柔性结构式管道探测机器人系统设计
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。
柔性蠕动管道机器人结构设计和通过性分析
式 中 ：ｐ 柔 一 性 弹 簧 轴 的 弹 簧
节 距 ：ｖ 电 机 转 速 。 一
ｌ ∑Ｍ＝ Ｆ・＋ ｘ ＝ － ｙ Ｆ・ ０ ｘ ｙ
ｌｙｃ ０ ＝ｏ ｘ ｔ ／
【ｘＦ４ Ｆ＝ ／
由式 （） ： ８得
（） ８
３ 通 过 性 分 析
蠕 动行 走 时 。固定 的 机体 所受 的 摩擦 力 为机 器人 行 走 的动 力 ，而 移 动 的 机体 受 到 的摩 擦 力 为 行走 的 阻力 。 当机体 向前运 动 时 ，单 向轮转 动 ，轮 子与 管 壁 的摩擦 力
机 电产 品开 发 与 崭
Ｖｏ．５． ． １ ２ ＮＯ １
柔性 蠕动管道机器人 结构设 计和通过性分 析
张 明伟 ，张 延 恒 ，孙 汉 旭 ， 贾庆 轩
（ 京 邮 电大 学 自动 化学 院 ，北 京 北 １０ ７ ） ０ ８ ６
摘
要 ：为提 高对 管道 复 杂环境 的 适应 性 ，实现机 器人 平稳 可靠 行走 ，对 柔性 蠕 动 管道 机 器人 进 行 了结构
器 人技 术 ；张 延 恒 （９８ ） 男 ，博 士 ，讲 师 。研 究领 域 ：机 － １７ － ，
器人 运 动 规 划及 控 制 。 ６ ｌ
图 １ 柔 性蠕 动管 道机 器 人结 构 图
・
开 发 与创 新 ・
固定 不动 。
２ 柔性 蠕 动 管道 机 器 人 的 运 动 分 析
。整理 式 （ １ 得 ： １）
Ｆ ４ 丽 ｓ ＞ Ｆｃ 万 ，０ ｏ
由于 管道 内部环 境 复杂 ，形 状 多样 ，对 机 器人 的 管 ｌ 动 ，不能 向后转 动 。 当机体 向前 移 动 时 ，行走 轮 向前旋
柔性机器人的设计与控制
柔性机器人的设计与控制柔性机器人是指具有柔性结构和可变形能力的机器人系统。
相比传统的刚性机器人，柔性机器人具有更高的灵活性和适应性，能够实现更复杂和多样化的任务。
柔性机器人的设计与控制是实现其灵活性和可操作性的关键。
柔性机器人的设计主要涉及材料选择、结构设计和传感器布置。
材料选择方面，柔性机器人通常采用柔软的聚合物材料，如软体材料或弹性体材料，以实现其可变形的特性。
结构设计方面，柔性机器人的关节通常采用弯曲，扭转或伸缩等方式来实现灵活的运动。
此外，柔性机器人还需要安装传感器来感知外部环境和机器人内部状态，以实现适应性的控制。
柔性机器人的控制主要包括运动控制和力控制两个方面。
运动控制方面，柔性机器人的控制算法需要考虑到其柔软结构的本身特点，采用基于弯曲、扭转或伸缩的运动模型来描述机器人的运动，以实现准确的位置和轨迹控制。
同时，控制算法还需要考虑到机器人内在的不确定性和外部环境的变化，以提高控制的鲁棒性和适应性。
力控制方面，柔性机器人的柔软结构使得其可以更好地适应不同工作环境和任务需求。
柔性机器人的力控制算法需要基于机器人的柔性传感器来感知机器人与环境之间的力和力矩信息，实现对力的精确控制。
力控制算法还可以根据任务需求调整机器人的刚度和阻尼参数，以实现适应环境的软硬变换。
除了运动控制和力控制，柔性机器人的设计与控制还需要考虑到机器人的能量供应和能量管理。
柔性机器人通常使用嵌入在柔软结构内部的电池或可充电电池作为能量供应装置，通过柔软结构的变形来实现能量的收集和存储。
关于能量管理，柔性机器人的控制算法需要合理地分配电池的能量以实现长时间的运行。
此外，柔性机器人的设计与控制还需要考虑到安全性和可靠性的要求。
由于柔性机器人的柔软结构特点，其在与人类进行合作及操作时需要确保人机安全。
因此，柔性机器人需要设计安全保护装置，如碰撞检测传感器和力限制器，以防止对人和环境的伤害。
在控制方面，柔性机器人的控制算法需要保证控制的稳定性和可靠性，确保机器人能够准确地执行指定的任务并应对不确定性。
地下管道检测机器人设计论文
一、地下管道检测机器人发展现状按照行走机构的类型，可将管内作业机器人行走机构分为轮式、履带式、蠕动式等几类。
轮式行走机构图1（a）轮式行走机构轮式机构管内作业机器人的基本形式如图1（a）所示。
对此类机器人的研究相对较多。
机器人在管内的运动，有直进式的（即机器人在管内平动），也有螺旋运动式的（即机器人在管内一边向前运动，一边绕管道轴线转动）；轮的布置有平面的，也有空间的。
一般认为，平面结构的机器人结构简单，动图1（b）自来水管道检测轮式机器人作灵活，但刚性、稳定性较差，而空间多轮支撑结构的机器人稳定性、刚性较好, 但对弯管和支岔管的通过性不佳。
