【《基于管道内检测的智能巡检机器人方案设计与三维建模研究》19000字（论文）】

第一章绪论1.1选题背景中国近年由于西气东输和国家电网组建等的工程，得益于这些工程，国家的管道在这几年有着飞速的发展，各式各样的管道正在高速建造，全国各种管道的公里数依照稳定的增速在稳定的逐年上升，各种各样的覆盖面广，横跨面积大的管道系统正逐渐建成，可是随着管道不停发展的同时，早年间铺设的主要重点管道也开始逐渐的老化，管道的替换和定期检测成了现在的老大难问题。单纯的人工检测是难以实现的，需要使用现代化、机械化的产品来替代人工。1.2研究意义在油气管道持续发展的大背景下，越来越多的管道开始投入使用，随着第一批主要管道的逐渐老化，很多的管道都设立在无人居住的两城之间的地带，人工检修往往不能做到及时高频，较为偏远的管道的维护，无疑对检修工人也是一种折磨，这种情况下人工检修的效果开始变得差强人意，这时便有很多公司开始研发管道检测机器人。欧洲在上世纪50年代开始对管道巡检机器人的研究，对比其他国家起步较早，随着信息技术、制造业、机械设计等行业的发展，现如今欧洲管道机器人已达到世界顶级的应用水平。欧洲制造业翘楚德国的IPEK管道内窥检测机器人设计精巧，操作简单。机身内置信息采集装置，可在巡检路程中随时对管道进行信息采集。日本电子行业的发展刺激着管道机器人的不断革新。东京大学于20世纪90年代开始了管道爬行机器人的研究，开发了THES系列管道爬行机器人，能利用自身配置的设备对管道进行检测、维修作业。1.3管道巡检机器人的发展历史和情况基于管道内检测的智能巡检机器人（下文简称管道巡检机器人）在上世纪60年代便开始设计，到现在已经发展了60多年。经过多年的更新换代，当今管道巡检机器人的样式繁多，从检测方式、驱动方式、移动方式等，都有很多分支种类。下文介绍了60年来管道巡检机器人的发展历程。1.3.1管道的主要腐蚀形式现在的管道损坏分为内腐蚀，外腐蚀和断裂三种形式：（1）外腐蚀的检修主要分三种方式：交流电位梯度法、直流电位梯度法、密间隔电位测试法[1]。交流电位梯度法主要是通过向管道施加一定的频率的交流电流信号，这些信号具有感应作用，如果管道外防腐层受到了腐蚀和侵害，这些交流电流信号就会逐渐流出，形成一个环形的磁场区域，在对管道进行检查的时候，很容易发现这个环形的磁场区域，使工作人员可以快速准确的确定管道腐蚀的位置[2]。直流电位梯度法与交流电位梯度法其工作原理都差不多，直流电位梯度法主要是在埋地管道表层上施加直流电源，电流通过土壤介质流入管道防腐层时，其管道破损处位置会形成一个电位梯度，我们通过对电位梯度的检测就可以找到管道破损处。密间隔电位测试法主要是在阴极保护系统的管道上，测量管道的电位变化，跟踪管道防腐层的变化情况，判断阴极保护系统是否有效，在阴极保护设施上安装了GPS同步电流通断器，主要用来检测电位同步情况，通过可视化分析可以判断出防腐层的总体平均质量优劣状况。（2）内腐蚀内腐蚀分为管道均匀腐蚀，管道坑蚀和管道冲刷腐蚀三种类型[3]，目前基本没有很好的维护检修手段，只能够做到内部防护。（3）断裂断裂基本上就没有检修方法，只能够用数理分析的方法，现在国内常用的故障树分析法（FaultTreeAnalysis，简称FTA）是一种重要的推理分析方法，通过对可能造成系统故障的各种因素（硬件、软件、环境、人为、管理因素等）进行分析，画出逻辑框，从而确定系统故障原因的各种组合方式，以便采取相应的改进措施。不同的管道失效形式，现在使用的不同的规避方案，无论是哪一种规避方案，要么花费大量的人力进行定期的巡检，要么根据管道所用的材料，定期更换，可以为了保证不出现意外，往往把更换年限定的很低，这样的话，既不能对完全防范概率事件的发生，更是会浪费人力物力。1.3.2国内管道机器人（1）管道CCTV检测机器人管道CCTV(ClosedCircuitTelevision)检测,此于20世纪90年代中期引进国内用于管道内部状况及排水管道健康检测,它是国际上目前用于管道状况检测最为先进和有效的手段。对管道内的锈层、结垢腐蚀、穿孔、裂纹等状况进行探测和摄像,同时记录管道内的目前状况,从而将地下隐蔽管线变为在电脑上可见的内部录像,方便管理部门根据管道状况作出最合理的管道处理方案,依据检测技术规程再进行评估,为制定修复方案提供重要依据。整个机器人分三个部分组成，分别为：主控器，线缆车，爬行器。主控器控制整个设备的运行与操作,包括硬件控制和软件控制，主控制器面板上装有操作按钮和旋钮,用于控制摄像头、灯光和爬行器，主控制器上的液晶显示器及鼠标和键盘还便于显示日期、时间、距离信息、标注字符。线缆车安装有手摇柄,用于手动盘绕电缆于线缆盘上，装有距离计数器,用于记录爬行器行进距离,确定管道缺陷位置，电缆端部与爬行器相连。爬行器有轮胎式和履带式，连接在电缆尾部的爬行器内部装有马达,结构上为防水设计,可以在有水的管道内进行，爬行器的头部安装了摄像头和灯光，根据管径的不同,可选配不同直径大小的轮胎和爬行器相连[4]。这种管道机器人是我国第一种类型的管道机器人，通过长达30年的发展，现在已经有4，6，8轮式，气动式履带式等的检测机器人，其主要是能够通过控制爬行器的移动，来进行管内的探测，在爬行器行走的过程中，头部的摄像头会将周边的影像返回主控器，再由相关的工作人员对管内的情况进行分析[5]。