一种管道机器人的数字化设计
管道机器人是一种既可以在管道内作业，又可以检测管道外面情况的机电一体化设备，它可以携带一种或多种传感器及操作装置。根据远程系统的控制命令，实现对机器人远程操作。本课题设计的机器人采用放大机构制连杆调节机制，使检测机器人可以适应一定范围内不同管径的管道，增大了机器人的适应能力。机器人的行走机构采用弹簧来代替调节电机和传感器等，大大简化了装置结构。采用单个电机驱动各个传动系统，来满足转弯时所需要的差速要求。避免了传统机器人通过繁琐的齿轮来达到差速的目的。关键词 管道机器人，3D建模，运动仿真
目 录
1 引言 1
1.1 管道机器人国内外现状 1
1.2 本课题研究的主要任务 3
1.3 本课题研究所采用的手段 3
2 管道检测机器人的总体设计 3
2.1 管道检测机器人的主体机构设计 4
2.1.1 选择管道机器人的行走方式 4
2.1.2 选取合适的驱动方式 5
2.1.3 传动齿轮设计 6
2.1.4 传动轴的设计 12
3 管道检测机器人的行走机构的分析 18
3.1 行走机构的设计 18
3.2 分析放大机构的力学性能 18
3.3 分析行走机构的伸缩量 20
3.4 对行走机构的受力分析 21
4 进行管道机器人的通过性分析 23
4.1 管道机器人进行大半径拐弯的原理 23
4.2 管道机器人进行小半径拐弯的原理 25
4.3 分析管道机器人的几何约束 27
4.3.1 建立管道机器人的几何模型 27
4.3.2 对矢量方法进行讨论 29
5 监视控制系统 34
5.1 摄像头的选择 34
5.2 摄像头的固定和调整 35
5.3 监视器 35
结 论 36
致 谢 37
参 考 文 献 38
1 引言
管道机器人作为新兴的工业产品，一上市就被各个领域广泛欢迎。尤其是在油气输送， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
通讯基建、化工原料等方面的应用急速加快。可以想象的是，管道内空间狭小、操作困难，一般人工操作施工无法开展，这就大大制约了管道建设的发展，而与此相应的基建设施也难以快速有效展开。管道内检测人的出现有效的解决了这类问题。
管道机器人是一种既可以在管道内作业，又可以检测管道外面情况的机电一体化设备，它可以同时携带一种或多种传感器及操作装置，根据远程系统的命令的控制，实现对机器人远程操作。管内机器人的系统的组成大概有以下几个部分：一是行走系统，也称之为移动载体；二是操作系统，也称之为环境检测，这是整个机器人的核心系统，它的功能是否有效直接关系着工程实施的进程；三是信、动、控系统，包括信号传递、动力的传输和命令传达。随着西部大开发、一带一路等国家战略的实施，管道建设成为连接东西、筑梦中国的重要举措，管道机器人在其中发挥着不可替代的作用。
在改革开放初期，我国工业生产力水平还比较低，各类智能化设备还处于空白的阶段，为加快我国的基础设计建设，以满足现代化建设的需求。我国大量引进了国外发达国家发展较早的机器人操作设备。其中，管道机器人作为引进项目之一，投入到了我国早期的管道建设。
最初的管道内机器人以一种无动力的装备进行工作，它无法长时间的运行，该设备依靠其管内形成的流体压力作为驱动力，然而，因为外力的持续运转，也会造成机械的故障而无法工作。随着科技的进步，近年来越来越多的科研人才和资金投入到管道机器人的研制中，开发了许多较为先进的智能管道内机器人。在计算机与互联网的双重作用下，直接加速了新兴管道内机器人的出现。目前，现有的管道机器人可以自行的行走和进行故障的处理，对相应的问题的反馈也能做到及时有效，实现精准操作。
由于我国资源西多东少的不合理分布，在日益发展的东部沿海城市，每天需要大量的资源供给消耗，而作为经济命脉的油气输送更是重中之重。因此，对于管道检测技术设备的需求非常迫切。
1.1 管道机器人国内外现状
