一种管道机器人结构与控制系统设计

摘要

在现代社会中，人们总要遇到各种各样的管道设施，而许多管道系统不是架设在空中就是深埋于地下，这样一来，通过人力对管道的内部进行检测就很不方便。本文研制的移动式管道机器人本身携带CCD摄像头，可以对一定口径的管道内壁进行检测，具有较高的实用价值。

本文首先对国内外管道机器人技术的发展做了综述，给出了移动式管道机器人本体结构设计方案，详细介绍了机器人的驱动机构、云台系统等环节的结构。

所讨论的机器人采用上下位机的控制模式，使用了目前在国内较为先进的光纤信来传送控制信号和来自CCD摄像机的图像信号。下位机以LPC2114为核心处理器，进行了移动式管道机器人行走电机的驱动控制设计、云台电机的驱动控制设计、RS232串口通信电路以及控制系统外围电路的讨论。

关键词：本体结构，控制系统，管道机器人。

Abstract

In modern society, people always encounter a variety of pipeline facilities, and many are not set up in the air piping system is buried underground, so that, through human testing within the pipeline is very inconvenient. This pipe mobile robot developed to carry CCD camera itself, you can certainly detect pipe wall diameter, has a high practical value. Firstly, the domestic and international pipeline robot technology summarized in this paper, given the structure of portable pipeline design of the robot body, detailing, the robot drive mechanism, heads and other aspects of the system structure.

Robot discussed by upper and lower computer control mode, using more advanced in the domestic fiber channel to transmit control signals and image signals from the CCD camera. The next crew to LPC2114 core processor for the mobile pipeline robot drive motor for control design, the design head of the motor drive control, RS232 serial communication circuit and control system peripheral circuit discussion.

Key word：Body structure,Control system, In-pipe robot.

目录

一、绪论 (1)

二、管道机器人技术综述 (3)

（一）车轮式管道机器人 (3)

（二）履带式管道机器人 (5)

（三）其他类型的管道机人 (5)

三、移动式管道机器人的本体结构设计 (7)

（一）移动式管道机器人的结构参数和特点 (7)

（二）移动式管道机器人的总体结构组成 (7)

（三）机器人本体结构设计 (8)

1、驱动机构 (8)

2、机器人本体密封及防腐 (9)

（四）机器人云台系统 (9)

四、移动式管道机器人控制系统硬件设计 (11)

（一）管道机器人的常规控制形式 (11)

（二）控制系统硬件总体设计 (12)

（三）电机驱动器设计 (13)

1、LPC2114简介 (13)

2、电机驱动器设计 (13)

3、步进电机驱动器设计 (15)

（四）外围电路设计 (16)

1、电源电路 (16)

2、复位电路 (17)

3、统时钟电路 (17)

4、S232电平转换电路 (17)

（五）供电及通信系统 (18)

五、移动式管道机器人控制系统软件设计 (19)

（一）直流电机控制的软件设计 (19)

1.转速计算及显示 (19)

2.电子换向的软件实现 (21)

（二）四串口通信程序设计 (22)

（三）上位机控制软件设计 (25)

结语 (26)

参考文献 (27)

致谢 (28)

一、绪论

在现代，无论是水力、火力发电站，还是煤气、自来水、工业用水和供热系统等公共设施，以及石油、化工等工业生产系统，都有纵横交错的管道。这些管道系统在输送各种液体和气体物质时，由于受振动、热循环、腐蚀、超负荷等作用，加上管道本身可能隐藏的内在缺陷(如裂纹、砂眼、接头处连接不良等)。寿命总是有限的。因此，许多管道系统难免在运行之中突然发生损坏而造成液体、气体物质的泄渗事故，不得不停工停产进行检修。这种事故有时造成的经济损失是巨大的。能不能在事故发生前就检查出潜在的有问题的管道而提前预防，是现代民用及工业企业中迫切需要解决的课题。由于管道系统或者埋在地下，或者架设在高空，或者管道内径很小，用人携带仪器检查十分困难，有时甚至根本无法做到。此外，有些危险和环境条件恶劣的工作场地。由人去检查会对人的健康带来严重损害。因此，有必要开发一种能够深入管道的可移动管道检测仪器代替人去完成上述工作。在这种情况下，管道机器人作为一种先进的管道检测手段纳入了国内外机器入研究开发人员的眼中。

管道机器人属于特种机器人的研究范畴，它在管道这个特定的极限环境中作业，通常携带各种探测仪器和作业装置，在操作人员的遥控或者计算机的自动控制下完成管道的检测或者维修工作。从上个世纪五十年代起，为了满足管道运输、自动清理以及检测的需要，美、英、法、日等国相继展开了管道机器人的研究。最初的研究成果就是一种无主动力的管内检测设备--PIG，该设备是依靠其首尾两端管内流体形成的压差为驱动力，使之随着管内流体的流动向前运动。随着机械、电子以及自动控制理论的快速发展，管道机器人的研究也在不断进步，人们从管道机器人的驱动结构、工作方式、控制系统等方面入手研究出许多样式的机器入。总的说来国外