但是由于其基础技术较为落后，对勘探要求和环境要求较为严苛，需要该管道的平面图，使用材料，焊接技术，管内水位等，一些详细的资料，对于管道的水深工作温度等，都有较高的要求，而且所返还的影响清晰度并不高，只能够达到640×480的分辨率，其续航能力因为需要线缆连接的原因，只能够达到80m，对于动辄上万米的管道系统来说，实在是杯水车薪。图1-1早期管道CCTV检测机器人（2）X5-HS地下管网检测机器人X5-HS型号的管道机器人，是武汉中仪公司于2017年，在早期CCTV检测机器人的基础上，对其进行开发研究创行的新式管道机器人，改进了早期管道机器人的大部分缺点，对机器人的防水能力，可适应温度等等都做了极大的改善。驱动方式和工作原理基本没有变化，还是最基础的三部分组成，由最初的后置驱动变成了四轮驱动，爬坡能力和抗打滑能力得到了极大的增强，影像设备也得到了升级，可以及时反馈高达400万像素的3D图像，并且可以10倍对焦，还新增加了激光测量技术，用于测量裂缝宽度，可以精准找到管道内部外表面的各种损伤[6]。图1-2X5-HS地下管网检测机器人可是其不足之处在于，一是依旧没有拜托电缆的束缚，在管道内可移动的距离依旧只有150m，并且在需要拐弯等的管道内，电缆容易碰到管道内壁，使得机器人无法行进或磨损电缆，二是只能够探测到表面的损伤，管道内部断裂或者外表面磨损都是无法探测的。（3）超声波管道检测机器人西安石油大学的王兵于2018年综合传统人工超声波探伤和行走机器人，研发出超声波管道检测机器人，以便于提高，检测效率和准确率，也可以突破高空作业的限制[7]，目前还在理论技术阶段。超声波机器人对比传统的CCTV探测机器人，它可以通过现代化设备的手段直接分析管道表层和内部的损伤，避免了影像分析的诸多缺点，直接用超声波对管道进行扫描。超声波管道机器人在进行探伤前，首先需要在工件表面涂抹合适的耦合剂，超声波通过耦合剂能够顺利射入被检物体，当声波遇到缺陷时，缺陷将被视为新的波源，发射出的声波将被探头接收，其波形将显示在屏幕上。根据反射回来的声波形状或声波在传播过程中衰减特性，可以判断工件内部是否有缺陷存在[8]。机器人的移动采用AT89C52单片机为基本控制单元，驱动步进电机实现前进、停止、前进功能。并且伴随有电磁铁吸附系统，让机器人在探测的时候，数据来源更加的稳定。本系统主要由三个模块组成：驱漏磁测量节、数据采集舱及电池舱[9]。图1-3三轴高清漏磁内检测机器人驱漏磁测量节，这一模块是整机的核心模块，用于向检测超声波磁场的设备。数据采集舱用以记录在管道检测过程中的相关数据。电池舱，后期可以对电池舱进行升级，扩大电力的容量和缩小电池舱的大小，使得整机更加的轻巧，且续航能力提升，这一个产品相对于CCTV管道机器人做了很多创新，首先是摆脱了电缆，探索距离不再是一个较小的固定值，其次在探伤形式上，做了很大的改进，从单纯的靠眼睛识别损伤，升级到了现在的超声波感应。但是他的不足之处在于对管道大小要求较高，过大的管道用这个设备测量的数据往往不太准确，且需要在表面喷涂耦合剂，对于深埋地底的管道，设备的使用还是很麻烦的。（4）气动式管道检测机器人北京交通大学李文章Y结合机械与气压传动研发出一种全气动的管道机器人。机器人通过气缸撑壁以及连杆变幅，实现了在不同直径管道的撑壁行走。采用大减速比气动马达低速旋转实现摄像头沿壁面慢速移动，从而进行对管道壁面的图像采集[10]。整个机器人的机械结构主要包括两大部分，一是行走机构的设计，二是图像采集机构的设计，通过行走机构下井，带着图像采集机构完成相应功能的工作任务。这两大部分在设计的气动逻辑下，协调完成检测的功能，通过气动调压阀、节流阀等调节，实现机器人前进的速度与旋转速度的变化[11]。气动管道机器人的创新点在于气动系统，相比传统的轮式驱动，其抗障碍能力更强，有更好的管道爬行能力，其次是撑壁行走的设计，对于管径的适应能力强，且不受地面杂物污泥等的影响。图1-4气动式管道检测机器人整体设计图（5）模块化管道作业机器人天津大学联合天津扬天科技有限公司于2021共同研发了一种模块化的管道作业机器人，具有可根据不同的作业环境更换不同的组件，大大的增加机器人的适应性和延展性。并对机器人的转向系统等等做了较大的改革创新。该管道机器人以驱动模块为核心，相关作业工具可以安装到驱动模块或者以独立模块形式与驱动模块连接，形成模块化管道作业机器人整体，具备管道内部检测、清障、打磨等功能，由于对轮式管道机器人弯的创新，使的机器人可以顺利通过最小曲率半径1.5倍管径的管道和T型管道。由于机器人以模块化来设计的，各模块之间可实现快速拆卸和安装，提高工作效率的同时节约了大量成本[12]。在管道机器人过弯的创新中，集中对轮子和管道的接触点做了研究，因为不同轮子与管道内壁接触点的曲率半径不同，因此各轮子的速度不匹配会产生内耗，这就必须要对机器人速度模型进行分析[13]。通过这一分析大大加强了机器人的过弯能力。机器人的机械结构主要分为3个模块，分别为驱动模块，作业模块，转向模块。驱动模块是整个机器人的核心，其主要包括驱动机构和变径机构，驱动机构主要提供机器人的动力，而变径机构可以伸缩驱动机构来适应管径的变化。