（机械电子工程专业论文）管道检测微型机器人技术研究.pdf

2 繁 ， 人 r 、l 、 一 学位论文数据集 中图分类号 t p 2 4 2 学科分类号 51 0 8 0 3 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 8 9 2密级 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名孙章军学号 2 0 0 4 0 0 0 8 9 2 获学位专业名称 机械电子工程 获学位专业代码 0 8 0 2 0 2 北京市优秀人才培养 课题来源研究方向机电一体化技术 专项经费资助项目 论文题目管道检测微型机器人技术研究 关键词微型管道机器人，移动机构，控制系统，图像处理 论文答辩日期 2 0 0 7 5 2 4论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师薛龙教授北京石油化工学院机电一体化 评阅人1王仪明教授北京印刷学院机械设计及理论 评阅人2邓双成 副教授北京石油化工学院机械电子 评阔人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席张有忱教授北京化工大学机械设计及理论 答辩委员1张有忱教授北京化工大学机械设计及理论 答辩委员2焦向东教授北京石油化工学院焊接自动化 答辩委员3陈家庆教授北京石油化工学院机械设计及理论 答辩委员4刘录教授北京石油化工学院流体机械 答辩委员5吴立志教授北京石油化工学院热能与动力工程 j 王：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 冬 p 土 - 、 “ r 一 0i j 炯 7 7 。 参 a 摘要 管道检测微型机器人技术研究 摘要 工业设备中大量的细小管道经过长时间的使用后，会出现各种各 样的缺陷，给生产和生活带来安全隐患。由于对细小管道的检修与维 护比较困难，所以对能携带探测或维修装置对管道进行检测和维修的 管道机器人的需求日益增加。 基于国内外已取得的科研成果，对应用于内径6 0 m m 左右的微型 管道机器人的移动机构、控制系统、视觉检测系统等进行了研究。主 要工作有以下几个方面： 首先介绍了管道检测机器人的历史、现状、前沿发展情况及国内 外科研成果，在比较分析几种典型的移动机构形式的基础上提出了一 种新型的直进轮式移动机构。从力学、运动学的角度对移动机构进行 了分析与设计。 其次，对管道机器人的运动控制系统进行了研究。主要搭建了一 个基于微机的控制平台，采用运动控制卡和驱动器对电机进行控制， 并开发了相应控制的软件。 最后，对视觉检测系统进行了研究。提出了一种简单的探测器结 构，对其图像照明、获取、接收显示部分进行了设计分析。利用现有 的算法编制了图像处理软件。 经过理论分析与实验验证，本课题设计的直进轮式微型管道机器 i 北京化丁大学硕士学位论文 人具有负载能力强、运动平稳及采集的图像能清晰的检测出管道内壁 的缺陷等许多的优点。 关键词：微型管道机器人，移动机构，控制系统，图像处理 u ： ， 一 哗1 烈 摘要 r e s e a r c ho nap i p ei n s p e c t i o nm i c r o r o b o t s y s t e m a b s t r a c t m a n yk i n d so ff l a ww i l la p p e a ro ns m a l lp i p e l i n e so fi n d u s t r i a l e q u i p m e n t sw h e nt h e ya r eu s e df o ral o n gt i m e ，w h i c hc a nd oh a r mt oo u r l i f e d e m a n d so fp i p er o b o t sw i t hd e t e c t i o nd e v i c eo r r e p a i rd e v i c e i n c r e a s eal o t ，s i n c et h o s es m a l lp i p e l i n e sa r ev e r yd i f f i c u l tt oe x a m i n e a n dr e p a i r t h i s p a p e ri sb a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l t sa c h i e v e dh o m ea n d a b r o a d i ti ss t u d i e do ft r a v e lm e c h a n i s m ，c o n t r o l s y s t e ma n dv i s i o n d e t e c ts y s t e mo fm i c r op i p er o b o ta c c o r d i n gt o p i p eo f6 0 m mm i n o r d i a m e t e r m a i nw o r ki sa sf o l l