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煤气管道检测机器人系统及其运动控制技术研究

作　者: 张云伟
导　师: 颜国正
学　校: 上海交通大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 煤气管道检测机器人煤气管道环境行走机构运动协调控制运动导航
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

管道检测机器人是针对输油、气等工业管道的检测、喷涂、接口焊接、异物清理等维护检修作业所研制的一种特种机器人,它综合了智能移动载体技术和管道缺陷无损检测技术。这类机器人能进入人所不及、人力所限的复杂多变的非结构管道环境中,通过携带的无损检测装置和作业装置,对工作中的油气管道进行在役检测、清理、维护,以保障管道的安全和畅通无阻地工作。特别是对穿越河流、铁路、道路的特殊管道或埋地管道的重要部位进行有选择的检测时,管道检测机器人具有独特的优势。因此,开展管道检测机器人的研究具有重要的科学意义和明显的社会经济效益,得到了世界各国的高度重视。经过多年的研究与发展,管道检测机器人的技术得到了迅猛发展。但从总体技术水平来看,管道检测机器人的研制和开发在国内外都还处于发展阶段,研究成果大多停留在实验室样机,距离大规模实用化、产业化还有一定的差距。本文依托国家863计划资助项目“油气管道管内自动探测机器人系统的研制”(项目编号:2002AA422110)、云南省省院省校合作基金项目“管道机器人”(项目编号:2001KABAA00A025)、上海市重点科技攻关项目“油、气管道机器人实时探测系统关键技术及其实用化研究”(项目编号:021111117),以具有弯管、变径管、“T”型管道等复杂情况的煤气管道为应用环境,结合项目中为云南省昆明市煤气公司煤气管道主干线的检测研制开发煤气管道检测机器人的需要,对管道环境下,煤气管道检测机器人的管内运动方式、本体结构设计、运动力学分析、运动控制和导航等问题进行了系统研究,研制了二代实验样机,为解决复杂煤气管道环境下的管道检测机器人研究所面临的一些关键问题奠定了基础。本研究旨在对煤气管道检测机器人的实用化进程及产业化推广起到进一步的推动作用,在城市燃气、煤气管道的安全检测,保障人民生命财产及社会稳定等方面,具有重要的意义和显著的社会经济效益。本文的具体研究内容及主要工作可以概括为以下几个方面:1.在查阅和掌握大量管道检测机器人相关文献和资料的基础上,深入细致地分析了各种机器人管内运动方式的运动机理和特点,并结合煤气管道环境特点及检测作业需求,通过综合对比分析,确定了更适合煤气管道环境的运动方式,设计了新型的煤气管道检测机器人本体结构。2.对煤气管道检测机器人管内运动力学的有关问题进行了详细的分析研究,包括机器人的管内空间运动方程、管内运动阻力、姿态偏转、径向调节运动、越障能力、管内运动稳定性等问题。3.针对机器人在煤气管道中的弯道通过及转向控制问题,以圆弧弯管和“T”型管道为典型,详细讨论了机器人通过弯道及“T”型管道的运动协调控制问题,并针对机器人弯道通过及转向控制中暴露出来的行走机构问题,进行了行走机构的改进,使机器人的行走机构更符合煤气管道管内运动要求。4.研究了基于视觉的机器人管内运动导航以及机器人管内自主定位等技术问题,并根据煤气管道检测机器人系统的特点,设计了一种新型的、基于网络的煤气管道检测机器人远程信息交换系统,对机器人的远程控制提供底层支持,在此基础上,讨论了机器人的远程控制结构问题,提出一种适合煤气管道检测机器人系统的远程控制结构。5.成功研制了二代实验样机,根据现有的实验系统和有关的实验条件进行了相关的实验研究,并针对实验中发现的问题,对样机进行了相关的改进工作。基于电磁漏磁检测原理,研制成功与样机配套的高精度管道壁厚无损检测装置,通过理论分析计算和大量的实验研究,获得了影响无损检测装置传感器检测精度的重要设计参数,并对检测装置结构进行了改进。尽管本文的研究基本实现了研究目标,但整个系统距离实用化还有许多工作需要进行,在本文的最后,对整个论文的工作和研究成果进行了总结,并提出了下一步的研究工作。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-26
  1.1 开展管道检测机器人研究的意义  12-13
  1.2 管道检测机器人的研究现状  13-24
  1.3 本文的主要研究内容  24-26
第2章煤气管道检测机器人本体结构设计  26-50
  2.1 煤气管道检测机器人系统总体设计方案  26-27
  2.2 机器人管内运动方式对比分析  27-36
  2.3 适合煤气管道的机器人管内运动方式  36-38
  2.4 煤气管道检测机器人本体结构设计  38-48
  2.5 小结  48-50
第3章煤气管道检测机器人运动力学分析  50-78
  3.1 机器人管内空间运动方程  50-52
  3.2 管内运动阻力分析  52-59
  3.3 机器人运动姿态偏转及修正  59-61
  3.4 机器人径向调节运动力学模型  61-68
  3.5 越障能力分析  68-70
  3.6 管内运动稳定性分析  70-77
  3.7 小结  77-78
第4章煤气管道检测机器人运动控制和导航  78-120
  4.1 机器人通过弯道的运动速度协调控制  78-88
  4.2 通过“T”型管道的转向运动控制  88-93
  4.3 基于视觉的运动导航  93-106
  4.4 机器人管道内自主定位  106-109
  4.5 远程控制  109-119
  4.6 小结  119-120
第5章煤气管道检测机器人实验研究  120-139
  5.1 煤气管道检测机器人实验系统  120-121
  5.2 管道检测机器人的牵引力实验  121-123
  5.3 机器人煤气管道爬行实验  123-125
  5.4 管道检测机器人的运动速度实验  125-126
  5.5 机器人实验样机改进  126-127
  5.6 管道检测机器人系统无损检测传感器实验  127-138
  5.7 小结  138-139
第6章总结和展望  139-142
  6.1 研究工作总结  139-140
  6.2 本文的主要贡献和创新  140
  6.3 问题和展望  140-142
参考文献  142-153
致谢  153-154
攻读博士学位期间发表和录用的学术论文  154-155
攻读博士学位期间申请的国家专利  155

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