毕业论文-基于labView的管道检测机器人测控系统设计

基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 摘 要 本文在对国内外管道机器人的研究状况调研的基础上，充分了解目前管道机器人控制和通讯系统的存在的问题，通过分析不同驱动和控制方式的优缺点，提出了管道检测机器人总体方案，该方案采用典型的轮式机械结构，通过有缆通信方式实施管道摄像检测。 本文主要的研究成果是： 提供了一套完整的基于 labVIEW 的测控系统解决方案。包括了 NI PXI-7350 四轴运动控制卡的应用和 NI PXI-1411 图像采集卡的应用两部分核心内容，相关章节详细阐述了这两部分的硬件选型和接线方法，以及上位机控制软件的前面板和后台程序。最后通过测控系统实验，指出了由于采用运动控制卡和图像采集卡，简化了管道检测机器人软硬件设计，提高了系统性能。 关键词：LabVIEW ，管道检测机器人，运动控制卡，图像采集卡 I 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 Abstract In this paper, the research on the status of domestic and international pipeline robot based on the research and fully understand the current pipeline robot control and communications systems problems, through analysis of different drive and control the advantages and disadvantages, the overall proposed pipeline inspection robot program The program uses a typical wheeled mechanical structure, the implementation of communication through cable channel video detection. In this paper, research results are: to provide a complete measurement and control system based on labVIEW solution. Including the NI PXI-7350 four-axis motion control card applications and NI PXI-1411 image acquisition card, the two parts of the core application, the relevant sections of the two parts described in detail the hardware selection and wiring methods, and the PC control software front panel and back-office procedures. Finally, experimental measurement and control system, said that as the use of motion control card and frame grabber, simplifying the pipe inspection robot hardware and software design, increased system performance. Key words：LabVIEW, Pipeline inspection R obot, motion control card, Image acquisition cardII 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 目 录 摘 要 .I Abstract.II 目 录 . III 第一章 绪 论 . 1 1.1 基于LabVIEW 管道检测机器人的选题背景 . 1 1.2 开展管道检测机器人研究的意义 . 1 1.3 国内外管道检测机器人的发展状况 . 