o w ： f i r s t l y , t h eh is t o r y , s t a t u sq u o ，d e v e l o p m e n ta r i dr e s e a r c hr e s u l t so f p i p ed e t e c tr o b o ta th o m ea n da b r o a da r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r , a n dn e w t y p eo ft r a v e lm e c h a n i s ma r ep u tf o r w a r dv i ac o m p a r i s o na n da n a l y s i so f s e v e r a lt y p i c a lt r a v e lm e c h a n i s m s a n a l y s i sa n dd e s i g na r ed o n et ot h e m o v e m e n tf r a m e w o r kf r o mt h e p o i n t o fv i e wo fk i n e m a t i c s a n d m e c h a n i c s s e c o n d l y , d e s i g n st h em o v e m e n tc o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e d a 墨， c o n t r 0 1p l a t f o mb a s e do np ci sc o n s t r u c t e d ，am o v e m e n t c o n t r o lc a r d a n dad r i v ew e r eu s e dt oc o n t r o lm o t o r s ，a n dc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e f o r t h ec o n t r o ls y s t e mw a sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y f i n a l l v ，t h ev i s i o nd e t e c t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d as i m p l es t m c t u r e o p t i c a ld e t e c t o rw a sb r o u g h tf o r w a r d ，a n a l y s i sa n dd e s i g n w e r ed o n et o t h ei l l u m i n a n c e ，i m a g ec a p t u r ea n dd i s p l a yp a r t so f t h ed e t e c t o r t h e n ，t h e i m a g ep r 。c e s s i n gs 。f t w a r ew i t h t h ea v a i l a b l ei m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m w a sd e v e l o p e d t h em i c r op i p er o b o td e s i g n e di nt h ep a p e rh a st h ea d v a n t a g e s o f g r e a tl o a d c a r r y i n ga b i l i t y , s t a b i l i z e dm o v e m e n ta n d f l a wi ni n t r o - w a u b e i n gd e t e c t e de a s i l yv i ac l e a ri m a g ec a p t u r e dt h r o u g h t h ev e r i f i c a t i o no f t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s keyw o r d s ：m i c r op i p er o b o t ，t r a v e l m e c h a n i s m ，c o n t r o ls y s t e m ， i m a g ep r o c e s s i n g i v 垒j _ 一 。净 目录 目录 第一章绪论1 1 1 论文的选题意义1 1 2 本课题相关领域的历史、现状和前沿发展情况1 1 3 国内外微型管道机器人的研究成果3 1 3 1 国外微型管道机器人的研究成果：3 1 3 2 国内管道微型机器人的研究成果9 1 4 管道微型机器人所面临的问题! 