图1-5驱动模块作业模块块是由较小的驱动模块直接安装作业工具构成，或者以独立模块的形式通过万向节、快换与驱动模块连接，在驱动模块的牵引下在管道内部完成作业任务。因此其功能多样灵活，在工作前直接将需要的模块装上即可。主要的创新在于打磨模块，在需要进行打磨作业时，机器人两端支撑机构的支撑杆撑开，打磨机构的砂轮伸出对准打磨点进行打磨，并且设置有防护措施，在焊缝打磨完毕后限制砂轮片的径向移动防止管道损伤[14]。转向模块转向模块由转向机构和较小的驱动模块构成，转向机构底部可以连接到驱动模块，充当驱动模块的“头部”，辅助驱动模块通过T型管道。转向机构的设计，改变了以往传统的机械机构，变成了长蛇式的管道机器人，对比之前的坦克式管道机器人，蛇式机器人更加适合在小管径的工作环境下进行作业[15]。图1-6转向机构图1-7模块化管道作业机器人（6）油气管道爬行机器人中国石油大学的彭鹤联合英特尔（中国）和新疆石油管理局于2021年研发了油气管道爬行机器人，针对性的解决了传统介质推动机器人在新建无流体管道、非常规流体管道、分支管道和逆流体流向管道等特殊工况下无法作业的问题。机器人的机械结构分三个板块，分别为支撑模块，伸缩模块和行走模块[16]。支撑模块选择小型气缸作为支撑结构的动力源，在机器人的前后部分别布置三个呈120°周向均布的气缸作为机器人的支撑结构，支撑结构的设立，使得机器人和传统机器人有了很大的不同，这样的形式的机器人有着更为强大的过障能力。图1-8伸缩机构伸缩模块不同于上述模块化机器人，这款机器人使用的助脚式的，但是3只助脚会使得驱动气缸在机器人运动过程中缸筒和活塞杆发生转动，就会形成一个角度且不利于机器人继续前进，所以需要加装导向装置，让机器人能够顺畅的前行。行走模块块采用摇杆滑块机构，滑杆倾斜安装在机器人主体上，由两块相同结构的滑块对称安装在滑杆上，摇杆的一端与横杆铰接，另一端安装滚轮，在滑杆上安装弹簧，行走机构能保持滚轮时刻与管道内壁接触。1.3.3国外管道机器人（1）德国ROVION管道机器人德国ROVION管道机器人也是属于CCTV管道机器人的一种，其技术对比国内并没有太大的创新和突破。对比传统的CCTV管道机器人，ROVION管道机器人新增加了无线遥控的技术，不再需要连接电缆的控制台，线缆范围也扩大至300m。在其他技术方面并无创新。图1-9ROVION管道机器人（2）管内检测机器人莫赫德·扎姆祖里·阿布·拉希德于2020研究全新的技术，开发出了新式的管内检查机器人，属于流体驱动的管内检测机器人，而流体驱动的管道内检测机器人系统由压缩输送液驱动。机器人背部和前部的流体压力差异推动着机器人向前发展。推进机器人的速度可以调整使用灵活的密封元件和对机器人身体的支持，与轮式驱动的机器人大不相同[17]。机器人的机械结构主要研究了：流体驱动，轮式驱动，检查机构。流体驱动通过一个和管壁紧密贴合的圆盘作为压力分割器，再使用涡轮将液体吸入并挤压到分割器后方，形成一定的压力差推动机器人，这样的驱动设计不同于船舶的原因在于，这种驱动模式可以通过步进电机准确的定位机器人的移动速度和移动举例。轮式驱动，轮式驱动分为两个部分一个驱动模块和一个冲压机构，冲压机构将轮子压在关闭上，以便驱动模块有足够的摩擦力驱动机器人。轮式驱动用于液面较低以及没有液体的情况[18]。图1-10轮式驱动机构1.3.4发展历程总结现在的管道机器人发展越发的成熟，但是在很多方面还是存在这一些问题。能源供给。传统管道机器人常用的能源供应为有缆方式，拖缆摩擦对机器人在管道内部短距离行走没有太大影响，但长距离行走或管道不平整时，管道机器人带缆行走问题较为突出。因此，开发管道机器人必须解决能源长距离供应的问题[19]。稳定性。输送管道是国民经济的重要命脉，现有大口径管道一旦发生事故，会直接影响国计民生。能源输送管道线路长，不容易检测与监控。因此，管道机器人在管道内工作时，运行的稳定性一定要得到可靠保证。位置识别与越障。常规管道机器人通常使用与驱动轮连接的光电码盘构成闭环控制，由于管道内信号屏蔽或受管壁光滑程度的影响，在输送反馈信号时形成阻碍，对管道机器人的工作造成较大影响，有时甚至会导致管道机器人停止工作。因此，设计管道机器人时必须考虑感应识别及越障能力。在管道内可能有台阶、管沟、碎石等，管道机器人需要能够携带摄像机等检测设备或清洗装置在管道内实现进退、转弯、越障、定位，并具备自主导航功能。检测、修复一体化。现有的管道机器人局限于管道内行走和检测等，并不能实现检测、修复一体化功能，因此检测、修复一体化是今后管道机器人的研发方向[19]。1.4研究的主要内容（1）机器人本体结构设计，主要由二个部分构成：驱动模块，检测模块。驱动模块：根据机器人在管道内的移动方式，可主要分为PIG式、履带式、支撑轮式、蠕动式，支撑腿式，车式，螺旋式等。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，选择支撑轮式的驱动方式。支撑轮共有6个，其中3个为定位轮，不提供驱动力，剩下的3个为驱动轮，分别使用小型电机进行控制，以实现对转向的便捷控制。