2 1.3.1 振动式管道机器人 .2 1.3.2 轮式管道机器人 .3 1.3.3 履带式管道机器人 .4 1.3.4 蠕动式管道机器人 .4 1.3.5 螺旋式管道机器人 .6 1.3.6 多关节爬行式管道机器人 .8 1.3.7 多足式管道机器人 .10 1.4 管道检测机器人研究目前存在的主要问题 . 11 1.5 本文主要的研究内容 . 11 第二章 管道检测机器人总体方案 . 12 2.1 管道检测机器人运动方式选择 . 13 2.2 管道检测机器人驱动系统设计 . 14 2.3 管道检测机器人传动机构设计 . 14 2.4 管道检测机器人位置反馈系统设计 . 15 2.5 管道检测机器人图像采集系统设计 . 16 2.6 管道检测机器人通信系统设计 . 16 2.7 管道检测机器人上位机控制软件设计 . 17 第三章 管道检测机器人运动控制系统设计 . 19 3.1 机器人运动控制系统硬件选型 . 19 3.1.1 直流伺服电机选型 .19 3.1.2 直流伺服电机驱动器选型 .22 III 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 3.1.3 编码器选型 .23 3.1.4 步进电机选型 .26 3.1.5 步进电机细分驱动选型 .27 3.1.6 运动控制卡选型 .28 3.1.7 工业控制机选型 .29 3.2 机器人运动控制系统硬件连接 . 30 3.2.1 伺服驱动器与直流电机 .30 3.2.2 细分驱动器与步进电机 .30 3.2.3 NI UMI-7774 与 4-Q-DC.33 3.2.4 NI UMI-7774 与OEM 750 .34 3.2.5 NI PXI-7350 与NI UMI-7774 .35 3.2.6 NI PXI-7350 与NI PXI-1044 .35 3.4 机器人运动控制系统上位机软件 . 36 3.4.1 运动控制卡参数设置 .36 3.4.2 NI Motion Assistant控制程序调试过程 .38 3.4.3 管道检测机器人测控系统主程序 .39 第四章 管道检测机器人图像采集系统设计 . 41 4.1 图像采集系统的总体结构 . 41 4.2 机器人图像采集系统硬件设计 . 44 4.2.1 CCD摄像头选型 .44 4.2.2 图像采集卡选型 .45 4.3 图像采集系统硬件连接和功能设置 . 47 4.3.1 图像采集卡NI PXI-1411 与SONY 一体化摄像机连接 .47 4.3.2 图像采集卡NI PXI-1411 设置 .47 4.4 机器人图像采集系统上位机软件设计 . 47 4.4.1 NI IMAQ Vision图像处理软件包 .47 4.4.2 机器人图像采集系统上位机程序 .48 第五章 经济技术分析报告 . 50 第六章 总结与展望 . 51 6.1 本课题的主要研究成果 . 51 IV 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 6.2 系统存在的问题和今后研究的方向 . 51 参 考 文 献 . 52 致 谢 . 54 V 第一章 绪 论 1.1 基于 LabVIEW 管道检测机器人的选题背景 2010 年世博会主题：城市让生活更美好，在我们生活的城市中，有一个经常被人忽视的角落，城市地下管网，他是维系整个城市，和每个人日常生活的重要组成部分，其复杂程度，可以通过地理信息系统窥见一斑，管道检测机器人，用于城市地下排水管道，地下自来水管道，地下煤气管道，等等，或者是其他类型管道，都有着大量的社会需求，表现在许多方面，使用管道检测机器人，最主要作用，就是防患于未然，进而做到对于城市管道系统健康程度实时监测，进而实施管理，做到运筹帷幄。在我们国家的城市中，管道检测机器人如果可以得到广泛应用，那么就基本可以解决，包括地下水管破裂，以及地下排水管道塌陷，包括施工过程意外损坏地下管网等诸多问题的预警，甚至是维修维护等施工过程中的复杂的问题，都可以得到较好的解决。 1.2 开展管道检测机器人研究的意义 目前，国内管道内部状况检测方法一般是大口径时人钻进去检查，小口径管道无法进行检查。这种既不严谨也不科学更不安全 (以人下井查管道 )的方法给日后的管理带来隐患。而管道检测机器人是一种针对水，油、气等输送管道的检测、喷涂、接口焊接、异物清理等维护检修作业所研制的特种机器人。由于管道检测机器人实施的是管道内检测技术，它还能够方便地获取、传输、存储管道内的视频影像数据，作为分析判断管道内壁腐蚀状况、几何形状异常、堵塞、断裂、泄漏的重要依据，并可利用机器人自身精确的定位系统对缺陷进行定位，通过携带的检测装置对关键部位实施进一步的定量检测。