摘 要

随着船舶设备的自动化、复杂化，系统功能的智能化，任务的多样化，传统的船舶设备维修方式已不能满足当今智能化船舶的可靠性要求。为解决管道检测与维护工作量大和效率低等难题，管道机器人的地位日益突出。基于此，本文设计了一种三足压壁式的管道检测机器人，借助计算机绘图软件CAD对机器人结构进行了绘制，并用建模软件Solidworks对机器人进行建模操作，然后将模型导入仿真分析软件ANSYS对模型进行受力分析。经数据分析得出，该管道探测机器人能够在被检测管道中平稳行走，适合于管道内径为350mm～400mm管道的检测工作。

关键词：管道检测；机器人；变径机构；机构设计

Abstract

With the automation and complexity of the ship equipment, the intelligentization of the system function and the diversification of the tasks, the traditional maintenance methods of the ship equipment can not meet the reliability requirements of the intelligent ship. In order to solve the problems of heavy workload and low efficiency in pipeline inspection and maintenance, pipeline robot is playing a more and more important role. Based on this, this paper designs a three-legged wall-pressing pipe-detecting robot, draws the robot structure with the aid of the computer drawing software CAD, and models the robot with the modeling software Solidworks, then the model is introduced into the simulation software ANSYS to analyze the force of the model. The data analysis shows that the pipeline detecting robot can walk smoothly in the detected pipeline, and is suitable for the detection of 350mm ~ 400mm pipeline inner diameter.

Key Words：pipeline detection；robot；variable diameter institutions；mechanism design

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 船舶管路的作用与现状 1

1.1.2 检测机器人研究的目的与意义 2

1.1.3 国内外管道检测机器人的发展现状 2

1.2 研究内容、目标及技术路线 4

1.2.1 研究内容 4

1.2.2 研究目标 4

1.2.3 技术路线 4

第2章 机器人机构设计 6

2.1 机器人整体机械机构 6

2.1.1 机器人整体机构介绍 6

2.1.2 绘制机器人整体机构图 7

2.2 机器人行走机构 8

2.2.1 机器人行走机构设计 8

2.2.2 机器人行走机构强度校核 9

2.2.3 绘制机器人行走机构图 14

2.3 机器人变径机构 15

2.3.1 变径机构液压驱动原理 15

2.3.2 机器人变径机构设计 16

2.3.3 绘制机器人变径机构图 17

2.4 小结 17

第3章 机器人动力学和运动学分析 18

3.1 建立机器人仿真模型 18

3.1.1 机器人零件建模 18

3.1.2 零件装配 30

3.2 ANSYS仿真模拟 34

3.3 数据分析 38

3.4 小结 38

第4章 结论与展望 39

致谢 40

参考文献 41

附录 42

第1章 绪论

1.1研究背景

1.1.1船舶管路的作用与现状

船舶管路是船舶上各种机械设备之间互相连接的管道，其作用是用来传送水、油、气等有关工质^[1]。船舶管路分为船舶系统管路和动力管路这两大类。船舶系统管路的作用是满足游客、船员们的正常生活需要，还能提高船舶的抗沉性、稳性。船舶系统管路的种类很多，包括压载水系统、供水系统、舱底水排出系统、压缩空气系统以及消防系统等等。动力管路的作用是为主机和辅机服务，动力管路包含有冷却水、燃油、滑油、压缩空气等管路。

20世纪50年代中期以前对管子的弯曲加工，基本上直径在25mm以上的管子都采用耗时耗力而且加工质量差的灌砂热弯方式。但是从50年代中期开始,随着工厂中机械冷弯作业的比重越来越大，使管子弯曲加工的技术得到了一定的发展。20世纪60年代，随着造船工业的发展，船东要求船舶性能质量必须得到提高，而且要缩短船舶的建造周期,但是管道加工技术方面还无法满足船东提出的要求。为此，各船厂开始想办法对管子进行提前加工，使管子能够提前制作出来。随着技术的不断进步，发展出了管系的比例放样甚至综合放样,终于使得管子能够单独加工，使得管子可以提前制作出来^[2]。随着技术的变革以及设备的更新换代，管子的弯曲加工规模也随之扩大，能够加工生产出直径203～305mm的管子。20世纪70年代初，由于我国电子技术的发展，各厂开始研究将电子技术初步应用于管子加工,用数字控制技术来控制管子切制、焊接和弯曲的设备。20世纪70年代中期，电子计算机开始应用于管系加工设计中，工程师可以用计算机来进行计算、绘图和设计等工作，使得管子的加工设计得到了优化。20世纪80年代，不少船厂相继开始建造船舶运用于出口方面，但是管子的生产周期太长使得造船的周期也相应的延长，在船舶建造周期中管子的生产占有很大比重。各个船厂采取了很多种办法，在实践过程中使得船舶管系的设计和加工得到了很大的发展。从20世纪90年代开始，管系设计及加工有两个最大的特点，一个特点是开始采用国内外管子加工的先进技术，明显提高了管子的加工质量，使得管子质量能够满足国内外的标准和规范要求；另一特点是注重研究管子的加工工艺，开始进行管子专用或通用加工工艺文件的编制。虽然目前我国管子加工的质量有了很大的提高，尤其个别加工技术更是领先世界，但是在管子加工过程中仍然有许多的问题存在，比如周期长、效率低等^[3]。原因主要有以下两个:一是我国造船选用的材料多，这就使得管子加工设备也多种多样，加工时需要根据材料来选择模具,这使得加工管子的周期变长；二是我国管系加工没有完全做到机械化生产，现在依旧有很大比例是用手工操作，大部分船厂仍未能实现流水线加工生产管子。

由于船舶管道的工作环境与一般的管道不同，总是处在恶劣的海况中，所以会出现锈迹、裂痕、腐蚀、变形、焊缝、异物堵塞等缺陷，而传统的检修方法耗时耗力且工作效率低下，所以研发一种新型的船舶管道检修方式迫在眉睫。

1.1.2检测机器人研究的目的与意义

随着船舶设备的自动化、复杂化，系统功能的智能化，任务的多样化，传统的船舶设备维修方式已经不能跟上现在智能化船舶的可靠性要求。同时，随着物联网、大数据等新兴技术的不断发展，以智能制造为主导的第四次工业革命正在进行，并且管系结构被广泛使用于船舶等行业中,为解决管道检测与维护工作量大和效率低等难题，管道机器人的地位也越来越高。由于这类管道所处的环境非常恶劣,即使经过专门的清洁与检查,也难免会在之后的工作过程中出现锈迹、裂纹、管道内有异物等问题^[4]。然而针对管道的维修却十分困难,主要是因为船舶是一个整体，无法单独将管道拆卸出来或者成本太高，而且由于船上的管道直径并不大且管道很长，维修人员没办法进入管道内部，只能检查接近管道口的一部分，并且船上的管道错综复杂，一不小心就容易使维修人员受伤，且维修过程耗费大量人力和资金。因此,研究一种能代替人工的管道机器人具有重要的现实意义。

1.1.3国内外管道检测机器人的发展现状

（1）国外管道机器人发展现状