履带式管道机器人方案

摘要：随着我国改革开放的不断开展，我国经济建设和技术应用都得到了高速稳定的发展，机器人已成为制造加工行业必不可少的关键设备，机器人可以分为关节机器人和移动机器人两种，关节机器人通常情况下是固定不动的，所以其工作范围非常局限，而移动机器人恰恰克服了这一技术难题，随时随地的移动大大的增加了机器人的使用区间，使得机器人能够更加方便快捷的完成各项任务。

移动机器人相比普通关节机器人增加了移动机构，移动的方式多种多样，有腿式移动机构，轮式移动机构，履带式移动机构等等，选择何种移动方式决定了移动机器人的工作性质和内容。

本篇论文中提出了一种结构巧妙、机动性好、稳定性能高的多功能履带式机器人设计方案，本方案对履带式机器人技术进行深入分析研究，其工作原理是：利用履带式机器人的双节双履带进行支撑机器人本体进行移动，通过调整两节履带的角度来翻越障碍，最终实现机器人自由移动的目的。

多功能履带式机器人作为一种新型的移动机器人，对此进一步的研究也是不能忽视的。

关键词：机器人；移动机器人；履带式机器人AbstractWith the continuous development of China's reform and opening up, China's economic construction and technology applications have been high-speed and stable development, the robot has become a manufacturing and processing industry essential essential equipment, robots can be divided into joint robot and mobile robot two, joint robot Usually the case is fixed, so its working range is very limited, and mobile robots just to overcome this technical problems, anytime, anywhere the mobile greatly increased the use of the robot range, making the robot can more quickly and easily complete the task.Compared with the common robot, the mobile robot has increased the movement mechanism, the movement way is varied, the leg movement mechanism, the wheel movement mechanism, the crawler movement mechanism and so on. What kind of movement mode is selected determines the working nature of the mobile robot and content. This paper presents a multi-functional crawler robot design scheme with clever structure, good mobility and high stability. The scheme is based on the deep analysis of the crawler robot technology. The working principle is that the use of the double- Section of the double track to support the robot body to move, by adjusting the angle of the two tracks to cross the obstacles, and ultimately achieve the purpose of free movement of the robot. Multi-function crawler robot as a new type of mobile robot, this further study can not be ignored.Keywords: robot，Mobile robots, Crawler robots目录Abstract (II)目录 (III)第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2移动机器人的发展概况 (1)1.3 Solidwork软件的介绍 (2)1.4 有限元分析的介绍 (3)1.5 课题研究的意义及目的 (4)第二章多功能履带式机器人的设计 (5)2.1 多功能履带式机器人的设计要求 (5)2.2多功能履带式机器人的设计概述 (5)2.2.1多功能履带式机器人与其他类型移动机器人原理的对比 (5)2.2.2多功能履带式机器人与其他类型移动机器人特点的对比 (8)2.2.3 多功能履带式机器人的设计参数 (8)2.3多功能履带式机器人的具体设计 (8)2.3.1 机器人底座结构设计 (9)2.3.1.1行走电动机的设计与选型 (9)2.3.1.2减速器齿轮的设计 (12)2.3.1.3齿轮齿数的选择 (13)2.3.1.4直齿圆柱齿轮静力及接触分析的理论计算 (14)2.3.1.5直齿轮静力及接触的有限元分析 (17)2.3.1.6链传动的设计 (19)2.3.2机械手臂结构设计 (21)2.3.2.1机械手臂转动电机的设计与选型 (21)2.3.2.2机械手臂转动结构的设计 (23)第三章总结与展望 (24)参考文献 (24)第一章绪论1.1 引言随着我国改革开放的不断开展，我国经济建设和技术应用都得到了高速稳定的发展，机器人应用的地方变得越来越多，从单一的生产制造业发展到各行各业，甚至延伸到排爆等危险的具体工作。