1 2 1 5 论文的研究内容1 4 第二章管道微型机器人的总体方案设计1 6 2 1 机器人的总体方案选择1 6 2 1 1 机器人的总体结构与功能1 6 2 1 2 机器人的工作原理1 6 2 2 移动机构的设计方案1 7 2 2 1 实现管内行走的典型机构1 7 2 2 2 移动机构设计方案的选择2 0 2 3 视频探测器的设计方案2 0 2 3 1 两种管内光学检测方法的简介2 l 2 3 2 视频探测光学成像方案设计2 3 2 4 本章小结：2 4 第三章管道机器人的移动机构分析与设计2 5 3 1 管道机器人管内行走的基本条件2 5 3 2 直进轮式移动机构分析2 6 3 2 1 轮式移动机构的原理2 6 3 2 2 轮式移动机构的特点2 6 3 3 直进轮式移动机构的运动分析2 7 3 3 1 运动自由度分析2 7 3 3 2 运动速度分析2 8 3 4 移动机构的受力分析j 2 9 v 北京化工大学硕士学位论文 3 4 1 受力分析时的一些假设条件_ ：2 9 3 4 2 移动机构前进时的受力分析j 3 0 3 5 移动机构设计3 2 3 5 1 直流电机的选择3 3 3 5 。2 移动机构的传动方式选择3 4 3 5 3 蜗轮蜗杆的传动设计3 4 3 5 4 两级齿轮传动的设计3 5 3 6 微型管道机器人在弯管中的通过性分析3 5 3 6 1 曲率半径大小的影响3 5 3 6 2 微型管道机器人适用的管道口径3 6 3 7 本章小结，3 7 第四章管道机器人运动控制系统的设计3 8 4 1 控制系统的组成3 8 4 2 驱动器说明3 8 4 2 1 驱动器的特点3 9 4 2 2 驱动器的技术参数3 9 4 2 3 驱动器的设置与连接4 0 4 3 运动控制卡说明：4 1 4 3 1 运动控制卡的性能参数4 l 4 3 1 1a d 部分4 1 4 3 1 2d a 部分j 4 2 4 3 1 3 开关量部分。4 2 4 3 1 4 系统参数4 2 4 3 2a c 6 6 1 1 板硬件原理4 2 4 3 2 1 模拟输入部分。4 3 4 3 2 2 模拟输出d a 4 4 4 3 2 3 开关量输入、输出4 4 4 3 3 硬件设置与连接，4 5 4 3 3 1 运动控制卡的安装4 5 4 3 3 ：2s l 模拟输入选择4 5 4 3 3 3d a 输出选择j 4 5 4 3 3 4 输入输出插座定义4 6 4 4 控制系统的软件设计4 7 v i 蠢 玉 ，l - 一 一 、 毒 。 目录 4 4 1 编程开发包介绍i 4 8 4 4 2 开发流程4 8 4 5 本章小结一一4 9 第五章机器人视觉系统设计5 0 5 1 管道内照明与接收5 0 5 2 图像采集。：5 1 5 2 1c c d 摄像机。5 l 5 2 2 图像采集卡5 2 5 2 3 图像采集流程5 6 5 2 4 图像采集软件实现5 7 5 3 图像处理5 8 5 3 1 管道内摄取图像的特点5 8 5 3 2 图像的数学模型。5 9 5 3 3 图像的增强6 0 5 3 3 1 灰度变换法6 0 5 3 3 2 直方图均匀化6 1 5 3 3 3 边缘检测6 2 5 4 图像处理软件实现6 3 5 5 本章小结6 4 第六章实验与分析一6 5 6 1 机器人实验装置 6 ：2 在直玻璃管道中的行走实验数据与分析 6 2 1 最大速度实验 6 2 2 电压速度关系 6 3 图像处理实验 6 3 1 灰度变换 6 3 。2 直方图均匀化 6 3 3 边缘检测 6 4 本章小结 结束语：7 2 参考文献7 4 v i i 5 6 6 7 8 8 9 o 1 6 6 6 6 6 6 6 7 7 v i i i 舞 i 矗 j o j l 至一 ：_ c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n ! 1 1 1t h ep u r p o s eo f t h e d i s s e r t a t i o n 1 1 2h i s t o r y , p r e s e n ts t a t ea n dp e r s p e c t i v e s o f t o p i c - 1 1 3r e s e a r c hp r o d u c t i o no f m i c r op i p er o b o t 3 1 3 1f o r e i g nr e s e a r c hp r o d u c t i o no f m i c r o p i p er o b o t - 3 1 3 2d o m e s t i cr e s e a r c hp r o d u c t i o no f m i c r o p i p er o b o t 9 1 4f a c et h e c h a l l e n g eo fm i c r op i p er o b o t 一一1 2 1 5c o n t e n t so f t h e d i s s e r t a t i o n ，1 4 c h a p t e r 2o v e ? a l lp l a no ft h em i c r o p i p er o b o t 1 6 2 1s e l e c t e do v e r a l lp l a no f t h em i c r o p i p er o b o t 1 6 2 1 1g r o s ss t r u c t u r ea n df u n c t i o no f t h e r o b o t 一1 6 2 1 2o p e r a t i n g p r i n c i p l eo f t h er o b o t 1 6 2 2d e s i g ns c h e m eo f t h et r a v e lm e c h a n i s m 1 7 2 2 1t y p i c a lt r a v e l m e c h a n i s m 。