一种管道机器人结构与控制系统的设计

摘要在现代社会中，大家总要碰到多种多样管道设施，而很多管道系统不是架设在空中就是深埋于地下，这么一来，经过人力对管道内部进行检测就很不方便。

本文研制移动式管道机器人本身携带CCD摄像头，能够对一定口径管道内壁进行检测，含有较高实用价值。

本文首先对中国外管道机器人技术发展做了综述，给出了移动式管道机器人本体结构设计方案，具体介绍了机器人驱动机构、云台系统等步骤结构。

所讨论机器人采取上下位机控制模式，使用了现在在中国较为优异光纤信来传送控制信号和来自CCD摄像机图像信号。

下位机以LPC2114为关键处理器，进行了移动式管道机器人行走电机驱动控制设计、云台电机驱动控制设计、RS232串口通信电路和控制系统外围电路讨论。

关键词：本体结构，控制系统，管道机器人。

AbstractIn 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）其它类型管道机人 (5)三、移动式管道机器人本体结构设计 (7)（一）移动式管道机器人结构参数和特点 (7)（二）移动式管道机器人总体结构组成 (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介绍 (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）直流电机控制软件设计 (19)1.转速计算及显示 (19)2.电子换向软件实现 (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)参考文件 (27)致谢 (28)一、绪论在现代，不管是水力、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，和石油、化工等工业生产系统，全部有纵横交错管道。

这些管道系统在输送多种液体和气体物质时，因为受振动、热循环、腐蚀、超负荷等作用，加上管道本身可能隐藏内在缺点(如裂纹、砂眼、接头处连接不良等)。

寿命总是有限。

所以，很多管道系统难免在运行之中忽然发生损坏而造成液体、气体物质泄渗事故，不得不停工停产进行检修。

这种事故有时造成经济损失是巨大。

能不能在事故发生前就检验出潜在有问题管道而提前预防，是现代民用和工业企业中迫切需要处理课题。

因为管道系统或埋在地下，或架设在高空，或管道内径很小，用人携带仪器检验十分困难，有时甚至根本无法做到。

另外，有些危险和环境条件恶劣工作场地。

由人去检验会对人健康带来严重损害。

所以，有必需开发一个能够深入管道可移动管道检测仪器替换人去完成上述工作。

在这种情况下，管道机器人作为一个优异管道检测手段纳入了中国外机器入研究开发人员眼中。

管道机器人属于特种机器人研究范围，它在管道这个特定极限环境中作业，通常携带多种探测仪器和作业装置，在操作人员遥控或计算机自动控制下完成管道检测或维修工作。

从上个世纪五十年代起，为了满足管道运输、自动清理和检测需要，美、英、法、日等国相继展开了管道机器人研究。

最初研究结果就是一个无主动力管内检测设备--PIG，该设备是依靠其首尾两端管内流体形成压差为驱动力，使之伴随管内流体流动向前运动。

伴随机械、电子和自动控制理论快速发展，管道机器人研究也在不停进步，大家从管道机器人驱动结构、工作方法、控制系统等方面入手研究出很多样式机器入。

总说来国外部分国家管道机器人技术发展已经比较成熟，基础上进入了使用化阶段。

中国对管道机器人研究开始于上个世纪八十年代未期，哈尔滨工业大学、上海交通大学、广州工业大学和上海大学等高校和科研院所全部做了这方面工作，在理论上和实用上取得了很大进步。

即使如此，我们管道机器人技术还远远地落后于发达国家，存在机器人负载能力差，工作时间短，检测精度不够高，检测距离短，不利于商品化等缺点。

就排水管道而言，现在中国还没有比较优异检测方法，大多数采取开挖方法进行检测。

在管道机器人发展过程中，控制系统设计是一个十分关键问题。

传统控制策略应用于机器人运动控制是最普遍，如PID控制。

只要被控对象数学模型是比较正确、改变不大、近似于线性，传统PID控制能够满足这种情况下管道内作业机器人控制要求。

现在，在计算机技术发展和实际应用需求激励下，多种新型、优异、智能控制策略也应运而生，并快速在实际系统中得到应用、改善和发展，如自适应控制、鲁棒控制、估计控制、模糊控制、教授控制、神经网络控制等。

