，所以需要加裝導向裝置，讓機器人能夠順暢的前行。行走模塊塊采用搖桿滑塊機構，滑桿傾斜安裝在機器人主體上，由兩塊相同結構的滑塊對稱安裝在滑桿上，搖桿的一端與橫桿鉸接，另一端安裝滾輪，在滑桿上安裝彈簧，行走機構能保持滾輪時刻與管道內(nèi)壁接觸。1.3.3國外管道機器人（1）德國ROVION管道機器人德國ROVION管道機器人也是屬于CCTV管道機器人的一種，其技術對比國內(nèi)并沒有太大的創(chuàng)新和突破。對比傳統(tǒng)的CCTV管道機器人，ROVION管道機器人新增加了無線遙控的技術，不再需要連接電纜的控制臺，線纜范圍也擴大至300m。在其他技術方面并無創(chuàng)新。圖1-9ROVION管道機器人（2）管內(nèi)檢測機器人莫赫德·扎姆祖里·阿布·拉希德于2020研究全新的技術，開發(fā)出了新式的管內(nèi)檢查機器人，屬于流體驅(qū)動的管內(nèi)檢測機器人，而流體驅(qū)動的管道內(nèi)檢測機器人系統(tǒng)由壓縮輸送液驅(qū)動。機器人背部和前部的流體壓力差異推動著機器人向前發(fā)展。推進機器人的速度可以調(diào)整使用靈活的密封元件和對機器人身體的支持，與輪式驅(qū)動的機器人大不相同[17]。機器人的機械結構主要研究了：流體驅(qū)動，輪式驅(qū)動，檢查機構。流體驅(qū)動通過一個和管壁緊密貼合的圓盤作為壓力分割器，再使用渦輪將液體吸入并擠壓到分割器后方，形成一定的壓力差推動機器人，這樣的驅(qū)動設計不同于船舶的原因在于，這種驅(qū)動模式可以通過步進電機準確的定位機器人的移動速度和移動舉例。輪式驅(qū)動，輪式驅(qū)動分為兩個部分一個驅(qū)動模塊和一個沖壓機構，沖壓機構將輪子壓在關閉上，以便驅(qū)動模塊有足夠的摩擦力驅(qū)動機器人。輪式驅(qū)動用于液面較低以及沒有液體的情況[18]。圖1-10輪式驅(qū)動機構1.3.4發(fā)展歷程總結現(xiàn)在的管道機器人發(fā)展越發(fā)的成熟，但是在很多方面還是存在這一些問題。能源供給。傳統(tǒng)管道機器人常用的能源供應為有纜方式，拖纜摩擦對機器人在管道內(nèi)部短距離行走沒有太大影響，但長距離行走或管道不平整時，管道機器人帶纜行走問題較為突出。因此，開發(fā)管道機器人必須解決能源長距離供應的問題[19]。穩(wěn)定性。輸送管道是國民經(jīng)濟的重要命脈，現(xiàn)有大口徑管道一旦發(fā)生事故，會直接影響國計民生。能源輸送管道線路長，不容易檢測與監(jiān)控。因此，管道機器人在管道內(nèi)工作時，運行的穩(wěn)定性一定要得到可靠保證。位置識別與越障。常規(guī)管道機器人通常使用與驅(qū)動輪連接的光電碼盤構成閉環(huán)控制，由于管道內(nèi)信號屏蔽或受管壁光滑程度的影響，在輸送反饋信號時形成阻礙，對管道機器人的工作造成較大影響，有時甚至會導致管道機器人停止工作。因此，設計管道機器人時必須考慮感應識別及越障能力。在管道內(nèi)可能有臺階、管溝、碎石等，管道機器人需要能夠攜帶攝像機等檢測設備或清洗裝置在管道內(nèi)實現(xiàn)進退、轉彎、越障、定位，并具備自主導航功能。檢測、修復一體化?，F(xiàn)有的管道機器人局限于管道內(nèi)行走和檢測等，并不能實現(xiàn)檢測、修復一體化功能，因此檢測、修復一體化是今后管道機器人的研發(fā)方向[19]。1.4研究的主要內(nèi)容（1）機器人本體結構設計，主要由二個部分構成：驅(qū)動模塊，檢測模塊。驅(qū)動模塊：根據(jù)機器人在管道內(nèi)的移動方式，可主要分為PIG式、履帶式、支撐輪式、蠕動式，支撐腿式，車式，螺旋式等。不同的驅(qū)動方式具有不同的優(yōu)缺點，因此驅(qū)動方式的選擇需要放在結構設計的首要位置。綜合文獻調(diào)查，選擇支撐輪式的驅(qū)動方式。支撐輪共有6個，其中3個為定位輪，不提供驅(qū)動力，剩下的3個為驅(qū)動輪，分別使用小型電機進行控制，以實現(xiàn)對轉向的便捷控制。檢測模塊：管道的檢測方法可以分為監(jiān)控探頭法、超聲波檢測法、磁檢測法、光檢測法等。為配合支撐輪的驅(qū)動方式，采用超聲波檢測的方法。需要X軸的精密旋轉定位配合前后的移動來實現(xiàn)全方位的超聲波滲透，因此采用伺服電機來滿足精度要求。圖1-11管道機器人總體方案圖（2）完成運動控制系統(tǒng)設計?？刂圃O計采用plc進行編程，主要包括對聲波、行走電機，聲波定位電機進行控制?？偣采婕八膫€電機、一個超聲波發(fā)射器和一個傳感器，所以共需要4個接口和10出口來實現(xiàn)對管道機器人的控施。傳感器和超聲波探頭結合，超聲波探頭在未定位到管道損傷以較小的功率進行作業(yè)，通過機器人身上的感受器接受反射回來的超聲波輔助機器人自動尋路，定位到管道損傷時，超聲波探頭加大工作功率以穿透管道識別損傷。（3）完成基于MechatronicsConceptDesigner（MCD）機電一體化數(shù)字樣機設計。