管道机器人毕业设计

设计内容主要结论

第一章概述

1. 1 机器人概述

机器人----这一词最早使用始于1920年至1930年期间在捷克作家凯勒尔*

凯佩克（Karel capek）的名为"罗莎姆的万能机器人"的幻想剧中，一些小的

人造的和拟人的傀儡绝对地服从其主人的命令。这些傀儡被称为“机器人”。

该单词起源于捷克语“robota”。意思是“强制的劳动”。

机器人的组成与人类相似。举例说，人搬运某一物体的运动过程可用图（a）

所示的方块图来说明。首先，人听到外部的命令或用眼睛看到外部的指令，并

由眼睛测量出距离。感受到这两种信息经过感觉神经送到大脑中，大脑经过分

析计算，然后通过运动神经发出指令，手臂用最好的方式伸向物体，并将物体

抓住，手上的感觉神经，感觉物体已经抓牢了，把信息传给大脑。大脑命令手

抓起物体，同时指令脚移动到所要求到达的地点，最后放下物体。一般包括以

下几个部分见图（b）：

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1----能源2----控制系统3----收放线装置

4----X射线控制5----驱动装置6----X射线机

7----视觉定位装置8----防护罩9----管道壁

上海交通大学研发了小口径管道内蠕动式移动机构。它是模仿昆虫在地面

上爬行时蠕动前进与后退的动作设计的。其主要机构由撑脚机构、三个气缸（前

气缸、中气缸、后气缸）、软轴、弹簧片、法兰盘组成。针对微小空间、微小

管道实时探测的要求，研制成电磁驱动微小型管道机器人样机。微小管道机器

人由四个电磁驱动单元组成。其驱动机理模拟生物体的蠕动爬行。它是通过给

线圈加一系列的时序脉冲进行控制，依次使各单元动作，达到蠕动爬行的运动。

西安交通大学设计制作了蠕动式微动直线自行走机构。这种行走机构以电

致伸缩微位移器做驱动器，以电磁铁机构作为可吸附于行走表面的保持器。

广州工业大学借用仿生学原理，研制成结构独特的，像蠕虫一样的微管道

机器人的运动由电磁力驱动。机器人由前后两个电磁线圈和前后两个驱动器组

设计内容主要结论成。当分别通电时，机器人的两个驱动器相互吸合收缩。当后电磁线圈断电时，

后部突然放松，由此产生的推力将机器人前部(前驱动器)向前推进一段距离；

反向运动依次类推。

1.3.2 国外管道机器人的发展

国外关于燃气管道机器人的研究始于20世纪40年代, 由于70年代的微电子

技术、计算机技术、自动化技术的发展, 管道检测机器人技术于90 年代初，

得到了迅猛发展并接近于应用水平。

日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期, 70年代的实用期, 到80年代进

入普及提高期, 开始在各个领域内广泛推广使用机器人。日本管道机器人众多,

东京工业大学于1993年开始研究管道机器人, 并且成功研制出Thes系列的机器

人，以下介绍Thes2Ⅲ型管道机器人：如图（1）所示, 其采用“电机- 蜗轮蜗

杆- 驱动轮”的驱动方案, 同时

每个驱动轮都有一个倾斜角度

测量轮, 通过测量轮探测机器

人的倾斜角度, 并反馈给电机

从而保证管道机器人的驱动轮

以垂直的姿态运动。该管道机

器人系统通过CCD摄像头实现信息的采集, 整个系统采用拖缆控制方式, 检测

距离超过100m。

美国是机器人的诞生地, 早在1962 年就研制出世界上第一台工业机器人,

是世界上的机器人强国之一, 其基础雄厚, 技术先进, 并有很多管道机器人产

设计内容主要结论品。美国Inuktun公司系列管道检测机器人Versatrax是国外现有的已成型管道机

器人。美国纽约煤气集团公司(NYGAS) 的DaphneDpZurko 和卡内基梅隆大学

机器人技术学院的HagenSchempf博士在美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的

资助下于2001年开发了长距离、无缆方式的管道机器人系统———EXLORER,

专门用于检测地下煤气管道的情况, 如图2 所示。

该管道机器人系列EXLORER就有如下特征: ( 1) 一次作业检测距离长,

采用无缆方式, 自带电池并且电池可以多次反复充电, 使管道机器人具有良好

的自推进能力。( 2) 可以在铸铁和钢质煤气管道中, 低压和高压条件下工作。

(3) 管道机器人的彩色摄像头采用嵌入式“鱼眼”镜头, 结构非常紧凑。(4) 可

以顺利通过90°的弯管接头和垂直管道。( 5) 与外部操作人员采用无线通讯方

式。( 6)该管道机器人可以探测煤气管道内部是否水渗透、碎片堆积; 可以确定

管道内部缺陷的确切位置并且定位相应的作业装置; 采用视频图像的形式准

确地反映管道内部的状况条件。

德国工业机器人的总数占世界第三位, 仅次于日本和美国。德国学者

设计内容主要结论

（2）操作机构的设计

根据管道机器人的操作对象是一些堆积的灰尘，并且灰尘在管道底部堆

积，同时成疏松状，所以操作机构有以下两种方案：

①借鉴挖掘机的工作原理。利用铲斗铲起灰尘，然后行走到管道底部的

垃圾开口，倾倒灰尘。这种方案简单，可靠；但是由于管道直径的限

制，其铲斗的容积比较小，同时垃圾开口每隔50m才有一个开口，其

大部分时间都在行走上，所以机器人的工作效率很低。

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②借鉴吸尘器的工作原理。利用带有操作臂的吸尘器的吸头，灰尘通过

吸尘管道到主体内部，设计箱体的容积比较大，最后，移动到垃圾开口处倾倒

垃圾，从而减少在往返的次数来提高工作效率。

所以才用具有两个自由度的机械臂，臂末端附上吸尘器头，臂上附上塑料

软管，软管最终以主体的垃圾箱密封连接。

（3）撑开机构的设计

由于管径的变化，需要撑开机构来适应管径的变化。在本机器人设计中，采

用滚珠丝杠螺母副来和放大杆组来实现。其机构简图如下图所示：

1—基座2—放大杆组3—撑开杆4—丝杠5—丝杠螺母6—行走机构1—基座2—放大杆组3—撑开杆4—丝杠5—丝杠螺母6—行走机构