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。

- 1 -自主变位履带式管道机器人GXJZ-I 的研制和开发龙 斌，毛立民东华大学机械学院(200051)email:longbin@摘 要：本文主要介绍东华大学研制开发的自主变位履带式管道清洗机器人GXJZ-I。

主要包括机器人的系统功能、机械结构设计和控制系统设计。

GXJZ-I 以自主变位履带式管道机器人移动机构为运动载体，通过摇臂携带的毛刷等工作部件，可完成对通风管道进行探测、清扫等工作。

关键词：自主变位 管道 履带 机器人1．引言当前，人们已认识到中央空调风管内的灰尘是传播病毒的载体，重视了中央空调的清洗，但是结果不尽人意。

原因有三：一是我国大多数中央空调普遍使用粗效过滤器，最多只能过滤空气中40%的可悬浮颗粒物，近60%的颗粒物进入中央空调，依然为病毒载体，当通风时，仍有可能产生交叉感染。

二是目前人们只注重中央空调机组的，清洗和水处理，然而风管面积远远大于机组面积，而中央空调系统内95%以上的藏尘量在风管内，水洗仅降低机体内10%水垢的产生。

三是没有机器人参与清洗，人进入风管清洗又存在二次污染。

正因为如此，管道清洗机器人应运而生。

管道清洗机器人是用于高层楼宇、机场、宾馆等场所的中央空调通风管道以及纺织、石油、化工、电子、矿山、市政等场合的通风管道、除尘管道、输送管道检测、清洗、喷涂等的作业装置[2]。

目前，国外如丹麦Danduct Clean 公司、加拿大INUKTUN 公司等都有比较成熟的管道清洗机器人产品。

西方发达国家的管道清洗已初显产业化趋势，成立有诸多的清洗公司，有专门的空调保养公司来负责空调的定期清洗和消毒，而具体负责的空调保养工程师则由有关部门统一管理，核发资质。

国内也有相关的机器人研究。

但是，目前国内外研制开发的管道机器人图1 自主变位履带式管道机器人GXJZ-I移动机构大多以轮式和双履带式为主，仅适用于单一形状或口径的管道环境，适用性有限[3]。

东华大学机械学院成功地解决了现有管道机器人对复杂管道环境适应性的不足，开发了具有自主知识产权的自主变位履带式管道机器人GXJZ-I。

基于Solidworks的履带式管道机器人结构设计与实现张保真; 王战中; 杨晨霞【期刊名称】《《承德石油高等专科学校学报》》【年(卷),期】2019(021)004【总页数】7页(P29-35)【关键词】履带式管道机器人; 行走机构; 变径机构; Solidworks; 试验平台【作者】张保真; 王战中; 杨晨霞【作者单位】石家庄铁道大学机械工程学院河北石家庄050043【正文语种】中文【中图分类】TP391近几十年来，随着我国科技的进步，工业的发展和经济水平的提高，我国管道运输建设取得了巨大的成果。

到目前，中国建成油气管道总里程已超过13万km，建成初具规模的跨国、跨区域油气管网[1]。

油气输送管道腐蚀、穿孔或者破裂，都会造成油气泄漏，进而影响周围环境，甚至发生火灾、爆炸等严重后果。

为了保障人民的生命财产安全，社会环境的安定和自然环境不受到破坏，定期对油气输送管道进行检测是十分必要的，管道机器人作为有效的检测设备，可以代替人类执行检测任务[2]。

研究并设计具有实际工程化应用价值的管道机器人能够极大地提高管内检测和管内作业的准确性和可靠性，提高工作效率，使得人们可以对各类管线采用非挖掘和拆分的方式来进行探测及修复。