1.5擬解決的主要問題（1）行走模塊：預備使用支撐輪式的驅(qū)動方式，需要解決驅(qū)動力大小，支撐力大小，以及支撐桿剛度、撓度的計算，并設計出支撐輪的腿部結構和支撐機構。以及電機到驅(qū)動輪的傳動路線。（2）控制模塊：控制模塊包括中央控制中心，存儲單元以及電池元件，用來控制整個機器人的運轉，保證信息的存儲以及續(xù)航。（3）檢測模塊：預備使用超聲波檢測的方式，設計合理的探頭裝置，使得超聲波的發(fā)射角度更廣，并選定合適的耦合劑和自動噴涂耦合劑的機構。（4）解決管道內(nèi)腐蝕的相關問題，通過選用較為新式的材料，提高機器人相關電路以及外殼的防腐能力。（5）解決續(xù)航的問題，很多設備管道的跨度一般都較大，現(xiàn)擬定兩種解決方案，一為增加電池容量，選取最新的三元電池，二為在管道內(nèi)固定距離設定充電站，機器人電量較低時，自動前往充電。（6）選取數(shù)據(jù)傳導方式，現(xiàn)在通用的數(shù)據(jù)傳到方式有實時傳導和定點傳導，在地底下，實時傳導的難度有點大，只能夠選擇定點傳導，需要選擇合適的儲存設備來儲存采集下來的信息。

第二章總體方案設計與論證機器人需要有自動尋路功能，在管道中按照規(guī)劃路線進行巡檢，并在行進路程中持續(xù)進行超聲波檢測，在管道內(nèi)巡檢階段，不進行數(shù)據(jù)傳輸，將檢測數(shù)據(jù)暫時存儲，完成檢測任務后，由工程師導出機器人存儲的檢測數(shù)據(jù)并分析管道是否需要維修或更換。根據(jù)巡檢任務需求，要求機器人能夠?qū)崿F(xiàn)移動、越障、辨認軌跡、探傷、轉向等功能。機器人要保持運動過程中的平穩(wěn)性以達到檢測裝置的工作要求。同時，為滿足必須的工作時間長度，要具備足夠的續(xù)航能力提供保障；在傳感器的選擇中，不僅需要傳感器可以準確檢測并定位到管道損傷的位置，還要能將圖像信息轉化為數(shù)字信息進行存儲。此外，在巡檢過程中遇到機體自身不能夠解決的突發(fā)情況，能及時發(fā)送機體位置進行求救。例如：在管道中遇到機器人無法跨越的障礙時，能將機體所在位置發(fā)送到指定的計算機進行求救。2.1基于管道內(nèi)檢測的智能巡檢機器人總體方案論證管道巡檢機器人按照其所尋求的功能，總體分為三個部分，分別為支撐式驅(qū)動器，攝像超聲波一體式探傷裝置，控制系統(tǒng)。驅(qū)動器：根據(jù)機器人在管道內(nèi)的移動方式，可主要分為腿式、輪式、蠕動式、被動行進式等。不同的驅(qū)動方式具有不同的優(yōu)缺點，因此驅(qū)動方式的選擇需要放在結構設計的首要位置。綜合文獻調(diào)查，選擇輪式驅(qū)動方式。探傷裝置：管道的檢測方法可以分為監(jiān)控探頭法、超聲波檢測法、磁檢測法、光檢測法等。為配合輪式結構，采用超聲波檢測的方法?？刂葡到y(tǒng)需要編程軟件進行設計，單片機語言過于復雜，綜合程序編程的需要，決定采用plc進行編程，主要包括對超聲波、超聲波存儲、行走電機，等進行控制。2.2基于管道內(nèi)檢測的智能巡檢機器人機械結構方案論證驅(qū)動裝置是管道巡檢機器人中最重要的一部分，他負責移動機器人在管道中進行巡檢，并精準的按照規(guī)定路線行進，所以驅(qū)動裝置的機械結構設計無疑是重中之重，需要對比多種方案，選取最合適的驅(qū)動方案。2.2.1驅(qū)動方案確定管道巡檢機器人被廣泛運用于各種管道，根據(jù)其移動方式不同大致可以分為履帶式、支撐輪式、蠕動式，支撐腿式，車式，螺旋式等。不同的移動方式對于機械設計的要求是全然不同的，按照不同的移動方式最初共指定三種機械結構方案。履帶式巡檢機器人：履帶式是車式的升級版管道機器人，通過單純改動移動方式，驅(qū)動能力得到了極大的提升。而且履帶式機器人對比其他種類的機器人，設計較為簡單，消耗能源較低，巡檢時移動速度較快效率高。缺點對比其優(yōu)點也同樣明顯，履帶式機器人雖說對比車式機器人越障能力有了很大的提升，可還是很容易打滑，轉彎效率較低（需要的轉向半徑較大，對地面摩擦力要求較高），對凹凸不平、彎道較多的復雜地形難以做到自如進行巡檢任務。圖2-1履帶式管道機器人蠕動式機器人：蠕動式較為適合中小型、內(nèi)部填充液體的管道，其優(yōu)勢在于可以在流體中靈活轉向，且轉向半徑較小，適合對小型的石油，化工液體運輸管道進行巡檢。其缺點在于，對工作的環(huán)境要求較高，加工較為困難、價高（需要較高的防水技術），行進速度較慢，巡檢效率低，液體介質(zhì)也會影響檢測設備的準確性，驅(qū)動時所產(chǎn)生的不規(guī)律波動會使部分液體介質(zhì)產(chǎn)生爆炸、裂解、聚合或變質(zhì)等的反應。圖2-2蠕動式管道機器人支撐式機器人：其優(yōu)點在于可調(diào)節(jié)的支撐單元可以使用大部分直徑的管道，支撐輪始終緊密貼合管道，可以實現(xiàn)靈活轉向；多角度驅(qū)動輪的設計讓機器人有更強的越障能力；支撐式可以實現(xiàn)機器人的模塊化設計，首尾為負責行進的支撐輪，中段就可以放置各種功能模塊。圖2-3支撐式管道機器人遇到管道分岔路口，大部分的支撐輪會失效，支撐式管道機器人的轉向能力較差；結構較為復雜，設計難度較高；支撐環(huán)長期收縮易損壞，需要較為優(yōu)質(zhì)的材料。