这一技术特点，使得在对穿越河流、铁路、道路的特殊管道或埋地管道的重要部位进行有选择的检测时，管道检测机器人具有独特的优势，与管外检测技术相比，管道检测机器人技术在管道安全管理工程中具有不可替代的作用。 1 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 综上所述，管道检测机器人的研究为城市地下管道的检测、维护提供了一种重要的技术手段，它有利于开展对管道缺陷的评估，制订管道维护方案，消除管道安全隐患，在事故发生前就有计划地维修或更换管段，从而节约大量的维修费用，降低管道维护成本，减少有毒气体或液体泄漏造成的环境污染。因此，开展管道检测机器人的研究具有重要的科学意义和明显的社会经济效益。 1.3 国内外管道检测机器人的发展状况 目前, 国内外已研制出多种类型的管道机器人, 它们依据行走方式可分为振动式管道机器人、轮式行走管道机器人、履带式行走管道机器人、蠕动式管道机器人、螺旋轮式行走管道机器人、多足式管道机器人等，它们分别适应不同的管道和不同的工作需求。 1.3.1 振动式管道机器人 图 1-1 振动式管内移动机器人结构 Fig.1-1 the configuration of vibrating bristle pipe robot 日本学者T.Morimitsu1等人于 1987 年研制成功了振动式管道检测机器人，图 1-1 所示为结构简图。其工作原理是：在机器人的外表面装有若干与机器人本体成一定角度的弹性针，靠弹性针的变形使管道检测机器人压紧在管道内壁上。2 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 管道检测机器人的机身内装有由电动机驱动的偏心重物，当偏心重物旋转时，产生的离心力使弹性针变形、滑动，从而带动管道检测机器人整体移动。 该机器人结构简单，容易小型化，但是其在管道内的行走速度难以控制，而且振动使管道检测机器人沿圆周方向自转，导致机器人运动时姿态不稳定且难以有效地控制，这些对传感器的工作和机器人的使用寿命均会产生很大的影响。 1.3.2 轮式管道机器人 日本横滨国立大学电子与计算机工程系Chi Zhu 等人于 2000 年研制成功用于检测污水排放管道的管道检测机器人2，该管道检测机器人适用于管径为200mm的管道。如图 1-2 所示，整个管道检测机器人系统由四部分组成：管道检测机器人行走装置、作业操纵装置、用于污水采集的注射器系统、机器人控制系统。该机器人采用视觉伺服定位方式，其工作原理为主控制计算机通过处理由摄像头拍摄的管道内壁图像来获得管道检测机器人操作装置和管壁上漏洞之间的相对位置，然后根据管道检测机器人的逆动力学模型分别计算出每个电机所需转动的角度，计算结果通过RS232C 送到微处理器SH7050 中，在 SH7050 的控制下，每个电机转过相应的角度，从而使作业操纵装置的位置正对着漏洞，进而将垫圈牢牢地压入漏洞中，防止污水泄漏污染环境，注射器系统在电机的驱动下采集管道漏洞处的污水样本。整个管道检测机器人系统的规格为：长 620mm、宽 166mm、高 158mm，其重量为 24kg。 图 1-2 管道检测机器人系统组成 Fig.1-2 The system of the pipe-inspection robot 3 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 1.3.3 履带式管道机器人 日本监见博三等人研制的履带式管内移动机器人，其本体由三条履带支撑，机器人重量 20kg，可以在288mm 388mm 的水平管道和垂直管道内运动，行走速度 5m/min，在管道内最大行走距离 100m。该机器人的特点是牵引力大，其输出牵引力可达到 400N，大于自身重量，因此可以在垂直上升的管道内行走，如图 1-3 所示。 特点分析：履带式管内移动机器人有效的解决了驱动力正压力附着力之间的矛盾，是一种在恶劣管道环境下有效的运动方式，有许多优点可以借鉴，但其结构复杂，不易小型化，转弯性能差，因此实际应用中大多用于大直径的管道内。 图 1-3 履带式行走机构原理图 Fig.1-3 Caterpillar locomotion mechanism diagram 1.3.4 蠕动式管道机器人 蠕动式管内移动机器人就是运用仿生学原理，模仿蚯蚓、尺蠖、毛虫等虫类的变形蠕动运动机理而研制出来的3。