本文是一篇机械论文，本文通过模块化组合创新理念设计机器人的整体方案，对不同模块结构进行合理设计与建模，并对其力学及运动特性进行相关理论分析及仿真实验验证，验证其结构设计的合理性与理论分析的正确性。
第一章 绪论
1.1 选题背景及意义
管道运输具有成本低、工期短、运量大、能耗小等优点，与铁路、公路等运输方式并称五大运输业[3-4]。在现代人们生产生活当中，管道广泛应用于居民生活和工业生产中。例如，城市用水用暖供应系统，工业能源生产运输等。各种各样的管道已经成为现代社会必不可少的基础设施。
随着管道的兴起，在给人们带来了极大便利的同时也存在一定风险。伴随着管道使用年限的增加，以及管道所处环境的不同，管道内壁和外壁总会因为所处环境因素或输送介质影响而发生化学反应，导致管道老化或机械损伤，从而造成管道出现裂痕、泄露、磨损、扭曲变形等问题（如图1.1管道损伤图所示）从而引发大型机械障碍及安全事故[5]。如大连中石化在2010年的一次管道爆炸起火事件中，导致大量原油进入附近水域，污染面积达50平方公里以上，并造成1人死亡1人受伤。2015年11.22青岛输油管爆炸事件，由于管道腐蚀减薄未及时发现，施工导致爆炸，最终导致62死136伤重大事故。据不完全统计，近十几二十年来，大大小小的管线维修事件已有数千次之多，所致的生命和财产的损失已逾百亿元[6]。为了减少安全事故的产生和提高管道使用寿命，需不定期对作业管道进行检测并加以维护。一方面由于大多管道作业环境复杂、管道空间相对狭小，难以通过人工直接作业检测；另一方面，传统的管道检测方法主要有挖掘发、抽样检测法等一些工程量大、耗时长等检测方法。检测过程依赖工人经验，导致检测效率低，检测准确性不高等问题[7]。因此，管道检测机器人便随之诞生，不但可以代替人工解决管道检测问题，还能促进科技、医疗等领域的发展。
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1.2 管道检测机器人国内外研究现状
1.2.1 管道机器人研究现状
管道机器人是一个集多学科、多领域交叉融合于一体的机电一体化系统。随着管道运输的发展，在上个世纪四十年代管道机器人逐渐开始出现。伴随着70年代计算机技术、电子电工技术以及自动化控制技术的突破，管道机器人也慢慢进入发展的黄金时期，取得一定的研究成果。
1.2.1.1 国外研究现状
日本Osaka公司的学员Y.Kawaguchi等人在上世纪90年代研制了一款具有内外齿轮结构的管道检测机器人[8-11]，如图1.2所示。其行走装置由内外齿轮结构组成，内轮采用铁磁性材料构成，外轮采用橡胶材料制成，该机器人的通讯方式采用体积小、重量轻、不受电磁干扰以及传输损耗小的光纤来减少行走机构的拖缆负载。工作管径为∅200mm的管道，工作行程最大为500m，其动力来源于自身所携带的蓄电池，分别为常用型（8.4V/1.5A）和（16.8V/3.0A）强化型电源。其驱动轮采用的是磁性轮，附着力最大可达30Kg，整个机器人整体结构尺寸：长410mm、宽90mm、高90mm，重量为4.25Kg，因此该管道机器人能够在管道内部和顶部平稳行驶。
美国Weatherford公司研发一种PIG-type[12]管道检测机器人。如图1.3所示，该PIG-type机器人利用管内介质前后压差产生动力进行驱动实现管道内长距离作业。外圈含有聚氨酯密封皮碗结构来放大管内介质作用压力，同时为保证机器人在行进过程中始终处于管道轴线中心，在机器人外围均匀安装36个弹性臂，为提高检测效率及检测精度。在机器人前端安装两组数据里程轮，保证检测精度控制在2%以内。该管道检测机器人运行速度受管内介质的影响，不易控制。
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第二章 内支撑式管道机器人结构设计
2.1 管道机器人设计需求与设计关键问题
2.1.1 管道机器人设计需求分析
本文通过针对氧化铝溶出套管以及工业套管的维护保养作业，从提高管道机器人管道适应性与通过性的角度出发，设计一种内支撑式管道检测机器人。结合氧化铝溶出套管的复杂管道环境以及现存管道检测机器人在作业检测时存在的问题，提出以下几点设计需求：
（1）为了能够适应各种不同管道环境，机器人需要有一定的自我调节能力。
（2）可以在障碍管和无障碍管中自由检测。障碍管代表管内拥有斜坡、凹槽和台阶等障碍管道；无障碍管代表常见的直管、弯管、垂直管等。
（3）机器人需要能够携带相应的检测装置实现实时检测并反馈相关数据信息。
（4）结构简单、控制方便、运行平稳、方便维护保养和修理。
根据以上设计需求，我们拟定了以下技术指标为管道机器人性能参数提供参考，如表2.1所示：
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2.2 管道机器人总体设计方案
通过上述对机器人设计要求和设计关键问题分析，设计一款内支撑式管道检测机器人。如图2.1所示，该机器人采用模块化设计理念，包含检测单元模块、驱动单元模块、变径单元模块和固定单元模块四大部分组成。
