一、作品簡介

作者：李澤彬，李晉晟，杜張坤，禹馨雅

單位：運城學院

指導老師：薛曉峰

? ?? ? 隨著我國的社會主義市場經(jīng)濟的飛速發(fā)展和科學技術(shù)的革新，各行各業(yè)的發(fā)展越來越離不開信息化和網(wǎng)絡化的硬件支持。在當今時代背景下，人工智能與大數(shù)據(jù)成為了熱點話題，吸引了大部分人的關(guān)注，尤其是智能機器人更是令不少人為之折腰。目前，全球制造業(yè)格局正面臨重大改變，以智能制造為核心的智能化產(chǎn)業(yè)變革正悄然發(fā)生。工業(yè)機器人代表著先進制造業(yè)的支撐技術(shù)，現(xiàn)已發(fā)展成為信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將會進一步促進社會生產(chǎn)的發(fā)展。
? ?? ? 管道檢測維護機器人使用機器時代(北京)科技有限公司探索者套件搭建而成，主控板為探索者自帶的ARM控制板。本款管道檢測機器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動行走、攜帶多種傳感器及操作機械，可在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下，進行一系列管道作業(yè)的機、電、儀一體化系統(tǒng)操作。管道機器人可以通過管道內(nèi)部行進作業(yè)完成相關(guān)復雜環(huán)境的探傷、清淤、檢測以及修補等管道作業(yè)工作。

1. 作品摘要

? ?? ? 與此同時，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國石化、天然氣、核工業(yè)及城市排水、輸送等地下管道的建設在飛速發(fā)展，國家對地下管道建設的投資也不斷地加大。石油、化工、天然氣及核工業(yè)的發(fā)展及管道維護的需要刺激了管內(nèi)機器人的研究。近年來管道在人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)中被使用的越來越廣泛，與此同時，管道故障所帶來的問題日益突顯。因此，管道建設中，管道檢測維護是一個十分重要的環(huán)節(jié)。然而我國在管道檢測維護領(lǐng)域中主要以管外巡檢為主，管內(nèi)檢測維護機器人少之又少。因此，研究設計一款可以實現(xiàn)管內(nèi)檢測維護的設備對于促進管道建設產(chǎn)業(yè)升級和滿足市場需求具有十分重要的意義。

2. 作品背景調(diào)研

2.1作品設計背景
? ?? ? 當今，科技生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高以及人們?nèi)找嬖鲩L的各種需求，如市政排污管道、自來水管、消防管道、石油天然氣管道、中央空調(diào)管道、家用普通管道等等。管道在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)以及人們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮著巨大的作用，被廣泛的應用在石油、化工、天然氣、核工業(yè)、城市用水等多個領(lǐng)域。這些管道的出現(xiàn)和普及給我們生產(chǎn)和生活提供了極大的便利，但與此同時也帶來了許許多多的問題，諸如管道堵塞、損壞及管道老化等問題。這些領(lǐng)域關(guān)系國家的經(jīng)濟命脈，管道一旦發(fā)生泄漏，將會給國家和人們帶來巨大的損失，這些問題給我們帶來的不僅是資源的損耗，而且還有可能會造成人員的傷亡。因此對各個領(lǐng)域的管道進行定期的檢測與維護具有重大的意義。管道環(huán)境大多十分惡劣、空間十分狹窄，使得人們不能直接到達或介入到管道中去，使得對管道的檢測與維護十分不易。因此，管道機器人應運而生。
? ?? ? 管道機器人是一種可以沿管道內(nèi)壁或管外行走的機構(gòu)，可以攜帶各種檢測裝置和操作工具，在地面操作人員的遠程控制下自動完成探傷(腐蝕程度、裂紋，焊接缺陷等)及補口(對接焊縫、防腐處理、防腐層缺陷處理等)等作業(yè)，對管道內(nèi)部情況利用檢測裝置實時的反饋到地面上來，使操作人員能夠?qū)艿赖默F(xiàn)狀有深入的了解。管道機器人可以通過管道內(nèi)部行進作業(yè)完成相關(guān)復雜環(huán)境的探傷、清淤、檢測以及修補等管道作業(yè)工作。

2.2作品相關(guān)研究及現(xiàn)狀
2.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀
? ?? ? 從1940年開始,管道機器人作為機器人探索的新方向,已經(jīng)在國外率先成長起來,對于電子技術(shù)的到來更是給管道機器人的壯大提供了有力的工具,尤其是進30年來管道作業(yè)技術(shù)迅猛發(fā)展,已然讓機器人在管道作業(yè)變成了現(xiàn)實。

? ?? ? 美國以它在世界上最早開發(fā)出機器人為優(yōu)勢,擁有了世界最先進的技術(shù)水平,如今其管道機器人已然實現(xiàn)應用。下圖為美國州立大學研發(fā)的一款名叫的FAMPER管道機器人研發(fā)方案,他是一款可以自主在管道內(nèi)行走的履帶式管道機器人,該機器人可以通過改變自身履帶狀態(tài)適應管道轉(zhuǎn)彎。

2.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

從國外發(fā)展情況來看,我國對于管內(nèi)環(huán)境檢測的自主研發(fā)情況存在很大的局限性:一方面大部分都是針對水平管道而設計的輪式或履帶式,對于有些傾斜角度甚至垂直管道的管內(nèi)機器人的研究較少;另一方面對于各種管徑和彎道的則考慮的不足,這樣就限制了管道機器人的發(fā)展及應用。下圖所示的由浙江大學的劉瑩、申超等人研究開發(fā)的中央空調(diào)管內(nèi)清理機器人的方案,設計原理是通過依靠舵機可以讓齒輪傳動以達到把電磁鐵推出的動作,讓滾輪吸附在管道壁面上,以此來維持下一個動作的進行。由于電磁鐵性質(zhì)的特點,對管道材質(zhì)和清理機構(gòu)自身重量是會有很大影響的。