图 1-4 为一个六足蠕动的管内移动机器人原理样机结构示意图，机器人由前舱、后舱、蠕动体三节构成，节与节之间都采4 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 用球铰连接，运动机构由径向运动机构、沿管道圆周方向成 120 均匀分布的前后三组驱动足、轴向运动机构等组成。机器人蠕动的动作原理按时序步骤进行。 图 1-4 六足蠕动管内移动机器人原理样机结构示意图 Fig.1-4 Structure of worm in-pipe robot with six legs 图 1-5 大牵引力蠕动推进微小管道机器人 1-第一支承结构 2- 第二支承结构 3- 伸缩驱动装置 4- 万向节 Fig.1-5 small forward large pipe robot crawling traction 1 - The first supporting structure 2 - the second supporting structure 3 - stretch drive 4 - Universal Joints 5 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 2009 年，国防科技大学机电工程与自动化学院机械设计实验室专利：大牵引力蠕动推进微小管道机器人。如图 1-5 所示，包括第一支承机构，第二支承机构和支承机构间的伸缩驱动装置。伸缩蠕动推进方式是在微小管道机器人较为常用的一种推进方式，基于仿生学，考蚯蚓、毛虫等生物的运动方式，原理简单易行。目前同类产品中，由于驱动机器人运动的摩擦力不易增大，造成负载能力受限机器牵引能力差。该发明专利解决了上述问题。 1.3.5 螺旋式管道机器人 比利时LIBRE 大学Active Structures Laboratory 的Mihaita HORODINCA 等研制了一种螺旋驱动方式的管道机器人原型4，如图 1-6 所示。该机器人携带电池，可以工作 2 小时，采用拖缆控制方式，能在管道内自治移动。机器人总体结构由转子和定子两部分组成，定子部分的轮子沿管道母线方向平行移动；转子部分轮子与管道母线之间有一个倾斜角度，当电机驱动轮子沿管道轴线旋转时，轮子沿管道以螺旋方式转动，推动机器人前进，两部分之间通过万向节连接。目前，已针对170mm 、70mm、40mm三种直径的管道研制了样机。 图 1-6 螺旋驱动式管内检测机器人样机 Fig.1-6 Prototype of Helical-drive robot for pipe inspection 6 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 螺旋驱动方式在结构上，根据驱动电机和减速装置的安装位置不同，又分为定子式、转子式、独立式三种结构。驱动电机和减速装置安装在静止部分的称为定子式，装在旋转部分的称为转子式。独立式实际上是定子式的变形，驱动电机和减速装置作为独立的驱动节由万向节连接在旋转部分和静止部分之间，与静止部分共同起到定子的作用，这种结构通过多节连接缩短静止部分的长度，具有更好的弯道通过能力，能通过小曲率半径的弯道。 图 1-7 细小工业管道机器人移动探测器集成系统 Fig.1-7 small industrial pipe mobile robot detector integration system 上海大学研制了“细小工业管道机器人移动探测器集成系统”。细小管内移动机器人由动力内置式螺旋轮移动机构、CCD 摄像头和监视器等组成, 如图 1-7所示。其中摄像头输出信号为 PAL 全电视信号。 螺旋轮移动机构的主要部分为：减速电机、驱动机构和保持机构。驱动轮均匀分布于轮架上与轮架铰接,并与管壁呈一定的倾斜角。当电机通电时,电机轴带动轮架转动,使驱动轮沿管壁作螺旋运动。保持机构的轮子压紧在管壁上,防止电机外壳反向转动。因此 ,随着电机的转动, 驱动机构作螺旋运动, 保持机构沿管道中心轴线移动。改变施加于电机的电流极性,可改变机器人的移动方向,从而使机器人在管内进退自如。该系统可实现 20mm管道内裂纹和缺陷的移动探测5。 7 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 1.3.6 多关节爬行式管道机器人 德国学者Benhad Klaassen、Hemann Steich 和Fank Kichne6等人在德国教育部的资助下于 2000 年研制成功了多关节蠕虫式管道检测机器人系统MAKO ，见图1-8。