綜上所述，由于管道中環(huán)境復雜，管道下壁常有淤泥和積攢的障礙物；且管徑逐漸開始多樣化，這就要求管道機器人對管徑的適應能力強；管道中作業(yè)，常常會遇到很多不同的情況，模塊化管道巡檢機器人的設計可以通過更換、加入新的功能模塊來解決不同的突發(fā)情況。對比三種方案的優(yōu)缺點（如表2-1所示），綜合當今社會的實際需要，采用支撐式管道機器人，設計出一種新式的、模塊化管道巡檢機器人。表2-1綜合方案優(yōu)缺點對比類型優(yōu)點缺點履帶式管道機器人速度快、效率高、能源消耗低、設計較為簡單。越障能力差；轉向能力需求空間大；容易打滑；對地面環(huán)境適應能力差。蠕動式管道機器人轉向靈活、可在液體中作業(yè)；適用于小型管道。對工作環(huán)境要求高；加工困難、巡檢效率低；行進速度慢；易引起工作介質(zhì)反應。支撐式管道機器人管徑適用性強；越障能力強；可以實現(xiàn)模塊化設計。通過岔路口困難；機械結構設計復雜；需要較為優(yōu)質(zhì)材料。整個機械結構中，最基礎的模塊單元共有四個，前側的支撐單元、后側的支撐單元、檢測單元和控制單元。下文中對其一一論證。2.2.2驅(qū)動力結構論證管道巡檢機器人采用六支撐腳，六輪獨立驅(qū)動的移動方式，支撐腿設計如圖2-4所示，六個驅(qū)動輪獨立控制，有利于通過管道的分叉路口，且可以縮小機器人的機械結構。機器人預定適用于40cm直徑以下的小型管道，由以下部件組成：圖2-4支撐腿（1）直流電機：該管道機器人為小型機器人，負載重量小，使用鉛酸蓄電池給直流電機供電，不僅可以簡化機械結構設計，還可以提高機器人的續(xù)航能力和模塊重組能力。（2）減速器：機器人驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動力較小，所以減速器產(chǎn)生的扭矩相對較小，使用普通的齒輪減速器結構即可。齒輪減速器具有傳動效率高、可承載傳動比大、高精度、免維護等的特點?？墒褂谬X輪減速器來降低管道巡檢機器人的移動速度。（3）支撐腿：支撐腿為兩節(jié)式的結構，中間用鉚釘或銷連接，直流電機位于支撐腿的下段，縮短機械傳動的距離可以減少后期出故障的幾率。機械腿的上下段通過彈簧支撐，給腿提供伸張力，將腿的下端壓緊在管壁上，使得機器人可以正常移動。（4）支撐彈簧：彈簧是支撐腿中的重要結構，彈力過大會導致機器人的越障能力弱，遇到障礙物，支撐腿不能自動收起；彈力過小會導致支撐力不足，機器人移動困難。（5）感應同步器：主要用于速度檢測、定位與反饋，提高檢測信息和運動的精度。2.3基于管道內(nèi)檢測的智能巡檢機器人控制單元方案論證管道巡檢機器人采用PLC控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的順序控制器的加以改良的新型編程方式，使用程序框圖等的方式進行編程，使編程更加快速簡單。對比其他的控制編程軟件，按照本管道巡檢機器人的需要，其具有以下三大優(yōu)越性：（1）可靠性高，在管道復雜多變的環(huán)境下，常常有影響程序正常運行的情況發(fā)生，plc編程方式抗干擾能力強，無疑適用于本管道巡檢機器人。（2）外加功能多，配套程序齊全，相關功能完善，在各種機器控制的情況下實用性強。（3）芯片較為小巧，空間利用率高，適合用于小型管道巡檢機器人。主控單元選用plc-200對聲波、行走電機，聲波定位電機進行控制?？偣采婕八膫€電機、一個超聲波發(fā)射器和一個傳感器，所以共需要4個接口和10出口來實現(xiàn)對管道機器人的控施。傳感器和超聲波探頭結合，超聲波探頭在未定位到管道損傷以較小的功率進行作業(yè)，通過機器人身上的感受器接受反射回來的超聲波輔助機器人自動尋路，定位到管道損傷時，超聲波探頭加大工作功率以穿透管道識別損傷。2.4基于管道內(nèi)檢測的智能巡檢機器人檢測單元方案論證現(xiàn)階段的檢測方式分為六種：攝像頭、電磁感應、激光、超聲波檢測、紅外線等。不同的檢測方式各有利弊，選擇正確的檢測方式無疑是非常重要的，不僅可以優(yōu)化檢測信息的準確性，還可以優(yōu)化結構設計[19]。攝像頭是現(xiàn)如今最流行的信息采集裝置，直接作為眼睛的延展，是管道巡檢機器人信息采集系統(tǒng)不可或缺的一部分，由于管道中沒有光源，所以所選用的攝像頭必須具有夜視功能。圖2-6攝像頭其缺點則在于只能獲取管道表面的信息，無法對內(nèi)部損傷進行檢測，且容易受到環(huán)境的影響；在管道內(nèi)復雜的情況下，鏡頭容易污濁并損壞；單純的2維影像很難對損傷位置精準定位。超聲波檢測是新式的檢測方式，可以擺脫傳統(tǒng)信息采集設備只能運用于管道表面的缺點，通過超聲波通過不規(guī)則斷面、孔洞時產(chǎn)生的渦流波段，可以分析出管道內(nèi)部的損傷和微小孔洞。超聲波檢測優(yōu)點是檢測厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對人體無害，能對缺陷進行定位和定量。圖2-7超聲波檢測綜上所述采用兩者共用的探傷裝置，超聲波找到損傷，之后結合攝像頭采集到的影像信息，定位損傷在管道中的位置[20]。2.5小結綜上所述，確定了管道巡檢機器人各部分的設計方案。選用支撐式驅(qū)動器，能夠應對管道中環(huán)境復雜，及下壁淤泥和積攢的障礙物和多樣化的管徑。支撐式驅(qū)動器的越障能力、抗突發(fā)情況能力強，適合作為管道巡檢機器人的驅(qū)動器。使用攝像頭和超聲波結合的探傷裝置，可以有效的找到損傷并定位。采用plc進行編程，并對超聲波裝置、超聲波存儲、行走電機，等進行控制。