美国GE公司、瑞士ROSEN公司等生产了流体驱动式管道机器人PIG [3]，利用机器人两端的管道内流体压力差来提供动力，结构简单，使用性好。

美国卡内基梅隆大学和美国国家能源部共同研发了Explorer系列模块化轮式燃气管道检测机器人，其采用视觉和漏磁双重检测手段[4]。

邓宗全等[5]针对海底管道研发出六轮驱动的轮式管道机器人。

上海交通大学张云伟等[6]设计了一种基于丝杠螺母传动，平行四边形轮腿支撑漏磁管道检测机器人。

1 管道机器人总体结构与工作原理1.1 设计目标与要求设计一辆管道机器人牵引机构，其能够搭载管道检测模块、管道修复模块和管道清理模块，分别对管道进行检测、修复和清理。

设计的管道机器人平台能够适应一定的管径变化，能够通过垂直管道和大曲率弯管，能够自动的适应管道直径的变化并进行位姿调整，同时也具备定位导航系统和人机交互界面，能够有效的控制机器人和精确地定位管道有缺陷的位置。

管道探伤智能机器人设计方案1.1 管道探伤机器人设计背景及意义随着交通、石油、化工以及城市建设的飞速发展，管道作为一种经济、高效的物料长距离运输手段而倍受人们的关注，被广泛的铺设于世界各地、陆地、海洋等环境中。

我国从20世纪70年代开始油气管道的大规模建设，截止到目前，国已建油气管道的总长度约6万千米，逐渐形成了区域的油气管网供应格局，中国的管道工业得到了极大的发展。

本课题中所研究的管道探伤机器人也是应用在特殊作业环境下的一类特种机器人，其可以沿管道壁行走，通过携带的机电仪器，能够完全自主或在人工协助下完成特定的管道作业，包括管道腐蚀程度、裂纹、焊接缺口的探伤检测，以及对焊接缝防腐补口等处理。

既然管道在工业现场中有着如此广泛的应用，其安全运行问题也越来越受到人们的重视。

一旦管道破损，仅维护抢修的成本巨大，从中泄露的物质会对周围的生态环境及人类生命安全造成威胁。

如果能够及时发现并确定泄漏点，就能有效地减轻泄漏事故造成的损失和危害。

然而由于管道埋地较深，通过常规的巡线检测方法很难步到泄漏点，另外长输管道距离长，沿途多为荒漠、沼泽或河流，而检测方法多为人工定期巡检，这都限制了泄漏检测与定位的实时性,准确性。

因此，管道的维护管理、泄漏的检测、保障管道安全运行已成为界上重要的研究课题并日益受到重视。

管道探伤机器人作为一类特种机器人，正是在这样的环境下应运而生，管道探伤机器人的优点在于它不仅具有探伤质量高、作业速度快等优点，而且使操作检测人员免受大剂量射线的辐射之苦。

因此管道探伤机器人有着广阔的应用前景。

1.2 管道探伤机器人的国外发展现状管道探伤机器人是目前智能机器人研究领域的热点问题之一。

近几十年来，核工业、石油工业的迅猛发展为管道探伤机器人提供了广阔的应用前景。

由于大量地下、海底管线的维护需要刺激了管道探伤机器人的研究。

从20世纪70年代起，国外许多研究人员就针对管道探伤机器人提出了大量的设计方案并对其能够实现的功能进行不断地补充和完善，这些研究成果对管道探伤机器人的技术改进和应用场合的扩展起到巨大的推动作用。

新型履带式管道检测机器人发布时间：2021-03-26T12:01:06.790Z 来源：《中国科技信息》2021年3月作者：刘嘉浩曹传剑刘树龙[导读] 设计了一种以履带为执行部分的新型管道检测机器人，整体呈三角形结构，中心为机器人主体，三个角的位置为履带，利用摄像头来获取管道内部信息，以红外线传感器来检测管道内径及探伤等作用。

1.青岛黄海学院青岛刘嘉浩曹传剑刘树龙该项目由青岛黄海学院校级国创项目《新型履带式管道检测机器人》（X202013320066）支持。

摘要：设计了一种以履带为执行部分的新型管道检测机器人，整体呈三角形结构，中心为机器人主体，三个角的位置为履带，利用摄像头来获取管道内部信息，以红外线传感器来检测管道内径及探伤等作用。

