管道爬壁机器人设计
作品内容简介
现在的管道机器人在竖直或者是水平方向都很好的实现了检测与清理功能。但至今还没有管道产品在复杂的管道中很好的工作。为此我们设计了这款管道爬壁机器人，它既可以在水平管道中很好的工作还可以在竖直管道中完成工作，能够自如的在水平竖直交叉的复杂管道中完成检测，清理等工作。
该产品的主题结构为车体结构，在水平方向依靠车载力运动，在车体上安装有四个机械手臂，在机械手臂的前端安装有吸盘跟电磁铁，在塑料管道中依靠吸盘在竖直方向上运动，在铁质管道上利用电磁铁的磁力和机械手臂的交叉前进实现竖直方向的运动。该作品灵活多变，不但可以适应复杂的管道还能够进行多样的工作。
我们依靠机械臂的灵活度与吸盘，电磁铁的吸力来实现该产品的爬壁功能，在水平方向上利用最传统的智能车作为动力，这样的设计完全可以满足水平方向与竖直方向的灵活转变，实现复杂管道的自由穿梭，进而可以让该机器人更好的实现其检测与清理功能。该管道爬行机器人实现远程电脑控制，所得数据通过反馈处理使机器人能够完成各项做业。
一、研制背景及意义
1、随着社会的快速发展,国家生产水平不断提高，产品更新也越来越快。管道运输在我国运用比较普遍，但管道长期处在压力大的恶劣环境中，受到水油混合物、硫化氢等有害气体的腐蚀。这些管道受腐后，管壁变薄，容易产生裂缝，造成漏油、漏气的问题，存在重大安全隐患和经济损失。在管道广泛使用的今天，管道的检测、清理、维护成了一个亟待解决的问题。但是管道的封闭性和工作环境决定了这项工作的艰难。时至今日，虽然经过各国学者的努力，已经有各种各样的机器人，但是他们大都存在这样或那样的问题，而且功能不够强大。
2、人民对管道清洁机械的要求是不仅科技含量要高，而且还要绿色、节能、环保。能够满足不同类型管道的检测、维护、清理等要求。
3、管道爬行机器人的研究更好地为管道的检测、维护、清理提供了新的技术手段，这种技术更好的提高了管道监测的准确性和管道清理的安全性，也便于管道工程管理维护人员制定维护方案，清除管道垃圾防止堵塞，事前消除管道的安全隐患，从而节约大量的维修费用，降低管道维护成本，保障工业生产和人民生活及财产安全。
4、近些年来人们对自然环境、工作环境、工作工具及其方式的要求逐步提高。随着中国城市化建设事业的发展推进中国西气东输工程的全面启动 特别是大型化工厂、大型天然气厂、大型地下管道处理系统的建成大型管道或类似管道装置组合处理系统设施以其高质量的工作效率、圆形管道结构占地少、有效工作空间大、美化生活环境等优点得到了广泛的应用。为研究高效的管道机器人提供了良好的市场环境。
5、随着计算机技术的广泛普及和应用国内外检测技术都得到了迅猛发展管道检测技术逐渐形成管道内、外检测技术 涂层检测、智能检测两个分枝。通常情况下涂层破损、失效处下方的管道同样受到腐蚀管道外检测技术的目的是检测涂层及阴极保护有效性的基础上通过挖坑检测达到检测管体腐蚀缺陷的目的对于目前大多数布局内检测条件的管道是十分有效的。
6、管道内检测技术主要用于发现管道内外腐蚀、局部变形以及焊缝裂纹等缺陷也可间接判断涂层的完好性。因此各种大口径天然气管道、大口径石油运
输管道、大口径自来水管道、大孔径地下污水处理管道锅炉厂、硫酸厂、核电站、液化气站、印刷厂、酒厂、食品加工厂、东风二汽长管道系统等各种大型厂房中的大孔径管道系统随处可见。但是它们在为人们工作所利用时也带来了很多问题如人们肆意向管道内投放废品塑料、易拉罐、粘性物品、玻璃废品等长期下去导致管道内部因淤积较多废弃物
7、而使管道堵塞冬天北方天气寒冷裸露在外部的自来水管道或其他化工管道因温度太低内部自来水会产生凝固冻结从而导致自来水不能正常流动影响城市居民正常的生活酒精厂或其它化工厂燃料燃烧所产生的粉尘会黏附在管道或烟囱内壁长时间越积越多吹产生静电效应甚至引发火灾和爆炸事故长期处于露天环境大多数大型输油管道、天然气管道等都会产生内部泄露和腐蚀现象 严重影响自然环境并且产生安全隐患等等。
二、设计方案
1、总体设计及图片说明
图1
管道爬壁机器人的整体结构图如图所示，该机器人的整体结构为车体结构，在车体的上方安装有四个灵活的机械臂，通过四个机械手臂的配合可以在水平竖直等多种复杂的管道内完成多种工作。该爬壁管道机器人安装有高清摄像头，它的四个机械臂可以灵活使用，机械臂的前端是可以拆卸的，从而可以安装多种工作工具如电焊机等。
1、机械手臂底座（图2）的设计：
图2
该机械臂的底座采用镂空设计减轻机械手臂的重量。利用蜗杆传动实现机械臂的365度旋转功能。底座与车体的链接采用螺栓连接。在底座的上有一个处理器这是机械臂独立的处理器，它的主要作用是控制机械臂的活动，在机械臂不接受任务是它能很好的配合车体上的处理器分析管道内的具体情况，以便能够获得跟那个准确的管道数据。
2、机械主体臂（图3）
图3
这是机械手臂的主体臂。它由马达，连杆等零件组成。它主要的功能是实现机械手臂的伸缩及其竖直方向上的旋转运动。下方的两个马达分别控制主支撑杆与控制上方的升降传动连接杆。马达通过自身的传送力实现机械手臂的升降。两个连接杆的巧妙组合实现主体臂的升降与运动的传递，也为上方的机械臂前端的运动提供了良好的支撑。
3、机械臂前端（图4）
图4 图5
机械臂前端是该机械臂传动最为复杂的部分，该部分主要由齿轮，马达，轮盘等零件组成。该部分由三个马达提供动力，其中有两个马达为机械手臂的最前端（机械头）提供旋转动力的。剩下的一个马达为机械手臂的前端的旋转提供动力。实现机械头的360度的工作状态，为机械头实现多功能化提供了基础。它的传动原理如图4所示，利用大小齿轮的啮合实现转速的改变。将马达安放在机械臂的前端可以使整个机械臂的受力保持稳定。
4、机械头（图6，图7）
图6 图7
这是这个整个机械臂功能实现的最主要的结构部分，该部分由两个锥形齿轮结构组成，锥形齿轮改变了动力的传送方向，当前端的最顶头与后方的轴成九十度时买就是实现吸盘吸力与电磁力的交叉改变的过程。前端的吸盘采用液压结构，可旋转增加吸力。后方的电磁力装
置采用点触式结构设计更方便安全。该部分可以灵活拆卸安装不同工作所需要的其他设备。如安装上清理钻头就实现了该机器人的清理功能。
5、车体前端减震设计（图8）
图8
该减震结构利用了四驱越野车的减震结构，我们做了结构的简化与改进，完全可以满足该爬壁机器人的设计需要。该减震结构采用最普通的弹簧减震，轻便小巧便于使用。
6、摄像头（图8）
如上图所示在管道爬壁机器人的前端安装有高清摄像头，该摄像头自带照明系统，并且进行了防水设计以便可以在水中做业。该摄像头带有旋转和升降系统可以多角度进行管道内的侦查。
三、功能原理和性能指标
1、功能原理（图9）
图9
该管道爬壁机器人采用车体结构设计，电力驱动，利用机械臂的灵活伸展能力配合磁盘或者电磁铁进行工作，使其能在复杂的管道中自由穿梭，完成在人无法进入或者很难进入的管道中的各项工作。为使该管道爬壁机器人能够多种工作。我们可以将各种工作工具安装在机械臂的前端以便完成各种工作。