第三章管道巡檢機器人的機械結構設計本章對機械結構進行設計計算，機械結構是機器人設計兩大部分之一，通過大量計算并結合機器人的功率、結構需求等，確定不確定的機械結構，并校核確定等的標準件。整個機器人設計最大重量為20Kg，最大行進速度為2m/s，支撐輪選用多輪多廠家的30mm橡膠輪，其與大部分管道材質(zhì)的摩擦因數(shù)為0.3，管道內(nèi)部最大坡度為20°。3.1電機的選用本設計中的管道巡檢機器人的重量較輕，適合選用小型減速直流電機，電機自帶減速器，計算所需減速比即可。通過負載功率，負載扭矩等參數(shù)，確定電機的選型并校核相關零部件。3.1.1總阻力計算管道中的阻力可以共有4種，分別為：空氣阻力、坡度阻力、加速阻力、滾動阻力。驅(qū)動力直接由摩擦力提供，再由電機帶動橡膠輪克服摩擦力，完成管道巡檢機器人的行動?；緟?shù)為：機身重量：m=20Kg最大行進速度：V=2m/s摩擦因數(shù)：u=0.3管內(nèi)最大坡度：=20°（1）空氣阻力F阻1設空氣流速為V1由于管道中氣體流動性差，所有的空氣流速都來自于機器人自身運動，故而空氣流速等于車身最大行進速度。V1=V=2m/s（3根據(jù)空氣阻力公式可以計算出空氣助力F=Cρsv22公式（3-2）中各字母含義及取值如下：空氣阻力系數(shù)C，管道巡檢機器人外形類似于普通小車，故C=0.35?？諝饷芏龋?1.293kg/m3S為空氣受阻面積，管道巡檢機器人中間鏤空位置較多，且支撐腿需要直接頂?shù)焦鼙?，故選取最大管徑的1/3為空氣受阻面積[21]。將各數(shù)據(jù)帶入公式（3-2）得：F阻1=Cρsv（2）坡度阻力F阻2管道內(nèi)部不總是水平地面，有上坡或下坡的情況，在路面有向上傾角時，管道巡檢機器人需要克服自身重力向上做功，增大管道巡檢機器人的工作功率。其作用力公式為：F阻2=mgsinθ=20×9.8×（3）加速阻力F阻3管道機器人在啟動時必當產(chǎn)生加速度，本管道巡檢機器人不需要及時、快速啟動加速功能，在保證機身穩(wěn)定的情況下，初定加速度為a=0.5m/s3。在加速過程中，管道巡檢機器人需要增大工作功率使機器人加速，產(chǎn)生額外阻力，其計算公式為：F阻3=ma=20×0.5=10N（4）滾動阻力F阻4管道巡檢機器人使用的是橡膠輪，在行動過程中，輪子產(chǎn)生彈性變形，所以受到路面的反作用力不僅僅是豎直向上，還包括水平方向的阻力，這個阻力就是滾動阻力，其計算公式為：F阻4=uwcosθ式中w為機身重力，將各數(shù)據(jù)帶入式（3-6）中可得：F阻4=uwcosθ=0.3×200×cos20°（5）摩擦阻力F阻驅(qū)動力直接由摩擦力提供，故摩擦阻力等于前四個阻力之和，由于管道巡檢機器人需要克服自身重力并頂住管壁，需要通過摩擦力計算出最小支撐力N0，以便于后文機械結構校核。其計算公式為：F=0.15+65.41+10+56=131.56N（3通過摩擦力計算出各輪所需的最小壓力，其計算公式為：N0=F阻下方支撐輪還需要承受自身重力，其支撐力較大，可以代償部分上壁摩擦力，故取上三支撐腿支撐力N=20N。3.1.2電機額定功率計算電機提供所有的驅(qū)動力，且各項參數(shù)需要與管道巡檢機器人相匹配，過大的電機浪費能源，過小的電機難以支持機器人行動。根據(jù)摩擦阻力計算出電機的減速比和許用功率無疑是很重要的。輸出功率是Pc維持橡膠輪最大速度運轉的最小功率，其計算公式為：Pc=nT9550橡膠輪轉速n由管道巡檢機器人的行動速度和橡膠輪周長計算所得，其計算公式為：橡膠輪直徑：D=0.03mn=60vπD=2×60電機的扭矩T的計算公式為：T=F阻×D將公式（3-10）（3-11）帶入公式（3-9）得：Pc=nT9550=單個輪的輸出功率Pc0為：Pc0=pc傳動系統(tǒng)中共有四個軸承、一對嚙合直齒齒輪、一個彈性聯(lián)軸器，通過查閱機械設計手冊得知，深溝球軸承1=0.99，直齒嚙合齒輪2=0.98，3=0.96。故傳動總效率計算公式為：=14×單個電機計算額定功率的計算公式為：Pe0=Pc3.1.3電機選型由單個輪的輸出功率確定電機型號并校核其他各項參數(shù)，對比多個廠家后選用兆威公司的22mm齒輪箱直流減速電機。通過選型表查得，選用ZWBPD022022-4型號的減速直流電機最為合適。圖3-1兆威公司電機選型表圖3-2直流減速電機外形尺寸其額定轉速為ne=1875r/min；其外形尺寸如圖3-2所示。