毕业设计论文直进轮式管道机器人设计文档格式.docx

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1.1本课题的研究目的和意义1

1.2国内外管道机器人的发展状况2

1.3国内外管道机器人的发展趋势8

1.4论文的研究内容10

2管道机器人总体方案设计11

2.1实现管内行走的几种典型机构11

2.1.1螺旋轮式11

2.1.2蠕动式12

2.1.3直进轮式13

2.2直进轮式全主动管内机器人的运动机理17

3管道机器人的移动机构分析与设计18

3.1管道机器人管内行走的基本条件18

3.2直进轮式移动机构分析19

3.2.1轮式移动机构的原理19

3.2.2轮式移动机构的特点19

3.3直进轮式移动机构的运动分析21

3.3.1运动自由度分析21

3.3.2运动速度分析21

3.4移动机构的受力分析23

3.4.1受力分析时的一些假设条件23

3.4.2移动机构前进时的受力分析24

3.5直进轮式移动机构设计计算27

3.5.1直流电机的选择27

3.5.2传动部位的设计计算29

3.5.3机架的设计31

3.5.4标准件选择31

3.5.5拉伸弹簧的设计32

3.6管道机器人在管道中运动通过性分析32

3.6.1曲率半径大小的影响32

3.6.2微型管道机器人适用的管道口径33

4直进轮式管道机器人实体建模34

4.1Solidworks软件简介34

4.2关键零部件的实体建模过程35

4.3主要部位的连接36

4.4装配图的实现37

5总结38

参考文献40

致谢41

附录42

1绪论

管道作为一种有效的物料输送手段，在一般工业、核设施、石油天然气、军事装备等领域中都得到广泛的应用，本题目要求设计一个结构紧凑的管道内行走装置，提高驱动效率。

本次设计重点在于设计一个直径轮式驱动装置，要求此驱动装置简便，拖动效率高且适应性好。

任务书

毕业论文是考核大学生业务成绩的重要依据之一。

毕业论文的撰写必须遵循如下原则，即：

正确性，客观性，公正性，前瞻性和可读性。

为了提高毕业论文的质量，实现毕业论文在内容和格式上的规范化与统一化，特作如下规定:

（内容要求）：

层次分明，数据详实，文字简练，推理有据，立论严谨。

说明书（论文）内容一般由9个主要部分组成，依次为：

1．封面：

2．任务书；

3．中文摘要；

4．目录；

5．符号说明：

6．论文正文；

7．参考文献；

8．附录；

9致谢。

（二）撰写规范：

封面上的内容可用钢笔填写，亦可用计算机打印，必须正确无误。

题目不得超过25个汉字。

题目下空一行居中打印“摘要”二字（三号黑体），字间空一格。

“摘要”二字下空一行打印摘要内容（四号宋体）。

每段开头空二格，标点符号占一格。

中文摘要字数为300字左右。

摘要内容后下空一行打印“关键词”三字（四号黑体），其后为关键词（四号宋体）。

“目录”二字（三号黑体），下空二行为章、节、小节及其开始页码。

章、节、小节等顺次以一，1、1．1、1．1．1………等数字依次标出。

标题；

每章标题以三号黑体居中打印；

“章”下空2行为节号与节标题，节号以LX的形式标注（如2．3为第二章第三节），以四号黑体左起顶格打印；

节号与节标题下空一行为小节号与小节标题。

换行后打印论文正文。

正文：

采用小四号宋体打印，英文正文用小四号TimesNewRoman。

图；

图中标注、图题用中文字体为五号宋体。

引用图应在图题右上角标出文献来源。

图号按章顺序编号，如图3-2为第三章第二图。

如果图中含有几个不同部分，应标注分图号，并在图题下列出各部分内容。

绘图必须工整、清晰、规范。

其中机械零件图按机械制图规格要求；

示意图应能清楚反映图示内容；

照片应在右下角给出放大标尺；

实验结果曲线图应制成方框图。

表格：

表格按章顺序编号，如表5-4为第五章第四表。

公式：

公式书写应在文中另起一行。

公式后应注明序号，按章顺序编排。

参考文献：

参考文献应按科技部规定的格式书写，具体格式如下专著：

[序号]著者，书名，版次，出版地，出版者，出版年，起讫页期刊：

[序号]著者，文章题目，刊名，出版年，卷（期），起讫页论文集：

[序号]著者，文章题目，编者，论文集名，出版地，出版者报纸：

[序号]著者，报纸名，年，月，日，版次出版年，起讫页参考文献中每条项目应齐全。

附录顺次为附录1，附录2。

．．．编号。

附录中的图和公式另编排序号，与正文分开。

（三）打印及装订要求：

学生论文内容推荐采用计算机打印，要求用A4纸单面打印，上、下各20mm，左25mm，右空15mm，装订线5mm。

页眉12mm页脚15mm。

用学院印刷的统一封面装订成册，装订的论文应整洁、美观。

论文纸页眉一律为“内蒙古化工职业学院毕业论文用纸”和“第页”，为小五号宋体1.1课题的研究目的和意义

深邃的大海中埋藏着长长的海底管道，用来传送石油、天然气。

而一旦出现缺陷，不仅会造成能源浪费，还严重污染海洋环境。

如何精确检测海底管道，防患于未然。

我国海底管道铺设时间普遍较长，有30、40年之久,石油管道长期处于压力大、温度高的恶劣环境中，不仅受到水、油混合物的浸蚀，而且还受到硫化氢等有害气体的腐蚀,部分管段管壁变薄，强度变低，出现裂缝导致石油泄漏等故障,存在重大安全生产隐患。

一般情况下，管道所处的环境往往是人们不易或不能直接接触的。

因此，对于管道的检测和维护，成了工业生产中的一道难题。

由此产生了管道机器人并且受到了国际各方面的广泛关注。

管道机器人是一种可在管道内、外行走的机电一体化装置,它可以携带1种或多种传感器及操作装置（如CCD摄像机位置和姿态传感器、超声传感器、涡流传感器、管道清理装置、管道接口焊接装置、防腐喷涂装置等操作装置）,在操作人员的远距离控制下进行一系列的管道检测维修作业。

一个完整的管道机器人系统应由移动载体（行走机构）、管道内部环境识别检测系统（操作系统）、信号传递和动力传输系统及控制系统组成。

其中移动载体和管道内部环境识别检测系统是管道机器人系统的核心部分。

最近20年来，国内外对管道机器人驱动装置进行了较为深入和广泛的研究，设计出多种移动装置。

根据移动载体和驱动原理的不同，可以分为全驱动直进式、螺旋驱动式、电磁驱动式、压电驱动式，以及履带式等。

目前管道检测机器人只能对某种特定内径的管道检测。

本人在分析现有管道检测机器人的基础上，进行了管道检测机器人驱动机构的研究。

该检测机器人基于直进轮式驱动原理，采用可调整三轮驱动结构，以适应一定管径的变化。

[1]

1.2国内外管道检测技术的研究现状

在工业、核工业、石油天然气等领域中，管道作为一种有效的物料输送手段而得到广泛应用，为了提高管道寿命，防止泄漏等事故的发生，管道机器人作为满足高效准确的故障诊断、检测及维修的手段应运而生，其广泛地应用于管道的探伤、补口、维修、焊接等诸多领域。

而管道中又存在着直径大小不等的细小管道，针对这种细小工业管道检测作业的研究，成为人们关注的一个热点，因其管径太小，不可能用常规的机构、元器件和加工方法制作，而要用密集的、集成度方面比过去高得多的元器件，针对微小型特点的制作方法去实现，这种技术在日本称为MicroMachine。