图1（b）为英国的PEARPOINT有限公司开发的自来水管道检测轮式机器人，可在以φ135～375mm的管径内直线行走，行走速度为0～12m/min。
履带式行走机构图2（a）履带式行走机构图2（b）海水管道检测履带式机器人图2（a）是履带式行走机构的基本形式。
这种类型的管内机器人在油污、泥泞、障碍等恶劣条件下达能到良好的行走状态，但由于结构复杂，不易小型化，转向性能不如轮式载体等原因，此类机器人应用较少。
图2（b）是日本关西电力株式会社开发的适用于管径Φ288~388mm、管长100m的海水管道检查履带式机器人，该机器人通过沿径向分布的履带在水平管和垂直管内自主行走，移动速度为5m/min。
整个地下输气管道检测维修用移动机器人系统由三大部分组成：(1)履带式移动机器人。
机器人小车上装有CCD摄像机，并可根据需要加挂其它检测单元。
(2)圆盘式收放线装置。
移动机器人通过电缆进行控制，视觉等信号也通过该线缆传输到控制计算机。
(3)控制单元。
其主体为一台工业控制计算机，负责整个机器人系统的控制、显示及信息存储等工作。
操作人员通过界面完成所有操作。
控制单元与收放线装置安装在一个专门设计的手推车体上，便于移动。
蠕动式行走机构图3 蠕动式行走机构蠕动式行走机构如图3所示。
管道检测机器人的设计和系统分析
Electronic Technology •电子技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 121【关键词】管道检测机器人 图像采集系统 控制系统设计 电力供给系统随着国家经济的飞速发展，管道使用范围不断扩大，对管道质量的要求也随之提高，但是在长期使用的过程中，管道必然会出现裂纹、漏孔等故障，因此必须要定期对管道进行排查和养护。
但是因为一部分管道内部可能含有有毒气体，如果采用人工的方式展开养护检测工作，会给工作人员造成身体上的伤害。
因此，采用管道检测机器人来代替人工，但是，很多管道检测机器人的设计和系统还需要得到完善。
1 管道检测机器人系统概述管道检测机器人系统应用在管道内部检查工作中，可以帮助工作人员更好的检查管道内表面的质量，及时开展相应的修补工作，而且机器人可以代替工作人员进入一些环境恶劣、管径较小、含有毒气的管道。
一般情况下，管道检测机器人有以下几个方面组成，分别为：机器人机械本体、图像采集、地面监控、电力供给这四个部分。
其中机器人机械本体主要承担着支撑机器人行走的工作，同时作为系统云台辅助图像采集、地面监控、电力供给完成工作任务。
图像采集系统中除了摄像设备之外，还需要安装光源、传感器、扫描设备等零部件，以此保证图像采集任务圆满完成。
而地面监控系统是由计算机组成，针对机器人在管道内的运行情况进行监控，并且对图像采集系统传过来的图片进行处理分析，具体判断管道内的实际情况，明确出现缺陷的位置、缺陷的危害程度以及缺陷等级等的信息，还要根据上述信息，借助计算机技术给出最优方案。
除了上述几个方面之外，电力供给支撑着管道机器人运行，作为能量来源，是保证上述系统正常工作的基础。
在实际工作中，工作人员通过计算机发出指令，让管道机器人进入管道并且在规定速度下在管道内运行，通过安装在管道机器人机械本体上图像传感器和图像采集系统，将管道内管道检测机器人的设计和系统分析文/吴忠海的实际情况传递给监控系统，让工作人员及时的了解到管道内部状态，同时，还会传递管道内的环境参数和机器人自身状态，让工作人员可以更加精准的操纵管道机器人，完成管道信息采集工作。
融合视觉和嗅觉的管道探测机器人设计
融合视觉和嗅觉的管道探测机器人设计融合嗅觉和视觉管道探测机器人设计相对复杂，文章将从机械结构设计、感知系统设计、控制系统设计三方面探讨融合嗅觉和视觉管道探测机器人设计，以求推动我国管道探测机器人设计水平的提升。
标签：视觉；嗅觉；管道探测机器人管道探测机器人主要用于对管道内状况的判断，已经在社会生产生活的很多领域应用。
但是当前管道探测机器人能够获取的主要是管道内图像信息，对于管道内有毒气体的探测和判断能力还相对较低，所以为了保障现场操作人员的安全，应当提升管道机器人的“嗅觉水平”。
1 机械结构设计1.1 结构参数和特点已经研制原理机型的长×宽×高为120mm×55mm×55mm；重量为1.5千克；作业管径为160～200/min；作业具体为17m。
1.2 总体结构设计机械部分由四部分构成：第一，螺旋驱动机构。