故減速比i的計算公式為：i=nen=表3-1電機參數(shù)額定轉速ne額定功率Pe輸出軸直徑D0外形尺寸D1減速比i1875r/min12w6mm22mm1.473.2聯(lián)軸器的選用根據(jù)電機輸出軸軸徑，選用合適的聯(lián)軸器。管道巡檢機器人在工作中的突發(fā)情況較多，且路面較為顛簸，安全聯(lián)軸器對心度高、傳動能力強、抵抗振動的能力較弱，不適合采用；彈性聯(lián)軸器有一定的對心調(diào)節(jié)能力、傳動能力較強、抗震能力好，適合用于管道巡檢機器人。經(jīng)過調(diào)查，最終選用維動公司的EKL2型彈性聯(lián)軸器。其彈性體使用的耐磨材料TPU，具有總安裝長度短、易于安裝、減震性強等的特點。圖3-3維動彈性聯(lián)軸器選型表圖3-4維動彈性聯(lián)軸器外形尺寸3.3軸承的選用管道巡檢機器人單腿使用4個軸承，所有軸承只受徑向力且轉速較高，故選用深溝球軸承。根據(jù)軸徑選擇6201型號的深溝球軸承，需要校核軸承壽命是否符合要求其計算公式為：Lh=10660通過查閱機械設計手冊，只承受徑向力的深溝球軸承載荷系數(shù)選取fp取值為1.2，溫度系數(shù)ft取值為1，當量動載荷P的計算公式為：Fr=12N0P=fpFr將公式（3-18）（3-19）帶入公式（3-17）中等：Lh=10660使用壽命超過10年，符合要求。3.4中間軸的校核按照EKL2型彈性聯(lián)軸器外形尺寸選用中間軸的軸徑D2=7mm，選用基礎工業(yè)材料45號鋼，其許用扭轉應力[]=60mpa。依據(jù)軸徑和許用扭轉應力校核軸的強度是否符合要求。連接電機和橡膠輪的中間軸為傳動軸，只受到扭轉力矩，其大小的計算公式為：τ=Twr小于許用扭轉應力[]，傳動軸直徑、材料選取符合要求。3.5下端支撐腿的校核下端的支撐腿結構是整個管道巡檢機器人最危險的部件，不僅需要承受機身自重，還需要承受上端支撐腿產(chǎn)生的支撐力，想要保證管道巡檢機器人的正常運行，支撐腿的校核是必不可少的[22]。根據(jù)支撐腿受力圖（3-5），分析可知1段腿較為危險，只挑選危險段進行分析，故只對1段軸進行校核。通過上一章的設計可知，1段腿的整個長度為L=20cm；支撐傾角度數(shù)=20°。通過受力圖（3-5）就算力矩M，并繪制力矩示意圖（3-6），1段軸力矩計算公式為：M=L?Fr?sin擠壓力Fn的計算公式為：Fn=Fr?擠壓應力n的計算公式為：σn=Fnπ(校核強度合格式中D0=30mm為支撐腿的外徑，d=22mm為支撐腿的內(nèi)徑。彎曲應力max的計算公式為：wn=0.2D03τmax=mwn校核強度合格扭轉角度max的計算公式為：Ip=0.1θmax=綜上所述，支撐腿結構設計合理。3.6銷的校核支撐腿的連接銷受到全機身的重量，受到較大的剪切應以，屬于危險零件，故需要對其進行校核。選用D3=8mm的銷。其剪切力的校核公式為：τ校核強度合格，銷的選用合理。3.7小結本章節(jié)的主要內(nèi)容為按照管道巡檢機器人功能需求計算出所需功率，并按照各參數(shù)進行計算，包括電機、聯(lián)軸器、軸承進行選用計算，確定了各標準件的型號。對機身中的危險部件：中間軸、支撐腿、銷進行了校核，確定在負載甚至過載的情況下依舊能夠正常工作。

第四章管道巡檢機器人三維建模與有限元分析通過對驅(qū)動、檢測、控制單元受力情況以及關鍵零部件的設計計算，基本確定管道巡檢機器人的零件尺寸，可以開始對機器人進行三維建模。在本次設計中，首先計算出相關零件的尺寸并校核強度，建模過程采用Solidwork軟件，對所有零部件進行三維建模?？梢詫崿F(xiàn)較為復雜的裝配體建造，并可以將核心零件模型導入ansys軟件中直接進行有限元分析。4.1三維建模三維建模是整個設計項目中極其重要的一部分，在確定零件的基本尺寸后，才能進行設計方案的進一步研究，包括控制系統(tǒng)的設計和關鍵零件的有限元分系以及運動仿真。4.1.1三維建模方法在本次研究設計中，三維建模采用基于特征建模的思路。其意思是用更高緯度、更具工程意義的三維特征來描述零件。其優(yōu)勢在于：（1）特征建模著眼于更好的表達產(chǎn)品，從最終用戶的體驗、生產(chǎn)準備、工程項目合作的難易出發(fā)，自上而下的設計建模，可以保證最終產(chǎn)品更具人性化，使用感更好。（2）有助于推動整個行業(yè)加工流程的規(guī)范化和標準化，在最初就考慮加工可能存在的問題，保證機械結構的工藝性更好。（3）有助于協(xié)調(diào)加工中各個部門的溝通，使得后期產(chǎn)品優(yōu)化升級改進更為簡易。4.1.2驅(qū)動單元的三維建模驅(qū)動單元主要由驅(qū)動單元外殼，電池，支撐腿構成等零件裝配而成。采用6只對稱支撐腿的結構，來平衡驅(qū)動單元的動力，且前后各放置一個支撐腿，增大驅(qū)動力。支撐式驅(qū)動主要有以下優(yōu)點：（1）支撐式驅(qū)動單元，通過支撐腿的收起展開，獲得很強的越障能力，以應對管道內(nèi)多種多樣的障礙物。（2）支撐腿處的恒力彈簧，可以跟隨管徑調(diào)整伸展度，以適應各種復雜的環(huán)境與管徑。