伸缩式管道机器人的研究与设计
管道攀爬机器人结构设计及行走动力特性分析
管道攀爬机器人结构设计及行走动力特性分析一、结构设计：1.机器人主体结构：管道攀爬机器人的主体结构一般由多个可伸缩的模块组成，每个模块包括一个电机、行走轮和一个伸缩杆。
2.伸缩机构：机器人通过伸缩杆来适应不同管道尺寸。
伸缩杆一般采用多节设计，每个节段之间通过齿轮或链条进行连接，以实现伸缩功能。
3.行走轮和传动机构：机器人采用行走轮来实现在管道内的行走。
行走轮通常由橡胶材料制成，提供良好的摩擦力。
传动机构一般为电机与行走轮的传动装置，通常采用齿轮传动或链条传动。
4.控制系统：机器人的控制系统包括传感器、执行器和控制器。
传感器可以感知机器人的位置、姿态和环境条件等信息，以便进行自主导航和任务执行。
执行器包括电机和伸缩杆等组件，用于控制机器人的运动和伸缩。
控制器负责接收传感器信息，并根据预设的算法控制机器人的运动。
二、行走动力特性分析：1.爬行速度：管道攀爬机器人的爬行速度取决于行走轮的直径、电机的转速和传动机构的设计等因素。
一般来说，机器人爬行速度应该足够快，以提高任务完成效率。
2.负载能力：机器人承载工具和传感器进行任务执行，因此需要具有较大的负载能力。
负载能力的大小与机器人的结构强度和设计参数有关。
3.自稳定性：机器人在管道内行走时需要具备较好的自稳定性，以应对管道内的复杂环境。
自稳定性主要通过控制系统实现，通过传感器检测机器人的姿态和环境条件，并及时做出调整。
4.能耗与动力供应：管道攀爬机器人通常采用电池供电，因此需要考虑能耗和续航时间。
一般通过优化结构设计和控制算法，减小阻力和能耗，延长电池寿命。
5.适应性：管道攀爬机器人需要适应多种管道的尺寸和形状。
因此，其结构设计应具有一定的自适应性，能够根据管道的不同尺寸进行伸缩和调整。
综上所述，管道攀爬机器人的结构设计和行走动力特性是保证机器人能够在管道内进行任务执行的关键要素。
通过合理的结构设计和动力调节，可以使机器人具有较高的工作效率和可靠性，适应不同尺寸和形状的管道。
管道巡检机器人的设计与实现
管道巡检机器人的设计与实现随着工业自动化的不断发展，各行各业对于机器人的需求也越来越高。
在石油、化工等行业中，管道的巡检一直是一项重要且繁琐的工作。
传统的管道巡检方式需要人工参与，不仅费时费力，而且存在安全隐患。
因此，设计并实现一款管道巡检机器人成为了行业内的迫切需求。
一、设计理念管道巡检机器人的设计理念是结合机器人技术与无人机技术，通过对管道进行全方位的巡检，确保管道的正常运行。
机器人需要具备自主导航、障碍物避让、安全监测等功能，以应对复杂和危险的工作环境。
二、关键模块（一）自主导航模块：机器人需要通过激光雷达、视觉传感器等设备获取周围环境的信息，并通过内置的导航系统确定行进路径。
同时，机器人需要具备SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，同时定位与地图构建）能力，以保证行进轨迹的准确性和稳定性。
（二）机械臂模块：为了能够对管道进行全方位的巡检，机器人需要搭载灵活且可伸缩的机械臂。
机械臂上配备摄像头、传感器等设备，可以对管道的细节进行检查和记录。
机械臂模块还需要具备深度学习算法，能够对检测到的异常情况进行分析和预警。
（三）传感器模块：机器人需要搭载各种传感器，如温度传感器、振动传感器、气体检测传感器等，以实时监测管道的运行状态。
这些传感器要能够准确感知管道内部的各项指标，并将数据传输给控制中心，以便对异常情况及时处理。
（四）通信模块：机器人要能够与控制中心实时进行数据交互和信息传输。
通过无线通信技术，机器人可以将巡检数据、管道状态等信息上传到云端，以供后续的数据分析和处理。
三、实现技术（一）导航定位技术：利用激光雷达、视觉传感器等设备获取机器人周围环境的信息，通过内置的导航系统进行路径规划和优化，从而实现自主导航的能力。
（二）机械臂技术：采用灵活且可伸缩的机械臂，通过精确控制机械臂的运动，实现对管道的巡检。
同时，机械臂上配备的摄像头、传感器可以获取管道内部的详细信息。
一种伸缩支撑式双目无线管道探测机器人的设计与实现
一种伸缩支撑式双目无线管道探测机器人的设计与实现作者：徐海钦张宏伟梅学雪李啸云张丽来源：《科技资讯》2020年第02期摘; 要：在管道运输中，管道的管壁常常会因为各异的介质侵蚀，导致管道漏孔、裂纹，发生泄漏事故，由于管道所埋设的位置和周遭环境的特殊性，传统的机器人难以满足探测需求。
该文设计了一种新型管道探测机器人，利用特有的伸缩支撑式机械机构，实现在水平、竖直和弯道管道中的运行。
此外，还设计了双目立体视觉系统，实现在复杂恶劣的管道环境中的三维立体识别和检测。