该机器人由六节单元体组成，其头部和尾部两个单元体完全相同，每个单元体之间的节点由三个电动机驱动，使得MAKO 机器人本体可以抬起或者弯曲，从而越过障碍物或实现拐弯运动，通过弯管接头部分。MAKO 具有 21 个自由度，长度为 2m，重量为 50kg，采用无缆控制方式，适用于直径为300mm 到600mm的管道，但该机器人牵引能力有限，不能运行于垂直管道。 图 1-8 MAKRO 机器人系统 Fig.1-8 MAKRO robotic system 韩国也开展了管道机器人的研究工作，并取得了较大的进展。其中较有代表性的是Sungkyunkwan 大学机械工程学院Intelligent Robotics and Mechatronic System Laboratory的Segon Roh等进行的MRINSPECT 系列管道机器人研究7-16 ，如图 1-9 所示。该系列机器人采用拖缆的方式进行能源供给和通信。 MRINSPECT I为单节，采用非独立驱动方式，通过弹簧实现柔性支撑，能适应一定的管径变化，可以被动转弯。MRINSPECT II 采用多节方式，节与节之间通 过可控万向绞接连8 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 接，可以通过弯管接头，其支撑方式采用弹簧支撑式连杆机构，能适应一定的管径范围。MRINSPECT III采用列车多节方式，前后各有一个驱动节和转向节，中间为工作节，可携带NDT 检测和作业装置，前进、后退方向都具备主动转向能力，能通过各种弯管接头。MRINSPECT IV 是在MRINSPECT III基础上对结构进行改进。 图 1-9 MRINSPECT 系列管道机器人 Fig.1-9 MRINSPECT series of pipe robots 美国纽约煤气集团公司（NYGAS ）的 Daphne D Zurko 和卡内基梅隆大学机器人技术学院的 Hagen Schempf 博士在美国国家航空和宇宙航行局（NASA ）的资助下于 2001 年开发了长距离、无缆方式的管道检测机器人系统 EXPLORER，专门用于检测地下煤气管道的状况，其原型如图 1-10 所示。该机器人系统采用无线通讯方式，具有自推进能力，直 线管道内一次作业检测距离达到 500m，自带电池提供能源，电池可以多次反复充电，适合在铸铁和钢质煤气管道条件下工作。机器人整体结构采用类似列车的多节方式，能通过 90弯管接头。前端携带配备嵌入式“鱼眼”镜头的彩色摄像头，可以通过视频图像观察煤气管道内部是否有水渗透、阻塞物堆积。 9 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 图 1-10 EXPLORER 的原型图 Fig.1-10 The prototype of EXPLORER 1.3.7 多足式管道机器人 德国Institute for Applied Mechanics Technical University of Munich 的Dipl.-Ing.AndreasZagler开发了管道爬行机器人17，如图 1-11。该管道爬行机器人重量为 20 kg，采用八足爬行驱动，驱动能力为 15 kg。机器人长为 0.75m，宽为0.6m，高为 0.6m，最大速度为 0.1m/s，采用直流供电方式。 图 1-11 管道爬行机器人 Fig.1-11 Pipe Crawling Robot 10 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 1.4 管道检测机器人研究目前存在的主要问题 管道检测机器人系统的研究是一项十分巨大的产业工程，得到了世界各国的高度重视。经过多年的研究与发展，国内外已经在管道检测机器人领域取得了大量的研究成果，管道检测机器人的技术得到了迅猛发展，但从总体技术水平来看，管道检测机器人的研制和开发在国内外都还处于发展阶段，上述成果大多停留在实验室样机，距离大规模实用化还有一定的差距，主要面临以下几方面问题18： 能源供给问题：由于能源和通信的限制，目前研制的机器人在管道内移动距离短，较难满足工程实际中长距离检测作业的需求。 通信问题：在通信方面，管道检测机器人在管道内进行检测、维修等作业时，需要随时与外界进行联系，将传感器采集到的数据及有关管道内部环境的信息传递给外部 对带有各种弯管接头的复杂管道的通过性问题：从管道机器人的国内外研究情况可以看出，机器人的管内运动机理和驱动方式是各国学者研究和关注的一个重要问题。 