固定单元模块位于整个机器人中心，其主要由两块固定挡板以及三根支撑连杆组成，为整个机器人的各零部件提供定位与支撑作用；变径单元模块主要由电机、弹簧以及丝杠螺母副机构和些许支撑杆组成，通过螺栓连接固定在挡板上，利用电机带动丝杠螺母的运动，以此来负责机器人支撑杆系的支撑与收缩以便机器人能够适应不同管径环境；驱动单元模块包含电机、齿轮和传动轴等，通过这些零件的配合将电机输出动力传递到驱动轮上。驱动单元作为整个机器人动力源，将电能转化为机械能，为机器人提供动力，保证机器人能够在管道内移动作业；检测单元模块主要包含相机以及激光发射器等组成，用来机器人在管道内完成相应的检测作业任务。四大组成部分在控制系统控制下相互配合，互不干扰，完成所需的管道检测任务。
本文设计的内支撑式管道检测机器人由三个电机独立驱动，每个电机独立控制该组驱动轮转速。通过采用模糊控制理论，利用距离模糊控制器控制机器人的加减速；弯道模糊控制器以视觉识别信息作为输入，输出三组履带足不同转速，从而更方便进行差速控制实现机器人自主转向功能。机器人在管道中作业检测时，所遇最极端管路环境也就是垂直管道，当驱动电机能够满足机器人在垂直管道中正常运行，其它管路环境都能正常运行。
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第三章 管道检测机器人力学及运动特性分析 ...................... 23
3.1 机器人管间运动方程 ............................... 23
3.2 机器人力学分析 ...................................... 25
第四章 管道检测机器人ADAMS运动仿真分析 ..................... 41
4.1 ADAMS简介 ............................... 41
4.2 机器人仿真模型建立 ....................... 41
第五章 机器人检测装置研究 ........................... 57
5.1 检测装置设计思路及方案 .......................................... 57
5.1.1 设计思路 .......................................... 57
5.1.2 基于激光成像的检测装置设计方案 ............................. 57
第五章 机器人检测装置研究
5.1 检测装置设计思路及方案
5.1.1 设计思路
检测装置作为管道检测机器人的管内作业核心部件之一，其主要工作是协助载体机器人完成相应的管内检测任务，检测装置的选择设计是否合理将直接影响机器人管内检测的效果。本文所研究的检测装置主要由三部分组成，即三维激光发射装置、图像采集装置以及辅助检测装置。
三维激光发射装置主要由激光发射器和锥形镜面转接头组成，利用激光发射器发射的点束激光经过锥形镜面转接头转换成光环，利用光反射原理，通过投影到管道内壁光环的椭圆度以及相应形变大小来反应管道缺陷情况。
图像采集装置是机器人获取相关检测图像、数据的重要部件。利用摄像机采集三维激光发射装置打出的激光环，并将采集到的激光环通过数据传送至SD卡和计算机，通过相关图像数据处理软件进行分析处理，得到相关缺陷信息。
此外，由于管道检测机器人一般作业于管道内部，环境较为昏暗，为了能够配合图像采集装置获得更加清晰可见的图像数据，还需配备相应的辅助照明装置，从而提高机器人检测效率。
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第六章 总结与展望
6.1 总结
本文主要针对氧化铝溶出套管等复杂工业管路环境，设计一种自适应内支撑式管道检测机器人，该机器人具备自适应变径、越障、转弯等运动特性，可用于复杂工业管道缺陷检测。本文通过模块化组合创新理念设计机器人的整体方案，对不同模块结构进行合理设计与建模，并对其力学及运动特性进行相关理论分析及仿真实验验证，验证其结构设计的合理性与理论分析的正确性。本文工作总结如下：
（1）针对氧化铝溶出套管以及相关工业套管等复杂工业管路环境，对管道机器人主体结构进行了设计。根据管道机器人应用环境及设计需求分析，提出管道机器人总体设计方案。采用模块化设计准则，针对不同模块单元进行相关设计，确定了机器人采用履带式圆周三体等径分布方案，增强机器人整体稳定性以及牵引能力，同时采用独立全驱的电机驱动方式进行驱动；对机器人变径单元进行创新设计，采用丝杠螺母副调节的主动变径与弹簧柔性单元被动变径的共同调节变径方式，来实现机器人的自适应变径。采用SolidWorks进行三维模型的建立，并对机器人关键零部件进行校核，验证相关结构设计的合理性。
（2）机器人力学及运动特性分析。通过对机器人管内受力分析，建立机器人管间运动方程，获得了机器人管内运动状态。对机器人不同作业姿态角时的封闭力进行研究，获得机器人进入管道的最佳姿态角度为60°。针对机器人管内运动特性：对机器人越障性分析，结果表明，机器人自身结构尺寸是影响其最大越障高度的主要因素，本文所设计的机器人最大越障高度为15.4mm；对机器人过弯特性分析，结果表明，机器人最大极限长度可达869mm，本文机器人模型长度544.5mm，满足设计要求，同时确保机器人顺利过弯必须满足机器人驱动轮转速之比等于其轨迹半径之比。
参考文献（略）