摘 要
本课题是在对管道爬行器的结构和运动研究分析的基础上。本次设计在Solidworks的基础上构建管道爬行器的若干套三维造型，然后依据要求进行选择。最终方案采用列车连接结构,伸缩结构和“伞”型结构，以适应管道内部的弯道和大范围内径变化管道。通过电气控制，使各电机顺序动作以完成通过十字型和丁字型等较复杂的管道,通过新型吊环的调节始终保持摄像装置与水平面的平行。对管道爬行器的控制要求，采用常规的电气控制分析方法设计电气部分的控制电路，最终方案采用人工控制电机的顺序动作进行管道内的转弯，里程计反馈信息与管道工程图相结合的方法来进行爬行器的定位。为研究管道爬行器打下了一定的基础。
关键词：自适应性，伸缩结构，内径变化，新型吊环，Solidworks
The research and design of piping crawl robot
Abstract
The question for discussion base on?the structure of piping crawl robot an-d the moving investigation'analyze. This project bases on Solidworks to concei-ve some 3D sculpt of? crawl r-obot, then by requestion carry through choose. The final scheme adopt the structure about train and flex structure and umbrellastructure, for the sake of adapting tothe pipeline that can change radius in gr-eat range. And succeed overpassing crossmodel and t-shaped model complicatedpiping by the sequentially-operation of the electric motor ,and always can keepparallel state between vidicon setting?and horizontalgeby adjusting by?the new
fiying rings system.Gave the request for the contral of piping crawl robot. Ad-opt nomothetic approach about electrical control analysis for control circuit des-ign ofelectric parts.The final project adopt the manual control the electr-ic mot-or’s sequentially-operating make the machine pass the curved conduit.To adopt the way which use milemeter feedback information couple with piping’s sched-ule drawing for allocation.The paper lays the theoretic foundation for research piping crawl robot
Keywords: From the adaptability, Flexible structure, Inside the path variety,New fiying rings system,Solidworks
目 录
1 绪论 1
2 设计方案初步分析 2
2.1 无线控制与有线控制的选择 2
2.1.1 有线控制及拖拽 2
2.1.2 非拖曳 2
2.2 驱动方式选择 2
2.2.1 轮式爬行 2
2.2.2 履带爬行 3
2.3 姿态调整的选择 3
2.3.1 加传感器的关节进行调整 3
2.3.2 利用吊篮方式进行调整 4
2.3.3 采用新式吊篮进行调整 4
2.4 自适应分析 4
2.4.1 伸缩臂长和加弹簧方式 5
2.4.2 伸缩臂长和“伞”型摇杆 5
2.5 方案的基本确定 5
3 方案一的设计与分析 5
3.1 机身的设计 6
3.2 机腿的设计 6
3.2.1 伸缩单元 7
3.2.2 变长单元 8
3.2.3 关节单元 8
3.3 驱动轮的设计 8
3.4 方案一的分析 9
4 方案二的设计与分析 9
4.1 机身的设计 9
4.2 机身内部传动结构设计 9
4.3 进给螺杆与螺母的设计 10
4.4 吊篮的设计 10
4.5 机腿的设计 11
4.6 方案二的分析 11
5 方案三的设计与分析 12
5.1 机身的设计 12
5.2 机身内部传动机构的设计 13
5.2.1 进给丝杠和螺母的设计 13
5.2.2 选择联轴器 17
5.2.3 选择键 17
5.3 吊环的设计 18
5.4 轴承的设计 18
5.5 机腿的设计 19
5.6 驱动轮的设计 19
5.7 管道爬行的实现 20
5.8 管道内路口转弯的实现 20
5.9 总体装配体设计 21
6 管道爬行机器人的功能分析 21
7 管道爬行机器人的动作分析 22
8 电气控制基本元器件的选取 22
8.1 电机的参数计算与选取 22
8.1.2 驱动轮电机的参数计算 22
8.1.3 主电机参数计算 23
8.1.4 机器人动力源的选取 24
8.2 电源的选取 24
8.3 电机调速元件的选取 25
8.3.1 串联电阻调速方法的实现 25
8.3.2 新型调节脉宽PWM型调速的实现 26
8.3.3电机调速方法的确定及元件的确定 27
9 电路设计 28
9.1 轮足电机动作的正转与反转的电路设计 28
9.2 前后伞足的张开闭合电路设计 28
9.3 电机部分总电路设计 29
9.4 电机顺序动作的电路设计 30
9.4.1 人为控制 30
9.4.2 逻辑控制 30
9.4.3 单片机/PLC进行自动控制 31
9.5 照明系统的电路设计 32
9.6 管道内机器人定位系统（PDPS）的设计 33
9.6.1 爬行器管道内定位方案的提出与分析 33
9.6.2 机器人定位系统部件的选择与设计 35
10 结论 36
11 结束语 37
致谢 38
参考文献 38
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。
2 设计方案初步分析
2.1 无线控制与有线控制的选择
2.1.1 有线控制及拖拽
该方式采用机器人尾部装夹电缆、信号线、安全绳、其他电路等等，这样会造成机器人的牵引力增大，对爬行器的负载力和足轮的摩擦力提出了更高的要求，尤其是随着机器人的深入，牵引绳会成为机器人的累赘和枷锁。牵引绳的长短禁锢着机器人的爬行深度。其优缺点如下：
缺点：附着力会不断增大，爬行器负载变化大，不利于长距离爬行。
优点：爬行器本身初始载重小（本身不需携带能源等），信息反馈及时清晰，利于后期观察，也利于实现在线监控。观察结束时，可人工使用安全绳退出。
2.1.2 非拖曳
该方式不需跟随电缆线，本身有拍摄存储功能，并且本身携带电源等，其优缺点如下：
缺点：爬行器本身载重加大，需设计爬行器退出管道方式等。
优点：爬行器载重恒定，便于爬行器爬行。其在管道内行进方便，尤其在弯道时，拖曳式的过大的牵引力会使爬行器驱动轮打滑，不易通过。
根据要求，非拖曳虽有自己强大优点，但爬行器在管道内出现问题而不能移动时，需要花费很大力气将爬行器取出。
可以选择有线拖拽式。
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