实验结果表明，该机器人可以在管径为300～800mm的運输油、气、水或缆线的管道中实现故障检测和定位，具有适应各种管道环境且准确定位的优点。
关键词：管道探测; 机器人; 伸缩支撑式; 视觉系统中图分类号：TP242 ; ;文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）01（b）-0018-03Abstract： In pipeline transportation， the pipe wall often leaks due to various media， causing leakage， cracks and leakage accidents. Due to the location of the pipeline and the special environment around it， traditional robots are difficult to meet the detection requirements. Therefore， this paper studies and designs a new type of pipeline detection robot， which uses a unique telescopic support mechanism to achieve operation in horizontal， vertical and curved pipelines. In addition， a binocular stereo vision system is designed to achieve three-dimensional stereo recognition and detection in complex and harsh pipeline environments. The experimental results show that the robot can realize fault detection and positioning in the pipeline of transportation oil， gas， water or cable with the diameter of 300mm-800mm， which has the advantages of adapting to various pipeline environments and accurately positioning.Key Words： Pipeline detection; Robot; Telescopic support; Vision system管道运输[1-2]是一种重要的运输方式，为了提升管道使用的安全性，需要定期对管道进行有效的检测、探查和维护，故检测管道内部的探测机器人随之应运而生。
管道内部传输机器人的研究与制造
管道内部传输机器人的研究与制造I. 介绍管道内部传输机器人是指一种能够在管道内部进行自主行动的机器人。
该机器人是由传感器、执行器、控制系统等设备组成，通过在管道内部传输不同的物品或进行检修和维护等任务。
管道内部传输机器人在各个行业都有广泛的应用，特别是在石油、天然气、水处理等领域。
II. 设计与构造管道内部传输机器人的设计和构造比较复杂，一般需要根据具体的管道参数和使用要求进行设计。
该机器人的主要部件包括：轮组、电池、传感器、控制模块等。
1. 轮组设计机器人传输管道内部时需要具备一定的机动性和灵活性。
轮组是机器人的运动基础，也是移动灵活性的关键。
常见的轮组类型包括：链式履带式、摩擦轮式、气囊轮式等。
2. 电池设计电池为机器人提供能量，保证机器人持续工作。
电池的容量和类型需根据机器人工作负荷确定，同时需要满足安全、轻便等要求。
3. 传感器设计传感器是机器人进行感知和自主行动的核心。
在管道内部工作时，需要采用一定的传感技术保证机器人的安全和稳定性。
常见的传感器类型包括：红外传感器、多点温度传感器、压力传感器、光纤传感器等。
4. 控制模块设计控制模块是机器人的大脑，决定了机器人的行为和决策。
控制模块一般由多种控制算法相结合，以保证机器人自主行动的稳定和安全。
III. 应用领域管道内部传输机器人在各个行业中都有广泛的应用。
特别是在石油、天然气、水处理等领域。
1. 石油工业石油工业是管道内部传输机器人的主要应用领域之一。
机器人在石油管道中进行检查和清扫任务，响应速度快、操作便捷，减少了操作人员的风险。
2. 天然气工业管道内部传输机器人在天然气工业中也有广泛应用，能够检查管道中的阀门和泄漏等，有助于提高天然气产量和降低安全风险。