1 7 2 1 2s e l e c t e ds c h e m eo f t h et r a v e lm e c h a n i s m i t 2 0 2 3d e s i g ns c h e m eo f t h e d e t e c t o r 2 0 2 3 1a b s t r a c to f t w o i n p i p eo p t i c st e s tm e t h o d 2 1 2 2 2d e s i g ns c h e m eo f o p t i c a li m a g i n gd e v i c e 2 3 2 4 s u m m a r y 。2 4 c h a p t e r3a n a l y s i sa n dd e s i g no ft h em i c r op i p er o b o t 2 5 3 1c o n d i t i o no f t h er o b o tm o v i n g i n p i p e 2 5 3 2a n a l y s i so f t h ew h e e l t y p et r a v e l m e c h a n i s m t - t 2 6 3 2 1p r i n c i p l eo f t h e w h e e l t y p et r a v e lm e c h a n i s m 2 6 3 2 2c h a r a c t e r i s t i co f t h e w h e e l - t y p et r a v e lm e c h a n i s m 2 6 3 3m o t i o na n a l y s i so f t h e w h e e l t y p et r a v e lm e c h a n i s m 2 7 3 3 if r e e d o mo f m o t i o n a n a l y s i s i ：2 7 3 3 2v e l o c i t yo f m o v e m e n ta n a l y s i s “2 8 3 4s t r e s sa n a l y s i so f t h et r a v e lm e c h a n i s m 2 9 3 4 1a s s u m e dc o n d i t i o no f s t r e s sa n a l y s i s 2 9 i x ， 薅 硕士学位论文 s ma d v a n c i n g 。3 0 - 3 2 3 3 3 5 2d r i v es t y l es e l e c t i o no f t h et r a v e lm e c h a n i s m 3 4 3 。5 3d e s i g no f w o r ma n dg e a r - - 。3 4 3 5 4d e s i g no f g e a r s - 。3 5 3 6t r a f f i c a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i so f t h er o b o ti ne l b o wp i p e 3 5 3 6 1i n f l u e n c eo f r a d i u so f c u r v a t u r e - - 3 5 3 6 2p i p es c o p eo f a p p l i c a t i o no f t h er o b o t ，3 6 3 7s u m m a r y - ：。3 1 c h a p t e r 4k i n e t i cc o n t r o ls y s t e md e s i g no ft h er o b o t 3 8 4 1e l e m e n to f t h ek i n e t i cc o n t r o ls y s t e m 。3 8 4 2i n s t r u c t i o no f t h ed r i v e r 3 8 4 2 1c h a r a c t e r i s t i co f t h ed r i v e r ：3 9 4 2 2t e c h n i a lp a r a m e t e ro f t h ed r i v e r - 。