开题报告蔡辉 管道机器人

江苏科技大学毕业设计（论文）开题报告概述表 学生姓名 蔡辉 班级学号 0640206203 指导教师 刘芳华 )题目毕业设计(论文 管路机器人设计开发——机械部分 选 题 的 目 的 和 意 义 在日常生活的自来水供应、煤气供应、飞机、船只、潜艇、核发电厂等环境中，存在着大量的管道。这些管道在经过一段时间的使用之后，由于腐蚀、重压等原因，不可避免地会出现裂纹、漏孔等现象，有些管道甚至由于污物无法排除而堵死，所以必须进入管道内部定期地对其进行检修，必要时进行疏通。然而管道内部往往是人们不易直接到达或不允许人们直接进入的，检修难度很大。管道机器人正是为了满足高效准确的管道检测维护任务而出现并发展起来的，其能够胜任通常采用人工作业的方式来完成的任务，降低了作业劳动强度高，提高了效率，并且能够进入狭小的空间，完成一些人力不便的工作。 目前来说，国内外针对小口径管道机器人的相关研究较多。国外的管道机器人以日本、德国等为主，研究集中在新颖驱动方式的开发及转向机构的研究。目前，管道机器人典型的驱动方式主要有：FMA(Flexible Micro Actuator)驱动、GMA(Giant magnetostrictive alloy)驱动、SMA驱动、小型便携式电池驱动及微波驱动等。典型的转向机构有：主动／被动铰链 、弹性体 、主动／被动引导球等 。国内也在这方面投入了大量的人力物力，目前比较成功的有上海交通大学的 SMA蚯蚓蠕动管道机器人(体积为35mm×35mm×35mm)，上海大学的基于正弦波驱动的管道机器人等。这些机器人具有体积小，质量轻的特点。但是缺点在于携带能力较弱，同时具有很低的行进速度。广东工业大学还在研究自带发动机的小型管道机器人，目前主要研究重点在气流管中,现在已经取得了阶段性的成果。但是，机器人结构尺寸不能满足小曲率半径弯管的过弯要求。 生活中管道的尺寸千变万化，如果针对每一规格的管道设计一个型号的管道机器人，不仅会极大地增加成本和设计工作量，而且不利于推广到实际应用中。这就要求所设计的机器人能够适应一定范围管径的管道或者是变径管道。 管道机器人的工作任务是完成管道检测维护，对于一些已投入使用的管道，管道内往往充斥着各种液体、气体等，如果将管道中的介质排尽再进行检测，不仅耗时耗力，而且增加了成本，有的甚至会导致施工量太大而根本无法进行。这就需要在管道正常工作时，机器人直接进入管道内介质环境工作，由此会带来机器人行走阻力增大、机体密封、能耗增大等一系列问题。 故有必要设计一种能适应管径变化并且能在充满介质的环境工作的管道机器人。 国 内外 研 究． 管道机器人的研究，涉及的面很广。不仅需要新概念，新理论而且还须新材料，新工艺。它是真正机、电、光、磁等一体化的开始，为许多领域的应用研究开拓了道路，是当前世界上有极好前景的科技领域之一。70年代电子技年90术、计算机技术、自动化技术的发展和进步，国外的管道机器人技术于 现 状 及 存 在的 问 题 代初得到了迅猛发展并接近于应用水平。 日本对管道机器人的研究较早，T.Morimitsu等人于1987年成功研制了一种振动式管内移动机器人，其工作原理是在机器人的外表面装有若干与机器人本体成一定角度的弹性针，靠弹性针的变形使管道机器人压紧在管道内壁上。管道机器人的机身内装有由电动机驱动的偏心重物，当偏心重物旋转时，所产生的离心力使弹性针变形、滑动，从而带动管道机器人整体移动。 日本东京工业大学航空机械系ShigeoHirose和HidetakaOhno等人于1993年开始研究管道机器人，先后研制成功适用于中Φ50mm管道的TheS-I、TheS-Ⅱ型管道机器人和适用于中Φ150mm管道的TheS-Ⅲ型管道机器人。 日本osaka煤气公司的Y.KawaguChi等人于1995年研制成功的管道机器人系统的行走装置则采用内外轮结构，由电动机驱动的内轮为磁性轮，系统携带彩色摄像头，并通过棱镜改变成像方向，该机器人采用光纤进行通信，可以检测管径为中200mm的铁管，一次作业的检测距离不大于5OOm，该管道机器人系统自带电源，电源有普通型电源(8.4V/1.5A)和增强型电源(16.8V/3.OA)两种模式。 日本横滨国立大学电子与计算机工程系ChiZhu等人于2000年研制成功用于检测污水排放管道的管道检测机器人，该管道检测机器人适用于管径为中Φ200mm的管道。 美国纽约煤气集团公司(NYGAS)的DPahneD Zurk。和卡内基梅隆大学机器人技术学院的HagneSchempf博士在美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的资助下2001年开发了长距离、无缆方式的管道机器人系统—EXPLORRE，专门用于检测地下煤气管道的状况。 西班牙的JorgeMoraleda、AnibalOllero和MarianoOrte等人于1999年在ASA基金及西班牙军工基金的资助下，利用水流喷射产生的冲力作为驱动力研制成检测地下输水管道内部状况的管道机器人系统，该机器人系统通过两个高清晰度的彩色摄像头、相应的控制和通信模块，采用双图象处理算法(Twoimage-pr0CeSSingalgorithm)实现管道内部裂缝长度的检测和管道有效直径的确定。 德国H-B.Kuntze和H.Haffner于1998年采用四轮独立伺服驱动方案研制成管道机器人系统KARO，该机器人系统装备有高分辨率彩色摄像头、光学传感器、超声传感器、微波传感器、以实现对中Ф200mm的地下输水管道的检测，一次检测作业距离超过400m，系统采用拖缆控制方式。 德国学者BernhardKlaaSSen、HermannStreich和FrankKirehner等人在德国教育部的资助下于2000年研制成功了多关节蠕虫式管道机器人系统——MAKRO。该机器人由六节单元体组成，其头部和尾部两个单元体完全相同，每个单元体之间的节点由三个电动机驱动，使得MAKRO可以抬起或者弯曲机器人本体，从而可以轻松越过障碍物或实现拐弯运动，该管道机器人系统AKRO具有21个自由度，长度为2m，重量为50kg，采用无缆控制方式，MAKOR系统适用于直径为中Ф300mm-Ф6OOmm的管道。 我国对管道机器人的研究己有10余年的历史，中国科学院沈阳自动化研究所、上海交通大学、上海大学、哈尔滨工业大学、大庆石油管理局、胜利油田等单位都进行了这方面的研究工作。 哈尔滨工业大学的邓宗全等人早在1987年起就对管内行走机构进行了较实验样机和平面四点“螺旋驱动式管内移动机器人”先后研制了深入的研究， 支撑的“RIP-R型管内移动机器人”实验样机，1997年10月又研制出航空输油管道管内喷涂机器人。 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 E爬行时蠕动前进与 后退的动作设计的。其主要机构由(1)撑脚机构、(2)气缸、(3)软轴、(4)弹簧片、(5)法兰盘组成。蠕动运动为：气缸 2a动作，气缸活塞左移，松开前撑脚；气缸 2c动作，气缸活塞左移，撑紧后撑脚；气缸2b动作，气缸