3. 水处理工业管道内部传输机器人在水处理工业中也起到了重要的作用，能够检查管道的水质和水流量等参数，帮助相关的运营人员及时发现异常情况，保障水处理工艺的稳定性和安全性。
IV. 前景展望随着自动化技术的不断发展，管道内部传输机器人在未来将会有更广阔的应用前景。
液压驱动伸缩式管道机器人设计
液压驱动伸缩式管道机器人设计作者：宋海强王述博来源：《中国科技纵横》2015年第08期【摘要】管道是物质和能源输送的重要工具之一，被广泛应用于核电、煤气、石油、医疗等多个领域。
管道机器人作为一个运输工具广泛应用于管道的检测、维护等工作中。
管道的检测对于提高产量和效率具有重要的作用，研制液压驱动伸缩式管道机器人装置对提高测井技术有着重要意义。
文章介绍了一种液压驱动伸缩式的管道机器人的方案设计，相比其它的驱动方式具有更大的牵引力和牵引速度，希望能给从事本行业的同仁们一点参考依据。
【关键词】液压驱动伸缩式管道机器人在航空航天、国防、石油天然气、化工业、市政等领域中，管道机器人因具有可控性强、作业范围广等特点被广泛应用于各种管道内的机能动作实现、检测和维护等。
目前国内外对管道机器人的研究较为广泛。
大多数已实用的管道机器人多以电力驱动电机直接作为机器人的动力。
在管道内径的限制条件下，特别是动作较多的机器人，必然需要每个动作都需要至少一个电机驱动，这往往导致机器人传动机构较为复杂，给设计、加工、装配等带来困难，从而带来成本的高昂和可靠性降低。
国外现已有部分领域开始探索使用液压动力驱动机器人，不同的动作之间只需要简单的管线连接即可实现动力的传递，具有结构简单、可靠性高、便于控制等优点。
1液压驱动伸缩式管道机器人技术现状液压驱动伸缩式管道机器人的主要特征是设备本体携带微型液压站，为机器人的各个动作提供动力，实现前端抓靠—收缩—后端抓靠—前端放松—伸出的循环前进过程。
目前国外几家公司已针对石油领域开发了几款液压驱动伸缩式管道机器人，并投入了实际使用，国内目前没有此类的研究应用。
Schlumberger公司伸缩式爬行管道牵引器系统外径为54mm，长度9.8m，速度为671m/h，牵引力大小为445kg。
Smartract公司伸缩式牵引器先后在加拿大和墨两哥湾进行了测井作业，不借助其他设备，其牵引距离接近12192m。
升降伸缩式楼道清洁机器人结构及控制系统设计探析
技术Special TechnologyI G I T C W 专题64DIGITCW2021.02随着我国经济实力以及科学技术的不断提升，机械物理学、电子科学技术、计算机系统、数据信息传送感应技术，以及人工智能设备等相应的科学被不断研发和应用。
建筑楼道以及地面的清洁机器人已经逐渐进入到人们的视野中，并且实际使用和操作，清洁机器人可以有效减少整体工作模式的劳动强度，节省人力资源以及提升清洁效率。
1 楼道清洁机器人工作原理随着我国经济能力以及科学技术水平不断提升，建筑行业得到了快速发展，为此楼道清洁机器人设施已经成为现阶段人们生活与工作的重要组成部分。
而现阶段大多数建筑为了不断提升楼道清洁效率和质量，相继使用升降伸缩式楼道清洁机器人。
加上实际清洁过程中，升降伸缩式楼道清洁机器人可以有效、灵活的实现楼梯攀爬、楼梯整体清洁、横跨门槛等相对复杂的楼梯清洁工作。
尤其是设备在实际操作和运转时，升降伸缩模式的整体设备结构，可以帮助机器人快速实现攀爬楼梯，而在平面，清洁机器人在升降伸缩式结构，可以随时调整机器人行驶状态。
其中机器人三个横向的驱动零部件在其内部的实际作用条件下，可以帮助楼道清洁机器人的十字接触履带及时脱离地面，最终实现升降伸缩式楼道清洁机器人的各个方向运动。
而设备清洁的区域则使用喷头喷水设置、强力清洁盘装置、吸水装置等，可以从根本上提高设备运行效率和质量。
2 清洁机器人结构方案设计对于建筑高层楼道清洁机器人的内部结构来说，升降伸缩式清洁机器人主要由升降区域方案设计、伸缩区域方案设计以及清洁区域方案设计共同组成。
其中机器人运动模式则主要由上下升降方面、左右伸缩方面以及清洁方面共同结合，有效完成和实现针对面以及楼梯的全面清洁。
2.1 升降伸缩模式方案设计在高层建筑楼道清洁机器人功能设计和性能使用方面，其设备升降区域主要由几个方面共同运作。
其中包含：内部结构支架固定的垂直导向轨道、设备内部电机零部件、运行齿轮以及配合齿轮运行的长距离轴向。
管道机器人设计—课程设计