国外对于管道机器人的研究开始的较早，70年代初，随着石油、天然气及核工业的迅猛发展，管道问题变得日益严峻，这大大刺激了管道检测技术及管道机器人系统的研究。1993年日本也开始对管道机器人进行研究，并且成功制作了微小管内机器人。作为工业和制造业一直领先于国际的美国，有很多大学和研究所前后制作出了管内机器人。其中较为先进的是长距离无缆式管内机器人，对于地下煤气管道的检测提供了很大的便利。但是也存在一些弊端，采用刚性支撑的结构使机器人在管内行走时履带间的夹角固定不变，因此这类机器人只能在单一的管内进行作业。
与国外发达国家管道内机器人先进的技术相比，我国的现有技术还赶不上世界的先进水平，在研究和应用发面有待提高。在油气资源大量分布的西北地区，如新疆、青海、甘肃等地，对于管道内机器人的需求更是日益增多。它在油气管道的检测、维护、故障排除等方面发挥了不可替代的作用。虽然，此项技术和国际的先进技术还有一定的差距，但是，它对于我国目前阶段的油气产业的发展起到了加速器的作用，直接助推了我国能源的快速有效供给。
为了方便、快捷、安全的输送到所需城市，其中最为合算的运输方式就是管道运输，它可以将运输成本降到最低，并可以长期有效的使用，对环境的影响几乎为零。
目前，我国在油气管道的设计和施工中多采用中小口径的管道，在检测点或主输油气管道会有大口径管道的使用，但是很少使用，随着东部城市对能源的需求日益增加，我国的油气管道铺设里程已达近50万公里，而且还以每年两千千米的速度铺设新的油气管道。
相较于西部干旱偏远地区，人口的稠密度相对较小，发生事故对人们生命财产的影响不大，但是对于南方潮湿多雨、化工业发达，容易引起酸性物质侵蚀管道造成管道安全事故，又因为城市人口稠密，各类建筑物密集排列，一旦管道事故发生定会造成不可估量的危害，因此应该倍加关注管道安全。
与火热的管道内机器人需求市场相比，较为冷清的管道机器人供给市场却难有较为先进的专业机器供给市场。一来国管道内机器人起步较晚，相关技术难点未能突破；二来就是国外先进技术的封锁，使得我国在技术引进方面难有成就。而且管道大多数都深埋地下，而所处的环境又比较复杂，针对管道的维修和清理难度变得更大了，尤其是针对开裂部分的补漏。这种情况下，就尤其需要管道机器人来发挥它的价值。
目 录
1 引言 1
1.1 管道机器人国内外现状 1
1.2 本课题研究的主要任务 3
1.3 本课题研究所采用的手段 3
2 管道检测机器人的总体设计 3
2.1 管道检测机器人的主体机构设计 4
2.1.1 选择管道机器人的行走方式 4
2.1.2 选取合适的驱动方式 5
2.1.3 传动齿轮设计 6
2.1.4 传动轴的设计 12
3 管道检测机器人的行走机构的分析 18
3.1 行走机构的设计 18
3.2 分析放大机构的力学性能 18
3.3 分析行走机构的伸缩量 20
3.4 对行走机构的受力分析 21
4 进行管道机器人的通过性分析 23
4.1 管道机器人进行大半径拐弯的原理 23
4.2 管道机器人进行小半径拐弯的原理 25
4.3 分析管道机器人的几何约束 27
4.3.1 建立管道机器人的几何模型 27
4.3.2 对矢量方法进行讨论 29
5 监视控制系统 34
5.1 摄像头的选择 34
5.2 摄像头的固定和调整 35
5.3 监视器 35
结 论 36
致 谢 37
参 考 文 献 38
1 引言
管道机器人作为新兴的工业产品，一上市就被各个领域广泛欢迎。尤其是在油气输送， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
通讯基建、化工原料等方面的应用急速加快。可以想象的是，管道内空间狭小、操作困难，一般人工操作施工无法开展，这就大大制约了管道建设的发展，而与此相应的基建设施也难以快速有效展开。管道内检测人的出现有效的解决了这类问题。