2、性能指标
行走速度： 10m/min
自重: 5kg
净载重： 10kg
机身尺寸：
自适应管道半径范围： 200mm 300mm
越障能力： 2mm 5mm
爬坡能力： 0~90度
工作电压： 12V
一次性行走距离： 2500m
牵引力: 300N 400N
密封性能：半密封
工作环境：中性液体环境，液面高度不得高于50mm
工作温度： 0-50度
防护等级： IP68
可用水深： 5米
气密保护：内置防水气压传感器 有压力指示灯
工作温度 -10℃~50℃
镜头转角，电动旋转：径向 360 度 仰俯 2 * 135 度
照明光源： 56Lm 8颗 7Lm 白色 LED灯
摄像参数：调焦变倍手动对焦成像
分辨率： 500 万像素 795 * 596
灵敏度： 0.1LUX
尺寸：80mm * 190mm
整体重量：3kg
激光测量：用于测量裂缝宽度或测量目标距离
适用管径：150mm~2000mm
镜头升降：电动升降架 落差可达200mm
驱动：四驱单50W直流电机 6轮驱动 拖力200kg
最大行走速度：可达40m/min
爬坡：根据管道状况不同 车体的最大爬坡能力50°左右深度：可以深入管道200米
后视镜头：集成后视镜头及照明灯光 用于爬行器回收期间观
察倒车及线缆回收情况
显示单元： 14" 工业级高亮液晶显示屏 分辨率1200 * 800
五、实验过程中关键问题的分析及解决方案
1、该爬壁机器人怎样才能实现在复杂管道中的自由运行，我们最初的设计是圆筒状的机器人利用有角度的爬壁轮的旋转力作为管道机器人的前进动力，但这样的设计对管道的直径有很高的要求，能够适应的管道很少。
2、现在的管道大部分是水平的或者是竖直的，在复杂一点的无非就是水平
竖直交叉的管道。为了更好的适应这三种类型的管道我们进行了大量的材料收集与分析工作，最后我们得出在水平方管道中最好的还是车体结构的机器人，车体机器人的优点是速度快，越障能力好。在竖直方向的管道机器人至今还没有很好的产品出现，对于单一的竖直管道利用利用竖直向下放置的管道机器人就可以完成管道的检测等多项工作。当遇到复杂一点的管道如水平竖直交叉的管道时还没有很好的管道产品出现，我们团队想到利用机械臂的灵活度来实现管道机器人的竖直爬壁功能。
3、要想实现机器人的爬壁功能要依靠在管道上的依附力，为了实现让机械手臂拥有更高的依附力我们决定采用两种方式一种是适应塑料管道的吸盘，利用吸盘的吸力可以很好的使机械手臂依附在管道上在利用机械手臂的灵活特性在塑料管道上进行交叉行走就能很好的实现了该管道机器人在竖直方向的行走功能。在铁质金属管道中我们采用电磁力来实现管道机器人在管道中的自由爬行，通过处理系统使前方的机械臂通电后产生磁力吸附在管道壁上，后方的机械臂向前运动，运动到一定的程度前方的机械臂通电产生磁力后方的机械臂断电在进行交叉前进，这样的配合使得机械臂可以自由灵活的实现爬壁的功能。
4、为了使车体结构可以更好的穿梭在管道中我们设计了具有减震效果的车体结构，为了使车体可以更好的载重机械手臂我们加固了车的底盘结构。使车的整体载重与承受力都大大的增加。
5、该管道机器想要实现多功能化，必然增加了机器人的负荷，为了更好的使该爬壁机器人实现多功能化又不增加其负荷，最终我们决定讲该机械臂的头设计成灵活可拆卸的结构，使其能安装不同的工作工具。
六、设计创新点
1．在塑料材质的管道中机械臂依靠气动驱动实现爬壁功能，该种驱动动力较大，使得机器人具有承担一定负载的能力，通过调节气压可以实现动力大小的调节。
2．在该管道爬壁机器人的电路板设计中我们采用电路板外接，机器人主体部分可以较好地适应潮湿的环境。
3．主体部分采用车体结构，由电力驱动，优越的越野车式设计实现过弯管道的功能。整体采用模块设计，轻小便捷，便于携带、能耗低。
4.灵活性：该机器人采用可编程控制器由编制及更改程序来实现不同的功能；继电器接触器由连接硬件电器，布置电路，实现功能。
5.可靠性：与继电器接触器比较而言，可编程控制器故障少，可靠性更高，抗干扰能力强通用性和适应性强，。
6.该管道爬壁机器人标准化程度高，执行元件布置灵活，易于设计和制造。易于实现过载保护，容易和电气控制结合，实现自动控制。
7.移动式堆垛机械手以液压系统中的活塞和活塞缸作为机械设计机体，以液压作为驱动动力，以PLC作为控制手段，以变频器作为调速方式，实现升降、伸缩、回转、行走、刹车等多种动作的操作。因而它具有机械化、程序化、可控化，适应性、灵活性强的特点
8.寻路智能化：管道机器人的设计以智能小车为基础，按照实际管道测试的要求搭载多个红外传感器，使用ARM cortex-M3作为小车的主控芯片，并编制相应的路径搜索算法来实现管道机器人在管道内部自动的行走、寻路和避障，整个过程无需人工干预，具备较高的智能化水平。
9.有效检测管道阻塞：在进行管道探堵时，管道机器人按照寻路时检测的有效路径在管道中行走，同时通过前方的红外传感器来检测管道内的障碍，当检测到管道阻塞时, 管道机器人可将检测位置记录在设备的存储器中并沿原路返回，工作人员只需调出存储器中的数据
即可知道阻塞的具体位置，从而有针对性的开展解堵作业
10. 操作灵活，扩展性好：管道机器人的设计采用标准架构的ARM芯片，便于程序的设计与升级。系统设计好后，可通过管道检测的实际情况来不断调整红外检测的参数，从而减少误测现象的发生，同时通过优化寻路算法来提高系统的检测速度。
11.该管道机器人实现了在复杂管道内的自由穿梭功能，还可以在不同材质的管道中自由穿梭，完成多种工作。
12.该爬壁机器人配置的机械臂可以具有多种用途，他可以完成除杂物。焊接等工作。灵活的机械头方便拆卸安装不同的工作组件一百年完成其他的工作。
七、结构示意图
图10
图11
图12
八、总结
需求是创新的原动力，随着社会经济的迅速发展，管道爬壁机器人应用范围更广，可应用于各类管道的管理可通过检测画面快速直观判定管道内部堵塞、塌陷、非法插入、错位、裂痕等各种缺陷状态为管道的更新或修复工作提供评估依据。大工管道探测机器人采用的先进的管道内窥摄像检测系统可在管道内自动爬行实现全方位观测并可将录像传输到地面控制系统便于地面工作人员了解管道内部情况判断管道损坏程度、范围等。管道机器人可用于市政污水管网、窨井.检修井及孔洞的养护工作。可通过检测画面快速直观判断管道内部堵塞、塌陷、非法插入、错位、裂痕等各种缺陷状态为管道的更新或修复工作提供评估依据。管道爬壁机器人是一种可沿管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。我们所设计的管道机器人具有更好的灵活度，能适应多种管道，能进行多种工作，在当代市场还鲜有此多功能的管道机器人，市场前景广泛。