本文详细介绍了该机器人的总体机械设计及机器人驱动设计，以及解释其工作原理，该机器采用减速电机作为其动力电机，利用其大扭矩，低转速的优点；以可塑性强的锂聚合物电池做动力源，起到降低自重，提高电流稳定性的作用。

引言：管道作为石油、天然气、自来水等长距离输送的重要载体，在现代工业建设以及日常生活中的作用日益突出，出于管道安装、维护及检测等工作稳定性、安全性以及工作效率的考虑，管道作业越来越多地要求采用管道机器人作为移动载体来代替人工操作。

因此，设计一种能在几千公里管道内自动行走进行管道检测的管道机器人具有十分重要的意义。

目前国内外管道机器人移动机构的驱动方式包括电机驱动、压电驱动、电磁驱动、气压驱动、液压驱动等；而机器人的行走方式又可分为惯性冲击行走、蠕动爬行、弹性驱动行走及轮式行走等等，通过对比研究发现，现有管道机器人都存在驱动原理和结构相对复杂；动力提供大都要求外接电源，从而限制了机构的灵活性和运动范围；很多机构只适用于特定直径的管道，对于直径有变的管道则无法运行, 等不同程度的不足之处，以至于它们很难被广泛地推广应用。

该项目拟设计一种性能优异、能连续行走的自适应管道机器人。

履带式管道机器人创新设计专业班级：机械设计姓名：学号：引言现代工农业生产及日常生活中使用着大量管道，如核电厂的蒸汽发生器传热管、石油、化工、制冷行业的工业管道和煤气管道等，多数管道安装环境人不能直接到达或不允许人直接介入，为了进行质量检测和故障诊断，采用传统的全面挖掘法、随机抽样法或SCADA 系统法，工程量大，准确率低，因此需要开发管道机器人来解决这些实际问题。

管道机器人是一种可沿管道内部或外部移动，携带一种或多种传感器及操作器，在操作人员的遥控操作或计算机的自动控制下，能够进行一系列管道作业的机电仪一体化系统。

管道机器人可完成的作业有生产、安装过程中的管内外质量检测；使用过程中焊缝情况、表面腐蚀、裂缝破损等故障诊断；恶劣环境下管道清扫、喷涂、焊接、内部抛光等维护；对埋地旧管道的修复；管内外器材运送、抢救等其他用途。

1绪论管道机器人在人类社会中已经迅速的漫延开来，这一切都应归公于它自身的特点。

因此，国内外都在不断的开发和研制更适合管内行走的管道机器人，并开始走向微型化、智能化，使之性能更宜人化，可控性更好，准确性更高。

但是管道机器人由于受到它工作环境的限制和沉重的任务负担，致使它也不断面临着更多，更严重的困难和问题。

如何解决？已经成为现代人的责任和发展方向。

1.1管道机器人发展概况1.1.1国外管道机器人研究进展国外关于燃气管道机器人的研究始于20世纪40年代，由于70年代的微电子技术、计算机技术、自动化技术的发展，管道检测机器人技术于90年代初得到了迅猛发展并接近于应用水平。

日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期，70年代的实用期，到80年代进入普及提高期，开始在各个领域内广泛推广使用机器人。

日本管道机器人众多，东京工业大学航空机械系Shigeo Hirose和Hidetaka Ohno等于1993年开始研究管道机器人，先后研制成功适用于直径50mm管道的Thes-Ⅰ、Thes-Ⅱ型管道机器人和适用于直径150mm管道的Thes-Ⅲ型管道机器人。

