摘 ? ?要
水下管道是水下油氣管道的生命線，水下管道巡檢機器人可以替代人工完成水下油氣管道狀態的實時監測和數據反饋，有助于工作人員對水下油氣管道的運行情況實時掌握。
本文完成了水下管道巡檢機器人的總體設計，采用三維設計軟件Solidworks對水下管道巡檢機器人進行了三維建模。給出了水下機器人的總體結構參數，并對機器人的水下推進器和水下電機進行了選型。詳細闡述了水下管道巡檢機器人的避障方案和抱爪裝置，并對水下管道巡檢機器人主要的零部件蝸輪蝸桿進行了設計和校核。
通過本次研究設計的管道巡檢機器人可以順利完成水下管道的巡檢，改善了工作人員作業環境，降低勞動強度，提高水下機器人的自動化水平，對提高管道運輸的安全性具有非常重要的社會意義。

關鍵詞：巡檢機器人；管道避障；抱爪裝置；強度分析

目 ?錄
摘 ? ?要?? ?I
Abstract?? ?II
1.1 研究的背景及意義?? ?1
1.2 水下管道巡檢技術的分類?? ?1
1.3水下管道巡檢機器人的研究現狀?? ?2
1.4 ?本文研究的內容和方法?? ?4
2 ?水下管道巡檢機器人總體方案設計?? ?5
2.1 水下管道巡檢機器人性能指標?? ?5
2.2 總體結構?? ?5
2.3 浮力分析?? ?6
2.4 摩擦力分析?? ?7
2.5 阻力分析?? ?7
2.6本章小結?? ?8
3 ?元器件選型設計及計算?? ?9
3.1 推進器設計與選型?? ?9
3.2 抱爪機構和電機選型?? ?10
3.3 越障機構和電機選型?? ?11
3.4 水下電機的選型?? ?12
3.5本章小結?? ?15
4 ?水下機器人主要零部件的設計及校核?? ?16
4.1 推桿的設計及校核?? ?16
4.2 蝸輪蝸桿的設計及校核?? ?18
4.3 本章小結?? ?22
5 ?水下機器人的三維模型設計?? ?23
5.1建模軟件介紹?? ?23
5.2水下管道巡檢機器人的三維建模?? ?24
5.3零件的建模過程?? ?24
5.4本章小結?? ?25
6 ?結論?? ?26
6.1總結?? ?26
6.2展望?? ?26
參考文獻?? ?28
致 ?謝?? ?30

1.緒論
1.1 研究的背景及意義
隨著科技的發展，管道運輸憑借其成本低、傳送量大等優點，在國民經濟中占有越來越大的比重[1]。眾所周知，海洋蘊藏著巨大的資源，例如石油、天然氣等。隨著人口的加劇，我國工業化腳步的推進，我國對于海底的能源的開采和利用迫在眉睫[2][3]。20世紀70年代以來，隨著海底石油、天然氣的開采，海底管道作為一種重要的物料運輸設施，得到了廣泛的應用，相比于傳統的運輸方式，水下運輸以其安全可靠、便捷經濟的優勢得到越來越多的青睞。水下管道運輸是除海陸空運輸以外最重要的運輸方式，主要為燃油能源運輸提供便利。目前世界上石油天然氣的總管道長度大概是200萬千米，我國中長距離管道運輸的總長度在2萬千米左右，世界上約有50%的管道需要長時間的使用，而這些管道大部分都位于地下、海底、水下等比較復雜的介質中，管道不可避免的出現各種問題，截止目前，國內輸油管道共發生過628次事故，260余人受傷，損失約2.5億美元[4][5]，海洋管道一旦發生泄漏或者破壞，就會對周圍的人和環境產生嚴重危險，輕則是海洋石油的泄漏，重則將會引起原油爆炸等，嚴重危險人身及財產安全。因此研究水下管道破損自動巡檢技術，提高檢測的可靠性和自動化，改善人員作業環境，降低勞動強度，提高自動化水平，對提高管道運輸的安全性具有重要的社會意義[6][7]。
1.2 水下管道巡檢技術的分類
1.2.1 管道巡檢技術的分類
管道檢測機器人根據檢測目標的不同，分為管道內壁檢測機器人和管道外壁檢測機器人，管道內檢測機器人主要是根據管內的流體推力來進行運動，常用的檢測方法有目標檢測法、磁粉檢測法和超聲波檢測法。管道外壁檢測機器人主要是海洋或者水底根據外界環境來進行移動，常用的檢測方法有超聲波檢測和照相檢測，本文主要研究水下管道外巡檢機器人的結構設計[8][9]。
1.2.2 管道巡檢機器人的分類
水下管道巡檢機器人根據其與地面的聯系方式的不同，分為遙控水下管道巡檢機器人，簡稱ROV，自治水下管道機器人簡稱AUV，和混合型RHOV水下機器人如下圖1.1所示[10]。

圖1.1 水下管道外巡檢機器人分類
ROV主要是遙控水下巡檢機器人，在機器人上裝有多種傳感器和檢測設備，通過工作母船放在海洋管道上，用來傳送數據和操作指令，完成水下管道的無損檢測。
AUV是自主運行的，不需要人為去干預，因為其行為不受母船控制，所有其巡檢范圍大，完成依靠自己去檢測，工作效率高。
RHOV主要適用于海洋大范圍管道的巡檢，利用機器視覺和無線通信技術，完成管道的無損巡檢和信息采集，RHOV將ROV和AUV技術進行結合，可以自主運行也可以遙控運行，適用范圍比較廣。
1.3水下管道巡檢機器人的研究現狀
目前水下管道外巡檢機器人的研究主要是集中在歐美國家，其研制的機器人自動化程度更高，更先進。Oceanneering公司設計研發的Magna海底隧道檢測機器人和Tracerco公司設計研發的Discovery海底隧道檢測機器人代表著目前水小管道外檢測技術最先進的水平[11][12]。
1.3.1 國內研究現狀
國內在機器人方面研究起步比較晚，其中大多數還處于試驗狀態，沒有應用于實際的工作場景，哈爾濱工業大學設計研制的實時監測管道機器人，已經取得了一些顯著的成就，其主要開展了一種輪式移動裝置使得管道機器人可以輕松實現管外機構同步運行，并且可以對管道機器人實現無線操作技術，并研制了鏈式和鋼帶式兩種新型的管外旋轉機構，該系統主要由六部分組成，分別是移動載體、視覺定位、無線裝置、X射線機、檢測系統和防護系統等[13]。主要針對微小空間進行探索，采用四個電磁驅動單元組成的蠕動爬行機器人，通過控制器發出不同時序的脈沖信號進行機器人的控制，達到蠕動爬行的運動。國內研發的水下管道巡檢機器人如下圖1.2所示[14]。

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