【《某管道巡检智能机器人的总体方案设计案例分析》3400字（论文）】

某管道巡检智能机器人的总体方案设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u4562某管道巡检智能机器人的总体方案设计案例分析 139391.1基于管道内检测的智能巡检机器人总体方案论证 131881.2基于管道内检测的智能巡检机器人机械结构方案论证 2301171.1.1驱动方案确定 250841.1.2驱动力结构论证 5314961.3基于管道内检测的智能巡检机器人控制单元方案论证 6211181.4基于管道内检测的智能巡检机器人检测单元方案论证 6机器人需要有自动寻路功能，在管道中按照规划路线进行巡检，并在行进路程中持续进行超声波检测，在管道内巡检阶段，不进行数据传输，将检测数据暂时存储，完成检测任务后，由工程师导出机器人存储的检测数据并分析管道是否需要维修或更换。根据巡检任务需求，要求机器人能够实现移动、越障、辨认轨迹、探伤、转向等功能。机器人要保持运动过程中的平稳性以达到检测装置的工作要求。同时，为满足必须的工作时间长度，要具备足够的续航能力提供保障；在传感器的选择中，不仅需要传感器可以准确检测并定位到管道损伤的位置，还要能将图像信息转化为数字信息进行存储。此外，在巡检过程中遇到机体自身不能够解决的突发情况，能及时发送机体位置进行求救。例如：在管道中遇到机器人无法跨越的障碍时，能将机体所在位置发送到指定的计算机进行求救。1.1基于管道内检测的智能巡检机器人总体方案论证管道巡检机器人按照其所寻求的功能，总体分为三个部分，分别为支撑式驱动器，摄像超声波一体式探伤装置，控制系统。驱动器：根据机器人在管道内的移动方式，可主要分为腿式、轮式、蠕动式、被动行进式等。不同的驱动方式具有不同的优缺点，因此驱动方式的选择需要放在结构设计的首要位置。综合文献调查，选择轮式驱动方式。探伤装置：管道的检测方法可以分为监控探头法、超声波检测法、磁检测法、光检测法等。为配合轮式结构，采用超声波检测的方法。控制系统需要编程软件进行设计，单片机语言过于复杂，综合程序编程的需要，决定采用plc进行编程，主要包括对超声波、超声波存储、行走电机，等进行控制。1.2基于管道内检测的智能巡检机器人机械结构方案论证驱动装置是管道巡检机器人中最重要的一部分，他负责移动机器人在管道中进行巡检，并精准的按照规定路线行进，所以驱动装置的机械结构设计无疑是重中之重，需要对比多种方案，选取最合适的驱动方案。1.1.1驱动方案确定管道巡检机器人被广泛运用于各种管道，根据其移动方式不同大致可以分为履带式、支撑轮式、蠕动式，支撑腿式，车式，螺旋式等。不同的移动方式对于机械设计的要求是全然不同的，按照不同的移动方式最初共指定三种机械结构方案。履带式巡检机器人：履带式是车式的升级版管道机器人，通过单纯改动移动方式，驱动能力得到了极大的提升。而且履带式机器人对比其他种类的机器人，设计较为简单，消耗能源较低，巡检时移动速度较快效率高。缺点对比其优点也同样明显，履带式机器人虽说对比车式机器人越障能力有了很大的提升，可还是很容易打滑，转弯效率较低（需要的转向半径较大，对地面摩擦力要求较高），对凹凸不平、弯道较多的复杂地形难以做到自如进行巡检任务。图2-1履带式管道机器人蠕动式机器人：蠕动式较为适合中小型、内部填充液体的管道，其优势在于可以在流体中灵活转向，且转向半径较小，适合对小型的石油，化工液体运输管道进行巡检。其缺点在于，对工作的环境要求较高，加工较为困难、价高（需要较高的防水技术），行进速度较慢，巡检效率低，液体介质也会影响检测设备的准确性，驱动时所产生的不规律波动会使部分液体介质产生爆炸、裂解、聚合或变质等的反应。图2-2蠕动式管道机器人支撑式机器人：其优点在于可调节的支撑单元可以使用大部分直径的管道，支撑轮始终紧密贴合管道，可以实现灵活转向；多角度驱动轮的设计让机器人有更强的越障能力；支撑式可以实现机器人的模块化设计，首尾为负责行进的支撑轮，中段就可以放置各种功能模块。图2-3支撑式管道机器人遇到管道分岔路口，大部分的支撑轮会失效，支撑式管道机器人的转向能力较差；结构较为复杂，设计难度较高；支撑环长期收缩易损坏，需要较为优质的材料。