（3）前后各一個驅(qū)動單元的設計，可以增強整個機械結構的穩(wěn)定性和爬坡能力。圖4-1支撐式驅(qū)動單元4.1.3檢測單元的三維建模檢測單元由機械硬盤、紅外攝像頭、超聲波檢測器等裝配而成。是管道巡檢機器人的核心組成部分，是其他部分主要服務的單元，用以檢測管道內(nèi)的各種情況，并采集存儲信息。圖4-2檢測單元4.1.4控制單元的三維建?？刂茊卧褂梦鏖T子S7-224PLC型芯片對驅(qū)動單元和檢測單元進行控制，其結構示意圖如圖4-3所示。圖4-3控制單元4.1.5總裝配圖的三維建?？傃b配使用Bottom-up的裝配方法，由小到大逐步完成裝配。在從左至右的裝配過程中，由小零件搭載成基本單元，最終由四個基本單元組成總裝配體，兩個驅(qū)動單元帶動中間部分的檢測單元和控制單元行動，在管道中完成作業(yè)。圖4-4總裝配圖4.2有限元分析有限元分析是基于材料力學分析迅速發(fā)展起來的一種新興的現(xiàn)代分析方法。他通過將零件整體離散為細小單元的組合體，細小單元的特性按照剛體考慮，從而使一個連續(xù)不可計算的問題變成離散可計算的問題4.2.1有限元分析步驟本次設計采用ansys軟件對主要零部件進行有限元分析，保證各結構在機器人作業(yè)過程中有足夠的強度，分析步驟如下：（1）確定零件結構，列出分析方案。（2）將需要分析的零件離散并確定零件的單元類型和材料種類。（3）建立材料模型。（4）約束材料自由度并施加載荷。（5）劃分零件網(wǎng)格。（6）進行分析。4.2.2主要零部件分析通過ansys軟件對關鍵的零部件進行有限元分析，同時進行應力應變云圖，可以保證管道巡檢機器人的各零件能正常工作。（1）橡膠輪橡膠輪主要承載機身的全部壓力，受車身重量的影響對橡膠輪下表面施加120N的壓力，分析其應力應變云圖，從圖中可以看出最大應力為115.42N/m2應變?yōu)?.810-11近似于0可忽略不計，零件無明顯變形，滿足管道巡檢機器人使用要求。圖4-5橡膠輪有限元分析（2）橡膠輪軸橡膠輪通過橡膠輪軸和機體相連接，承載整個機身重量所造成的剪切應力，固定軸兩端并對與橡膠輪接觸下表面施加120N的正壓力。通過結果可知其應力為162.96N/m2應變?yōu)?.1*10-12趨近于0可忽略不計，剪切處應力集中不明顯，對其鋼材剪切強度，無切斷可能，整體零件無明顯變形，滿足管道巡檢機器人使用要求。圖4-6橡膠輪軸有限元分析（3）控制單元外殼控制單元外殼為中間的被動件，承受驅(qū)動單元對其施加的拉力，對連接處施加200N的拉力分析。通過結果可知其應力為162.96N/m2應變?yōu)?.1*10-12趨近于0可忽略不計，拉應力集中不明顯，對其鋼材抗拉強度，無拉斷可能，整體零件無明顯變形，不影響管道巡檢機器人的正常運行，不會損傷到內(nèi)部的控制元件，滿足機器人使用要求。圖5-7檢測單元外殼有限元分析

第五章控制系統(tǒng)設計為實現(xiàn)管道巡檢機器人能夠?qū)崿F(xiàn)其巡檢功能，必須對機器人的控制系統(tǒng)有所要求?？刂葡到y(tǒng)定義整個機器人之間的關系，并協(xié)調(diào)機械結構、存儲器、運算器、以及I/O設備的相互關聯(lián)。程序的合理性直接影響機器人工作的運行效率和整體性能。圖5-1工作流程圖5.1管道巡檢機器人控制系統(tǒng)形式現(xiàn)如今機器人的主要控制系統(tǒng)結構共分為三種：集中式控制、分散式控制、分布式控制、協(xié)商式控制。通過對管道巡檢機器人性能的分析，采用分布式控制進行設計。其要點在于系統(tǒng)設計中的機器人為獨立個體，可以對自身和周圍的環(huán)境做出反應。從程序上模擬人的情緒和反應。程序的設計編寫有以下三種主流的方式，均有優(yōu)缺點，下面對其進行比較、分析：（1）PLC可編程控制器（PLC）一種具有微處理器的數(shù)字電子設備，其特點在于框圖式的編程方法比較簡單，可用于自動化控制的數(shù)字邏輯控制器?？芍苯訉刂破鲀?nèi)部CPU編程，通過指令及資料內(nèi)存、輸入輸出單元、電源模組、數(shù)字模擬等單元所模組化組合成。其具有程序時序性強，抗干擾能力強的特點。（2）工控機工控機（IPC）即基于PC總線的工業(yè)電腦。其價格低、質(zhì)量高、產(chǎn)量大、軟/硬件資源豐富，已被廣大的技術人員所熟悉和認可。工控機主要的組成部分為工業(yè)機箱、無源底板及可插入其上的各種板卡組成，如CPU卡、I/O卡等。并采取全鋼機殼、機卡壓條過濾網(wǎng)，雙正壓風扇等設計及EMC技術以解決工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾、震動、灰塵、高/低溫等問題。相對于PLC來說，工控機功能靈活，結構復雜，具有很強的控制功能。工控機作為控制設備，普遍應用在高性能上位機進行網(wǎng)絡控制系統(tǒng)調(diào)度。（3）51系列單片機51系列單片機由于問世早，多家廠商研發(fā)和批量生產(chǎn)，其質(zhì)量和產(chǎn)量得到充足保障，結構簡單、價格便宜，在很長的一段時間內(nèi)一直占有大量市場。