1、 1 1 管道机器人的发展管道机器人的发展 1.1 课题的背景及来源课题的背景及来源 本课题来源于实际运输煤气作业中所遇到的困难， 许多城市煤气回收萘不彻 底，造成在主管道内结萘，管内萘堵塞管内面积超过 50%以上，严重影响煤气的 运输，以清除管内结萘为目标，着手研制此管内步伐式机器人。 1.2 管内机器人发展综述管内机器人发展综述 机器人是人类新世纪的伟大发明之一， 是传统的机构学与近代电子技术相结 合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合 性高科技产物，它是一种仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设 备，机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产和
2、科学研究发生根本性的 变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。科学技术是第一生产力，在各 国之间综合国力的竞争，很大程度上取决于高技术之间的竞争，作为机电一体化 的最高成就机器人技术作为高技术的一个重要分支，普遍受到了各国的重 视，随着计算机技术和现代设计制造水平的不断提高，极大的推进了机器人的发 展，现代机器人已经成为了一个庞大的家族。 1.2.1 机器人的定义机器人的定义 机器人技术是一种面向未来的现代化技术，机器人技术与网络技术、基因技 术、通信技术、计算机技术等一样，属于高新技术。它设计的学科有材料科学、 计算机技术、控制技术、传感器技术、微电子技术、通讯技术、人工智能、数学 方法
3、、仿生学等等很多学科，所以机器人的定义也是多种多样的，其原因是它具 有一定的模糊性。目前有几个国际公认的定义： 1979 年美国机器人协会将机器人定义为： “可重复编程的多功能操纵器， 设计成通过不同的编程动作为执行多种任务移动原料、部件。工具或专门的设 备。 ” 1984年12月国际标准化组织中的工业自动化系统委员会所属工业用机器人 分会作出的定义： 机器人是一种自动控制下通过变成可完成某些操作或移动作业 的机器。 1988 年法国的埃斯皮奥将机器人学定义为：机器人学是指设计能根据传感 管内步伐行走机器人设计 2 器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象。 我国科学家
4、对机器人的定义是： “机器人是一种自动化的机器，所不同的是 这种机器人具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作 能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器” 。 1.2.2 我国管道机器人的发展、我国管道机器人的发展、 哈尔滨工业大学邓宗全教授自 1987 年以来开展管内机器人行走机构，在国 家自然科学基金的资助下，较全面的研究了不同类型的管道机器人行走机构模 型，取得了很多的成果。在 1995 年哈工大与大庆油建公司合作研制成功的660 野外大孔径管线对接焊缝工业 X 射线检测系统，于 1996 年通过黑龙江科委主持 的鉴定， 在陕京管线上进行了工业应用， 获得成功
5、。 该机器人采用轮式行走机构， 双电机驱动，PWM 直流脉宽调速，由工控机和 MCS-552 单片机共同控制，可自 动进行图像识别，在管内移动距离 300m，在技术上解决了收放线的控制问题和 长距离强弱信号混传干扰问题。该项目以达到国际先进水平。 图 1.1 哈尔滨工业大学660 管道机器人 哈尔滨工业大学于 1998 年研制的水泥砂浆衬里喷涂补口作业机器人样机 （如下图） ，该机器人采用轮履复合式行走方式，解决了穿越管内凹型障碍的技 术难题，针对水泥砂浆的流变学特性，所设计的螺旋送料装置及离心喷涂装置解 决了水泥砂浆的补口难题。 3 图 1.2 清华大学于 2001 年研制出了一种轮式管道检
6、测机器人 Pipesbot-I，如下 图所示，该机器人采用全驱动直进式结构，由三个直流电机通过蜗轮蜗杆副，带 动三个径向均布的驱动轮，通过一个剪形弹簧压紧机构使驱动轮撑紧管壁，依靠 摩擦力运动。设计指标为：行走速度 1km/h，探测长度 1km/次，使用管径 140mm-180mm。 图 1.3 2 机机器人总体设计方案器人总体设计方案 2.12.1 模块化设计理念模块化设计理念 2.1.12.1.1 模块化设计理论基础模块化设计理论基础 管内步伐行走机器人设计 4 模块化设计是在产品设计和生产不断发展的过程中逐步形成的，是一种设 计方法。而模块化设计思想却由来已久，其基本思想是以产品（系统）的总功能 为对象，以功能分析为基础，将整个产品分解为若干特定的模块，然后通过模块 的不同组合，可以得到不同产品、不同功能的产品，以满足市场的各种需求。 模块化又称模件化，模块化的定义有很多种，但是按其概念有如下的定义： 由若干具有不同用途（或性能）并可互换的模块，经不同的组合，以满足不同需 要的这种方法称之为模块化。由此可见模块化应具有四个基本含义：必须具有 一定数量的模块；应用
