開題報告-自適應管道機器人的結(jié)構(gòu)設計

開題報告學生姓名班級指導教師畢業(yè)設計(論文)題目自適應管道機器人的結(jié)構(gòu)設計與建模仿真選題的目的和意義管道是一種非常有效的運送物資和能源的工具，因此廣泛得應用在普通工業(yè)、石油天然氣等各個領域。然而為了保證管道的安全性以及提高其壽命，那么就必須對物料輸送管道進行定期的檢測維護和相應的管道作業(yè)，而大多數(shù)管道具有長、彎道多且半徑范圍可變的特點，光靠人員無法進行檢測和作業(yè)，所以設計一款滿足相應條件的管道機器人尤為重要，設計研發(fā)該類管道機器人同時也具有很大的價值和吸引力，以下是自適應管道機器人具有的現(xiàn)實意義。1）攜帶攝像頭裝置的管道探測機器人，其在管道內(nèi)通過攝像采集管道內(nèi)壁的情況后，實時傳輸?shù)焦ぷ髋_，工作人員再對傳過來的管道壁視頻進行分析處理，用計算機數(shù)字處理來高效率的分辨出帶有有損傷的管壁圖片，并對其進行定位。維修人員在具體去修復管道缺陷或者更換，從而保證了管道的安全運行。在探測機器人的作用下大量地節(jié)省了勞動強度和時間。2）攜帶清掃刷的管道清洗機器人，在管道中運行時，攜帶的清掃刷對管壁進行打掃，完成管道內(nèi)壁的清理工作，使得管壁的清理工作更高效。3）自適應管道機器人能夠在不同管徑的管道下工作，其多功能化的設計研發(fā)將使管道工作更為方便，會大大節(jié)省管道檢測維修的時間和費用，也更大程度保證了操作人員的安全。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題1.國外研究現(xiàn)狀對管道機器人的研究最早開始于二十世紀四十年代，由英國科學家提出的PIG清洗機器人，該機器人在工作時會發(fā)出豬叫的聲音，所以取名為PIG。它根據(jù)環(huán)境的壓力差實現(xiàn)在管道內(nèi)的移動，運動比較被動，不能人為的進行控制，但這一結(jié)構(gòu)為科學家們的研究提供了思路。從二十世紀七十八十年代，隨著計算機技術(shù)、集成電路和自動化技術(shù)的發(fā)展，美國、日本、德國等相應開發(fā)出了多種類型的管道機器人，如1978年法國研制出了一款輪腿式爬行機器人，該機器人由2個行走輪和4個支撐腿組成，能適應不同的管徑；1986年日本研制了一款履帶式管道檢測機器人，該機器人能通過L型彎道，適用于φ50mm的管道，可進行裂紋探測，行走速度最高為8.1mm/s。但這些機器人在管道中的行走還不夠穩(wěn)定，管徑適應性方面差，行走速度不高，仍然處于試驗階段。到了如今21世紀，隨著智能化的迅猛發(fā)展和需求，機器人已經(jīng)在遠程化控制，持續(xù)性能源、智能化運動方面取得了一定的成果。2012年日本開發(fā)了一款基于磁鐵吸附力的無線控制的管道檢測機器人，采用具有磁吸附面積大的磁性履帶，時刻吸附于管道內(nèi)壁上，并通過預先設置的算法能穩(wěn)定的通過帶有T性分支的豎直管道。2013年美國德克薩斯A&M大學和韓國延世大學共同合作，提出了一款蠕動式管道機器人，該管道機器人具有高的移動性，有效地在T型支管中導航，并能適應于管徑為205~305mm的管道。2016年韓國成均館大學研制的多功能檢測機器人的第三代產(chǎn)品MRINSPECTVI，用于檢測管徑為150至200mm的天然氣管道，MRINSPECTVI設計有多軸差速齒輪機構(gòu)，通過其調(diào)節(jié)主動輪的速度來順利通過管道中的彎道部分，除此之外，MRINSPECTVI還安裝有提高牽引力的主動粘合機構(gòu)和救援機構(gòu)。2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀隨著科技的進步，傳感器技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，20世紀前后，已經(jīng)出現(xiàn)了一系列的管道機器人，而且有的機器人甚至已經(jīng)實現(xiàn)實用化，并用于商業(yè)化的批量生產(chǎn)和工作中，我國的研究也碩果累累。2010年哈爾濱工業(yè)大學的唐德威等人在鄧宗全教授早期的研制的基礎上提出了一款具有差動運動功能的輪式管道機器人，三軸差動機構(gòu)能根據(jù)管道環(huán)境自動調(diào)節(jié)輪的速度，并通過理論和實驗均證明了該機器人在彎道處無運動干涉現(xiàn)象。