有優(yōu)異的性價比；集成度高、體積小、有很高的可靠性；控制作用強；擴展性能好，51系列的I/O腳的設置和使用非常簡單，但51單片機大多適用于功能簡單的產(chǎn)品中，一般不具備自編程能力，功耗大，工作速度慢、抗干擾性能差，不適用與機器人復雜的控制系統(tǒng)中。5.2控制系統(tǒng)硬件設計5.2.1PLC控制原理圖對管道巡檢機器人的各項功能進行分析后，決定控制型號以及進行控制的I/O點數(shù)。本次設計需要實現(xiàn)管道巡檢機器人能夠有前進、后退、攝像頭轉動、超聲波的啟閉等的功能，在對各個單元進行編程后，其I/O點與控制對象對應表如下所示：表5-1控制點數(shù)對照表控制點數(shù)控制項目輸入I0.0程序、攝像頭、超聲波傳感器和檢測器I0.1程序停止I0.2驅(qū)動電機反饋輸入I0.3驅(qū)動電機反饋輸入I0.4攝像頭驅(qū)動電機反饋輸入I0.5攝像頭驅(qū)動電機反饋輸入I0.6超聲波設備反饋輸入I0.7超聲波設備反饋輸入輸出Q0.0攝像頭開啟Q0.1超聲波檢測設備開啟Q0.2驅(qū)動電機正轉Q0.3驅(qū)動電機反轉Q0.4攝像頭電機正轉Q0.5攝像頭電機反轉Q0.6超聲波增強Q0.7超聲波減弱通過PLC直連電機、驅(qū)動電機、攝像電機、傳感器等，對管道巡檢機器人進行，使其可以自主在管道內(nèi)進行巡檢，并將數(shù)據(jù)存儲起來，以供工作人員分析管道內(nèi)情況。機器人配備三塊電池，一塊為機器人的檢測單元和控制單元供電，兩塊為驅(qū)動單元供電，這樣設計的好處在于是整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定，不會因為驅(qū)動系統(tǒng)過載所產(chǎn)生的額外功率導致控制單元和檢測單元供電不足。圖5-2PLC控制柜接線圖超聲波檢測裝置和超聲波傳感器為一體，既可以反饋管道內(nèi)的損傷又可以檢測路面的平整度和障礙，用以控制機器人。采用攝像頭和超聲波結合的檢測方式，既可以準確探傷又可以具體定位。在PLC芯片放置方面，不僅涉及到通風抗震，還要便于電路的搭建，下圖為管道巡檢機器人設備的PLC控制柜接線圖。5.2.2PLC控制程序設計在本次設計中，PLC控制系統(tǒng)對巡檢機器人的驅(qū)動電機、攝像頭電機、超聲波頻率進行控制。用以實現(xiàn)機器人的前進后退、攝像頭的轉動以及超聲波對管道的檢測。按下啟動按鈕之后，超聲波傳感器開始工作，路面足夠平整時，機器人可向前行進并實現(xiàn)后退功能，之后便依次啟動攝像頭以及超聲波檢測器。根據(jù)上文所說的I/O點數(shù)分配結合PLC流程圖，對管道巡檢機器人進行控制系統(tǒng)設計，程序如下圖所示。圖5-3PLC啟動程序網(wǎng)絡一為啟動程序，當按動啟動按鈕時，輸入信號I0.0，攝像頭、運行位、超聲波檢測儀全部啟動。圖5-4傳感信號處理程序網(wǎng)絡二用來處理超聲波傳感器反饋的信號，當程序啟動后，運行位開啟，超聲波傳感器也隨之開啟，并將傳感器反饋的信息轉換為數(shù)字信息，以方便后面程序的處理。圖5-5前進后退程序網(wǎng)絡三四為前進后退程序，程序通過互鎖來保持驅(qū)動電機的正常工作，當前進程序啟動時，需要對比超聲波傳感器反饋的信息，地面波動度低于等于12500方可繼續(xù)前進。圖5-6攝像頭控制程序攝像頭的控制程序獨立于機器人的控制程序，在管道巡檢過程中難免會因為攝像頭的攝像廣角不夠而需要攝像頭進行旋轉以便于更好的采集信息，當保持I0.0打開的同時，按下I0.4、I0.5可以實現(xiàn)攝像頭的左右旋轉，并構建自鎖保持攝像頭電機的正常運行。圖5-7超聲波檢測程序超聲波檢測器全功率運行的耗電量較高，為了保持管道巡檢機器人能夠有足夠的續(xù)航，在常態(tài)下超聲波檢測器為低功率運行，識別到管道損傷或疑似損傷時，則加大功率進行檢測。5.2.3PLC控制程序仿真為確保程序能夠正常運行，需要對整個控制程序進行模擬仿真來驗證程序的正確性，采用SiemensPLC進行軟件模擬，模擬結果如下。首先在仿真軟件中裝載程序并運行程序，按下I0.0按鈕，Q0.0、Q0.1燈亮，表示攝像頭和超聲波檢測器啟動，程序運行正常。圖5-8程序啟動再按下I0.1按鈕，燈全滅，程序終止。圖5-9程序停止之后按下I0.2按鈕，燈Q0.0、Q0.1、Q0.2亮，表示管道巡檢機器人只前進，程序運行正常。圖5-10小車前進按下I0.3按鈕，燈Q0.0、Q0.1、Q0.4亮表示管道巡檢機器人只后退，程序正常運行。圖5-11小車后退按下I0.4按鈕，燈Q0.0、Q0.1、Q0.4亮，表示程序在正常運行的同時，攝像頭向右轉向。圖5-12攝像頭右轉按下I0.5按鈕，燈Q0.0、Q0.1、Q0.5亮，表示表示程序在正常運行的同時，攝像頭向左轉向。圖5-13攝像頭左轉按下I0.6按鈕，燈Q0.0、Q0.1、Q0.6亮，表示程序在正常運行的同時，管道巡檢機器人的超聲波探測器針對某處損傷，功率增大以更加清楚的探知損傷情況。圖5-14超聲波檢測功率增大按下I0.7按鈕，燈Q0.0、Q0.1、Q0.7亮，表示表示程序在正常運行的同時，管道巡檢機器人的超聲波探測器功率開始減小，在探清損傷后恢復常態(tài)，檢測路面平整度。圖5-15超聲波檢測功率減小綜上所述，在PLC程序仿真過程中，通過觀察指示燈的變化，證明程序總體運行正常，沒有錯誤。