检测模块：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。为配合支撑轮的驱动方式，采用超声波检测的方法。需要X轴的精密旋转定位配合前后的移动来实现全方位的超声波渗透，因此采用伺服电机来满足精度要求。图1-11管道机器人总体方案图（2）完成运动控制系统设计。控制设计采用plc进行编程，主要包括对声波、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。（3）完成基于MechatronicsConceptDesigner（MCD）机电一体化数字样机设计。1.5拟解决的主要问题（1）行走模块：预备使用支撑轮式的驱动方式，需要解决驱动力大小，支撑力大小，以及支撑杆刚度、挠度的计算，并设计出支撑轮的腿部结构和支撑机构。以及电机到驱动轮的传动路线。（2）控制模块：控制模块包括中央控制中心，存储单元以及电池元件，用来控制整个机器人的运转，保证信息的存储以及续航。（3）检测模块：预备使用超声波检测的方式，设计合理的探头装置，使得超声波的发射角度更广，并选定合适的耦合剂和自动喷涂耦合剂的机构。（4）解决管道内腐蚀的相关问题，通过选用较为新式的材料，提高机器人相关电路以及外壳的防腐能力。（5）解决续航的问题，很多设备管道的跨度一般都较大，现拟定两种解决方案，一为增加电池容量，选取最新的三元电池，二为在管道内固定距离设定充电站，机器人电量较低时，自动前往充电。（6）选取数据传导方式，现在通用的数据传到方式有实时传导和定点传导，在地底下，实时传导的难度有点大，只能够选择定点传导，需要选择合适的储存设备来储存采集下来的信息。

第二章总体方案设计与论证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。2.1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。2.2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。2.2.1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。2.2.2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。2.3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。2.4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检测方式，可以摆脱传统信息采集设备只能运用于管道表面的缺点，通过超声波通过不规则断面、孔洞时产生的涡流波段，可以分析出管道内部的损伤和微小孔洞。超声波检测优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量。图2-7超声波检测综上所述采用两者共用的探伤装置，超声波找到损伤，之后结合摄像头采集到的影像信息，定位损伤在管道中的位置[20]。2.5小结综上所述，确定了管道巡检机器人各部分的设计方案。选用支撑式驱动器，能够应对管道中环境复杂，及下壁淤泥和积攒的障碍物和多样化的管径。支撑式驱动器的越障能力、抗突发情况能力强，适合作为管道巡检机器人的驱动器。使用摄像头和超声波结合的探伤装置，可以有效的找到损伤并定位。采用plc进行编程，并对超声波装置、超声波存储、行走电机，等进行控制。

第三章管道巡检机器人的机械结构设计本章对机械结构进行设计计算，机械结构是机器人设计两大部分之一，通过大量计算并结合机器人的功率、结构需求等，确定不确定的机械结构，并校核确定等的标准件。整个机器人设计最大重量为20Kg，最大行进速度为2m/s，支撑轮选用多轮多厂家的30mm橡胶轮，其与大部分管道材质的摩擦因数为0.3，管道内部最大坡度为20°。3.1电机的选用本设计中的管道巡检机器人的重量较轻，适合选用小型减速直流电机，电机自带减速器，计算所需减速比即可。通过负载功率，负载扭矩等参数，确定电机的选型并校核相关零部件。3.1.1总阻力计算管道中的阻力可以共有4种，分别为：空气阻力、坡度阻力、加速阻力、滚动阻力。驱动力直接由摩擦力提供，再由电机带动橡胶轮克服摩擦力，完成管道巡检机器人的行动。基本参数为：机身重量：m=20Kg最大行进速度：V=2m/s摩擦因数：u=0.3管内最大坡度：=20°（1）空气阻力F阻1设空气流速为V1由于管道中气体流动性差，所有的空气流速都来自于机器人自身运动，故而空气流速等于车身最大行进速度。V1=V=2m/s（3根据空气阻力公式可以计算出空气助力F=Cρsv22公式（3-2）中各字母含义及取值如下：空气阻力系数C，管道巡检机器人外形类似于普通小车，故C=0.35。空气密度：=1.293kg/m3S为空气受阻面积，管道巡检机器人中间镂空位置较多，且支撑腿需要直接顶到管壁，故选取最大管径的1/3为空气受阻面积[21]。将各数据带入公式（3-2）得：F阻1=Cρsv（2）坡度阻力F阻2管道内部不总是水平地面，有上坡或下坡的情况，在路面有向上倾角时，管道巡检机器人需要克服自身重力向上做功，增大管道巡检机器人的工作功率。