前言 (ⅰ)目录 (ⅱ)中文摘要 (ⅲ)第一章概述 (1)1.1机器人概述 (1)1.2管道机器人概述 (3)1.3国内外管道机器人的发展 (4)1.3.1国内管道机器人的发展 (4)1.3.2国外管道机器人的发展 (6)1.4 机器人的发展景 (8)第二章总体方案的制定与比较 (10)2.1 管道机器人设计参数和技术指标 (10)2.2总体结构的设计和较 (10)第三章部件的设计和算 (15)3.1 管道机器人工作量算 (15)3.3 撑开机构和放大杆组的计 (24)第四章其他 (32)5.1 大小锥齿轮的设计和核 (32)5.2 轴Ⅰ的设计和核 (35)5.3 键的校核 (44)在工农业生产及日常生活中，管道应用范围极为广泛。
在管道的使用过程中，会产生管道堵塞与管道故障和损伤，需要定期维护、检修等。
但管道所处的环境往往是人们不易达到或者不允许人们直接进入，所以开发管道机器人就显得尤为重要。
以金属冶炼厂管道清洁机器人为研究目标，根据其工作环境和技术要求设计了一种可适应φ700mm-φ1000mm管道的管道清洁机器人。
该管道机器人采用三履带式的可伸缩行走装置，操作装置为2个自由的的操作臂，末端操作器上安装有吸尘头，吸尘头吸起的灰尘通过吸尘软管收集在装灰箱体内。
当灰尘装满后，机器人行走到倒灰口，打开卸料门，将灰尘倒掉。
本次设计主要对管道清洁机器人进行结构设计，利用三维参数化特征建模软件Pro/Engineer建立了管道清洁机器人的三维模型，生成了机器人主要零部件的工程图。
对管道机器人中的主要机构进行动态仿真，验证了所设计机构的正确性。
最后对主要零部件进行了设计校核计算，并简单叙述了该机器人控制方案。
第一章概述1. 1 机器人概述机器人----这一词最早使用始于1920年至1930年期间在捷克作家凯勒尔*凯佩克（Karel capek）的名为"罗莎姆的万能机器人"的幻想剧中，一些小的人造的和拟人的傀儡绝对地服从其主人的命令。
管道检测机器人自适应运动机理研究与机构设计
管道检测机器人自适应运动机理研究与机构设计管道检测机器人自适应运动机理研究与机构设计随着工业自动化的快速发展，管道检测机器人作为一种重要的无人操作设备，广泛应用于石油、化工、供水等领域。
然而，传统的管道检测机器人在进行复杂管道内部的检测任务时，往往面临着机器人体积大、机构复杂、运动不稳定等问题。
本文将探讨管道检测机器人的自适应运动机理研究与机构设计，旨在提高机器人在管道内的运动稳定性和适应性。
一、管道检测机器人自适应运动机理研究自适应运动机理是指机器人在管道内部行驶时，能够根据环境条件的变化，自主调整运动参数以适应不同的工作场景。
在机器人的运动控制系统中，引入传感器和反馈机制是实现自适应运动的关键。
通过视觉传感器、陀螺仪等传感器采集周围环境的信息，并将这些信息反馈给机器人的控制系统，从而实时调整机器人的运动参数，保证机器人的稳定性和安全性。
除了传感器和反馈机制，自适应运动机理还涉及到路径规划和运动轨迹控制。
在管道内部行驶过程中，机器人需要根据管道的曲率、内部障碍物等信息，选择合适的路径，并通过控制机构的运动实现精确的轨迹控制。
因此，研究机器人的路径规划算法和运动轨迹控制策略，对提高机器人的自适应运动能力具有重要意义。
二、管道检测机器人机构设计机器人的机构设计在保证机器人功能的基础上，还要考虑到机器人在管道内部的运动稳定性和适应性。
传统的管道检测机器人通常采用履带或轮式结构，但这种机构存在着运动不稳定和容易卡住的问题。
为了解决这些问题，本文提出了一种基于气动推进的管道检测机器人机构设计。
该机构设计采用气动推进技术，通过喷射气体产生的推力来推动机器人在管道内行驶。
相比于传统的履带或轮式结构，气动推进机构具有更好的运动稳定性和适应性。
在设计过程中，需要考虑机器人重心的位置、推进力的大小和方向等因素，以实现机器人在管道内的平稳行驶。
此外，为了进一步提高机器人的适应性，还可以在机器人的机构中引入柔性结构。
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Abstract
Nowadays,advanced in-pipe robot system is an important development direction inundergroundpipeline detection field. Traditionalwheeled or tracked in-pipe robotshaveseveraldefects such as large cross-sectional areaand poorenvironmentaladaptability.As a result, these robots could hardly apply to middle or small diameter underground pipelines laid by using trenchless technology. Aiming at this kind of pipeline’s characteristics,this paper puts forward a new telescopic in-pipe robot which has excellent water resistance, better gradeability and larger traction force. The research works of this paper includes:
2. Based on the movementprincipal and structure characteristic of the robot, the frame of control system, as well as control strategy, isdesigned. Using the idea of Finite-State Machine, the basic walking patterns of the robot are described. And theacceleration and decelerationcontrol algorithm of each step-motor are given.
目前，对于非开挖技术铺设地下管线，特别是水平定向钻技术铺设的中小口径地下管线，国内现有的管道机器人由于环境适应力较差，难以在此类管道中完成管道检测任务。因此，针对此类地下管线的特点，研究并设计一种实用可靠的，适用于不同口径、多种管道材质、具备自主爬行等能力的管道机器人，是合理且有重要意义的。
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一个完整的管道机器人系统通常由有效任务载荷、驱动机构、控制系统、电源和上位机系统组成[]。按照机器人各机构的特点，可将管道机器人按照图1进行分类。由于管道机器人的主体结构和控制策略主要由其驱动机构决定，下面主要从驱动机构的角度对管道机器人的研究现状进行阐述。
Candidate：QuDi
Supervisor：Sun Jing
School ofAutomatic Science&Electrical Engineering
Beihang University, Beijing, China
中图分类号：TP242
论文编号：10006ZY1203142
硕士学位论文
保密学位论文在解密后的使用授权同上。
学位论文作者签名：日期：年月日
指导教师签名：日期：年月日
摘
当前，新型管道机器人系统已成为地下管线检测领域的一个研究热点。现有轮式、履带式管道机器人由于横截面积大、环境适应力差，难以适用于非开挖技术铺设的各类中小口径地下管线。针对此类地下管线的特点，研究并设计了一种新型伸缩式管道机器人，该机器人具备IP68防水等级、较好的爬坡能力和较大的牵引力等特点。本文所做的主要工作包括：
3.In the hardware design, firstly, the screw and step-motor, which are used in the robot, are selected. Then, themechanicaldesign of the robot has been done by using Solidworks software. According to the frame of control system, the schematic and PCB of control circuit are designed. Finally, the testing process of circuit board is explained.
1. According to the design requirements, the robot’s overallscheme isdetermined.To provide necessary theoretical basis for the device selection, the force analyzing of the robot are given in detail. Based on this, with theGeneticAlgorithmToolbox’shelp, the Pareto optimum solution of the robotstructuralparameters is obtained to direct the robot’s mechanism design.