第六章管道巡檢機器人的經(jīng)濟與環(huán)境分析經(jīng)濟分析是產(chǎn)品研發(fā)成功與否的重要依據(jù)之一，其主要作用在于最大限度的規(guī)避風險。所以在產(chǎn)品設計時，不僅要考慮產(chǎn)品的工藝性、使用感、性能等，還需要考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟性能，充分的考慮當前市場實際情況，在產(chǎn)品投入生產(chǎn)前盡量規(guī)避經(jīng)濟風險。6.1經(jīng)濟性能分析根據(jù)國際機器人生產(chǎn)實際需求，估算成本如下表7-1。同一期生產(chǎn)數(shù)量需要達到20個，通過計算估計出所需要的最小部署成本。使用巡檢機器人進行管道維修服務對比人工，具有巨大成本優(yōu)勢、管理優(yōu)勢，有很好的市場前景。表7-1材料價格表材料名稱數(shù)量（個）價格（元）西門子S7-224PLC1700兆威直流減速電機122400西門子工控機1824松下smart攝像機16468中儀超聲波檢測儀14724臺電電纜若干35臺電電源2252其他若干2000經(jīng)過對此次設計管道巡檢機器人經(jīng)濟分析，初步估計結構選材、零件采購、外界部件選用等的花費，符合當今市場對于管道機器人的定位，符合市場規(guī)律，能夠順利銷售該產(chǎn)品。6.2技術性分析該管道巡檢機器人綜合了現(xiàn)有機器人的特點，并針對小型管道做出設計，有以下的突出優(yōu)點：（1）可以使用多數(shù)管徑、越障能力強、可以適用多種地形。（2）檢測裝置采用紅外攝像頭結合超聲波檢測器，一個負責定位管道損傷，一個探索損傷的具體情況。6.3環(huán)境問題分析該管道巡檢機器人主要使用的材料為304不銹鋼和工業(yè)塑料，在生產(chǎn)過程中可能會對大氣、水、土壤等造成污染。其防治措施需要改進工藝流程，對污染物進行合理的回收和過濾。在使用過程中，管道巡檢機器人主要能源為電，屬于清潔能源，不會造成尾氣排放。在管道中移動，單純橡膠輪和管道的接觸，并不會對管道內(nèi)環(huán)境造成影像。管道巡檢機器人報廢后，機體外殼、電纜可以直接回收，控制芯片和電磁則需要送往專業(yè)的回收機構，對電池內(nèi)的腐蝕性液體進行處理，放入廢水處理站和集水池進行有害物質(zhì)沉淀后再進行排放[23]。

第七章結論與展望7.1結論畢業(yè)設計是本科期間對自己四年來學習成果的檢測，需要對各學科學習足夠深入和了解才能夠融會貫通、聯(lián)系各個學科之間的知識。很多看似沒有意義的前置基礎學科，在真正做產(chǎn)品設計時才知道，基礎學科如同傳動裝置中的軸承，隱藏在機械內(nèi)部，成為不可或缺的部分。在設計開始前，查閱大量相關文獻，開拓了管道巡檢機器人的設計視野，跳出了最初的思維慣性，拋棄了最初準備使用的車式機器人，選擇了支撐式機器人，做到了很多最初達不到的功能。本次設計，研究了管道巡檢機器人進行管道內(nèi)檢測的實現(xiàn)原理、方法和技術；構建機器人的三維模型，對設計、建模、控制等各關鍵技術進行了分析與整合；增強了Solidwork三維建模軟件和CAD工程繪圖軟件的運用能力。三維結構采用模塊式的機械結構，各單元的建模相對獨立?？梢愿鼮殪`活的在狹小管道內(nèi)轉彎?？刂葡到y(tǒng)中，本次設計中采用的西門子S7-224PLC芯片，保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，程序編寫也更為便利。選用該型號芯片的原因在于，其總體積較小且自身功耗較低，放置在小型管道機器人內(nèi)，既不會占用太大的空間，也不會使電池的負擔過重。7.2前景展望管道巡檢機器人研究仍然處于初級階段，目前得到的理論及技術應用結果仍然有限，其智能度和實用性還有所欠缺。本文對部分問題進行探討并提出了解決方案，但是還有幾個方面仍然未得到解決，需要我們繼續(xù)進行深入研究。（1）整個機器人產(chǎn)品并沒有做無線數(shù)據(jù)傳輸，只能夠?qū)?shù)據(jù)存儲，其原因在于，管道巡檢機器人一般在地底下作業(yè)，無線信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性大打折扣，有效通訊距離極其有限，如何解決地低通信傳輸問題，是一個很值得關注的研究方向。（2）在越障方面，跨越固定障礙物的能力較強，支撐腿能夠自如的收起以跨越障礙，但是對于跨越可移動障礙物的能力較弱，當障礙物的摩擦力不足以使支撐腿抬起時，便不能有效跨越障礙。有效的解決這一問題，將大幅度提高機器人的行進效率。（3）在通過十字路口型管道時，驅(qū)動裝置失去支撐內(nèi)壁從而失去驅(qū)動力和支撐力，從而使得機器人總體失去平衡，解決這一問題，管道巡檢機器人的實用性將會更好。參考文獻[1]賈興臣