近年来，由于微机械的出现，这种基于IC工艺和精密加工工艺发展起来的新技术，具有尺寸小、集成度高、功能独特等特点，潜在应用价值较大，也为细小管道微机械的开发铺平了道路，引起世界各国重视。

轮式驱动因在直管中具有效率高、运动平稳等特点而成为管道机器人的主要驱动方式。

[2]

但轮式驱动方式在遇到弯管或不规则管等情况时会发生运动干涉问题，严重限制了轮式管道机器人的应用。

现有的解决办法是采用多个电机独立驱动，然而这种方法的实时性和柔顺性还不够理想，并且由于多个电机占据了大部分空间，而限制了轮式管道机器人在中小型管道中的应用。

[3]下面介绍一下几种国内外的发明与探索。

从20世纪50年代起,为满足长距离管道运输、检测的需要,美、英、法等国相继展开了管道机器人的研究,其最初成果就是一种无动力的管内检测设备,一般译名称“管道猪”（PipePig）[4]。

该设备依靠其首尾两端管内流体形成的压力为驱动力,随着管内流体的流动向前运动。

它是一种被动的无自主动力的检测设备,依靠外力的作用而实现在管道中移动。

随着计算机、传感器、控制理论及技术的发展,近些年来,人们开始研究采用具有自主动力的机器人来进行管道检测。

这种管道机器人能在管道中自主行走,可以准确接近管道的故障截面,获得故障状况的可靠信息,精确到达操作位置。

经过分析与研究发现，直进轮式管道机器人主要有两种驱动方式：

单电机驱动和多电机独立驱动。

单电机驱动是由一个电机通过蜗杆传动机构或锥齿轮传动机构将动力传递给圆周均布的驱动轮，驱动机器人前进。

[3]由于这种驱动方法是刚性传动，使机器人在通过不规则管道时发生运动干涉，导致机器人工作效率下降，加速磨损，降低使用寿命。

针对这个问题，人们提出多电机独立驱动，利用传感器采集管道参数，由控制系统进行分析和计算，再分别驱动多个电机来实现管道机器人对管道环境的适应。

由于管道环境复杂，环境信息采集和处理困难，致使多电机驱动的机器人控制系统复杂且稳定性较差，实时性和柔顺性不够理想，并不能完全解决直进轮式管道机器人通过不规则管道时发生运动干涉的问题。

下面为部分最新的科研成果。

1.2.1机械自适应管道机器人[3]

为了使机械自适应管道机器人驱动单元有较大的负载能力、均匀的速度、较强的管道环境适应能力，通过对目前管道机器人结构特点进行分析比较，来自哈尔滨工业大学和北京大学的唐德威、梁涛、姜生元、邓宗全、于伟真等人设计了一种具有管道自适应能力、单电机驱动的直进轮式管道机器人驱动系统，其原理图1.1所示。

该机器人驱动系统由控制单元、行走单元、中央差速单元及预紧变径单元组成。

1-预紧变径单元2-行走单元3-同步带4-驱动轮5-管壁

6-控制单元7-中央差速单元8-离合器

图1.1机械自适应管道机器人原理图

1.2.2机械自适应管道机器人工作原理如下：

（1）电机输出的动力经由离合器，通过控制单元控制，可分别传递到预紧变径单元和中央差速单元。

（2）中央差速单元根据管道环境条件进行自动差速分配，再通过行走单元传递到各驱动轮，驱动机器人本体向前或向后移动。

（3）预紧变径单元中装有压力传感器，控制单元通过该传感器测量预紧力，当预紧力超过系统设定值时，控制离合器改变动力传递方向至预紧变径单元，调节预紧力大小直至满足系统设定要求。

1.2.3机械自适应管道机器人的特点

机械自适应管道机器人最大的特点就是具有机械自适应能力，利用机械方法，解决了直进轮式管道机器人遇到弯管或不规则管时发生运动干涉的问题；

同时，系统中采用圆周三点、前后两排轮的