其作用力公式为：F阻2=mgsinθ=20×9.8×（3）加速阻力F阻3管道机器人在启动时必当产生加速度，本管道巡检机器人不需要及时、快速启动加速功能，在保证机身稳定的情况下，初定加速度为a=0.5m/s3。在加速过程中，管道巡检机器人需要增大工作功率使机器人加速，产生额外阻力，其计算公式为：F阻3=ma=20×0.5=10N（4）滚动阻力F阻4管道巡检机器人使用的是橡胶轮，在行动过程中，轮子产生弹性变形，所以受到路面的反作用力不仅仅是竖直向上，还包括水平方向的阻力，这个阻力就是滚动阻力，其计算公式为：F阻4=uwcosθ式中w为机身重力，将各数据带入式（3-6）中可得：F阻4=uwcosθ=0.3×200×cos20°（5）摩擦阻力F阻驱动力直接由摩擦力提供，故摩擦阻力等于前四个阻力之和，由于管道巡检机器人需要克服自身重力并顶住管壁，需要通过摩擦力计算出最小支撑力N0，以便于后文机械结构校核。其计算公式为：F=0.15+65.41+10+56=131.56N（3通过摩擦力计算出各轮所需的最小压力，其计算公式为：N0=F阻下方支撑轮还需要承受自身重力，其支撑力较大，可以代偿部分上壁摩擦力，故取上三支撑腿支撑力N=20N。3.1.2电机额定功率计算电机提供所有的驱动力，且各项参数需要与管道巡检机器人相匹配，过大的电机浪费能源，过小的电机难以支持机器人行动。根据摩擦阻力计算出电机的减速比和许用功率无疑是很重要的。输出功率是Pc维持橡胶轮最大速度运转的最小功率，其计算公式为：Pc=nT9550橡胶轮转速n由管道巡检机器人的行动速度和橡胶轮周长计算所得，其计算公式为：橡胶轮直径：D=0.03mn=60vπD=2×60电机的扭矩T的计算公式为：T=F阻×D将公式（3-10）（3-11）带入公式（3-9）得：Pc=nT9550=单个轮的输出功率Pc0为：Pc0=pc传动系统中共有四个轴承、一对啮合直齿齿轮、一个弹性联轴器，通过查阅机械设计手册得知，深沟球轴承1=0.99，直齿啮合齿轮2=0.98，3=0.96。故传动总效率计算公式为：=14×单个电机计算额定功率的计算公式为：Pe0=Pc3.1.3电机选型由单个轮的输出功率确定电机型号并校核其他各项参数，对比多个厂家后选用兆威公司的22mm齿轮箱直流减速电机。通过选型表查得，选用ZWBPD022022-4型号的减速直流电机最为合适。图3-1兆威公司电机选型表图3-2直流减速电机外形尺寸其额定转速为ne=1875r/min；其外形尺寸如图3-2所示。故减速比i的计算公式为：i=nen=表3-1电机参数额定转速ne额定功率Pe输出轴直径D0外形尺寸D1减速比i1875r/min12w6mm22mm1.473.2联轴器的选用根据电机输出轴轴径，选用合适的联轴器。管道巡检机器人在工作中的突发情况较多，且路面较为颠簸，安全联轴器对心度高、传动能力强、抵抗振动的能力较弱，不适合采用；弹性联轴器有一定的对心调节能力、传动能力较强、抗震能力好，适合用于管道巡检机器人。经过调查，最终选用维动公司的EKL2型弹性联轴器。其弹性体使用的耐磨材料TPU，具有总安装长度短、易于安装、减震性强等的特点。图3-3维动弹性联轴器选型表图3-4维动弹性联轴器外形尺寸3.3轴承的选用管道巡检机器人单腿使用4个轴承，所有轴承只受径向力且转速较高，故选用深沟球轴承。根据轴径选择6201型号的深沟球轴承，需要校核轴承寿命是否符合要求其计算公式为：Lh=10660通过查阅机械设计手册，只承受径向力的深沟球轴承载荷系数选取fp取值为1.2，温度系数ft取值为1，当量动载荷P的计算公式为：Fr=12N0P=fpFr将公式（3-18）（3-19）带入公式（3-17）中等：Lh=10660使用寿命超过10年，符合要求。3.4中间轴的校核按照EKL2型弹性联轴器外形尺寸选用中间轴的轴径D2=7mm，选用基础工业材料45号钢，其许用扭转应力[]=60mpa。依据轴径和许用扭转应力校核轴的强度是否符合要求。连接电机和橡胶轮的中间轴为传动轴，只受到扭转力矩，其大小的计算公式为：τ=Twr小于许用扭转应力[]，传动轴直径、材料选取符合要求。3.5下端支撑腿的校核下端的支撑腿结构是整个管道巡检机器人最危险的部件，不仅需要承受机身自重，还需要承受上端支撑腿产生的支撑力，想要保证管道巡检机器人的正常运行，支撑腿的校核是必不可少的[22]。根据支撑腿受力图（3-5），分析可知1段腿较为危险，只挑选危险段进行分析，故只对1段轴进行校核。通过上一章的设计可知，1段腿的整个长度为L=20cm；支撑倾角度数=20°。通过受力图（3-5）就算力矩M，并绘制力矩示意图（3-6），1段轴力矩计算公式为：M=L∙Fr∙sin挤压力Fn的计算公式为：Fn=Fr∙挤压应力n的计算公式为：σn=Fnπ(校核强度合格式中D0=30mm为支撑腿的外径，d=22mm为支撑腿的内径。弯曲应力max的计算公式为：wn=0.2D03τmax=mwn校核强度合格扭转角度max的计算公式为：Ip=0.1θmax=综上所述，支撑腿结构设计合理。3.6销的校核支撑腿的连接销受到全机身的重量，受到较大的剪切应以，属于危险零件，故需要对其进行校核。选用D3=8mm的销。其剪切力的校核公式为：τ校核强度合格，销的选用合理。3.7小结本章节的主要内容为按照管道巡检机器人功能需求计算出所需功率，并按照各参数进行计算，包括电机、联轴器、轴承进行选用计算，确定了各标准件的型号。对机身中的危险部件：中间轴、支撑腿、销进行了校核，确定在负载甚至过载的情况下依旧能够正常工作。

