小型管道机器人设计综述

摘要：在工农业生产及日常生活中，管道应用范围极为广泛。在管道的使用过程中，会产生管道堵塞与管道故障和损伤，需要定期维护、检修等。但管道所处的环境往往是人们不易达到或者不允许人们直接进入，所以开发管道机器人就显得尤为重要。该机器人由三部分组成，包括一个伸缩模块和两个支撑模块。伸缩模块主要由主运动气缸构成，利用驱动气缸的收缩来实现机器人的行走；两个支撑模块结构上完全一样，由支撑气缸产生推力，使机器人的脚与管壁压紧，从而产生机器人行走所需的静摩擦力。伸缩模块和支撑模块按一定的顺序循环工作，从而实现机器人在管道内的行走。控制电磁阀的通断电时间来实现调速的功能（有级调速, 设计为高、中、低三档）。本次设计主要对小型管道机器人进行结构设计，利用三维参数化特征建模软件Catia建立了小型管道机器人的三维模型，生成了机器人主要零部件的工程图。对管道机器人中的主要机构进行动态仿真，验证了所设计机构的正确性。最后对主要零部件进行了设计校核计算，并简单叙述了该机器人控制方案。

关键词：管道机器人；结构设计；三维建模

Abstract: Pipeline is very often applied on industry and agriculture production and daily life. Because pipeline is possibly jammed and distressed, it needs to be maintained and repaired and so on. However it is difficult to reach or do not allow directly accessing in pipeline, so exploiture of pipeline robot is particularly important. In the design, pipeline robot structure is detailedly designed. Pipeline cleaning robot model is built in three-dimensional modeling software Catia, robot drawing is built. Robot mechanism is simulated, and it verifies project of robot to be correct. In the end mostly parts are checked and analysed, and robot control project is simply illuminated.

Key word: Pipe Robot ；Structural Design；Three-dimensional Modeling

1 选题的目的及意义

管道在当今社会已经得到了广泛的应用，管道在长期的使用中难免会破裂、堵塞、积污，但是管道的检测、清理、维护却不是很方便，往往为了寻找管道上的一个裂纹而花费大量的人力和物力。管道机器人可以在管道内自由地行走，具有一定的承载能力，可以成为管道检测、清洗设备的载体，使得管道的检测，清洁等工作易于实现。

2 国内外同类研究现状

国内在管道机器人方面的研究起步较晚, 而且多数停留在实验室阶段。哈尔滨工业大学邓宗全教授在国家“863”计划课题“X射线检测实时成像管道机器人的研制”的支持下, 开展了轮式行走方式的管道机器人研制, 实现了管内外机构同步运动作业无缆操作技术, 并研制了链式和钢带式两种新型管外旋转机构。该系统由六大部分组成(1)移动载体(2)视觉定位(3)收放线装置(4)X射线机 (5)检测控制,系统控制(6)防护系统

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。