2014年西南石油大學的劉友清等人提出了一種主動螺旋驅(qū)動式管道機器人，機器人的電機減速后的扭矩經(jīng)過齒輪將直接傳到驅(qū)動輪上，而不是通過驅(qū)動輪架的旋轉(zhuǎn)帶動驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)。2017年西安理工大學的劉敏同學在鄭建明教授的指導下研制了一款能適應管徑變化，跨越一定高度障礙且能通過極限彎道的機器人，該機器人運行速度約為15m/min,牽引力為30-38N,并能順利通過彎管和直管。3.國內(nèi)外研究存在的問題：1）能源供給問題。當管道機器人運行于長距離管道內(nèi)運輸時，需要有足夠的能源提供給機器人，現(xiàn)一般是有纜式或者自身攜帶電池等方式提供能源，不是供電時間短就是負載太重，急需一種輕便且持久的能源供給方式。2）通信屏蔽問題。石油、天然氣管道一般都埋于地底下，信號接收能力有限。特別對于用運輸石油的金屬管道，金屬會屏蔽掉通信過程中的信號，這樣對機器人與工作臺之間的實時顯示，甚至對機器人運動的控制都有嚴重的影響。3）可靠性問題。在使用后的管道，管道除了距離長且管線復雜（彎道、T型岔口、變徑接頭管道、豎直管線）外，管道內(nèi)部還會有雜質(zhì)、鐵銹等障礙物，機器人在如此復雜的管道中運行時，其各項驅(qū)動性能和運動穩(wěn)定性還需要得到綜合的提高。4）控制系統(tǒng)的多元化。目前研發(fā)出的管道機器人大多數(shù)實現(xiàn)了在管道內(nèi)運行和檢測的功能，但對于運行、檢測、修復一體化的多功能一體化還需要進一步完善。主要研究內(nèi)容1. 設計要求：查閱相關(guān)資料，了解課題的背景、意義及國內(nèi)外發(fā)展慨況，并根據(jù)文獻資料分析該系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)或難點，將其作為復雜工程問題并對照畢業(yè)要求對應的能力指標點進行研究和設計。設計要求數(shù)據(jù)如下：1） 適應管徑范圍為150-250mm2） 可通過彎度>1202. 設計內(nèi)容：1） 根據(jù)以上參數(shù)進行機器人的結(jié)構(gòu)總體方案設計，結(jié)構(gòu)部分具體設計并進行靜力學有限元分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，自適應管道機器人的運動學建模與仿真等；在方案設計階段，應通過多種方案比較，選擇綜合性能較優(yōu)的方案；2） 借助三維、二維設計軟件，進行結(jié)構(gòu)設計，三維建模和二維裝配圖設計，并通過有限元優(yōu)化設計軟件Abaqus/Ansys進行必要的強度計算校核和仿真，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)；3） 建立管道機器人的運動學、動力學模型，驗證機器人在管道內(nèi)部的可通過性等，并用相關(guān)軟件Adams進行必要的仿真試驗；4） 設計方案和技術(shù)路線應按照項目管理要求，與企業(yè)的相關(guān)部門進行必要溝通和協(xié)調(diào)，注意遵守相關(guān)法律、職業(yè)道德規(guī)范，考慮對社會、環(huán)境的影響，并對所設計的系統(tǒng)進行技術(shù)經(jīng)濟性分析或成本估算；5） 選擇與畢業(yè)題目相關(guān)的外文文章或?qū)＠g不少于5000單詞的相關(guān)英文文獻資料，并用符合規(guī)范的技術(shù)語言表達原文；6） 按照符合規(guī)范要求的論文格式要求及合適的文字表達，撰寫畢業(yè)設計論文一份（不少于1.5萬字），論文提交前需進行查重。研究方法、步驟和措施等研究方法步驟：1. 利用網(wǎng)絡資源和圖書館的資源進行相關(guān)論文文獻的檢索，搜集相關(guān)資料并加以理解消化，對相關(guān)的英文文獻資料閱讀并翻譯其中的一篇；2. 整理搜集到的相關(guān)資料，了解并進一步熟悉所要研究的內(nèi)容、對象與任務要求，對資料進行整合并完成開題報告；3. 熟悉設計過程中會用到的軟件；4. 使用一款具有三維建模功能的軟件（如Solidworks）完成三維建模，包括整體方案模型和各部分機構(gòu)的細化模型；5. 完成相關(guān)零件的設計計算，并對其進行有限元優(yōu)化分析；