伸缩式管道机器人的研究与设计
作者姓名曲迪申请学位级别全日制工程硕士
指导教师姓名孙静职称讲师
学科专业控制工程研究方向管道机器人
学习时间自2012年9月1日起至2014年12月31日止
论文提交日期2014年12月2日论文答辩日期2014年12月日
学位授予单位北京航空航天大学学位授予日期年月日
关于学位论文的独创性声明
轮式管道机器人由于结构简单、容易控制，目前在实用化的管道机器人产品中占较大部分。如图2B所示，深圳施罗德公司的SINGA350轮式管道检测机器人采用六轮全驱设计，动力性能较强。机器人内部安装有车体斜度实时监控设备，可有效防止机器人倾覆，其管道内径适应范围为350mm-2000mm，最大使用距离1800m，前端配有全向可升降的CCD传感器可对管道内壁进行缺陷检测，并可配备专用的无线控制系统实现无线检测[]。由于此类机器人采用常规的轮式驱动结构，存在爬坡能力差、牵引力小等缺点，针对上述问题，吉林大学张学文、杨建东等人设计出了如图2C所示的三轴差动式管道机器人样机，比常规轮式机器人相比，该机器人运动平稳，提高了环境适应性和可靠性，但其机械结构相对复杂[-][]。
3.在硬件设计部分，首先进行了丝杠和电机的选型计算；依据机器人的总体方案，使用Solidworks软件设计了机器人各机构的三维模型；依据控制系统框架，设计了机器人控制系统的电路原理图和PCB图，并阐述了硬件电路的测试过程。
4.设计了控制系统的嵌入式软件，具体包括载波通讯程序、CPLD程序、步进电机驱动程序等，每一部分均给出了硬件测试结果或仿真波形。
图1典型管道机器人的分类
介质压差式管道机器人目前发展较为成熟，此类机器人最早投入使用的是“智能管道猪”——Smart PIG，多应用于石油、供水等大中口径管线。德国ROSEN公司开发了多种介质压差式管道机器人，通过不同的模块组合实现管道定位或清理等功能，可用于DN80—DN1600范围内的各种管道。如图2A所示（图太远，调整位置），Ultimate Clean Flyer为该公司的高端机器人产品，主要用于气体或液体介质管道内部的各种清理作业，该机器人最大速度为 ，待测管道最小曲率半径为1.5倍管道内径。介质压差式管道机器人利用管道中流动介质在机器人两端形成的压力差驱动机器人前进，无需外部能源即可完成长距离作业，但其运动速度和运动状态难以控制[-][][]。
中图分类号：TP242
论文编号：10006ZY1203142
专业硕士学位论文
伸缩式管道机器人的
研究与设计
作者姓名曲迪
学科专业控制工程
指导教师孙静讲师
培养院系自动化科学与电气工程学院
Research and Design of theTelescopic In-pipe Robot
A Dissertation Submitted for the Degree of Master
通常情况下，地下管线勘测的核心是对地下管线进行定位，具体需要探明管道的三维坐标，得到管道的铺设轨迹[]；管线维护的核心是对管道进行无损检测，以便发现管壁是否存在裂纹或塌陷[]。在现阶段，地下管线的定位或检测任务主要依赖工程技术人员使用各类仪器进行人工探测[]。随着经济社会健康发展、城市现代化建设快速推进，我国城市地下管线的规模日渐扩大，传统的人工探测方法耗时耗力，难以满足当前不断积累的管道定位与检测任务。此外，相当数量的地下管线穿越河流、建筑、公路等地表障碍，由于周边环境限制，管道检测任务的工作场地狭小，管井内部空气污浊、污水污泥众多，环境极为恶劣，因而人工携带探测仪器进行管线探测十分困难。
4. Theembeddedsoftware of the robot’s control system, which includes communicationprogram, CPLD Verilog program and motor control program, are designed. Eachprogram’s design has necessary hardware tests or simulation results.
Key words:In-Pipe Robot,Finite-State Machine,Step-Motor,DSP, CPLD
第一章
1.1
地下管线是城市基础设施的重要组成部分，各类地下管线承担着通信、供水、电力、能源等关键职能，常被誉为城市的“生命线”[]。由于历史原因，我国城市地下管线规模大、布局庞杂、铺设混乱，且缺乏统一详尽的管网档案，上述事实给地下管线的使用与维护带来很多的困难[]。近年来，由于地下管线老化等原因造成的事故和经济损失在各地屡见不鲜[]。因此，为了保障城市各项市政功能的正常运转，各地相关部门急需对各类地下管线进行必要的勘测和维护。