管道机器人是一种既可以在管道内作业，又可以检测管道外面情况的机电一体化设备，它可以同时携带一种或多种传感器及操作装置，根据远程系统的命令的控制，实现对机器人远程操作。管内机器人的系统的组成大概有以下几个部分：一是行走系统，也称之为移动载体；二是操作系统，也称之为环境检测，这是整个机器人的核心系统，它的功能是否有效直接关系着工程实施的进程；三是信、动、控系统，包括信号传递、动力的传输和命令传达。随着西部大开发、一带一路等国家战略的实施，管道建设成为连接东西、筑梦中国的重要举措，管道机器人在其中发挥着不可替代的作用。
在改革开放初期，我国工业生产力水平还比较低，各类智能化设备还处于空白的阶段，为加快我国的基础设计建设，以满足现代化建设的需求。我国大量引进了国外发达国家发展较早的机器人操作设备。其中，管道机器人作为引进项目之一，投入到了我国早期的管道建设。
最初的管道内机器人以一种无动力的装备进行工作，它无法长时间的运行，该设备依靠其管内形成的流体压力作为驱动力，然而，因为外力的持续运转，也会造成机械的故障而无法工作。随着科技的进步，近年来越来越多的科研人才和资金投入到管道机器人的研制中，开发了许多较为先进的智能管道内机器人。在计算机与互联网的双重作用下，直接加速了新兴管道内机器人的出现。目前，现有的管道机器人可以自行的行走和进行故障的处理，对相应的问题的反馈也能做到及时有效，实现精准操作。
由于我国资源西多东少的不合理分布，在日益发展的东部沿海城市，每天需要大量的资源供给消耗，而作为经济命脉的油气输送更是重中之重。因此，对于管道检测技术设备的需求非常迫切。
1.1 管道机器人国内外现状
国外对于管道机器人的研究开始的较早，70年代初，随着石油、天然气及核工业的迅猛发展，管道问题变得日益严峻，这大大刺激了管道检测技术及管道机器人系统的研究。1993年日本也开始对管道机器人进行研究，并且成功制作了微小管内机器人。作为工业和制造业一直领先于国际的美国，有很多大学和研究所前后制作出了管内机器人。其中较为先进的是长距离无缆式管内机器人，对于地下煤气管道的检测提供了很大的便利。但是也存在一些弊端，采用刚性支撑的结构使机器人在管内行走时履带间的夹角固定不变，因此这类机器人只能在单一的管内进行作业。
与国外发达国家管道内机器人先进的技术相比，我国的现有技术还赶不上世界的先进水平，在研究和应用发面有待提高。在油气资源大量分布的西北地区，如新疆、青海、甘肃等地，对于管道内机器人的需求更是日益增多。它在油气管道的检测、维护、故障排除等方面发挥了不可替代的作用。虽然，此项技术和国际的先进技术还有一定的差距，但是，它对于我国目前阶段的油气产业的发展起到了加速器的作用，直接助推了我国能源的快速有效供给。
为了方便、快捷、安全的输送到所需城市，其中最为合算的运输方式就是管道运输，它可以将运输成本降到最低，并可以长期有效的使用，对环境的影响几乎为零。
目前，我国在油气管道的设计和施工中多采用中小口径的管道，在检测点或主输油气管道会有大口径管道的使用，但是很少使用，随着东部城市对能源的需求日益增加，我国的油气管道铺设里程已达近50万公里，而且还以每年两千千米的速度铺设新的油气管道。
相较于西部干旱偏远地区，人口的稠密度相对较小，发生事故对人们生命财产的影响不大，但是对于南方潮湿多雨、化工业发达，容易引起酸性物质侵蚀管道造成管道安全事故，又因为城市人口稠密，各类建筑物密集排列，一旦管道事故发生定会造成不可估量的危害，因此应该倍加关注管道安全。
与火热的管道内机器人需求市场相比，较为冷清的管道机器人供给市场却难有较为先进的专业机器供给市场。一来国管道内机器人起步较晚，相关技术难点未能突破；二来就是国外先进技术的封锁，使得我国在技术引进方面难有成就。而且管道大多数都深埋地下，而所处的环境又比较复杂，针对管道的维修和清理难度变得更大了，尤其是针对开裂部分的补漏。这种情况下，就尤其需要管道机器人来发挥它的价值。
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