第四章管道巡检机器人三维建模与有限元分析通过对驱动、检测、控制单元受力情况以及关键零部件的设计计算，基本确定管道巡检机器人的零件尺寸，可以开始对机器人进行三维建模。在本次设计中，首先计算出相关零件的尺寸并校核强度，建模过程采用Solidwork软件，对所有零部件进行三维建模。可以实现较为复杂的装配体建造，并可以将核心零件模型导入ansys软件中直接进行有限元分析。4.1三维建模三维建模是整个设计项目中极其重要的一部分，在确定零件的基本尺寸后，才能进行设计方案的进一步研究，包括控制系统的设计和关键零件的有限元分系以及运动仿真。4.1.1三维建模方法在本次研究设计中，三维建模采用基于特征建模的思路。其意思是用更高纬度、更具工程意义的三维特征来描述零件。其优势在于：（1）特征建模着眼于更好的表达产品，从最终用户的体验、生产准备、工程项目合作的难易出发，自上而下的设计建模，可以保证最终产品更具人性化，使用感更好。（2）有助于推动整个行业加工流程的规范化和标准化，在最初就考虑加工可能存在的问题，保证机械结构的工艺性更好。（3）有助于协调加工中各个部门的沟通，使得后期产品优化升级改进更为简易。4.1.2驱动单元的三维建模驱动单元主要由驱动单元外壳，电池，支撑腿构成等零件装配而成。采用6只对称支撑腿的结构，来平衡驱动单元的动力，且前后各放置一个支撑腿，增大驱动力。支撑式驱动主要有以下优点：（1）支撑式驱动单元，通过支撑腿的收起展开，获得很强的越障能力，以应对管道内多种多样的障碍物。（2）支撑腿处的恒力弹簧，可以跟随管径调整伸展度，以适应各种复杂的环境与管径。（3）前后各一个驱动单元的设计，可以增强整个机械结构的稳定性和爬坡能力。图4-1支撑式驱动单元4.1.3检测单元的三维建模检测单元由机械硬盘、红外摄像头、超声波检测器等装配而成。是管道巡检机器人的核心组成部分，是其他部分主要服务的单元，用以检测管道内的各种情况，并采集存储信息。图4-2检测单元4.1.4控制单元的三维建模控制单元使用西门子S7-224PLC型芯片对驱动单元和检测单元进行控制，其结构示意图如图4-3所示。图4-3控制单元4.1.5总装配图的三维建模总装配使用Bottom-up的装配方法，由小到大逐步完成装配。在从左至右的装配过程中，由小零件搭载成基本单元，最终由四个基本单元组成总装配体，两个驱动单元带动中间部分的检测单元和控制单元行动，在管道中完成作业。图4-4总装配图4.2有限元分析有限元分析是基于材料力学分析迅速发展起来的一种新兴的现代分析方法。他通过将零件整体离散为细小单元的组合体，细小单元的特性按照刚体考虑，从而使一个连续不可计算的问题变成离散可计算的问题4.2.1有限元分析步骤本次设计采用ansys软件对主要零部件进行有限元分析，保证各结构在机器人作业过程中有足够的强度，分析步骤如下：（1）确定零件结构，列出分析方案。（2）将需要分析的零件离散并确定零件的单元类型和材料种类。（3）建立材料模型。（4）约束材料自由度并施加载荷。（5）划分零件网格。（6）进行分析。4.2.2主要零部件分析通过ansys软件对关键的零部件进行有限元分析，同时进行应力应变云图，可以保证管道巡检机器人的各零件能正常工作。（1）橡胶轮橡胶轮主要承载机身的全部压力，受车身重量的影响对橡胶轮下表面施加120N的压力，分析其应力应变云图，从图中可以看出最大应力为115.42N/m2应变为5.810-11近似于0可忽略不计，零件无明显变形，满足管道巡检机器人使用要求。图4-5橡胶轮有限元分析（2）橡胶轮轴橡胶轮通过橡胶轮轴和机体相连接，承载整个机身重量所造成的剪切应力，固定轴两端并对与橡胶轮接触下表面施加120N的正压力。通过结果可知其应力为162.96N/m2应变为2.1*10-12趋近于0可忽略不计，剪切处应力集中不明显，对其钢材剪切强度，无切断可能，整体零件无明显变形，满足管道巡检机器人使用要求。图4-6橡胶轮轴有限元分析（3）控制单元外壳控制单元外壳为中间的被动件，承受驱动单元对其施加的拉力，对连接处施加200N的拉力分析。通过结果可知其应力为162.96N/m2应变为2.1*10-12趋近于0可忽略不计，拉应力集中不明显，对其钢材抗拉强度，无拉断可能，整体零件无明显变形，不影响管道巡检机器人的正常运行，不会损伤到内部的控制元件，满足机器人使用要求。图5-7检测单元外壳有限元分析