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学士学位论 文 论文题目：履带吸盘式爬壁机器人结构原理的 研究与开发
学院：专业：机械设计制造及其自动化年级：
注：设计（论文）成绩=指导教师评定成绩（30%）＋评阅人评定成绩（30%）＋答辩成绩（40%）
目录 摘要...................................................................................................... I Abstract ............................................................................................. III 第1章绪论 (1) 1.1 爬壁机器人结构原理研究与开发的价值 (1) 1.2 爬壁机器人结构原理研究与开发的现状及趋势 (2) 1.2.1 爬壁机器人结构原理研究的现状 (2) 1.2.2 爬壁机器人结构原理研究的发展趋势 (4) 1.3 几种爬壁机器人结构原理分析与对比 (6) 1.3.1 车轮式磁吸附爬壁机器人 (6) 1.3.2 多吸盘单链爬壁机器人Cleanbot – IV (7) 1.3.3 履带式磁吸附爬壁机器人 (8) 1.4 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究特色与价值 (8) 1.4.1 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究特色 (9) 1.4.2 履带吸盘式爬壁机器人结构原理的研究价值 (10) 1.5本章小结 (11) 第2章履带吸盘式爬壁机器人结构方案研究 (11) 2.1 履带吸盘式爬壁机器人的功能要求 (11) 2.1.1 爬壁机器人的工作过程 (11) 2.1.2 爬壁机器人的基本功能 (11) 2.1.3 爬壁机器人的主要设计参数 (12)
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。
φ700mm-φ1000mm管道机器人结构设计 在工农业生产及日常生活中，管道作为一种重要的物料运输手段，其应用范围极为广泛。管道在使用过程中，由于各种因素的影响，会产生各种各样的管道堵塞与管道故障和损伤。如果不及时的管道进行检测、维修及清理就可能产生事故，造成不必要的损失。然而，管道所处的环境往往是不易直接达到或不允许人们直接进入的，检测及清洗难度很大。因此最有效的方法之一就是利用管道机器人来实现管道内的在线检测、维修和清洗。管道机器人在我国处于发展阶段，具有广阔的市场前景。管道机器人相对于人工操作来说，有无可比拟的优势。管道机器人在计算机控制下，可进行采样、检测等动作。而单片机技术的发展，为管道机器人的方便应用提供了一个良好的基础技术。利用单片机，可以实现管道机器人的控制，是管道机器人设计中较好的选择。 通过对国内外管道机器人研究现状分析，总体看来，国内外已经在管内作业机器人领域取得了大量的成果，主要应用在管道检测、维修及空调通风管道的清洗等方面。但对于金属冶炼厂烟气输送管道中烟灰堆积层的清理这种特殊管内作业的自动化装置研究目前少有报道。因此研制适应于金属冶炼厂烟气管道烟灰清理的管道清灰机器人将具有重大的现实意义。 此次设计的管道机器人主要应用在金属冶炼厂、化工企业等烟气输送管道烟灰堆积层的清理，作为载体，通过安装不同的设备可实现排水管道的监测、清理。 编辑：林冰宁波广强机器人科技有限公司管道检测机器人是由控制器、爬行器、高清摄像头、电缆等组成。在作业的时候主要是由控制器控制爬行器搭载检测设备进入管道进行检测。检测过程中，管道机器人可以实时传输管道内部情况视频图片以供专业维修人员分析管道内部故障问题。 使用管道检测机器人的优势： 1.安全性高。使用广强管道机器人进入管道查明管道内部情况或排除管道隐患，如果是人工作业的话，往往存在较大的安全隐患，而且劳动强度高，不利于工人的健康。广强管道机器人智能作业可有效提高作业的安全性能。 2.节省人工。管道检测机器人小巧轻便，一个人即可完成作业，控制器可装载在车上，节省人工，节省空间。 3.提高效率和品质。广强管道机器人智能作业定位准确，可实时显示出日期时间、爬行器倾角（管道坡度）、气压、爬行距离（放线米数）、激光测量结果、方位角度（选配）等信息，并可通过功能键设置这些信息的显示状态；镜头视角时钟显示（管道缺陷方位定位）。 4.防护等级高，摄像头防护等级IP68，可用于5米水深，爬行器防护等级IP68，可用于10米水深，均有气密保护，材质防水防锈防腐蚀，无需担心质量问题，因为广强只做国内 最好的管道机器人。 5.高精度电缆盘，收放线互不影响，可选配长度。
管道机器人工作原理 本产品集成了传统的管道视频检测系统、GIS技术和新兴的物联网技术以及图形处理技术等，通过操纵人员根据排水管道内部情况和工程要求进行操纵，采集视频检测数据，软件系统进行视频处理，将各类管道检测数据实时上报至管道检测数据服务器进行分类保存。以及通过分析视频检测数据所得的结果（判读报告、3D管道内壁图）并结合物联网进行任务指派等工程决策。使得该系统不仅能实现对给排水管道进行直观视频检测的功能，而且能对视频检测数据进行精准分析判读，同时兼有对检测成果进行管理提高工作效率的功能。 机器人硬件部分下放到管道内部后，地面操纵人员通过工程要求控制爬行器的移动，而爬行器搭载的镜头通过照明等在管壁上投射的光圈进行成像，同时通过爬行器上的传感器感知爬行器在管道中的情况。得到视频检测数据及爬行器情况数据后通过电缆盘或无线传输传到主控制器上，主控制器通过接口将得到的视频检测数据储存在相应的存储设备中，而主控制器的屏幕上可显示管道内部情况。将得到的数据可以进行如下处理：将各类管道检测数据实时上报至管道检测数据服务器进行分类保存。通过各类分析软件进行分析处理后的检测结论（如判读分析报告）工程成果数据（管道内壁3D视图，管道内壁倾斜情况缺陷），可按照接口定义的规范进行录入和上传。 中仪物联X5-W 3000型管道CCTV机器人由爬行器、镜头、电缆盘和主控制器四部分组成。其中，爬行器可根据功能需求搭载不同规格型号的镜头（如：旋转镜头、直视镜头、鱼眼镜头），并通过电缆盘与主控制器连接后，受控于主控制器的操作命令，如：爬行器的前进、后退、转向、停止、速度调节；镜头座的抬升、下降、灯光调节；镜头的水平或垂直旋转、调焦、变倍等、前后视切换等。在检测过程中，主控制器可实时显示、录制镜头传回的画面以及爬行器的状态信息（如：气压、倾角、行走距离、日期时间），并可通过键盘录入备注信息。通过内置的无线传输模块（可选），可将画面实时传送到200m范围内的其它监视器上显示，从而实现远程监视。
