论文总字数：17735字

摘 要

随着工业的发展，管道在工业生产生活的应用与铺设范围逐年增加，与之带来的是对管道的检测与维修工作，人工对管道检测的方式复杂且带有安全隐患。因此需要一种机器检测方式代替传统人工检测方式。在国际社会上对于机器人的使用范围越来越广，管道检测机器人正成为一个热门的方向。

本文计划设计一种小巧的多功能检测爬行器，通过模块化对总体进行方案设计，以及基于ANSYS对零件进行有限元分析以及轻量化，最终产品可在最小直径为300mm的管道内自由行动，完成对管道内壁的视频检测。

根据理论，确定检测机器人的结构与尺寸参数，使用建模软件进行三维建模。选取轮毂电机作为驱动模块，四轮独立驱动，有线通讯，摄像头作为检测装置，外部电缆进行供电工作。

对机器人进行功率校核与建立轻量化数学模型。为小型管道机器人的设计提供方案，通过基于Ansys的有限元分析与拓扑优化，对机器人关键部位进行静力学分析，对主体进行拓扑优化去除多余体积，得到在最大受力时的应力云图，分析零件的是否符合刚度要求，主体得到40%的重量优化，给机器人轻量化通过了解决办法。

关键词：管道检测机器人；小型；轻量化；有限元分析

Design and optimization of wheeled pipeline robot

Abstract

With the development of industry, the application and laying scope of pipeline in industrial production and life is increasing year by year, which brings the detection and maintenance of pipeline fault. The manual detection of pipeline is complex and has potential safety hazards. Therefore, a machine detection method is needed to replace the traditional manual detection method. In the international community, robots are used more and more widely. Pipeline inspection robot is becoming a popular direction.

In this paper, a compact multi-functional detection crawler is designed, and the overall scheme is designed through modular design, so that the product can carry out internal detection for the pipeline with the minimum diameter of 300mm; It can pass through restricted pipes, large branch pipes and protruding pipe valves, and can move freely in bends.

According to the theory principle, the structure and size parameters of the inspection robot are determined, and the 3D modeling is carried out by using the modeling software. The wheel motor is selected as the drive module, four-wheel independent drive, Bluetooth communication, camera as the detection device, and portable battery pack as the power supply.

The power of the robot is checked and the lightweight mathematical model is established. Finally, through ANSYS finite element analysis, the key parts of the robot are statically analyzed to get the stress nephogram under the maximum stress, and analyze whether the parts meet the stiffness requirements, so as to lay the foundation for future structural optimization.

Key words: pipeline inspection robot; Small size; Lightweight; finite element analysis

目录

摘要....................................................................................................................................................................Ⅰ

Abstract............................................................................................................................................................Ⅱ

第一章 引言 1

1.1 课题研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内发展现状 4

1.3设计导图 5

第二章 轮式管道检测机器人的总体设计 7

2.1机器人设计要求与总体布局 7

2.1.1.机器人的行走方式 8

2.1.2.管道检测模块 9

2.1.3驱动模块 10

2.1.4控制模块 11

2.1.5.电力供给模块 12

2.1.6通讯方式与连接 13

2.3总结 14

第三章 机器人电机选择与轻量化数学模型 15

3.1 轮毂电机功率选择 15

3.1.1管道机器人在管道内运行时的阻力分析 15

3.1.2 单个轮的不平衡力估计 15

3.1.3 重量计算 16

3.1.4校核计算 16

3.2 机器人设计参数的优化模型 17

3.2.1.设计变量 17

3.2.2.目标函数 17

3.2.3.约束条件 18

3.3 总结 18

第四章 基于ANSYS的轻量化与分析 19

4.1基于ANSYS的轻量化设计 19

4.1.1 主板的拓扑优化 19

4.2 基于ANSYS的有限元分析 20

4.3 总结 23

第五章 结论 24

5.1结论 24

5.2展望 24

致谢 25

参考文献 26

第一章 引言

1.1 课题研究背景与意义

机器人是一种自动生产设备，其通过机械与电气控制，仿真人与生物的一些能力，如运动、拿取、感知、规划路径等。机器人是二十世纪最伟大的机械产品，其在20世纪60年代第一批工业机器人问世以来，不断有各种功能各种型号的机器人应用在生产生活的各个方面。机器人行业得到大幅度发展是开始于上世纪八十年代，由于相关配件以及理论学术的进步，机器人真正从实验室走向实际应用。发展到如今，可以说从最尖端的宇宙深海研究领域到个人家庭，都有机器人的身影出现，同样的作为机器人大家庭的一员，管道机器人也得到了广泛的发展与应用。

管道作为较为经济的运输手段之一，在多方面有及其广泛的应用。尤其在经济发展迅速的中国，作为油气等重要资源的运输手段，仅在2015年我国的油气干线管道超过10万公里。而从世界方面出发，已有超过230万公里的管道进行铺设使用，由此看来管道已成为现代工业与生活中重要的一部分。但同样带来的是对这几万公里管道的运行维护工作，由于管道长时间处于使用状态，运输的物体大多都会加快金属老化以及腐蚀，因此对于管道的检测维护工作也成为了工业生产中重要的一环，但大多数管道复杂多变且直径狭小，并不适合人工进入其中进行工作。于是能进行多功能检测工作的机器人成为了工作人员的首选，通过安装各种传感器，让机器人进入管道帮助工作人员得到想要的检测数据，从而达到检测目的。

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