第五章控制系统设计为实现管道巡检机器人能够实现其巡检功能，必须对机器人的控制系统有所要求。控制系统定义整个机器人之间的关系，并协调机械结构、存储器、运算器、以及I/O设备的相互关联。程序的合理性直接影响机器人工作的运行效率和整体性能。图5-1工作流程图5.1管道巡检机器人控制系统形式现如今机器人的主要控制系统结构共分为三种：集中式控制、分散式控制、分布式控制、协商式控制。通过对管道巡检机器人性能的分析，采用分布式控制进行设计。其要点在于系统设计中的机器人为独立个体，可以对自身和周围的环境做出反应。从程序上模拟人的情绪和反应。程序的设计编写有以下三种主流的方式，均有优缺点，下面对其进行比较、分析：（1）PLC可编程控制器（PLC）一种具有微处理器的数字电子设备，其特点在于框图式的编程方法比较简单，可用于自动化控制的数字逻辑控制器。可直接对控制器内部CPU编程，通过指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数字模拟等单元所模组化组合成。其具有程序时序性强，抗干扰能力强的特点。（2）工控机工控机（IPC）即基于PC总线的工业电脑。其价格低、质量高、产量大、软/硬件资源丰富，已被广大的技术人员所熟悉和认可。工控机主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的各种板卡组成，如CPU卡、I/O卡等。并采取全钢机壳、机卡压条过滤网，双正压风扇等设计及EMC技术以解决工业现场的电磁干扰、震动、灰尘、高/低温等问题。相对于PLC来说，工控机功能灵活，结构复杂，具有很强的控制功能。工控机作为控制设备，普遍应用在高性能上位机进行网络控制系统调度。（3）51系列单片机51系列单片机由于问世早，多家厂商研发和批量生产，其质量和产量得到充足保障，结构简单、价格便宜，在很长的一段时间内一直占有大量市场。有优异的性价比；集成度高、体积小、有很高的可靠性；控制作用强；扩展性能好，51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，但51单片机大多适用于功能简单的产品中，一般不具备自编程能力，功耗大，工作速度慢、抗干扰性能差，不适用与机器人复杂的控制系统中。5.2控制系统硬件设计5.2.1PLC控制原理图对管道巡检机器人的各项功能进行分析后，决定控制型号以及进行控制的I/O点数。本次设计需要实现管道巡检机器人能够有前进、后退、摄像头转动、超声波的启闭等的功能，在对各个单元进行编程后，其I/O点与控制对象对应表如下所示：表5-1控制点数对照表控制点数控制项目输入I0.0程序、摄像头、超声波传感器和检测器I0.1程序停止I0.2驱动电机反馈输入I0.3驱动电机反馈输入I0.4摄像头驱动电机反馈输入I0.5摄像头驱动电机反馈输入I0.6超声波设备反馈输入I0.7超声波设备反馈输入输出Q0.0摄像头开启Q0.1超声波检测设备开启Q0.2驱动电机正转Q0.3驱动电机反转Q0.4摄像头电机正转Q0.5摄像头电机反转Q0.6超声波增强Q0.7超声波减弱通过PLC直连电机、驱动电机、摄像电机、传感器等，对管道巡检机器人进行，使其可以自主在管道内进行巡检，并将数据存储起来，以供工作人员分析管道内情况。机器人配备三块电池，一块为机器人的检测单元和控制单元供电，两块为驱动单元供电，这样设计的好处在于是整个系统更加稳定，不会因为驱动系统过载所产生的额外功率导致控制单元和检测单元供电不足。图5-2PLC控制柜接线图超声波检测装置和超声波传感器为一体，既可以反馈管道内的损伤又可以检测路面的平整度和障碍，用以控制机器人。采用摄像头和超声波结合的检测方式，既可以准确探伤又可以具体定位。在PLC芯片放置方面，不仅涉及到通风抗震，还要便于电路的搭建，下图为管道巡检机器人设备的PLC控制柜接线图。5.2.2PLC控制程序设计在本次设计中，PLC控制系统对巡检机器人的驱动电机、摄像头电机、超声波频率进行控制。用以实现机器人的前进后退、摄像头的转动以及超声波对管道的检测。按下启动按钮之后，超声波传感器开始工作，路面足够平整时，机器人可向前行进并实现后退功能，之后便依次启动摄像头以及超声波检测器。根据上文所说的I/O点数分配结合PLC流程图，对管道巡检机器人进行控制系统设计，程序如下图所示。图5-3PLC启动程序网络一为启动程序，当按动启动按钮时，输入信号I0.0，摄像头、运行位、超声波检测仪全部启动。图5-4传感信号处理程序网络二用来处理超声波传感器反馈的信号，当程序启动后，运行位开启，超声波传感器也随之开启，并将传感器反馈的信息转换为数字信息，以方便后面程序的处理。图5-5前进后退程序网络三四为前进后退程序，程序通过互锁来保持驱动电机的正常工作，当前进程序启动时，需要对比超声波传感器反馈的信息，地面波动度低于等于12500方可继续前进。图5-6摄像头控制程序摄像头的控制程序独立于机器人的控制程序，在管道巡检过程中难免会因为摄像头的摄像广角不够而需要摄像头进行旋转以便于更好的采集信息，当保持I0.0打开的同时，按下I0.4、I0.5可以实现摄像头的左右旋转，并构建自锁保持摄像头电机的正常运行。图5-7超声波检测程序超声波检测器全功率运行的耗电量较高，为了保持管道巡检机器人能够有足够的续航，在常态下超声波检测器为低功率运行，识别到管道损伤或疑似损伤时，则加大功率进行检测。5.2.3PLC控制程序仿真为确保程序能够正常运行，需要对整个控制程序进行模拟仿真来验证程序的正确性，采用SiemensPLC进行软件模拟，模拟结果如下。首先在仿真软件中装载程序并运行程序，按下I0.0按钮，Q0.0、Q0.1灯亮，表示摄像头和超声波检测器启动，程序运行正常。