1 引言 管道运输是当今五大运输方式之一，已成为油气能源运输工具。目前，世界上石油天然气管道总长约200万km，我国长距离输送管道总长度约2万km。国家重点工程“西气东输”工程，主干线管道(管径1118mm)全长4167km，其主管道投资384亿元，主管线和城市管网投资将突破1000亿元。 世界上约有50%的长距离运输管道要使用几十年、甚至上百年时间，这些管道大都埋在地下、海底。由于内外介质的腐蚀、重压、地形沉降、塌陷等原因，管道不可避免地会出现损伤。在世界管道运输史上，由于管道泄漏而发生的恶性事故触目惊心。据不完全统计，截至1990年，国内输油管道共发生大小事故628次。1986到2b00年期间美国天然气管道发生事故1184起，造成55人死亡、210人受伤，损失约2. 5亿美元。因此，研究管道无损检测自动化技术，提高检测的可靠性和自动化程度，加强在建和在役运输管道的检测和监测，对提高管线运输的安全性具有重要意义。 1.1管道涂层检测装置的发展、现状和前景 1.1.1管道涂层检测装置的发展 管内作业机器人是一种可沿管道自动行走,携有一种或多种传感器件和作业机构,在遥控操纵或计算机控制下能在极其恶劣的环境中进行一系列管道作业的机电仪一体化系统.对较长距离管道的直接检测、清理技术的研究始于本世纪50年代美、英、法、德、日等国,受当时的技术水平的限制,主要成果是无动力的管内检测清理设备——PIG,此类设备依靠首尾两端管内流体的压力差产生驱动力,随着管内流体的流动向前移动,并可携带多种传感器.由于PIG本身没有行走能力,其移动速度、检测区域均不易控制,所以不能算作管内机器人.图1所示为一种典型的管内检测PIG[5]. 这种PIG的两端各安装一个聚氨脂密封碗,后部密封碗内侧环向排列的伞状探头与管壁相接触,测量半径方面的变形,并与行走距离仪的旋转联动,以便使装在PIG内部的记录仪记录数据.它具有沿管线全程测量内径,识别弯头部位,测量凹陷等变形部位及管圆度的功能,并可以把测量结果和检测位置一起记录下来. 70年代以来,石油、化工、天然气及核工业的发展为管道机器人的应用提供了广阔而诱人的前景,而机器人学、计算机、传感器等理论和技术的发展,也为管内和管外自主移动机器人的研究和应用提供了技术保证.日、美、英、法、德等国在此方面做了大量研究工作,其中日本从事管道机器人研究的人员最多,成果
Ξ №.4 西北轻工业学院学报 D ec.1997?18? JOU RNAL O F NOR THW EST I N ST ITU T E O F L IGH T I NDU STR Y V o l .15 真空吸附式爬壁机器人设计 何雪明1 丁毅 朱明波2 (机械工程系) 摘 要 运用壁虎爬行原理,设计构思了真空吸附式爬壁机器人.采用多组橡胶吸 盘将机器人吸附在墙面上,配以简单四杆机构完成其行走功能,从而达到擦洗整个 墙面的目的.该机器人可用于建筑行业和洁净业. 关键词:壁面机器人,真空吸附,蠕行运动 中图法分类号:TQ 242.1(TH 122) 1 引言 目前,瓷砖、玻璃装璜的墙壁均采用人工直接擦洗.因高空擦洗作业具有很大的危险性,因此,研制一种适用于高楼墙壁擦洗的墙壁机器人有着重要的意义. 壁面机器人是集机构学、传感技术、控制和信息技术等科学为一体的高技术产品,自80年代以来在国内外取得了迅速的发展,有的已开始进入实用试验阶段.到1992年底,国外已有不同类型的爬壁机器人研制成功,其中以日本发展最快.国内较早的是哈尔滨工业大学,他们已研制成功壁面爬行遥控检测机器人,采用真空吸附式,通过运载小车使机器人在壁面上下左右自由行走.另外, 上海大学研制了用于高层建筑窗户擦洗的真空吸附足式爬行机器 图1 爬壁机器人总体框架图人.上海交通大学亦于1995年研制了磁吸 附爬壁机器人用于油罐检测. 2 真空吸附式爬壁机器人总体设计 要实现机器人在普通壁面上的自由移 动,必须具备粘着功能与移动功能.常见粘 着功能主要靠吸附即负压吸附实现.根据吸 附力量产生装置不同,又可分为真空泵式、 喷射器式.移动方式一般有轮式、履带式及 足式三种.针对壁面移动机器人的工作条件以及壁面非金属性、金属性等其它原因,经过比较选择了多子真空吸附、足式移动的方案.其吸附性好,结构简单,由于吸盘采用列吸盘组, Ξ收稿日期:1997-05-10 第一作者:男,32岁,硕士 1、2作者单位:无锡江南大学机电系,邮编:214063
管道爬壁机器人设计 作品内容简介 现在的管道机器人在竖直或者是水平方向都很好的实现了检测与清理功能。但至今还没有管道产品在复杂的管道中很好的工作。为此我们设计了这款管道爬壁机器人，它既可以在水平管道中很好的工作还可以在竖直管道中完成工作，能够自如的在水平竖直交叉的复杂管道中完成检测，清理等工作。 该产品的主题结构为车体结构，在水平方向依靠车载力运动，在车体上安装有四个机械手臂，在机械手臂的前端安装有吸盘跟电磁铁，在塑料管道中依靠吸盘在竖直方向上运动，在铁质管道上利用电磁铁的磁力和机械手臂的交叉前进实现竖直方向的运动。该作品灵活多变，不但可以适应复杂的管道还能够进行多样的工作。 我们依靠机械臂的灵活度与吸盘，电磁铁的吸力来实现该产品的爬壁功能，在水平方向上利用最传统的智能车作为动力，这样的设计完全可以满足水平方向与竖直方向的灵活转变，实现复杂管道的自由穿梭，进而可以让该机器人更好的实现其检测与清理功能。该管道爬行机器人实现远程电脑控制，所得数据通过反馈处理使机器人能够完成各项做业。 一、研制背景及意义 1、随着社会的快速发展,国家生产水平不断提高，产品更新也越来越快。管道运输在我国运用比较普遍，但管道长期处在压力大的恶劣环境中，受到水油混合物、硫化氢等有害气体的腐蚀。这些管道受腐后，管壁变薄，容易产生裂缝，造成漏油、漏气的问题，存在重大安全隐患和经济损失。在管道广泛使用的今天，管道的检测、清理、维护成了一个亟待解决的问题。但是管道的封闭性和工作环境决定了这项工作的艰难。时至今日，虽然经过各国学者的努力，已经有各种各样的机器人，但是他们大都存在这样或那样的问题，而且功能不够强大。 2、人民对管道清洁机械的要求是不仅科技含量要高，而且还要绿色、节能、环保。能够满足不同类型管道的检测、维护、清理等要求。 3、管道爬行机器人的研究更好地为管道的检测、维护、清理提供了新的技术手段，这种技术更好的提高了管道监测的准确性和管道清理的安全性，也便于管道工程管理维护人员制定维护方案，清除管道垃圾防止堵塞，事前消除管道的安全隐患，从而节约大量的维修费用，降低管道维护成本，保障工业生产和人民生活及财产安全。 4、近些年来人们对自然环境、工作环境、工作工具及其方式的要求逐步提高。随着中国城市化建设事业的发展推进中国西气东输工程的全面启动 特别是大型化工厂、大型天然气厂、大型地下管道处理系统的建成大型管道或类似管道装置组合处理系统设施以其高质量的工作效率、圆形管道结构占地少、有效工作空间大、美化生活环境等优点得到了广泛的应用。为研究高效的管道机器人提供了良好的市场环境。 5、随着计算机技术的广泛普及和应用国内外检测技术都得到了迅猛发展管道检测技术逐渐形成管道内、外检测技术 涂层检测、智能检测两个分枝。通常情况下涂层破损、失效处下方的管道同样受到腐蚀管道外检测技术的目的是检测涂层及阴极保护有效性的基础上通过挖坑检测达到检测管体腐蚀缺陷的目的对于目前大多数布局内检测条件的管道是十分有效的。 6、管道内检测技术主要用于发现管道内外腐蚀、局部变形以及焊缝裂纹等缺陷也可间接判断涂层的完好性。因此各种大口径天然气管道、大口径石油运
