管道检测机器人系统设计研究

上海大学硕士学位论文管道检测机器人系统设计研究姓名：华正汉申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：朱敬德20030101管道检测机器人系统设计研究作者：华正汉学位授予单位：上海大学相似文献(9条)1.学位论文徐小云管道检测机器人系统及其基于模糊神经网络控制的研究2003该文主要的研究工作及创新点如下:1.在查阅和掌握大量有关管道检测机器人文献资料的基础上,系统地研究了管道检测机器人的运动原理、驱动方式以及结构形式,并详细地讨论了管道检测机器人本体研制的相关技术问题,介绍了六种适应不同管径的常用的压紧力调节机构,分析了每种压紧力调节机构的力学特性,并比较研究了各种调节机构的优缺点,指出了在管道检测机器人设计中应该注意的几个主要问题.该管道检测机器人采用模块化结构设计方案,由驱动模块和压紧力调节模块组成,从而便于管道检测机器人的安装、运输和使用维护,其基本参数为:适用于管道直径范围为的直管以及弯曲角度不大于的弯管,机器人本体重量为,长度为,有效牵引力达到,运行速度为.2.基于轮式和履带式机器人的驱动特征,设计开发了一种新的管道检测机器人驱动机构.该管道检测机器人驱动机构采用平行四边形轮腿机构的形式,机器人的3组驱动橡胶轮在圆周方向成120o均匀分布,在轴向截面内,前后两组驱动橡胶轮布置在同一组平行四边形机构上,驱动端的驱动电机通过蜗轮蜗杆副驱动3组驱动橡胶轮,压紧力调节端的调节电机通过滚珠丝杠螺母副和压力传感器使3组驱动橡胶轮始终以稳定的正压力紧贴在管道内壁上,从而使管道检测机器人具有充裕并且稳定的牵引力,其值可达.该机器人的结构紧凑,工作可靠.3.研制成油/气管道在线检测机器人系统,油/气管道壁厚及缺陷检测装置采用传感器阵列方式同时采集被测管壁的周向信息,传感器阵列径向方向可调,以适应被测管径的变化;检测装置在管道检测机器人的拖动下还可以沿被测管道轴向运动,以实现长距离在线检测.其特征是基于电磁式漏磁测量原理,采用程控恒流励磁检测与管道检测机器人轴向运动交替进行的微型计算机控制方案,在管道内同时对管壁周向,分时对管壁轴向进行长距离在线检测,大大地减小了检测装置在管道内轴向运动的阻力和测量头部件的磨损.整个机器人系统采用有线方式控制,由管道检测机器人的本体、传感器系统、管道检测机器人控制系统、照明系统、相应的辅助设备等五部分组成.在整个系统中,机器人本体以及无损检测传感器和地面机动控制站之间采用网线和特殊光纤利用TCP/IP实现相互之间的通信.针对该管道检测机器人系统还重点介绍了嵌入式计算机控制系统、CCD图像采集模块、漏磁无损检测功能模块以及管道检测机器人的本体.4.为了验证理论分析的正确性和了解管道检测机器人系统的综合性能,对管道检测机器人的样机和相应的无损检测传感器进行了相关的实验研究.从实验的角度验证了所设计的管道检测机器人系统的合理性和正确性.5.根据管道检测机器人运动的特点及其特有的管道运行环境,从理论上分析了管道检测机器人在管道中的运动学稳定性.建立了管道内受限机器人运动的动力学模型,并根据这一模型利用奇异摄动理论对管道检测机器人在直管内和弯管内的运动稳定性问题进行了研究,并通过计算机仿真研究得出了管道检测机器人在管道内运动的稳定性条件.从理论上分析并确认了管道检测机器人在管道内运动的可能性和稳定性,证明了管道检测机器人设计计算的合理性.6.将模糊神经网络技术用于管道检测机器人的控制,以实现管道检测机器人的自主控制.根据管道检测机器人所处的非结构的管道运行环境,采用增强型模糊控制神经网络自学习算法,对管道检测机器人的智能自主学习控制进行了计算机仿真研究,仿真结果表明该算法可以在一定的程度上改善控制效果.2.学位论文张云伟煤气管道检测机器人系统及其运动控制技术研究2007管道检测机器人是针对输油、气等工业管道的检测、喷涂、接口焊接、异物清理等维护检修作业所研制的一种特种机器人,它综合了智能移动载体技术和管道缺陷无损检测技术.