摘要
在石油、天然气等关键能源传输领域，管道运输被广泛应用。然而，在长期的服役过程中，油气管道会出现腐蚀、破孔或裂缝等问题，这些问题可能导致油气泄漏，还可能引发严重的安全事故。鉴于人工维护的高成本和低效率，采用管道机器人对油气管道进行检测和维护变得尤为重要。本课题紧密围绕实际需求，针对油气管道检测这一核心问题，深入研究了能够在管道内部自主行走并高效完成检测任务的机器人技术。 首先对机器人整体做了分析，采用了三组周向120°均匀分布的履带式行走方式，研究使用以丝杠螺母的主动变径方式。通过分析管道机器人的内外阻力，得出每个履带阻力矩约为1.55N·m，每组履带电机输出功率为7.2W，确定了电机参数。建立管道机器人行走机构力学模型，得出了单个行走机构的驱动力和驱动力矩公式，根据公式对影响机器人牵引力的因素做了具体分析。通过对管径适应机构建立力学模型，得到了丝杆电机的输出扭矩公式，由公式得出支撑杆与水平轴的夹角α变化范围15.8°～69.7°，从动杆与水平轴的夹角β变化范围23.4°～76.2°，机器人变径范围为260～340mm，根据公式分析了影响丝杆电机的输出扭矩的因素。 接着建立了管道障碍模型，得出机器人最高越障高度7.5mm。通过建立机器人过弯的动态模型，采用分段式的方法，对机器人通过90°弯道的运动过程进行了分析。得出了机器人在过渡阶段和旋转阶段的轨迹方程和速度方程。得出机器人在过渡阶段速度比为vf1：vf2：vf3=1：1.5：1.82。在旋转阶段速度比为n1：n2：n3=1：1.56：2.125。并对管道机器人过弯过程做了运动规划。通过分析两种极限位置得出机器人几何约束条件，带入参数得极限宽度dmax=240mm，极限长度rmax=252mm。最后，结合运动约束和几何约束条件，对管道机器人在弯管中的通过性和直管中的越障进行了仿真实验验证。 管道机器人的控制系统研究主要包括硬件和软件。通过对比分析三种机器人控制系统，在PC-单片机控制系统的基础上，使用了树莓派4B作为视频图形的采集和PC与单片机信息传输的中枢。主控芯片选择STM32F103ZET6芯片，驱动芯片采用了TB6612四驱稳压模块。障碍检测采用了三组HC-SR04P超声波模块，通信模块采用HC-05蓝牙通信模块。根据机器人需要满足的功能和需求，对电机驱动，amp;nbsp;摄像头开启关闭，串口通信，蓝牙通信等进行了编写，通过串口助手进行调参与修改，实现了机器人在管道中的行走检测，数据传输功能。最后对机器人控制交互界面进行了开发与调试。 根据研究的整体方案以及机器人结构、力学分析和运动学规划得出的理论依据，采用模块化的方法对管道机器人进行了样机制作与试验。对管道机器人的控制系统和通过性能进行了测试检验。测试结果表明，机器人最大撑壁直径可以达到345mm，最小收缩直径为260mm，在此基础上，机器人能够实现在管内的正常行走，运行速度约为4.2m/min。管道机器人可以通过7.8mm以下的环形障碍，并且顺利通过90°弯管，没有出现卡死现象。证明了本论文研究的管道机器人能够适应管道复杂的环境，在管道内正常行走且有较强的通过性能。机器人越障功能与管径自适应功能提升了机器人的检测效率。为后续管道机器人的开发研究提供了重要的基础。
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