在复杂管道环境下的运动导航及定位问题：在复杂的管道环境中，为了减轻操作人员的负担以及提高机器人的性能，机器人具有管道内自主运动导航及定位能力是非常必要的，但这有赖于先进的管内环境参数识别技术作保证。 机器人运动状态参数及管道环境的自主识别问题：管道检测机器人要顺利地实现在各种管道环境中的行走、越障和作业位置的准确定位，其位置、姿态及管道内环境的判定和识别是关键问题。 基于网络的远程控制问题：从现有的研究情况来看，目前对管道检测机器人控制的研究工作更多地集中在机器人本体的控制方面。 1.5 本文主要的研究内容 本文所述管道检测机器人主要研究内容包括：分析不同驱动方式和控制方式的优缺点，提出管道检测机器人总体方案，设计测控系统硬件和软件，解决硬件连接问题和上位机程序编写问题，此外还包括测控系统实际连接与调试。 11 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 第二章 管道检测机器人总体方案 本文所设计的管道检测机器人系统，包括四基本个部分：基于 PC 的工控机上位机，综合数据电缆车，机器人本体爬行器，机器人本体摄像系统，如图 2-1所示。本文所设计的管道检测机器人，采用轮式运动机构，理由是：控制简单，结构稳定，性能可靠。采用 LabVIEW 作为上位机理由是：虚拟仪器技术是目前很好的开发工具，可以类比虚拟制造技术，图形化的编程语言， LabVIEW 区别于其他编程语言，更有利于建立清晰的程序结构和框图，加上友好的用户交互界面，提供了一整套虚拟仪器开发平台，用来开发上位机很合适。采用有电缆线方式连接，理由是：很好的解决，能源供给，系统控制，通信等问题，作为有缆方式，可以提供较大驱动能力，而且不存在实时通信，实时控制，和数据实时上传等诸多无线方式很难解决，甚至目前无法解决的问题。下面详细论述管道检测机器人的这四个基本部分。 图 2-1 城市地下排水管道检测机器人总体结构图 Fig 2-1 Underground Drainage Pipe Inspection Robot overall structure of the map 12 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 2.1 管道检测机器人运动方式选择 爬行器作为管道检测机器人的管内移动平台，是管道检测机器人本体重要组成部分，搭载了管道摄像系统和其他检测设备，提供了机器的在管道内部的基本运动能力。针对城市地下排水管道的具体环境，通过比较综合现有机器人结构，采用传统的轮式管道检测机器人的运动方式，在结构上比较稳定，在控制上比较简单，携带检测仪器方便，越障性能好且稳定性好，而且有易于安装调试等多种优点，详细见表 2-1。 表 2-1 各种运动方式的综合对比 Tab. 2-1 Comprehensive comparison of different movements 蠕动式 蛇行式 多足行走式 履带式 螺旋驱动式 轮式驱动能力 较强 弱 弱 强 强 强 携带检测仪器 较方便 不方便 不方便 方便 方便 方便越障性 差 差 好 好 差 较好弯道通过性 较好 好 好 较好 较好 好 主动转向能力 差 好 较好 差 差 好 运动效率 低 低 较高 高 较低 高 运动可靠性 不好 不好 不好 好 较好 好 结构 较复杂 复杂 复杂 复杂 较复杂 简单控制 较简单 较复杂 复杂 较简单 简单 简单成本 较高 较高 高 较高 较高 低 截面阻塞比 较小 小 小 大 大 较小管径适应能力 弱 强 较强 弱 弱 强 采用轮式运动方式就可以满足上述管道检测的需要，因此其结构，机械部分的设计重点成为电机装置的选择和传动方式的设计。电动机选用的是直流电机，直流电机具有调速性能好（调速范围广、能迅速实现加速或减速、操作方便和调速的效率高）的突出优点。 13 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 2.2 管道检测机器人驱动系统设计 选择的主要类型有：交流伺服驱动系统、直流伺服驱动系统及其他驱动系统液压驱动、气压驱动。 直流伺服电机具有较好的机械特性、可控性好，在相当一段时间内，直流驱动技术在变速传递领域占据统治地位，虽然它的机械式换向器是结构和运行中的薄弱环节，但与交流伺服驱动比较，它还是具有以下优点： 可控性：电机的转速由加在电机上的电压来控制，这个电压大，电机转速快 ;电压小，电机转速慢 ;电压为零，电机不转：改变电压的极性，电机的旋方向也改变。 