这类机器人能进入人所不及、人力所限的复杂多变的非结构管道环境中,通过携带的无损检测装置和作业装置,对工作中的油气管道进行在役检测、清理、维护,以保障管道的安全和畅通无阻地工作.特别是对穿越河流、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.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,得到了世界各国的高度重视.经过多年的研究与发展,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,研究成果大多停留在实验室样机,距离大规模实用化、产业化还有一定的差距.本文依托国家863计划资助项目油气管道管内自动探测机器人系统的研制(项目编号:2002AA422110)、云南省省院省校合作基金项目管道机器人(项目编号:2001KABAA00A025)、上海市重点科技攻关项目油、气管道机器人实时探测系统关键技术及其实用化研究''(项目编号:021111117),以具有弯管、变径管、T型管道等复杂情况的煤气管道为应用环境,结合项目中为云南省昆明市煤气公司煤气管道主干线的检测研制开发煤气管道检测机器人的需要,对管道环境下,煤气管道检测机器人的管内运动方式、本体结构设计、运动力学分析、运动控制和导航等问题进行了系统研究,研制了二代实验样机,为解决复杂煤气管道环境下的管道检测机器人研究所面临的一些关键问题奠定了基础.本研究旨在对煤气管道检测机器人的实用化进程及产业化推广起到进一步的推动作用,在城市燃气、煤气管道的安全检测,保障人民生命财产及社会稳定等方面,具有重要的意义和显著的社会经济效益.本文的具体研究内容及主要工作可以概括为以下几个方面:1.在查阅和掌握大量管道检测机器人相关文献和资料的基础上,深入细致地分析了各种机器人管内运动方式的运动机理和特点,并结合煤气管道环境特点及检测作业需求,通过综合对比分析,确定了更适合煤气管道环境的运动方式,设计了新型的煤气管道检测机器人本体结构.2.对煤气管道检测机器人管内运动力学的有关问题进行了详细的分析研究,包括机器人的管内空间运动方程、管内运动阻力、姿态偏转、径向调节运动、越障能力、管内运动稳定性等问题.3.针对机器人在煤气管道中的弯道通过及转向控制问题,以圆弧弯管和T型管道为典型,详细讨论了机器人通过弯道及T型管道的运动协调控制问题,并针对机器人弯道通过及转向控制中暴露出来的行走机构问题,进行了行走机构的改进,使机器人的行走机构更符合煤气管道管内运动要求.4.研究了基于视觉的机器人管内运动导航以及机器人管内自主定位等技术问题,并根据煤气管道检测机器人系统的特点,设计了一种新型的、基于网络的煤气管道检测机器人远程信息交换系统,对机器人的远程控制提供底层支持,在此基础上,讨论了机器人的远程控制结构问题,提出一种适合煤气管道检测机器人系统的远程控制结构.5.成功研制了二代实验样机,根据现有的实验系统和有关的实验条件进行了相关的实验研究,并针对实验中发现的问题,对样机进行了相关的改进工作.基于电磁漏磁检测原理,研制成功与样机配套的高精度管道壁厚无损检测装置,通过理论分析计算和大量的实验研究,获得了影响无损检测装置传感器检测精度的重要设计参数,并对检测装置结构进行了改进.尽管本文的研究基本实现了研究目标,但整个系统距离实用化还有许多工作需要进行,在本文的最后,对整个论文的工作和研究成果进行了总结,并提出了下一步的研究工作.3.会议论文杨清梅.孙建民一种新型排水管道检测机器人研究2007对排水管道进行检测可获得排水管道当前的状况信息,这是保证排水管道经济可靠地正常运行和减少各种排水管道阻塞和泄漏事故发生的关键。通过对国内外的排水管道机器人的研究现状分析,提出了一种新型排水管道检测机器人方案。该排水管道检测机器人是一种用于城市主排水管道检测的自动化检测装置,可携带CCD视觉系统和其他的检测排水管道的传感器.