如图1，内部结构位于阴影部分，轮架上分布着驱动轮，同时轮杆以螺纹旋入轮架中，此槽中放置轮抽的两端分别于轮子相连，并有弹簧置于轮杆中；第二，万向节。
选用的十字万向节应当满足传动效率高、结构简单的要求，并且应当有效连接于直流减速电机和螺旋驱动结构中间，在弯管内辅助机器人进行启动；第三，直流减速电机。
应当对减速器和电机的总长度进行控制，避免因此造成的过弯管能力降低。
第四，保持机构。
保持机构的两个组成部分分别为保持架和保持机构，应当保证电机和保持架配合符合紧密型要求，这样才能够实现轮沿管道中心方向的从动，这样在转子转动时电机定子才不会发生反转。
1.3 移动能力设计管内机器人运动本质上是理想螺旋运动，在管径D不变的条件下，驱动轮直径d、电机转速n、管道和驱动轮向内夹角决定其移动速度。
经试验表明，管道和驱动轮向内夹角大于0°、小于25°时，v具有较好的线性度，为了使管道中机器人的行进速度较高且稳定，这里将管道和驱动轮内夹角设定为15°。
【论文】管道检测机器人结构设计及运动仿真
摘 要管道检测机器人主要包括三大系统：机械系统、控制系统和检测系统。
本文在分析了机器人总体机械结构和检测原理的基础上，通过精确的力学计算和细致的结构分析，利用AutoCAD软件对机器人的机械部分，包括整体结构、电机、齿轮、轴等进行了选择与设计，并对设计方案进行分析与计算。
然后利用Solid Edge软件将管道检测机器人的总体机械结构绘制成三维立体模型。
所设计的机器人机械系统，可通过履带式移动机构满足城市排水管道的工况，并通过加装支撑臂进行30度的爬坡。
通过细致研究，确定了机器人所使用的摄像系统和超声波检测系统。
关键词：排水管道，履带式机器人，超声波无损检测AbstractA pipeline inspection robot mainly consists of three parts, the mechanical system, the control system and the detecting system. This paper, based on the analysis of overall mechanical structure and detecting principle of the robot, by accurate mechanical calculation together with comprehensive structure analysis, the author has worked out a unique design for overall structure in AutoCAD software, motor, gears as well as axles of the robot, and the design scheme has been analyzed and calculated. Then built overall mechanical structure of pipeline inspection robot 3-D models in Solid Edge software. The design of mechanical system of the pipeline inspection robot is equipped with the tracked mobile mechanism moves along the urban drainage pipelines and two support arms can climb maximum gradient of 30 degrees. And after careful study, the camera system and the ultrasonic inspection system of the robot are also determined in the paper.Key words: Drainage pipeline, Tracked robot, Ultrasonic nondestructive inspection目 录第一章 绪 论 (1)1.1课题研究意义及背景 (1)1.2管道检测机器人的发展 (3)1.2.1管道检测机器人发展情况 (3)1.2.2 管道检测机器人类型介绍 (7)1.3管道检测机器人的技术 (9)1.4 课题研究主要内容 (9)1.5本章小结 (10)第二章 管道检测机器人机械结构设计方案确定 (11)2.1管道检测机器人移动方式结构设计 (11)2.1.1管道检测机器人移动方式分析比较 (11)2.1.2管道检测机器人移动方式选择 (13)2.2管道检测机器人总体机械结构设计 (14)2.3本章小结 (15)第三章 管道检测机器人机械结构设计计算 (16)3.1 管道检测机器人力学分析计算 (16)3.2 管道检测机器人执行机构设计 (18)3.2.1传动齿轮的设计计算 (18)3.2.2传动轴的设计计算 (25)3.3 管道检测机器人驱动系统设计 (29)3.3.1步进电机的选择 (31)3.4 本章小结 (33)第四章 管道检测机器人附属配置 (35)4.1能源供给方式的选择 (35)4.2 摄像系统的选择 (35)4.3检测系统的选择 (36)4.4电源装置的选择 (38)4.5控制装置的选择 (38)III4.6本章小结 (38)第五章 管道检测机器人三维模型设计 (39)5.1移动机构三维模型设计 (39)5.2 支撑臂机构三维模型设计 (41)5.3车体结构三维模型设计 (41)5.3.1车体内部结构三维模型设计 (41)5.3.2车体上方结构三维模型设计 (42)5.3.3车体前方结构三维模型设计 (43)5.4整体结构三维模型设计 (43)5.5本章小结 (45)第六章 管道检测机器人稳定性分析 (46)6.1承载能力 (46)6.2检测系统 (47)6.3质量优化 (47)6.4本章小结 (48)第七章 经济技术分析报告 (49)第八章 总结与展望 (50)8.1总结 (50)8.2展望 (50)参考文献 (52)致 谢 (54)声 明 (55)IV第一章 绪 论1.1 课题研究意义及背景近年来，随着我国经济的快速发展，城市发展的步伐也逐渐加快，煤气、输水、油气、通讯、化工以及其他用途的管道急剧增加。
快速爬行软体管道机器人的设计与性能分析
快速爬行软体管道机器人的设计与性能分析目录1. 内容概览 (3)1.1 研究背景与意义 (4)1.2 国内外研究现状 (5)1.3 研究内容与目标 (6)2. 快速爬行软体管道机器人的设计 (7)2.1 设计理念与原则 (8)2.2 机器人的整体结构设计 (10)2.2.1 头部设计 (11)2.2.2 躯体设计 (12)2.2.3 尾部设计 (13)2.3 驱动系统设计 (14)2.3.1 动力源选择 (15)2.3.2 运动副设计 (16)2.3.3 驱动控制系统 (17)2.4 传感器与控制系统设计 (18)2.4.1 传感器系统 (20)2.4.2 控制系统概述 (22)2.4.3 软件算法设计 (23)2.5 人机交互系统设计 (24)3. 快速爬行软体管道机器人的性能分析 (25)3.1 爬行性能分析 (26)3.1.1 抓地力分析 (28)3.1.2 爬行速度分析 (30)3.1.3 爬行稳定性分析 (31)3.2 环境适应性分析 (33)3.3 分析工具与方法 (34)3.3.1 理论分析方法 (35)3.3.2 仿真分析 (36)3.3.3 实验测试 (37)3.4 性能优化策略 (38)4. 快速爬行软体管道机器人的实验验证 (39)4.1 实验装置与环境 (40)4.2 爬行性能实验 (41)4.3 环境适应性实验 (43)4.4 数据分析与结果 (44)5. 结论与展望 (45)5.1 研究总结 (46)5.2 存在问题与改进建议 (47)5.3 研究展望 (48)1. 内容概览本报告旨在详细介绍一种快速爬行软体管道机器人的设计方案及其在各种复杂管道环境下的性能分析。
我们的设计着重于提高机器人的灵活性、耐用性和爬行效率，以满足在实际管道检查和维护任务中的高要求。
报告的结构分为以下几个关键部分：在这一部分，我们介绍了研究的目的、背景以及管道机器人技术的现状。
我们还讨论了在管道操作中遇到的关键挑战，以及快速爬行软体管道机器人的潜在应用领域。
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柔性结构式管道探测机器人系统的设计
摘要：本设计基于主从式多cpu无线管道探测机器人，及c#人机交互控制系统的实现。
机器人机械设计采用多段式柔性结构，使其能够在复杂环境下灵活作业；电控设计采用主从式cpu控制，实现多任务并行操作。
机器人自携带摄像头及各种环境检测传感器，对管道内部现场状况进行探测，并将探测数据无线传回地面pc控制系统。
系统对传回数据进行分析处理，使工作人员了解管道内部状况并将分析结果保存备案，然后通过pc控制界面向下发送控制协议，使机器人执行下一步动作，展开维修工作等，实现人机交互。
