一种管道机器人结构与控制系统设计Word格式文档下载.doc
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（一）移动式管道机器人的结构参数和特点……………………………………7
（二）移动式管道机器人的总体结构组成………………………………………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）管道机器人的常规控制形式………………………………………………11
（二）控制系统硬件总体设计……………………………………………………12
（三）电机驱动器设计……………………………………………………………13
1、LPC2114简介……………………………………………………………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）直流电机控制的软件设计…………………………………………………19
1.转速计算及显示…………………………………………………………19
2.电子换向的软件实现……………………………………………………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
参考文献…………………………………………………………………………………27
致谢…………………………………………………………………………………28
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一、绪论
在现代，无论是水力、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，以及石油、化工等工业生产系统，都有纵横交错的管道。
这些管道系统在输送各种液体和气体物质时，由于受振动、热循环、腐蚀、超负荷等作用，加上管道本身可能隐藏的内在缺陷（如裂纹、砂眼、接头处连接不良等）。
寿命总是有限的。
因此，许多管道系统难免在运行之中突然发生损坏而造成液体、气体物质的泄渗事故，不得不停工停产进行检修。
这种事故有时造成的经济损失是巨大的。
能不能在事故发生前就检查出潜在的有问题的管道而提前预防，是现代民用及工业企业中迫切需要解决的课题。
由于管道系统或者埋在地下，或者架设在高空，或者管道内径很小，用人携带仪器检查十分困难，有时甚至根本无法做到。
此外，有些危险和环境条件恶劣的工作场地。
由人去检查会对人的健康带来严重损害。
因此，有必要开发一种能够深入管道的可移动管道检测仪器代替人去完成上述工作。
在这种情况下，管道机器人作为一种先进的管道检测手段纳入了国内外机器入研究开发人员的眼中。
管道机器人属于特种机器人的研究范畴，它在管道这个特定的极限环境中作业，通常携带各种探测仪器和作业装置，在操作人员的遥控或者计算机的自动控制下完成管道的检测或者维修工作。
从上个世纪五十年代起，为了满足管道运输、自动清理以及检测的需要，美、英、法、日等国相继展开了管道机器人的研究。
最初的研究成果就是一种无主动力的管内检测设备--PIG，该设备是依靠其首尾两端管内流体形成的压差为驱动力，使之随着管内流体的流动向前运动。
随着机械、电子以及自动控制理论的快速发展，管道机器人的研究也在不断进步，人们从管道机器人的驱动结构、工作方式、控制系统等方面入手研究出许多样式的机器入。
总的说来国外一些国家的管道机器人技术的发展已经比较成熟，基本上进入了使用化阶段。
我国对管道机器人的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、广州工业大学以及上海大学等高校和科研院所都做了这方面的工作，在理论上和实用上取得了很大进步。
虽然如此，我们的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，不利于商品化等缺陷。
就排水管道而言，目前国内还没有比较先进的检测方式，大多数采用开挖的方法进行检测。
在管道机器人的发展过程中，控制系统的设计是一个十分重要的问题。
传统控制策略应用于机器人的运动控制是最普遍的，如PID控制。
只要被控对象的数学模型是比较精确的、变化不大的、近似于线性的，传统的PID控制可以满足这种情况下管道内作业机器人的控制要求。
目前，在计算机技术的发展和实际应用需求的激励下，各种新型的、先进的、智能的控制策略也应运而生，并迅速在实际系统中得到应用、改进和发展，如自适应控制、鲁棒控制、预测控制、模糊控制、专家控制、神经网络控制等。