该机器人包括机器人的机械本体、视觉监控控制装置和检测控制系统等。机器人的电机驱动采用了数字PID算法,设计了机器人的电机驱动控制系统的控制硬件和软件。4.学位论文徐军一种新型的承压管道检测机器人及其多电机同步驱动的研究2003在国家高技术研究发展计划(863基金)②的资助下,该文分析了整个检测机器人研制的全过程,着重讨论了机器人控制过程中多电机同步驱动的方案和实现方法.1.检测机器人本体研究文章针对在特殊管道间移动的要求,对所提出的一种特殊移动机构做了详细分析.2.检测机器人控制系统的研究该文针对承压管道检测机器人系统的复杂性,将各执行模块按功能进行了分类,设计了一个多级集散控制系统.详细描述了其设计思想,对硬件电路和软件编程都给出了较为具体的介绍.3.多电机同步驱动的研究这部分是整个控制系统的难点和核心,同时也是该论文的主要研究内容.由于机器人X方向的驱动是由6电机共同完成的,为了确保机器人在管道上直线行走性能良好,必须保证6驱动电机同步.为此,文章对直流电机调速和闭环控制方面的一些理论和算法进行了研究.比较了多种多电机同步控制的方案,并给出了系统采用基于补偿原理的控制方案的原因.在文章的最后还给出了所设计同步控制方案的完整电路,并对各关键电路进行了详细的分析.5.学位论文于志伟管道检测机器人机构设计及性能分析2007城市给水排水设施建设是一项重要的工程，伴随着我国综合国力的迅速崛起、基础设施建设的大力发展而迅速发展起来。当前我国排水管道的维护绝大多数情况下还是靠人工来完成。由于人工检测存在速度慢、效率低、环境适应性差等缺点，在国外一些发达国家，排水管道检测机器人已经诞生并投入使用，在我国，目前国内还没有成型的、商品化的产品问世。本论文提出了一种基于平行四边形轮腿机构和丝杠螺母副管径适应调整机构的管道检测机器人机构设计方案，通过周向均布的三个直行轮腿支撑住管壁驱动机器人沿管道中心轴线行进，通过周向均布的三个滚动轮腿支撑住管壁驱动机器人绕管道中心轴线转动，通过丝杠螺母副和连杆机构调整平行四边形机构轮腿的收放。本文分析了机器人直行、滚动和轮腿机构收放过程中负载的变化，并根据推导结果设计机器人主要传动零部件结构并对标准件进行选型。完成了机构的设计之后，对机器人设计方案进行了三维建模和虚拟装配。之后，本论文对机器人稳定性进行了分析，包括机构薄弱环节的零件强度受力分析和机构的防水密封分析。另外，本论文详细对比分析了周向均布轮腿式机构和轮式机构的主要性能，包括牵引力性能、越障性能、拐弯性能、运行平稳性以及倾翻可能性等等。最后对关系到最后对本论文的研究工作进行了简要的总结并对下一步的研究进行了展望。6.期刊论文韩冬.范立华.高胜.常玉连油田注水管道检测机器人的系统设计-石油机械2008,36(2)针对目前油田注水管道腐蚀、结垢严重,需要及时检测维修的现状,设计了一种轮式管道检测机器人.该机器人的移动本体为六轮全驱动结构,并携带有1套自主设计的2自由度CCD云台系统,能够完成对管道内部故障的检测任务.系统以光电复合缆作为信息传输和电力供应媒介,以光纤电联接器为光电复合缆与机器人本体及工控机的联接手段,采用以Arm为核心的嵌入武系统,实现通信、机器人行走机构与云台系统的控制等功能.室内试验表明,该机器人具有驱动力大、控制灵活、信号传输性能好、抗干扰能力强、防水等特点,各项指标满足管道检测要求.7.期刊论文王忠巍.曹其新.栾楠.张蕾.WangZhongwei.CaoQixin.LuanNan.ZhangLei海底管道检测机器人智能控制器的研制-高技术通讯2008,18(2)设计了以嵌入式PC104工控机为核心的海底管道检测机器人智能控制器,以嵌入式Linux操作系统作为该智能控制器的软件运行平台,根据控制任务的实时性和计算量的不同,开发的控制程序分别运行于系统实时内核和原Linux内核,满足了控制系统具有实时性、多任务并行处理等要求.详细介绍了管道检测机器人CAN通信应用层协议的定制规则,通过把报文的内容类别信息和节点信息纳入数据帧标识符来规定报文优先级,保证在