3 9 4 2 3s e t t i n go f t h ed r i v e r 4 0 4 3k i n e t i cc o n t r o lc a r ds p e c i f i c a t i o n ：4 1 4 3 1p e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro f t h ek i n e t i cc o n t r o lc a r d 4 1 4 3 1 1i n s t r u c t i o no f a d j j 4 1 4 3 1 2i n s t r u c t i o no f d a 一4 2 4 3 1 3i n s t r u c t i o no f s w i t c h i n gv a l u e 4 2 4 3 1 4s y s t e mp a r a m e t e r 4 2 4 3 2h a r d w a r ep r i n c i p l eo f a c 6 6 1 1b o a r d 4 2 4 3 2 1a n a l o gi n p u t - - j 4 3 4 3 2 2a n a l o go u t - 4 盎 4 3 2 3i n p u ta n do u to f s w i t c h i n gv a l u e - 4 4 4 3 3s e t t i n go f a c 6 6 1 1 4 5 4 3 3 1i n s t a l m e n to f a c 6 6 1 1 ? ? 4 5 4 3 3 2e l e c t i o no f a n a l o gi n p u t ? 4 5 4 3 3 3e l e c t i o no f a n a l o go u t j 4 5 4 3 3 4d e f i n i t i o no fr e c e p t a c l e 4 6 4 4s o f t w a r ed e s i g no f t h ec o n t r o ls y s t e m 4 7 4 4 1i n s t r u c t i o no f p r o g r a m m e 。4 8 4 4 2f l o wd i r e c t i o no f t h es o f t w a r ed e s i g n 4 8 x 连 神 确 _ r j _ 4 5s u m m a r y 4 9 c h a p t e r 5v i s i o ni n s p e c t i o ns y s t e md e s i g no ft h er o b o t 5 0 5 ii n p i p el i g h t i n ga n dt a k e o v e r 5 0 5 2i m a g ec a p t u r e 。5 1 5 2 1c c dc a m e r a - 5 1 5 2 2i m a g eg r a b b e r ：j 5 2 5 2 3f l o wo f t h ei m a g ec a p t u r e - - 。5 6 5 2 4s o f t w a r ed e s i g no f t h ei m a g ec a p t u r e - 二5 7 5 3i m a g e p r o c e s s i n g - 。5 8 5 3 1c h a r a c t e r i s t i co f t h ei n p i p ei m a g ec a p t u r e 5 8 5 3 2m a t h e m a t i cm o d e lo f i m a g e 。5 9 5 3 3i m a g ee n h a n c e m e n t 6 0 5 3 3 1g r a yt r a n s f o r m 一6 0 5 3 3 2h i s t o g r a me q u a l i z a t i o n 6 l 5 3 3 3e d g e f i n d i n g m e t h o d s 6 2 5 4s o f t w a r ed e s i g no f t h ei m a g ep r o c e s s i n g 。6 3 5 5s u m m a r y 6 4 c h a p t e r 6e x p e r i m e n ts t u d ya n da n a l y s i s 6 5 6 1e q u i p m e n to f e x p e r i m e n t a t i o n 。：6 5 6 2e x p e r i m e n ts t u d yo f t h er o b o tm o v i n gi ns t r a i g h tg l a s sp i p e 。- 6 6 6 2 1m a x i m u mv e l o c i t ye x p e r i m e n t 。