在这些控制策略中，有的已经在机器人控制领域得到了实际应用，而有的仍处于不断丰富的研究过程中。
针对于我国管道机器人的研究状况和背景，在查阅了大量国内外文献的基础上，结合大庆市科技局的一个科技攻关项目，本文提出了一个合理的移动式管道机器人的实现方案，在机器人的本体机构、检测方式、通信和控制系统等方面都采用了当前国内先进的技术。
主要讨论了对移动式管道机器人控制系统的设计和研究，从软硬件角度介绍了移动式管道机器人的设计过程，完成了系统硬件的设计和调试，软件的编制和调试。
在机器人的研制过程中采用了改进的积分分离PID控制策略，通过样机的试验结果表明设计的合理性和有效性。
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的自适应模糊控制器，通过仿真结果验证算法的可行性。
移动式管道机器入作为一种新型的管道检测设备，正在被越来越多的人关注和研究，它的应用前景将十分广阔。
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畴之一，研制机器人的主要目的之一就是要代替人在危险的或者人无法到达的环境下作业。
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的，为此，四十年代后期美国橡树岭和阿尔贡国家实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，随着电子计算机的迅速发展，使得机器人的发展步伐加快，这也使人们研究能自主、重复操作的更加复杂的机器人系统成为可能。
随后，美国的Unimation公司于1962年制造了实用的机器人，并取名为Unimate。
紧接着，欧洲的第一台程序控制一号操作工业机器人于1963年由瑞典一家公司推出，这标志着机器人在工业生产中应用的时代已经到来。
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重要的作用。
在上述非结构环境中作业的机器人统称为特种机器人。
现代传统的机器人及特种机器人属于两个不同的应用范畴，由于在上述环境中作业的特种机器入的研究开发的必要性显得越来越重要，许多国家把特种机器人的研究列入国家和各国的合作计划，并给予强有力的经济和技术支持，因此特种机器人的研究和开发具有重要的战略意义。
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，它们的泄漏会造成严重的环境污染甚至于引起火灾，多数管道安装环境人们不能直接到达或人们无法直接介入，因此，质量检测、故障诊断的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]，由于当时天然气等大口径管道的发展激励人们去研究一种管内检测设备，这就是我们通常历说的一种无动力的管内清理检测设备--PiG[2]，该设备简单、实用，在一定程度上解决了天然气管道的检测问题。
到了70年代末，随着检测技术的发展，PIG技术已经成熟。
现在英、日、美、德、法等国大公司的PIG产品已经实用化、商品化。
PIG的特点是实用性好、行走距离远，可达300公里左右，而且不拖线作业，但是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。
管道机器人的迅速发展时期还是始于上个世纪80年代，它属于特种机器人的研究范畴[3-5]，能够在管道这个特定的极限环境中作业，通常携带各种探测仪器和作业装置，在操作人员的遥控或者计算机的自动控制下完成管道的检测和维修工作，检测作业项目包括防腐状况、对接管道焊缝质量、管道内腐蚀程度、防腐层厚度、管壁缺陷等；
维修项目包括清扫、补口、焊接等。
实践已经证明随着管道机器人技术的发展，其应用将会越来越广泛。
目前日本、美国、英国、德国、法国等发达国家在管道机器人技术方面做了大量工作[6-8]，尤其是日本，在管道机器人的研究及开发中取得了领先的地位。
（一）车轮式管道机器人
由于轮式行走具有结构简单、行走连续平稳、速度快、可靠性高、行走效率高等优点，在实际生产中应用比较广泛。
轮式移动机器人的驱动轮要靠车体自重、弹簧力，液压或气动力，磁性力压紧在管道内壁上以支撑机器人本体并产生一定的正压力，这样移动机器人就具备了行走的基本条件，我们将使机器人行走轮压紧在管壁上的力叫做封闭力，驱动其中一个或几个轮子转动，由驱动轮及管壁之间的附着力产生机器人向前行走的驱动力，以实现机器入的移动，这是轮式管内移动机器入行走的基本原理。