爬壁检测移动机器人研究现状调查一．研究的背景及其意义 随着社会不断进步和科技不断发展，摩天大楼已成为现代都市不可缺少的重要组成部分。人们在享受高楼大厦带来的好处的同时也不得不面临由此而带来的诸多难题，如高层建筑物立面的施工建设质量，维护以及安全监测等问题。 传统方法只有通过靠搭脚手架或采用吊篮等人工目测方法进行检测，检测精度低，检测过程十分危险，效率不高且成本较高，因此越来越多的研究人员将研究重点集中到建筑爬壁检测机器人的研究开发上。 爬壁机器人作为一种能够用于极限作业的特种机器人，可以替代人类在高空垂直立面位置作业。现在爬壁机器人已经在多个行业尤其是建筑行业，消防，核工业，石油化工业和制造业等得到了极为广泛的应用。爬壁检测机器人是在爬壁机器人的基础上进行研究开发的，是爬壁机器人在实际应用中的主演衍生产物之一。 爬壁检测机器人将极大提高建筑物检测水平，提高工人在危险环境下作业的安全性，降低高空作业的风险，提高劳动工作的效率并带来一定的社会及经济效益。 二．爬壁机器人的分类 现有的爬壁机器人主要根据吸附功能和移动功能进行分类：
（1）.根据吸附方式进行分类 爬壁机器人主要可以分为真空吸附式，磁吸附式和推力吸附式三种。 真空吸附是通过真空泵使吸盘内腔产生负压，通过负压使机器人紧紧贴在立面上，优点是不受壁面材料限制，容易控制，适应范围广；缺点是如果建筑立面不够光滑或存在凹凸时，容易使吸盘漏气造成机器人吸附能力降低。 磁吸附式首先要保证建筑立面是导磁材料，优点是结构简单吸附能力强，能够适应比较粗糙的建筑立面，而且不会出现真空漏气现象；缺点是只能用于导磁壁面而且断电失稳。 推力吸附采用螺旋桨或涵道风扇产生的推力使机器人贴附在立面上。优点是吸附力大小容易控制，越过障碍物的能力比较强；缺点是稳定性较差不易保持精度。 （2）根据移动结构进行分类 爬壁机器人主要可以分为车轮式，脚足式，履带式，轨道式等类型。 车轮式机器人通过电机驱动车轮移动，优点是控制简单灵活，速度较快，但要求壁面必须平坦，而且车轮式机器人的避障能力差。 履带式机器人优点是接触面积大，对各种建筑立面的适应能力强；缺点是灵活性较差不易转弯。
本文的设计为六足爬虫机器人，机器人以交流-直流开关电源作为动力源，单片机为控制元件，伺服电机为执行部件，机器人采用三足着地进行运动，通过单片机对伺服电机的控制，机器人能够实现前进、后退等运动方式，三足着地运动方式保证了机器人能够平稳运行。伺服电机具有力量大，扭矩大，体积小，重量轻等特点。单片机产生20ms 的PWM 波形，通过软件改写脉冲的占空比，从而达到改变伺服电机角度的目的。 1 机器人运动分析 1.1 六足爬虫式机器人运动方案比较 方案一：六足爬虫式机器人的每条腿都能单独完成抬腿、前进、后退运动。 此方案的特点： 每条腿都能自由活动，每条腿都能单独进行二自由度的运动。每条腿的灵活性好，更容易进行仿生运动，六足爬虫机器人可以完成除要求外的很多动作，运动的视觉效果更好。由于每条腿能单独完成二自由度的运动，所以每条腿上要安装两个舵机，舵机使用数量大，舵机的安装难度加大，机械结构部分的制作相对复杂，又由于每个舵机都要有单独的信号控制，电路控制部分变得复杂了，控制程序也相应的变得复杂。 方案二：六足爬虫式机器人采取三腿为一组的运动模式，且同一侧的前腿、后腿的前后转动由同一侧的中腿进行驱动。采用三腿为一组(一侧的前足、后足与另一侧的中足为一组)的运动方式，各条腿能够协调的进行运动，机器人的运动相对平稳。 此方案特点：相比上述方案，个腿能够协调运动，在满足运动要求的情况下，舵机使用数量少，节约成本。机器人运动平稳，控制、驱动部分都得到相应的简化，控制简单。选择此方案，机器人还可进行横向运动。 两方案相比，选择方案二更合适。 1.2 六足爬虫式机器人运动状态分析 1.2.1 机器人运动步态分析 六足爬虫式机器人的行走是以三条腿为一组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面并
管内爬行机器人行走机构的设计 【摘要】随着管内检测爬行机器人技术的不断成熟，它在工业中的应用也越来越广，本文所设计的管内爬行机器人驱动机构，即管内步伐式行走机构，是在分析以往的轮式和履带式机器人的基础上设计的一种新型的管内爬行机器人行走机构。 【关键词】管内爬行机器人；步伐式；驱动机构 0.引言 目前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,因其工作环境非常恶劣,容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部潜在缺陷发展成破损而引起泄漏事故等，必须定期地对这些管道进行检修和维护，然而管道所处的环境往往是人力所限或人手不及,检修难度很大, 所以燃气管道管内探测是一项十分重要的实用化工程,关系到燃气的安全、合理地应用和管理。管道检测机器人（管内爬行机器人驱动机构）就是为满足该需要而产生的。 根据管内步伐式行走机器人的运动模仿人在井筒中四肢扶壁上下运动的模式，设计了机器人的行走机构，有效的解决了机器人在管道内的行走。 1.管内爬行机构总体设计 管内爬行机构主要由撑脚机构及其传动，牵引机构及传动，转向机构3部分组成：见图1所示： 该管内爬行机构的运动控制过程大致为：主、副电机不同时工作，分别控制其牵引机构和撑脚机构，并且镜面对称的两单元，其支撑脚同一时间径向所处状态相反，即前脚踩在管壁上时，后脚处在抬起状态；反之亦然。具体过程为通过副电机16带动齿轮与齿圈啮合旋转，齿圈背面的平面螺纹驱动滑杆沿滑道径向移动，从而实现支撑脚的转换。主电机1通过联轴器与丝杠连接，带动丝杠旋转，将丝杠的旋转运动转换为螺母的轴向移动，从而通过连杆机构拖动身躯和前后单元向前移动，另一部分的控制过程相同。上述动作是管内爬行机构的一个步进过程，循环执行步进过程机器人继续前进，实现管内的均匀连续行走。 2.撑脚机构及其传动 撑脚机构的作用是使管道机器人被支承在管道中心线上。其机构及传动(见图1)由电机16、小齿轮15、齿圈及平面螺纹14、滑杆13、脚靴12组成。当电机16带动小齿轮15和齿圈14旋转时,齿圈背面的平面螺纹驱动滑杆13在筒体10的径向轨道内外伸推动脚靴踩在管壁上,电机反向旋转时,滑杆内缩带动脚靴径向抬起离开管壁。脚靴三套在圆周上间隔120°布置,三套脚靴同步伸缩,其动作与车床三爪卡盘的动作类同。三套脚靴伸出踩在管壁上时,使机器人处在管道的中心线上。为了使机器人在脚靴缩回时,仍能维持在中心线上,安装4组辅助支承轮18,每组三套,在圆周上间隔120°安装,支承轮通过支承柱19、弹簧20分别与支架3和筒体10固连。当撑脚缩回时支承轮使机器人基本上维持在管道中心线上。当机器人行走过程中支承轮遇到障碍时弹簧被压缩通过障碍。 3.牵引机构及传动 牵引机构的作用是拖动机器人前进.牵引机构(见图1)由电机1、螺杆2、螺母5拨销4、拨杆7和支承杆9组成。当电机1带动螺杆转动时,螺母受拨杆的约束不能转动而沿螺杆轴向移动,固连其上的拨销4拨动拨杆7顺时针方向转动,由于脚靴12锁死在管壁上,支承杆9不能向后运动,拨杆7通过销6带动支架3及其