6 6 6 2 2t h er e l a t i o nb e t w e e nv o l t a g ea n dv e l o c i t y 6 7 6 3i m a g ep r o c e s s i n ge x p e r i m e n t 6 8 6 3 1g r a yt r a n s f o r m 6 8 6 3 2h i s t o g r a me q u a l i z a t i o n 6 9 6 3 3e d g ed e t e c t i o n - - 7 0 6 4s u m m a r y 7 l c o n c l u s i o n sa n dr e c o m m e n d a t i o n s 7 2 r e f e r e n c e s 7 4 a c k n o w l e d g m e n t s 7 6 p a p e r s ；- 7 7 + 北京礼辛葵晕铲卜擎位论文 a u t h o r sr e s u m e - 7 8 x u 怫 椭 4 “ ， 广 1 1 论文的选题意义 第一章绪论 微型机器人在现代科技领域具有广泛的应用前景。和传统的机电一体化系统 一样，管道微型机器人系统也由机构本体、执行装置、检测装置、控制系统、动 力系统等几部分组成。管内微型机器人发展的关键技术因此集中在机械机构、驱 动器、传感器、通讯和能量供给等方面。驱动控制系统由驱动器、通信和能量供 给等部分组成，是微小型机器人的关键基础部件，它的性能直接影响微小型机器 人机构的性能。开展对微小型机器人驱动控制系统的分析与研究有着十分重要的 理论意义与应用价值。在微小型机器人的应用发展过程中，研究可靠的驱动控制 系统和检测技术是微小型机器人系统中亟待解决的问题。 我国正在积极开展微小型机器人技术的研究，微小型机器人的研究己经被列 为国家“8 6 3 计划。我国在微小型机器人驱动控制系统的研究方面和国外差距 比较明显，研制微小型机器人驱动控制系统，解决微小型机器人的负载能力、精 度要求等问题，是满足当前工业生产、科学研究需要的迫切任务。为了将微小型 机器人系统在实际工业生产、科学研究中应用推广，本课题是为实现对微型管道 的安全检测而提出的，将对微小型机器人驱动控制系统和检测技术进行研究设 计。利用目前国内外迅猛发展的机器视觉技术，对工业管道进行无损检测探伤， 能够充分利用机器视觉和人工智能方面的优势，对微型管内机器人做一些有意义 的研究工作。 在一般工业、核设施、石油天然气、军事装备等领域中，管道作为一种有效 的物料输送手段而得到广泛的应用。为提高管道的寿命、防止泄漏等事故的发生， 就必须对管道进行有效的检测维护，管道机器人为满足该需要而产生。使用微型 管道机器人可以提高管道检测的效率和精确度，因此可以降低管道系统的维护时 间和成本。 1 2 本课题相关领域的历史、现状和前沿发展情况 机器人技术是- - n 快速发展的高新技术，它是机械、电子、自动化及信息处 l 一一一一塑塑坚曼基查錾：塑主堂堡鱼蓥一 l _ - - _ _ _ _ _ l l - - - _ - _ - - - - _ _ _ - _ _ - - i _ l _ _ - l _ l - _ - _ 。1 。一 一 理技术的融合，在许多领域得到了日益广泛的应用，包括应用于生物医学、航空 航天、国防、工业、农业及家庭等。随着m e m s ( m i c r oe l e c t r i cm e c h a n i c a ls y s t e m 微电子机械系统) 科学与技术的发展，微机器人技术应运而生。微机器人技术 ( m i c r o r o b o t i c s ) 成为微电子机械系统研究的一个重要的方向与内容【卜2 1 。微型机 器人是可编程通用的微型机械，是m e m s 研究开发的重要分支。微型机器人的 研究方向归纳为三个方面：( 1 ) 微操作机器人技术【3 1 ；( 2 ) 微定位机器人技术【4 j ； ( 3 ) 微型机器人技术1 5 l 。1 9 9 2 年，d a r i o 等人按照微型机器人的尺寸大小将微型机 器人分成3 类【2 j ：( 1 ) 迷你型机器人( m i n i a t u r er o b o t ) 是外形尺寸在1 0 1 0 0 m m 范 围的机器人。( 2 ) 微型机器人( m i c r o r o b o t ) 是外形尺寸在1 0 。1 0 0 9 m 范围的机器 人。( 3 ) 纳米机器人( n a n o r o b o t ) 是外形尺寸在1 0 0 n m 一1 0 a m 的范围内的机器人。 微型机器人本身很小，便于进入微小空间进行操作，因此，微型机器人在现 代科技领域有着广泛的应用前景。管道微型机器人是微型机器人领域的一个重要 的方向，其主要包括用于发电、化工、制冷等行业中的微小管道检测的刚性管内 微型机器人，以及能进入人的肠道的机器人式内窥镜的柔性管内微型机器人。 目前，世界各国正积极地开展机器人微小型化的研究。美国国家自然科学基 金会( n s f ) 将m e m s 技术列为优先支持的项目，美国国防部先进研究计划署 ( d a r p a ) 也制定有关m e m s 的研究发展计划，将惯性传感器作为研究重点。在 欧洲，尤其是德国和法国，m e m s 技术作为前沿高科技，得到欧盟组织的大力 支持，将全微分析系统和芯片实验室作为研究重点。在当今世界机器人的发展中， 俄罗斯一直以来就占据了重要的地位。尤其是在结合了最新的