城市排水管道机器人工程样机的研究

论文摘要

城市排水管道机器人作为特种机器人的一种,以其独特的功能,广阔的应用前景,正逐渐成为国内外各科研机构研究的热点。本课题源自哈尔滨市科技攻关计划项目“城市排水管道穿缆、检测机器人研究”,目的在于研制一台用于城市排水管道穿缆、检测的管道机器人样机。针对课题的研究目的,本论文完成了管道机器人的结构设计、控制系统设计、系统调试和性能验证实验等相关技术的研究。首先,深入分析了国内外管道机器人的结构特点,通过对机器人的驱动方式、传动方式和移动方式综合分析比较,从实用可靠的角度出发,采用了伺服电机驱动、滚子链传动、双履带运动和一体化箱体密封的机械本体结构,并利用Pro/E设计软件进行结构优化设计。在机械本体结构的基础上,进行了控制方案分析,制定了机器人的控制策略。其次,根据管道机器人运行环境的特点,设计了有缆操作、上下位机控制的系统结构。采用远程遥控控制系统,满足了机器人行走轨迹控制、位置检测、姿态调整的需求。以手持式控制器为上位机系统,方便了实际操作。而以纯数字伺服控制系统为下位机系统,用多速率控制策略和积分分离PID控制算法进行控制,更好地实现了期望的控制规律。选用NS-45/E2型倾角传感器检测机器人自身的姿态,实现了迅速、准确的数据采集,确保了行走的平稳性。最后,对管道机器人进行了系统调试,优化了机器人控制系统的各参数。对机器人样机进行了最大速度、转弯半径、负载能力、越障能力、纠偏能力、拖缆能力等性能测试实验,验证了管道机器人样机本体结构的可行性、电机驱动及姿态检测的可靠性,为管道机器人的实际应用打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 研制管道机器人的意义
• 1.3 国外管道机器人的发展现状
• 1.3.1 蠕动式管道机器人
• 1.3.2 脚式管道机器人
• 1.3.3 轮式管道机器人
• 1.3.4 履带式管道机器人
• 1.4 国内管道机器人的发展现状
• 1.5 管道机器人的关键技术
• 1.6 论文研究的主要内容
• 第2章 管道机器人总体设计
• 2.1 引言
• 2.2 机器人系统总体设计
• 2.2.1 机器人性能指标和设计要求
• 2.2.2 机器人系统设计思想
• 2.3 机器人本体结构
• 2.3.1 驱动机构
• 2.3.2 传动机构
• 2.3.3 移动机构
• 2.3.4 箱体结构
• 2.3.5 履带张紧机构
• 2.4 机器人系统控制方案
• 2.4.1 系统总体控制结构
• 2.4.2 系统硬件解决方案
• 2.5 本章小结
• 第3章 管道机器人控制系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 控制系统总体设计
• 3.3 上位机系统设计
• 3.3.1 上位机主控制器
• 3.3.2 电源管理电路
• 3.3.3 LCD接口电路
• 3.3.4 串行键盘电路
• 3.3.5 系统软件设计
• 3.4 下位机系统设计
• 3.4.1 电机驱动模块
• 3.4.2 码盘计数模块
• 3.4.3 姿态检测模块
• 3.5 伺服系统的模型
• 3.6 控制算法
• 3.7 通信协议
• 3.8 本章小结
• 第4章 管道机器人系统调试
• 4.1 引言
• 4.2 系统调试环境
• 4.2.1 硬件调试环境
• 4.2.2 软件开发环境
• 4.3 手持控制器调试
• 4.3.1 人机界面调试
• 4.3.2 通信调试
• 4.4 姿态检测模块调试
• 4.5 电机伺服驱动器调试
• 4.5.1 CPLD的逻辑调试
• 4.5.2 RS-485通信调试
• 4.5.3 PID参数调试
• 4.6 本章小结
• 第5章 管道机器人性能实验
• 5.1 引言
• 5.2 机器人性能实验
• 5.2.1 最大速度测试实验
• 5.2.2 转弯半径测试实验
• 5.2.3 负载能力测试实验
• 5.2.4 越障能力测试实验
• 5.2.5 纠偏能力测试实验
• 5.2.6 拖缆力测试实验
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