轮式机器人的行走方式有两种，如果驱动轮轴线不及管道轴线垂直，驱动轮实际上沿着管道中某一螺旋线行走，机器人一边向前移动，一边绕管道轴线转动，螺旋运动沿轴线上的速度分量即是机器人本体的移动速度，这就是轮式螺旋运动式管内移动式机器人的行走过程。
其特点是用降低速度来提高驱动力。
除此以外，轮式管道机器人还可以开发出在弯道内行走的功能。
就管内行走机构而言，我们希望牵引力大、定心性好，行走速度快、可靠性高，还希望它具有弯管通过功能，轮式管内移动机器人大部分应用于大口径管道，这是因为：
一方面，大口径管道通常是输送水、天然气、煤气或柔性物质的主干线，它们的破坏会给国民经济造成巨大的损失，而且这些管道成本高，铺设困难，所以，应尽量维护好它们；
另一方面，从管道机器人研制的角度考虑，大口径管道管内移动空间大，管道轴心线的曲率半径大，有更大的空间来布置驱动装置和作业装置，从而机器人自身的几何尺寸可以相对放宽，机器人的设计及制造都比较容易。
这种机器人能在直管或者大曲率半径的管道内行走，以满足管道实际工程中的需要。
现仅举几个例子进行说明。
如图2．1所示为日本东京理科大学福田敏男等研制的可以通过90度弯管的管内移动机器人的样机，机人由可相对回转的头部和本体组成，当机器人沿直管行走时，本体上的电机MI通过减速装置将动力传给本体上的驱动轮，当机器人沿弯管行走时，电机M2驱动头部做姿态调整，并驱动头部履带引导机器人通过弯管。
该机器人可作管内裂纹探测，其具体技术指标为：
适应管径：
m50mm；
行走速度：
O～0．48m／mira
转弯性能：
可通过90度直弯管；
机器入重量：
2409；
机器人长度：
76mm。
该机器人成功地通过了“L”型弯
图2-1通过90度弯管的管内移动机器人
如图2．2所示大阪燃气株式会社研制的内置磁铁轮式煤气管道机器人[2]。
该机器人可沿直管和弯管行走，采用光缆通讯，但由于携带的蓄电池电能的限制，还不能实现较远的行走，其具体技术指标为：
135～660ram：
5m/min。
图2-2轮式煤气管道机器人
从以上例子可以看出，人们在研制多种形式的轮式管内移动机器人方面作出了很大努力，并取得了一定的成绩。
但仍存在不少的缺点，如管内行程不够大，力的提高受封闭力的限制，研究还有待近一半的完善和成熟，研制可适用于小管径、大管径和不同管径的深行程管内移动机器人有着广阔的发展前景[9.10]
（二）履带式管道机器人
车轮式机器人的封闭力，即整压力一摩擦力～驱动力之间的矛盾使其越障性能在一定程度上受到了影响，而且在管壁摩擦力小时会使其驱动力降低，因此，为了提高机器人的牵引力，提高其在管内的越障能力，为了实现在油污、泥泞等恶劣条件下的管道内移动，国外学者又在行走方式上研制了履带式管道机器人。
日本日挥公司1986年研制的履带式管道机器人，该机器人的驱动机构由两条夹角可以随管径变化的履带构成，用于水平管道内行走，其具体技术指标为：
400～600mm：
5m／min；
可通过900水平圆弯管。
履带式管道机器人附着性能好，在管内存在油污、泥泞以及一定的障碍物的情况下，也能较为良好地行走，但是这种移动形式的机器人结构上要比车轮式机器人复杂，不易于控制和实现智能化。
（三）其他类型的管道机器人
有了车轮式和履带式管道机器人之后，人们在管内行走方式上继续探索新颖的机构形式，通过对蚯蚓、毛虫等穴居动物的观察，发现它们是靠身体的伸缩运动的，首先是用尾部支撑地面，身体伸长带动头部向前运动；
然后再由头部支撑地面，身体收缩，带动尾部向前运动，如此循环下去，实现了在洞穴内行走。
专家们利用及之相似的原理制造出了蠕动式管道机器人。
蠕动式管道机器人的蠕动需要支撑、缩回，这些运动都是直线的，不如转动容易实现，而且运动是间歇的，受驱动部件起伏频率的限制，蠕动式管道机器人的移动速度一般比轮式、履带式机器入慢。
蠕动式的行走要有前后支撑部分的辅助运动，这些运动对于行走来说都是“无效”的运动，因此蠕动式管道机器人行走效率低，而且更换支撑部位时会产生机身不稳定现象，机器人行走也不连续，因而难以满足工程中“迅速完成作业”的需要。
因此，实际中应用较少。
但弹性毛蠕动式管道机器人有两个优点：
（1）密封性好；
（2）机器人的横截面积小。
这两个优点有利于管道机器人的在线检测作业。
还有一种步行式管道机器人，它通过左右两侧脚锁死和前后腿的机构变化实现机器人在管道内壁的行进。
该种管道机器人机构较复杂，而且控制起来非常繁琐，目前实用性不强。
在综合分析了各种类型的管道机器人技术之后，我们可以看到：
一方面，随着核工业、化工工业的发展．迫使人们研究管道机器人来对这些恶劣环境下的管道、罐状容器进行检测维修，在一定程度上刺激了管道机器人的发展；