图5-8程序启动再按下I0.1按钮，灯全灭，程序终止。图5-9程序停止之后按下I0.2按钮，灯Q0.0、Q0.1、Q0.2亮，表示管道巡检机器人只前进，程序运行正常。图5-10小车前进按下I0.3按钮，灯Q0.0、Q0.1、Q0.4亮表示管道巡检机器人只后退，程序正常运行。图5-11小车后退按下I0.4按钮，灯Q0.0、Q0.1、Q0.4亮，表示程序在正常运行的同时，摄像头向右转向。图5-12摄像头右转按下I0.5按钮，灯Q0.0、Q0.1、Q0.5亮，表示表示程序在正常运行的同时，摄像头向左转向。图5-13摄像头左转按下I0.6按钮，灯Q0.0、Q0.1、Q0.6亮，表示程序在正常运行的同时，管道巡检机器人的超声波探测器针对某处损伤，功率增大以更加清楚的探知损伤情况。图5-14超声波检测功率增大按下I0.7按钮，灯Q0.0、Q0.1、Q0.7亮，表示表示程序在正常运行的同时，管道巡检机器人的超声波探测器功率开始减小，在探清损伤后恢复常态，检测路面平整度。图5-15超声波检测功率减小综上所述，在PLC程序仿真过程中，通过观察指示灯的变化，证明程序总体运行正常，没有错误。

第六章管道巡检机器人的经济与环境分析经济分析是产品研发成功与否的重要依据之一，其主要作用在于最大限度的规避风险。所以在产品设计时，不仅要考虑产品的工艺性、使用感、性能等，还需要考虑产品的经济性能，充分的考虑当前市场实际情况，在产品投入生产前尽量规避经济风险。6.1经济性能分析根据国际机器人生产实际需求，估算成本如下表7-1。同一期生产数量需要达到20个，通过计算估计出所需要的最小部署成本。使用巡检机器人进行管道维修服务对比人工，具有巨大成本优势、管理优势，有很好的市场前景。表7-1材料价格表材料名称数量（个）价格（元）西门子S7-224PLC1700兆威直流减速电机122400西门子工控机1824松下smart摄像机16468中仪超声波检测仪14724台电电缆若干35台电电源2252其他若干2000经过对此次设计管道巡检机器人经济分析，初步估计结构选材、零件采购、外界部件选用等的花费，符合当今市场对于管道机器人的定位，符合市场规律，能够顺利销售该产品。6.2技术性分析该管道巡检机器人综合了现有机器人的特点，并针对小型管道做出设计，有以下的突出优点：（1）可以使用多数管径、越障能力强、可以适用多种地形。（2）检测装置采用红外摄像头结合超声波检测器，一个负责定位管道损伤，一个探索损伤的具体情况。6.3环境问题分析该管道巡检机器人主要使用的材料为304不锈钢和工业塑料，在生产过程中可能会对大气、水、土壤等造成污染。其防治措施需要改进工艺流程，对污染物进行合理的回收和过滤。在使用过程中，管道巡检机器人主要能源为电，属于清洁能源，不会造成尾气排放。在管道中移动，单纯橡胶轮和管道的接触，并不会对管道内环境造成影像。管道巡检机器人报废后，机体外壳、电缆可以直接回收，控制芯片和电磁则需要送往专业的回收机构，对电池内的腐蚀性液体进行处理，放入废水处理站和集水池进行有害物质沉淀后再进行排放[23]。

第七章结论与展望7.1结论毕业设计是本科期间对自己四年来学习成果的检测，需要对各学科学习足够深入和了解才能够融会贯通、联系各个学科之间的知识。很多看似没有意义的前置基础学科，在真正做产品设计时才知道，基础学科如同传动装置中的轴承，隐藏在机械内部，成为不可或缺的部分。在设计开始前，查阅大量相关文献，开拓了管道巡检机器人的设计视野，跳出了最初的思维惯性，抛弃了最初准备使用的车式机器人，选择了支撑式机器人，做到了很多最初达不到的功能。本次设计，研究了管道巡检机器人进行管道内检测的实现原理、方法和技术；构建机器人的三维模型，对设计、建模、控制等各关键技术进行了分析与整合；增强了Solidwork三维建模软件和CAD工程绘图软件的运用能力。三维结构采用模块式的机械结构，各单元的建模相对独立。可以更为灵活的在狭小管道内转弯。控制系统中，本次设计中采用的西门子S7-224PLC芯片，保证了控制系统的稳定性，程序编写也更为便利。选用该型号芯片的原因在于，其总体积较小且自身功耗较低，放置在小型管道机器人内，既不会占用太大的空间，也不会使电池的负担过重。7.2前景展望管道巡检机器人研究仍然处于初级阶段，目前得到的理论及技术应用结果仍然有限，其智能度和实用性还有所欠缺。本文对部分问题进行探讨并提出了解决方案，但是还有几个方面仍然未得到解决，需要我们继续进行深入研究。（1）整个机器人产品并没有做无线数据传输，只能够将数据存储，其原因在于，管道巡检机器人一般在地底下作业，无线信号传输的稳定性大打折扣，有效通讯距离极其有限，如何解决地低通信传输问题，是一个很值得关注的研究方向。（2）在越障方面，跨越固定障碍物的能力较强，支撑腿能够自如的收起以跨越障碍，但是对于跨越可移动障碍物的能力较弱，当障碍物的摩擦力不足以使支撑腿抬起时，便不能有效跨越障碍。有效的解决这一问题，将大幅度提高机器人的行进效率。（3）在通过十字路口型管道时，驱动装置失去支撑内壁从而失去驱动力和支撑力，从而使得机器人总体失去平衡，解决这一问题，管道巡检机器人的实用性将会更好。参考文献[1]贾兴臣