矿用履带式管道清洁机器人的改进与运动学仿真摘要：本文讨论了矿用履带式管道清洁机器人的改进及其运动学仿真。

首先概述了该种机器人的基本构造，并详细介绍了改进思路，其中包括使用传感器优化机器人的操作，以及动力学分析、物理模型和控制设计。

然后结合专业软件对机器人进行了运动学仿真，具体参数如下：垂直旋转半径1.5m，水平旋转半径2.0m，螺距6mm，步进角0.1 度，外部电源电压12V。

最后，以实验数据为基础，检验了最终设计的有效性。

关键词：机器人，改进，运动学仿真，传感器，动力学分析，物理模型，控制设计正文：1. 绪论由于管道系统的复杂性和深度，传统的入侵检查和清洁方法存在一定的局限性。

为了加快清洁速度，提高清洗效率，我们设计了一种基于履带的管道清洁机器人，用于清洁大型铁路隧道。

2. 改进思路本研究着重改进该履带清洁机器人：（1）传感器优化：配备激光传感器进行定位，高精度惯性测量单元（IMU）用于检测机器人的姿态，摄像头用以实时观察机器人的运动情况。

（2）动力学分析：考虑机器人的物理参数（质量，惯性，摩擦等），建立完整的动力学模型，以便提供准确的操控系统。

（3）物理模型：使用多体系统模型（MBS）对机器人的运动特性进行分析，建立完整的模型，使用多种材料来设计具有耐久性的机器人。

（4）控制设计：根据上述物理模型和动力学分析，提出了一种可行的控制设计方法。

它涉及到两个步骤：首先是定义机器人的运动学结构及其相关参数，然后确定控制方法及其所需的参数。

3. 运动学仿真将所有物理参数整合到一起，使用专业软件对改进的机器人进行了运动学仿真。

实验中，垂直旋转半径为1.5m，水平旋转半径为2.0m，螺距6mm，步进角0.1 度，外部电源电压12V。

4. 结论使用传感器优化机器人的操作、动力学分析和物理模型，以及控制设计，本文设计并实现了一种矿用履带式管道清洁机器人，并且在运动学仿真方面取得了良好的效果。

实验结果表明，改进后的机器人较传统的清洗机器人具有较高的清洗效率，能够满足大型铁路管道的清洗需求。

设计成员：柴思敏F03020045031519041 朱翼凌F0302004 5030209393巴振宇F0302012 5030209335 柳宁F0302003 5030209376指导老师：高雪官上海交通大学机械动力学院目录一.TH-1管道机器人工作要求和技术指标 (4)二.元器件和配件选择说明………………………………………….5-6三.机架部分设计和计算……………………………………………7-34四.履带部分设计和计算………………………………………… 35-72五.参考文献 (73)六.组员分工 (74)TH-1管道机器人技术指标行走速度：10minm自重: 5 kg净载重：10 kg机身尺寸：351mm⨯155mm⨯155mm 自适应管道半径范围：200mm300mm越障能力：2mm5mm爬坡能力：150工作电压：12V一次性行走距离：2500m牵引力: 300N400N密封性能：履带密封，机架半开放TH-1 管道机器人工作指标工作环境：中性液体环境，液面高度不得高于30mm 工作温度：00500元器件选用本设计采用圆周三点限位支架，三个履带行走构件相互独立，因而需要提供三个相同的电动机分别驱动各个履带。

另外，管径自适应结构由丝杠螺母传动，也需要一个电动机作为驱动，于是整个机器人需要4个电动机。

考虑到整个机构适用于200~300mm管径的管道内部探伤，因而整体尺寸受到严格限制，进而限定了电动机的尺寸。

以最小管径200mm 作为尺寸控制的参数，履带行走机构的高度50mm，所用电动机直径大约20mm。

同时作为履带机构的动力来源，此电动机亦应当达到足够的功率输出，否则将必然无法与设计要求匹配。

出于零件之间相互通用的设计理念，我们希望4个电机都是统一规格、同种型号。

但是控制管径自适应部分涉及到丝杠螺母传动的动力分配，设计中压力传感器发出控制信号，以单片机实现电机的正反转控制，这就要求电动机的扭矩输出平稳。