另一方面，计算机、传感技术、检测技术、现代控制理论技术的发展，为管道机器人的研究应用提供了技术保证，使应用管道机器人进行检测、维修的手段成为现实，因此对管道机器人的研究和研制是必要和可行的。
三、移动式管道机器人的本体结构设计
管道机器人要在管道这样的极限环境内完成检测、维修等作业任务，其移动载体的性能是关键。
为满足对管道的检测、维修等作业任务的要求，所研究的移动式管道机器人要具有良好的自定心性、较高的越障能力、良好的通过性、大的驱动力输出特性和较高的驱动效率等特性，这样才能保证移动式管道机器人在管道这样的极限环境下圆满的完成预期的作业任务。
本章讨论的轮式全时驱动拖缆机器人的总体结构及系统组成。
（一）移动式管道机器人的结构参数和特点
外形尺寸：
220（宽）mmx190（高）mmx700（长）mm（不含云台）
行走速度：
O～12m／min无级可调
适应管道：
250～500mm
行走距离：
≥200m
（二）移动式管道机器人的总体结构组成
移动式管道机器人的总体结构主要由机器人移动本体、自由度云台及云台起升架等组成。
机器人移动本体用来实现机器人在管道内部稳定行走，将检测装置送入待检测的管道内部。
要求管道机器人有较强的越障能力，能在泥泞、杂物堆积、一定曲率及坡度的管道内部顺利通过，此外，还要求机器人本体应具有很强的负载、牵引能力，保证机器人在管内行走距离大于200m；
二自由度云台主要是为视像检测提供一个平台，云台上可以安装有一台微型摄像机，通过云台的俯仰和摆动扫描，全方位地检查管内情况，实时记录行走路线及其方位，以便为管内故障的准确定位提供可靠依据。
机器人的总体结构如图3.1所示。
系统各部件约束定义
系统运动、学动力学仿真分析
痕迹规划、生产过程
系统优化、选择系统最佳方案
管道机器人虚拟初步设计三维CAD模型
管道机器人虚拟机构优化CAD模型
输出最终结果，形成管道机器人虚拟产品
图3-1管道机器人总体结构
（三）机器人本体结构设计
在综合考虑了管道机器人的管内工作环境，紧密结合被检测、维修管道的实际情况下，充分分析和借鉴已有管道机器人以及其它行业特种机器人的成熟技术，决定采用六轮全时驱动（6WD）的机器人本体移动方式，该移动方式具有结构简单、行走连续平稳、速度快、行走效率高、易于控制、容易小型化等诸多优点。
并且由于采用了全时驱动技术，任何一个轮子在任意时刻都为驱动轮，避免了从动轮阻力大的缺点[14]，提高了机器人的越障能力，可以将电机的功率最大效率地发挥出来。
1.驱动机构
本文所讨论的移动式管道机器人的驱动机构主要分成两个方面，一是对机器人本体行走的驱动，二是对云台系统的驱动。
对于移动式机器人行走，常用的驱动方式有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械式驱动四种。
这里我们选择使用电动驱动方式，也就是将电机的旋转运动通过机械结构转化为机器人本体的直线运动。
常用的驱动电机主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。
考虑到机器人作业环境的特殊性、操作的方便性以及尺寸要求的严格性等方面，机器人的电机驱动系统要具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性，同时电机的转矩一转速特性受电源功率的影响，要求驱动具有尽可能宽的高效率区。
基于这些原则，我们采用一个大功率无刷直流电机图3-2作为机器人行走电机。
P0.0
P0.1
P1.0
P1.7
信号
隔离
信号隔离
两路
电机
L298N
7V直流电机
7V-3V
3V直流机
图3-2驱动系统原理方框图
本文选用了瑞士MAXON公司的无刷直流电机EC40作为机器人的行走电机，并配以GP42的减速器，在电机以佳转速运行时候，可以实现大约10m／min的机器人行进速度，完全满足了我们设计的要求我们选用的MAXON电机的外形尺寸，下面是它的技术参数。
（1）标称功率：
120W
（2）额定电压：
48V
（3）堵转转矩：
726mNm
（4）空载电流：
98mA
（5）空载转速：
5900rpm
（6）最大连续电流（5000rpm）．．1．6A
（7）最大连续转矩（5000rpm）．．108．4mNm
（8）最大效率：
81％
（9）重量：
390g
2.机器人本体密封及防腐
从移动式管道机器人的工作环境及工作要求来看，该机器人应满足可以在水下工作的要求，也属于水下机器人的范畴。
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