管道清灰机器人的设计 摘要 本设计内容为管道清灰机器人，主要对管道清灰机器人结构系统的设计，机器人的末端操作器即手指是可替换夹具，操作臂有四个自由度，可实现在工作空间范围内的物体的转移，旋转角可达360度，手爪一次可载荷5kg。 操作臂的动力源为舵机，总共有5个舵机，它们分别控制腰部旋转，大臂、小臂、手腕的摆动，以及手爪张合，本文设计的管道清灰机器人可用于小工作空间内完成对小质量物体的转移工作达到管道清灰的目的，同时也可以做为搬运机器人使用。 关键词：四自由度；操作臂；舵机
In pipe clearing ash robot design ABSTRACT This design content for pipeline cleaning robot, mainly of in pipe clearing ash robot system design, the robot end-effector which fingers are replaceable fixture, manipulator with four degrees of freedom, can be realized in work space objects within the range of shift, rotation angle can reach 360 degrees, the gripper once can load 5kg. The operating arm of the power source for the steering gear, a total of 5 steering gear, which respectively control the rotating arm, waist, arm, wrist swing, and the gripper opening and closing, this design of in pipe clearing ash robot can be used in small working space to complete small mass transfer work to achieve the pipeline cleaning purposes, while at the same time can be used as a carrying robot. Key words: four degrees of freedom; manipulator; servo
摘要 在现代社会中，大家总要碰到多种多样管道设施，而很多管道系统不是架设在空中就是深埋于地下，这么一来，经过人力对管道内部进行检测就很不方便。本文研制移动式管道机器人本身携带CCD摄像头，能够对一定口径管道内壁进行检测，含有较高实用价值。 本文首先对中国外管道机器人技术发展做了综述，给出了移动式管道机器人本体结构设计方案，具体介绍了机器人驱动机构、云台系统等步骤结构。 所讨论机器人采取上下位机控制模式，使用了现在在中国较为优异光纤信来传送控制信号和来自CCD摄像机图像信号。下位机以LPC2114为关键处理器，进行了移动式管道机器人行走电机驱动控制设计、云台电机驱动控制设计、RS232串口通信电路和控制系统外围电路讨论。 关键词：本体结构，控制系统，管道机器人。
Abstract In modern society, people always encounter a variety of pipeline facilities, and many are not set up in the air piping system is buried underground, so that, through human testing within the pipeline is very inconvenient. This pipe mobile robot developed to carry CCD camera itself, you can certainly detect pipe wall diameter, has a high practical value. Firstly, the domestic and international pipeline robot technology summarized in this paper, given the structure of portable pipeline design of the robot body, detailing, the robot drive mechanism, heads and other aspects of the system structure. Robot discussed by upper and lower computer control mode, using more advanced in the domestic fiber channel to transmit control signals and image signals from the CCD camera. The next crew to LPC2114 core processor for the mobile pipeline robot drive motor for control design, the design head of the motor drive control, RS232 serial communication circuit and control system peripheral circuit discussion. Key word：Body structure,Control system, In-pipe robot.
