轮式排水管道检测机器人设计理论与实验研究

论文摘要

管道机器人属于特种作业机器人的一种,它综合了智能移动载体技术和管道缺陷无损检测技术。这类机器人能进入人所不及、人力所限的复杂多变的非结构管道环境中,通过携带一种或多种传感器及操作、作业装置,对工作中的管道进行在役检测、清理、维护,以保障管道的安全和畅通无阻地工作。特别是对穿越河流、铁路、道路的特殊管道或埋地管道的重要部位进行有选择的作业时,管道机器人具有独特的优势。本论文结合大庆市科技攻关项目、黑龙江省教育厅研究生创新科研基金项目,基于管道机器人共同的关键技术问题,结合排水管道的作业需求,采用仿真和实验相结合的方法,对轮式排水管道检测机器人的机械结构设计、参数优化、动力学特性研究以及运动控制进行了深入的研究,并研制出轮式排水管道检测机器人样机,进行样机的综合性能实验。以轮式排水管道检测机器人为研究对象,在研究中发现,针对轮式管道机器人的移动载体,在满足拖动能力、行进速度等性能指标的要求下,通过轮径、轮距、转矩、转速等参数的改变,能够使机器人的质量得到一个较小、较优的数值,实现机器人的整机轻巧,使用方便,降低制造成本。为此,首次提出了基于遗传算法的轮式管道机器人的参数优化方法,并通过ADAMS仿真验证了其可行性。设计了机器人的移动载体,对机器人移动载体的牵引力、行走能力、爬坡能力做了大量的实验,通过实验数据与理论分析对比,详细的研究机器人的运动性能。为了满足机器人水管道的带压作业要求,对机器人的密封、防腐作了研究、设计。对机器人移动载体的驱动电机、云台位姿调整电机进行了选择和控制理论研究。设计了一套具有2自由度的CCD云台,为CCD准确全方位的反映管内形貌提供了保证。并通过各种传输方案的比较,将光电复合缆作为系统通信和电力传输介质引入系统当中。尽管本文的研究基本实现了研究目标,但整个系统还存在缺点和不足,在本文的最后,对整个论文的工作和研究成果进行了总结,并提出了下一步的研究工作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 前言
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源、研究背景及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究背景及意义
• 1.2 管道机器人的发展状况
• 1.2.1 国外发展状况
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.3 管道机器人的关键技术
• 1.4 课题研究的主要内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 轮式排水管道检测机器人的总体设计
• 2.1 机器人系统方案的对比分析
• 2.2 机器人系统组成
• 2.3 机器人移动载体结构设计
• 2.3.1 移动载体驱动方式的选择
• 2.3.2 载体驱动轮的设计
• 2.3.3 驱动机构的传动设计
• 2.3.4 载体功能区设计
• 2.3.5 载体防腐、密封设计
• 2.4 机器人电力供给系统设计
• 2.5 机器人云台系统设计
• 2.5.1 云台系统的功能与组成
• 2.5.2 云台的控制系统设计
• 2.6 机器人信息传输系统设计
• 2.7 机器人监控系统的实现
• 2.8 机器人的系统参数
• 2.9 本章小结
• 第三章 管道机器人动力学特性及参数优化
• 3.1 驱动电机功率的确定
• 3.2 管道机器人的理论牵引力分析及计算
• 3.3 管道机器人拖缆力的理论计算方法研究
• 3.3.1 直管中的拖缆力计算
• 3.3.2 弯管中的拖缆力计算
• 3.3.3 拖缆阻力的一般性计算公式
• 3.4 管道机器人的参数优化方法研究
• 3.4.1 机器人牵引力的数学模型
• 3.4.2 机器人设计参数的优化模型
• 3.4.3 遗传算法简介
• 3.4.4 基于遗传算法的优化仿真计算
• 3.4.5 优化结果的动力学仿真
• 3.5 管道机器人的管道适应性研究
• 3.6 本章小结
• 第四章 管道机器人的控制系统研究
• 4.1 管道机器人控制系统硬件设计
• 4.1.1 管道机器人的常规控制形式
• 4.1.2 电机驱动系统设计
• 4.2 管道机器人控制系统软件设计
• 4.2.1 上位机控制系统软件设计
• 4.2.2 下位机控制系统软件设计
• 4.3 串口通信程序设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 管道机器人综合性能的实验研究
• 5.1 机器人下位机控制性能测试
• 5.2 机器人的行走性能测试
• 5.2.1 行走速度测试
• 5.2.2 牵引能力测试
• 5.2.3 爬坡能力测试
• 5.3 机器人云台性能测试
• 5.4 机器人的监控性能实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要