快速性：在驱动负载的情况下，直流电机的动作十分灵敏，起动力矩高，转动惯量小。 连续性和直线性：随控制电压的变化，电机的转速能连续变化，直流电机的机械特性及调节特性都是直线，可以在很大的范围内简单而平滑的调速。 体积小、重量轻、轴向尺寸短：与同容量的交流伺服电机相比直流电机的体积与重量都要小，这有利于管内机器人的机械布置。 各种驱动系统各有利弊，综合考虑，对于管道机器人，采用自己的搭建直流电机伺服驱动系统。主要优点有：既能满足管道机器人的工作要求，又不必采用较昂贵的驱动系统。 2.3 管道检测机器人传动机构设计 电机轴与分动杆之间采用直齿轮轮传动，将动力传递给分动杆，分动杆与前后驱动轴之间采用涡轮蜗杆传动，将动力分别同步传递给前后驱动轴。传动链：电机轴电机轴齿轮分动杆齿轮分动杆前后涡杆前后涡轮前后驱动轴机器人前后轮 驱动电机 M1、 M2，可分别布置在爬行器左右两侧机箱内，电机的输出轴带有一个传动齿轮。每个驱动电机配置有一根分动杆，与驱动电机平行。分动杆的结构比较特别，中间有一个传动齿轮与电机输出轴的传动齿轮啮合，两端是蜗杆，分别与前后驱动轮轴上的涡轮啮合，驱动轮装在前后驱动轮轴上。两侧爬行机构的布置相同。以行左侧爬行机构为例说明其运动原理：驱动电机 M1 的输出轴通14 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 过齿轮带动分动杆，分动杆两端的蜗杆同时驱动前后驱动轮轴上的涡轮，带动前后驱动轮同步运动，如图 2-2 所示。 当然，类似的独立全驱动还有一种 4 电机的布置方式，即机器人的每一个驱动轮都由一个电机单独驱动，但这种方式驱动电机数量较多，结构复杂，即便同一行走机构的前后驱动轮，也需要协调控制以减小电机之间的“内耗”，实际意义不大。 图 2-2 爬行器传动链及电机布置图 Fig. 2-2 crawler drive chain and motor layout 2.4 管道检测机器人位置反馈系统设计 根据实际需要，一般选用增量型光电编码器作为管道机器人的位置传感器。它的原理是利用光电转换将位移量变成为电脉冲。因管道机器人要完成深行程作业，编码器的使用则成为一个比较棘手的问题，主要在于三个方面： (1)要考虑电机的闭环控制;(2) 要尽量减少电缆的芯数，以减轻电缆重量、减轻电机的负载以及15 基于 LabVIEW 的管道检测机器人测控系统设计 改善电缆的柔软性( 电缆芯数越少，电缆越柔软) ； (3)要解决数字信号在远程传输过程中存在的信号衰减及尖脉冲干扰等问题。它的主要解决方案有两种： 将编码器安装在电机轴上，通过电流环将脉冲信号转换为电流信号进行传输，由于电流信号采取双端输出，因而有干扰能力，又电流本身抗干扰能力较大，再加上传送和接收之间采用隔离技术，因而相互之间的干扰可降到很小。但这种方法的缺点是电缆芯数较多。 间接闭环是将编码器置于收放线装置的导向轮轴上，通过车体拖动电缆，将电机的转动传递到编码器中去。由于电缆比较长且弹性系数比较大，这使得编码器的转速相对于电机的转速有一定的滞后性。 以上的两种方法各有利弊，综合考虑，采用二种方法，间接的闭环位置反馈给上位机。主要优点有：避免了要求高质量的脉冲数据传输过程，避免而来内部干扰。 2.5 管道检测机器人图像采集系统设计 本文所述的管道检测机器人，管道内部图像信号的采集通过 CCD 摄像装置完成，地面工作人员通过 CCD 可以获得管道内部视觉图像，实时地观测到管道内部阻塞状况、管道内壁腐蚀分布情况、管道的缺陷和裂纹等。由于 CCD 摄像器件的体积小、重量轻、工作电压低、惰性小、功耗小、输入光的动态范围大、扫描无畸变、抗震性能好，因此管道机器人系统的图像采集模块采用 CCD 摄像器件来完成。本管道机器人采用高清晰度面阵 CCD 摄像器件，配套光学成像镜头。由于本管道机器人应用的管径范围，因此采用直接成像设计方案。 对于一些特别需要关注地方或由于光线等原因造成图像无法辨析，本管道机器人系统可以通过安装，包括超声波探测仪等在内的，其他附加传感器进行测量，以便深入的了解管道内壁腐蚀分布情况、管道的缺陷和裂纹。 2.6 管道检测机器人通信系统设计 采用可操纵电缆盘，如图 2-3 所示，在机器人爬行机构向前运动的时候，自动拖出电缆线，电缆线采用 19 芯同轴电缆，配合 19 针插头，插座，完成包括为机器人爬行器和摄像系统提供电源，传送控制信号，传送采集到的图