竖直管道爬行机器人 小组成员：刘晓燕、周平、时佳、王迪阳、刘传亮 一、设计背景： 随着科学技术的发展，管道在当今社会已经得到了广泛的应用。管道在长期的使用中难免会出现破裂、堵塞等，人们往往为了寻找管道上的一个裂纹而花费大量的人力和物力。如今水平管道的检测、清理、维护已经不再是个难题，但竖直管道中的检测、清理、维护仍然有待解决。而我们设计的机器人正是为满足在竖直管道的爬行而设计的，它具有一定的承载能力，可以成为管道检测、清洗设备的载体、检修的运输工人，使得管道的检测、清洁等工作易于实现。 二、组成介绍： 该机器人由三部分组成，包括一个伸缩模块和两个支撑模块。伸缩模块主要由曲柄连杆构成，利用驱动电机的转动来实现机器人的行走；两个支撑模块结构上完全一样，都是由初始弹簧提供微张力而贴附在竖直管道内壁。由电动机的转动产生推力，使机器人的脚与管壁压紧而锁死，从而产生机器人行走所需的静摩擦力。伸缩模块和支撑模块按一定的顺序工作，从而实现机器人在管道内的爬行。 三、结构设计: （1）支撑架的设计 为满足不同内径管道的需求,将支撑架设计为可伸缩的。同时将上下两组支撑架设计为空间十字交叉形，这样就满足机器人在管道中爬行的稳定性,,并在上下两组支撑架中各安装有被压缩的弹簧,以提供一初始的张力,使摩擦滑块与管道内壁能够充分接触。 (2) 摩擦滑块的设计 摩擦滑块与管道内壁接触的部分，滑块的上部分有圆滑过渡以防止遇到障碍物时机器人被卡死。而且这部分是可拆卸的，对不同材质的管道可选用不同材料的滑块接触面与管道内壁接触。 （3）微电机及曲柄滑块部分设计 微电机通过杆件固定在机器人下肢的正下方，一方面为可降低机器人的重心使机器人在一开始时能够稳定的贴在管道内壁而不下滑，另一方面使上肢与电动
第2章六足爬行机器人的方案设计 2.1 总体设计要求 技术参数： 自由度数：每条腿有3个，共有16个； 本体体重：≤6kg； 行走速度：≥20mm/s； 设计要求： 能够完成前进、倒退、转弯、摆头、避障等任务，并且便于人工控制。 工作要求： 1)机器人的重量控制在6公斤左右，但是这是设计的爬行机器人，为适应不同地形， 它的最大负重加20%。为1.2公斤； 2)机器人机体运动时离地最低为100mm； 3)机器人机步长不低于50mm； 4)为保证电机良好工作和不至于使电机在重负重下工作，机器人小腿和地的夹角不小 于10度，不大于40度，小腿往内倾斜； 多足爬行机器人的一般设计准则： 1) 能够实现机器人多种姿态间的灵活调整； 2) 机器人机体结构简单、紧凑，重量轻； 3) 机器人整体结构强度高、刚度好、负载能力达到要求； 4) 在满足功能要求的情况下，尽量减少驱动及配套装置数量，简化控制的复杂性。
2.2六足爬行机器人的步态规划 步态设计是实现爬行的关键之一，也是系统控制难易的标志，为达到较为理想的爬行，考虑下列要求： 1)步行平稳、协调，进退自如，无明显的左右摇晃和前后冲击； 2)机体和关节间没有较大的冲击，特别是当摆动腿着地时，与地面接触为软着陆； 3)机体保持与地面平行，且始终以等高运动，没有太大的上下波动； 4)摆动腿胯步迅速，腿部运动轨迹圆滑，关节速度与加速度轨迹无奇点； 5)占空系数β的合理取值。 根据占空系数β的大小可分为3种情况： 1)β=0.5，在摆动腿着地的同时，支撑腿立即抬起，即任意时刻同时只有支撑相 或摆动相； 2)β>0.5，机器人移动较慢时，摆动相与支撑相有一短暂的重叠过程，即机器人 有所有腿同时着地的状态； 3)β<0.5，机器人移动较快时，所有腿有同时为摆动相的时刻，即所有腿同时在 空中，处于腾空状态，因此在交替过程中要求机器人机构具有弹性和较快的速 度，否则难以实现。 通过以上分析，我们设计出β>0.5（β=0.55）的六足机器人步态为满足其平稳性的要求，六足机器人采用占空系数为0.55（即在运动过程中有六条腿同时着地）的三角步态。如图2.1(a)所示，机器人开始运动时，六条腿先同时着地，然后2、4、6三条腿抬起进行向前摆动的姿态准备，另外三条腿1、3、5处于支撑状态，支撑起机器人本体以确保机器人的重心位置始终处于三条支腿所构成的三角形内，使机器人处于稳定状态而不至于摔倒，摆动腿2、4、6抬起向前跨步(如图2.1(b)所示)，支撑腿1、3、5 一面支撑机器人本体，一面在动力的作用下驱动机器人机体向前运动半步长s(如图 2.1(c)所示)。在机器人机体移动结束后，摆动腿2、4、6立即放下，呈支撑态，使机器人的重心位置处于2、4、6三腿支撑所构成的三角形稳定区内，同时原来的支撑腿1、3、5经短暂停留后抬起并准备向前跨步(如图2.1(d)所示)，当摆动腿1、3、5向前跨步时(如图2.1(e)所示)，支撑腿2、4、6此时一面支撑机器人，一面驱动机器人本体，使机器人机体向前行进半步长s(如图2-1(f)所示)，如此不断循环往复，以实现机器人的向前运动，由于设计速度并不是非常精确，所以其行进轨迹并不是一条笔直的直线。
爬杆机器人 班级：自动化 08-1 姓名：李刚 学号：
目录 1.设计题目?????????????????１ 目的??????????????????１ 目介????????????????１ 条件及要求?????????????１ 2.运动方案设计??????????????２机械期的功能要求 ?????????????２ 功能原理????????????????２ 运律????????????????３ 2.3.1工作分解?????????????????３ 2.3.2运方案?????????????????５ 2.3.3行机构形式???????????????６ 2.3.4运和力分析????????????????７ 2.3.5行系运???????????????８ 3.计算内容 4.应用前景 5.个人小结 6.参考资料?????????????????８ ?????????????????10?????????????????11?????????????????12 附录?????????????????????13