关键词：柔性结构主从式cpu 无线控制人机交互
当前诸多行业，如石油、天然气、中央空调通风等，管道作为一种有效物料传输介质，得到广泛应用[1]。
本设计开发出一种价格低廉、操作简单，从底层到上层，从硬件到软件，从模块到系统的一体化柔性结构式机器人系统。
1 机器人机械设计
1.1 外形设计
机器人整体机械设计采用多段式柔性结构（如图1-1）[2]，使其能够灵活适应复杂管道环境。
驱动部分采用传动带、涡轮蜗杆结构，由步进电机驱动以实现机器人运动。
步进电机带动蜗杆旋转，蜗杆涡轮齿合传动，涡轮带动带轮旋转，从而传动带运动带动主动轮运动，实现机器人行走。
支撑部分由滚珠丝杠、步进电机、车轮、连杆和推杆等组成。
步进电机带动丝杠转动，螺母直线运动带动推杆
运动，实现机器人整体结构撑起，以实现适应不同管径（400mm～600mm）。
图1-1 机器人头部结构图
1.2 轴承选择
本设计中轴承主要承受轴向载荷，周向载荷很小可忽略不计，因此选用7219c型角接触球轴承。
其当量动载荷为：
—载荷系数，本设计中取为1.1
—轴承承受载荷，本设计中=278.15n，则
验算轴承寿命：
n—轴承转速，本设计中
c—轴承额定动载荷，此处取为135000
p—轴承承受的载荷
—指数，对于球轴承；对于滚子轴承，则，初选轴承满足要求。
1.3 电机选择
电机驱动力矩：
—启动时折算到电机轴加速力矩
—摩擦力矩
本系统中
电机驱动功率：
因此，本设计选用24v、500转、20w maxon re25 大功率空心杯减速电机。
2 机器人控制系统设计
机器人控制系统分为pc终端层、cpu控制层及执行机构层三层结构（如图2-1）[3]。
上层为pc终端层，负责采样数据处理及系统整体调度；控制层由主控系统、摄像头系统并列组成，主控系统负责环境信息采样并将信息上传pc，pc对其分析处理并向下发送控制协议，ccd对环境进行图像采样，将图像数据上传pc并可视化显示，图像处理使工作人员了解管道状况；执行机构层由各类执行电机组成，驱动机器人执行相应动作。
图2-1 机器人控制系统架构图
2.1 系统通信
由于环境信息采集实时性要求高，且图像信息数据量大，因此上下位机对应设计双通道通信。
主cpu与pc机占用一通道；ccd图像采集占用二通道；主从cpu spi通信。
两通道并行通信。
数据以包形式通信，一包数据为16位，高八位为校验信号，低八位为数据信号。
系统接收一包数据，将数据包解析，首先根据校验信号判断数据有效性，校验正确则继续接收数据，否则返回错误校验信号继续索要有效数据。
数据接收采用中断方式，提高系统效率。
上位机支持通信设备自动识别，人工修改配置参数等，符合实际需求。
自定义数据包协议如下：
2.2 控制策略
机器人无线通信选用zgbee2410模块，利用其组建混合网，实现一台pc同时控制多台机器人（如图2-2）。
正常状态每台机器人与
pc单独通信，若因环境恶劣通信中断，机器人3秒后自动停止动作进入等待状态（图2-2中3号），此时可派出搜救机器人（图2-2
中2号）向丢失机器人发送呼叫信号，直至收到其回应，利用搜救机器人做跳板，实现探测机器人与pc通信。
图2-2 控制策略架构图
3 结论
本文设计了一种柔性结构式管道探测机器人，阐述了其工作原理。
整套系统遵循模块化设计原则，各模块独立工作亦可自由组合，任何一模块异常不会级联整体；柔性式机械形体，可伸缩自适应管径支撑机构，提高了环境适应力；蜗轮蜗杆传动机构，打破传统三电机模式，一个步进电机即可驱动机器人三轮行进，节省成本同时减轻机器人重量；cpu模块采用主从式控制，低端cpu实现高端cpu 功能，节省成本且利于扩展；通信模块控制协议与图像数据双通道通信，控制策略采用zgbee混合网模式，提高系统可靠性与稳定性。
原理样机经设计方案论证，制作了实物样机并进行联机调试，结果表明所设计系统能正常工作。
但本设计只是初步完成系统设计架构，面对复杂管道现场环境，未来有待于进一步研究，可向着人工智能、自适应自学习方向发展，将会有较大发展前景。
参考文献：
[1]张永顺.国外微型管内机器人的发展[j].机器人，2000，22（6）：490—520.
[2]周建梁. 微小型管内机器人行走机构研究，上海大学硕士学
位论文，1999，2.
[3]y.kawaguchi and i.yoshida，internal pipe inspection robot，ieee international conference on robotics and automation 1995： 857-862.。