综上所述，由于管道中环境复杂，管道下壁常有淤泥和积攒的障碍物；且管径逐渐开始多样化，这就要求管道机器人对管径的适应能力强；管道中作业，常常会遇到很多不同的情况，模块化管道巡检机器人的设计可以通过更换、加入新的功能模块来解决不同的突发情况。对比三种方案的优缺点（如表2-1所示），综合当今社会的实际需要，采用支撑式管道机器人，设计出一种新式的、模块化管道巡检机器人。表2-1综合方案优缺点对比类型优点缺点履带式管道机器人速度快、效率高、能源消耗低、设计较为简单。越障能力差；转向能力需求空间大；容易打滑；对地面环境适应能力差。蠕动式管道机器人转向灵活、可在液体中作业；适用于小型管道。对工作环境要求高；加工困难、巡检效率低；行进速度慢；易引起工作介质反应。支撑式管道机器人管径适用性强；越障能力强；可以实现模块化设计。通过岔路口困难；机械结构设计复杂；需要较为优质材料。整个机械结构中，最基础的模块单元共有四个，前侧的支撑单元、后侧的支撑单元、检测单元和控制单元。下文中对其一一论证。1.1.2驱动力结构论证管道巡检机器人采用六支撑脚，六轮独立驱动的移动方式，支撑腿设计如图2-4所示，六个驱动轮独立控制，有利于通过管道的分叉路口，且可以缩小机器人的机械结构。机器人预定适用于40cm直径以下的小型管道，由以下部件组成：图2-4支撑腿（1）直流电机：该管道机器人为小型机器人，负载重量小，使用铅酸蓄电池给直流电机供电，不仅可以简化机械结构设计，还可以提高机器人的续航能力和模块重组能力。（2）减速器：机器人驱动系统的驱动力较小，所以减速器产生的扭矩相对较小，使用普通的齿轮减速器结构即可。齿轮减速器具有传动效率高、可承载传动比大、高精度、免维护等的特点。可使用齿轮减速器来降低管道巡检机器人的移动速度。（3）支撑腿：支撑腿为两节式的结构，中间用铆钉或销连接，直流电机位于支撑腿的下段，缩短机械传动的距离可以减少后期出故障的几率。机械腿的上下段通过弹簧支撑，给腿提供伸张力，将腿的下端压紧在管壁上，使得机器人可以正常移动。（4）支撑弹簧：弹簧是支撑腿中的重要结构，弹力过大会导致机器人的越障能力弱，遇到障碍物，支撑腿不能自动收起；弹力过小会导致支撑力不足，机器人移动困难。（5）感应同步器：主要用于速度检测、定位与反馈，提高检测信息和运动的精度。1.3基于管道内检测的智能巡检机器人控制单元方案论证管道巡检机器人采用PLC控制系统。PLC控制系统是在传统的顺序控制器的加以改良的新型编程方式，使用程序框图等的方式进行编程，使编程更加快速简单。对比其他的控制编程软件，按照本管道巡检机器人的需要，其具有以下三大优越性：（1）可靠性高，在管道复杂多变的环境下，常常有影响程序正常运行的情况发生，plc编程方式抗干扰能力强，无疑适用于本管道巡检机器人。（2）外加功能多，配套程序齐全，相关功能完善，在各种机器控制的情况下实用性强。（3）芯片较为小巧，空间利用率高，适合用于小型管道巡检机器人。主控单元选用plc-200对声波、行走电机，声波定位电机进行控制。总共涉及四个电机、一个超声波发射器和一个传感器，所以共需要4个接口和10出口来实现对管道机器人的控施。传感器和超声波探头结合，超声波探头在未定位到管道损伤以较小的功率进行作业，通过机器人身上的感受器接受反射回来的超声波辅助机器人自动寻路，定位到管道损伤时，超声波探头加大工作功率以穿透管道识别损伤。1.4基于管道内检测的智能巡检机器人检测单元方案论证现阶段的检测方式分为六种：摄像头、电磁感应、激光、超声波检测、红外线等。不同的检测方式各有利弊，选择正确的检测方式无疑是非常重要的，不仅可以优化检测信息的准确性，还可以优化结构设计[19]。摄像头是现如今最流行的信息采集装置，直接作为眼睛的延展，是管道巡检机器人信息采集系统不可或缺的一部分，由于管道中没有光源，所以所选用的摄像头必须具有夜视功能。图2-6摄像头其缺点则在于只能获取管道表面的信息，无法对内部损伤进行检测，且容易受到环境的影响；在管道内复杂的情况下，镜头容易污浊并损坏；单纯的2维影像很难对损伤位置精准定位。超声波检测是新式的