１. 设计题目 １.１设计目的 机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸以及润滑方式等进行构思、分析和计算， 并将其转化为制造依据的工作过程。 机械设计是机械产品生产的第一步，是决定机械产品性能的最主要环节，整个过程蕴涵着创新和发明。 为了综合运用机械原理课程的理论知识，分析和解决与本课程有关的实际问题，使所学知识进一步巩固和加深，我们参加了此次的机械原理课程设计。 １. ２设计题目简介 我们此次做的课程设计名为爬杆机器人。该机器人模仿虫蠕动的形式向上爬行，其爬行运用简单的曲柄滑块机构。其中电机与曲柄固接，驱动装置运动。曲 柄与连杆铰接，其另一端分别铰接一自锁套（即上下两个自锁套），它们是实现上爬的关键结构。当自锁套有向下运动的趋势时，由力的传递传到自锁套，球、 锥管与圆杆之间形成可靠的自锁，阻止构件向下运动，而使其运动的方向始终向 上（运动示意见右图）。 １. ３设计条件及设计要求 首先确定机器人运动的机构原理及所爬行管道的有关数据，制定多套运动方案。再查阅相关资料，通过精确的计算和运用相关应用软件（例如CAXA，Solidworks ，ADAMS等造型、分析软件）进行运动模拟，对设计题目进行创新设计和运动仿真，最后在多方面的考虑下确定一套方案并完成整套课程设计说明书 及相关的软件分析图表和文件并由三维动画模拟出该机器人的运动。 ２ . 运动方案设计 该机器人模仿的动作是沿杆向上爬行，整个机构为曲柄滑块机构，而且我们 目前所设计机器人爬行的杆是圆杆。
高等教育自学考试 毕业设计（论文） 题目爬壁式机器人设计 专业班级光机电一体化工程（08级） 姓名杨冲 指导教师徐汉斌 所属助学单位武汉电子信息专修学院 2011年 12 月 2 日
目录 前言 (2) 第一章 (3) 总体结构 (3) 1.1机械结构 (3) 1.2控制系统硬件 (4) 1.3传感导引系统 (9) 第二章 (14) 2.1爬壁机器人磁吸附原理 (14) 2.2磁吸附技术简介 (14) 2.3.电磁铁吸力及选材 (14) 第三章 (16) 3.1一种新型磁轮单元 (16) 3.2磁轮分析 (16) 第四章爬壁机器人的力学分析 (18) 4.1爬壁机器人静力学分析 (18) 4.2爬壁机器人动力学分析 (19) 结论 (21) 参考文献 (21) 致谢 (21)
摘要 爬壁机器人,是极限作业机器人的一个分支,它的突出特点是可以在垂直墙壁表面或者天花板上移动作业爬壁机器人能吸附于壁面而不下滑,实现的方法主要有两种:负压吸附与磁吸附介绍一种新型爬壁机器人，它以超声串列法自动扫查和检测在役化工容器筒壁对接环焊的危害性缺陷。本文将着重介绍了它的机械结构及位置调整运动控制算法。这种机器人采用磁轮吸附和小车式行走，利用磁带导航，光纤传感器检测，具有结构紧凑、导航性能好、位置调整方法可行和定位精度高等特点。本文将介绍的爬壁机器人为超声串列自动扫查机器人是以某炼油厂加氢反应器为具体的应用对象，用来以超声串列法自动扫查和检测筒壁对接环焊缝的危害缺陷而研制的，并按JB4730-94《压力容器无损检测》的要求，用超声串列法检测。超声串列法要求一发、一收探头中心声束保持在一个与焊缝中心线相垂直的平面内，收发探头相对于串列基准线须保持等距、反相、匀速移动。由于采用手动检测，操作难度大，重复性差，可比性差而难以实施。对于这种用在圆形筒壁上在役检测的机器人，丹麦的force公司研制了多用途模块磁轮扫描仪AMS-9、AMS-10等系列磁轮爬壁机器人，日本的Osaka Gas Co。 Ltd公司研制了磁轮爬壁检测机器人，但是售价昂贵。从文献及报道方面看，国内对于这种在役磁轮式爬壁机器人还少有实用化的样例，也缺乏这方面的机械结构及自动控制装置的研究，因此，对大厚度焊缝的超声波探伤自动扫查爬壁机器人的研究是十分必要的。 关键词：机器人技术爬壁机器人磁吸附 前言 机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种模仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。机器人技术的出现和发展，不但传统的工业生产和科学研究发生革命性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。随着机器人技术的不断发展，机器人的小型化、微型化成为机器人技术发展的重要方向之一。开发一种小型、便携的爬壁机器人在军事和民用方面都具有重要意义。在军事方面，它可以被投放在敌后，爬行于建筑物的外墙或玻璃壁面上，对室内的情况进行侦察；或者充当可移动的爆破物，近距离杀伤敌方的重要设施和人员。 爬壁机器人作为工业用机器人的一种，指的是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业的一种自动机械装置，可以代替人工在高空、毒气毒液、辐射、水下
管道爬行器的研究与 设计
1 绪论 随着社会的发展和人民生活水平的提高，天然气管道以及各种输送管道的应用越来越多。在我国及世界各个国家内，由于地形的限制和土地资源的有限，在地下都埋设了很多的输送管道，例如，一方面天然气管道、石油管道等，在埋有管道的地面上都已经建成了很多的建筑物、公路等，给管道的维修和维护造成了很大的困难。当这些管道由于某些原因造成了泄露、堵塞等问题时，人们普通的做法是挖开道路进行维修，有些时候如果不能准确判断泄露和堵塞的具体位置时，会浪费很多的时间和精力，同时降低了工作效率[7]。另一方面石油、天然气、化工、电力、冶金等工业的管道工程大多采用焊接管路。为了保证焊接管路的焊接质量和运行安全,管道工程都要对焊缝进行检测,检测焊接部位是否存在虚焊、漏焊、伤痕等焊接缺陷。常用的焊缝检测方法是采用无损检测,如超声、射线、涡流等。对于管路检测,则大多采用管道内爬行探伤检验设备(简称爬行器) 对焊缝进行射线检测。这类爬行器由于受管道尺寸的限制,大多结构十分紧凑。在检测过程中,爬行器在其控制系统的控制下,可连续对同一管道不同位置上的焊缝质量进行检验。考虑管道焊缝检测的效率,常常当管道焊接具有一定长度之后,才集中对管道进行检测。如果一次要检测的管道比较长,爬行器的控制系统应采用车载式布置。使用时,通过外部的控制器对爬行器上的控制系统发出指令,决定爬行器的工作状态。 随着机电一体化技术的发展，以及机器人技术的发展和管道测试等技术的进一步发展，相互之间的渗透程度越来越深，管道爬行机器人是在狭窄空间中进行精密操作、检测或作业的机器人系统。其中机器人的作业环境一般是危险的。火力发电厂、核电厂、化工厂、民用建筑等用到各种各小管道，其安全使用需要定期检修。但由于窄小空间的限制，自动维修存在一定难度。仅以核电站为例，检查时工人劳动条件恶劣。因此管道内机器人化自动检查技术的研究与应用十分必要。人们不再为了维修、维护管道时挖开道路，节省了大量的人力，物力和财力。 目前的管道机器人都是以履带、轮子等实现在管道中的移动，其技术有着或多或少的缺陷，市场尚不成熟。例如：不能适应大范围的管道内径变化，运行中姿态的调整不够理想，在十字型、丁字型等较复杂的管道内径中不能较平稳的通过等等；结合目前管道机器人所存在的缺点，应用机械设计、机械原理等专业知识，设计出了新型管道爬行机器人。此机器人可实现大范围内的管道内径变化，顺利通过十字型、丁字型等较复杂管道；在运行中的姿态调整也得到了较好的解决。
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，