在这些控制策略中，有已经在机器人控制领域得到了实际应用，而有仍处于不停丰富研究过程中。

针对于中国管道机器人研究情况和背景，在查阅了大量中国外文件基础上，结合大庆市科技局一个科技攻关项目，本文提出了一个合理移动式管道机器人实现方案，在机器人本体机构、检测方法、通信和控制系统等方面全部采取了目前中国优异技术。

关键讨论了对移动式管道机器人控制系统设计和研究，从软硬件角度介绍了移动式管道机器人设计过程，完成了系统硬件设计和调试，软件编制和调试。

在机器人研制过程中采取了改善积分分离PID控制策略，经过样机试验结果表明设计合理性和有效性。

同时，对自适应模糊控制方法进行了研究，设计了无刷直流电机自适应模糊控制器，经过仿真结果验证算法可行性。

移动式管道机器入作为一个新型管道检测设备，正在被越来越多人关注和研究，它应用前景将十分宽广。

二、管道机器人技术综述机器人技术属于自动化领域高科技范围之一，研制机器人关键目标之一就是要替换人在危险或人无法抵达环境下作业。

现代机器人技术起源于遥控主从型机械手，它是在第二次世界大战期间为了对付放射性材料而发展起来，为此，四十年代后期美国橡树岭和阿尔贡国家试验室开始研制遥控式机械手，用于搬运放射性材料。

上个世纪五十年代，伴随电子计算机快速发展，使得机器人发展步伐加紧，这也使大家研究能自主、反复操作愈加复杂机器人系统成为可能。

随即，美国Unimation企业于1962年制造了实用机器人，并取名为Unimate。

紧接着，欧洲第一台程序控制一号操作工业机器人于1963年由瑞典一家企业推出，这标志着机器人在工业生产中应用时代已经到来。

进入八十年代，现代工业生产技术从大批量生产自动化时代进入多品种自动化时代，于是，工业机器人在这个时代中起着越来越关键作用。

在上述非结构环境中作业机器人统称为特种机器人。

现代传统机器人和特种机器人属于两个不一样应用范围，因为在上述环境中作业特种机器入研究开发必需性显得越来越关键，很多国家把特种机器人研究列入国家和各国合作计划，并给强有力经济和技术支持，所以特种机器人研究和开发含相关键战略意义。

现代工农业及日常生活中使用着大量管道，石油、天然气、化工等领域也应用了大量管道，这些管道大多埋在地下或海底，输送距离近千里，它们泄漏会造成严重环境污染甚至于引发火灾，多数管道安装环境大家不能直接抵达或大家无法直接介入，所以，质量检测、故障诊疗课题十分迫切地摆在我们面前。

管道检测技术始于上个世纪50年代[1]，因为当初天然气等大口径管道发展激励大家去研究一个管内检测设备，这就是我们通常历说一个无动力管内清理检测设备--PiG[2]，该设备简单、实用，在一定程度上处理了天然气管道检测问题。

到了70年代末，伴随检测技术发展，PIG技术已经成熟。

现在英、日、美、德、法等国大企业PIG产品已经实用化、商品化。

PIG特点是实用性好、行走距离远，可达300公里左右，而且不拖线作业，不过PIG类检测设备无自动行走能力，移动速度及检测区均不易控制，严格说来它不能算做是机器人。

管道机器人快速发展时期还是始于上个世纪80年代，它属于特种机器人研究范围[3-5]，能够在管道这个特定极限环境中作业，通常携带多种探测仪器和作业装置，在操作人员遥控或计算机自动控制下完成管道检测和维修工作，检测作业项目包含防腐情况、对接管道焊缝质量、管道内腐蚀程度、防腐层厚度、管壁缺点等；维修项目包含清扫、补口、焊接等。