3. 作品應用前景及應用價值

? ?? ? 管道機器人在我國處于發(fā)展階段，具有廣闊的市場前景。管道機器人相對于人工操作來說有無可比擬的優(yōu)勢。管道機器人在計算機控制下，可進行采樣、檢測等動作。而單片機技術(shù)的發(fā)展為管道機器人的方便應用提供了一個良好的基礎技術(shù)。利用單片機可以實現(xiàn)管道機器人的控制是管道機器人設計中較好的選擇。
? ?? ? 管道機器人可以通過管道內(nèi)部行進作業(yè)完成相關(guān)復雜環(huán)境的探傷、清淤、檢測以及修補等管道作業(yè)工作。
? ?? ? 管道機器人的小巧，即可實現(xiàn)管外檢測的工作，還可更大效率的實現(xiàn)管內(nèi)檢測維護。

4. 作品創(chuàng)新點

4.1管內(nèi)移動
? ?? ? 采用比較新穎的多段式機構(gòu)和無線的智能化控制。驅(qū)動部分驅(qū)動輪采用傾斜的設計，可以在圓管道中行走。
4.2使用減震器
? ?? ? 搭載減震器兩個位于裝置上部，便于適用于不同管徑的管道。
4.3動力輪角度可調(diào)
? ?? ? 為了加快不同管徑的的移動速度，設置可調(diào)動力輪。

5. 作品技術(shù)難點及改進方向

5.1信號、電力的傳輸和供給方式
? ?? ? 采用有纜時需考慮線纜在轉(zhuǎn)彎處的阻力；采用無線方式傳遞信號時，由于金屬管道具有一定的屏蔽作用，需要考慮發(fā)射信號的頻率。
5.2行進方式的選擇
? ?? ? 目前，管道機器人的行走方式主要有輪式、履帶式、蠕動式、多足式，每一種方式都有各自的優(yōu)缺點。結(jié)合各種行走方式的優(yōu)缺點，但其行走機構(gòu)還需要優(yōu)化設計。
5.3轉(zhuǎn)向能力
? ?? ? 管內(nèi)空間的封閉性結(jié)構(gòu)，使管道機器人的研究還需克服很多復雜的技術(shù)難題，其中，能否在管內(nèi)實現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)向，是管內(nèi)機器人研究的一大難點。

二、技術(shù)說明

1. 模塊介紹

1.1 ARM主控

? ?? ? 1. 輸入端口1,連接傳感器。

? ?? ? 2. 輸入端口2,連接傳感器。

? ?? ? 3. 輸入端口3,連接傳感器。

? ?? ? 4. 輸入端口4,連接傳感器。

? ?? ? 5. 紅外接收端口,連接紅外接收頭。

? ?? ? 6. 通道選擇鍵,對應手柄的通道選擇鍵,分為ABC三個通道。

? ?? ? 7. 程序?qū)懕Ｗo口,1為正常工作狀態(tài),當按鈕撥向ON時才可以進行程序下載。

? ?? ? 8. 程序下載端口,連接下載線。

? ?? ? 9. 舵機端口1~6,連接舵機,從左起豎排4針接口為一組,共分為6組。(注意:具體連接方式在操作說明中會用圖示詳細說明,在沒有看過操作說明之前
請不要連接電機)。

? ?? ? 10. 輸出端口7~8,連接LED、語音模塊等執(zhí)行部件,從左起豎排4針接口為一組，共分為2組。(注意:具體連接方式在操作說明中會用圖示詳細說明,
在沒有看過操作說明之前請不要連接LED以及語音模塊)。

? ?? ? 11. 電源端口,接入電池或適配器連接。

? ?? ? 12. 復位鍵,對單片機進行重啟,會清除單片機內(nèi)所有未保存的動作。

? ?? ? 13. 電源開關(guān)。

? ?? ? 14. 電源指示燈,當開關(guān)打開后,指示燈長亮并且呈紅色。
1.2 觸須傳感器

觸須傳感器可以檢測到物體對彈簧觸須的有效觸蟲動。安裝時通常是將彈簧與地面平行。有效觸動角度45度。
? ?? ? 1.固定孔,便于用螺絲將模塊固定于機器人上。
? ?? ? 2.四芯輸入線接口,連接四芯輸入線。
? ?? ? 3.彈簧觸須:與障礙物接觸后發(fā)生彈性形變,觸發(fā)傳感器。

1.3 視覺處理模塊
? ?? ? 該機器的視覺處理模塊分為兩部分，一個是視覺追蹤模塊，采用低成本，功能強大的機器視覺模塊openmv；另一個是圖像回傳模塊，采用ESP8266無線WIFI模塊。
? ?? ? 視覺追蹤模塊OpenMV是一個開源，低成本，功能強大的機器視覺模塊。以STM32F427CPU為核心，集成了OV7725攝像頭芯片。
? ?? ? 圖像回傳模塊ESP8266是一個完整且自成體系的wi-fi解決方案，能獨立運行，也可以作為從機搭載于其他主機MCU運行。

? ?? ? 首先openmv在單片機的驅(qū)動下，采集圖像，然后單片機通過串口將采集到的圖像傳輸給ESP8266無線WIFI模塊，該模塊已經(jīng)提前設置為無線透傳模式，在透傳模式下，ESP8266會將單片機串口發(fā)送來的所有數(shù)據(jù)，以無線的方式自動發(fā)送給與其連接好的上位機軟件，上位機軟件通過對接收到的圖像數(shù)據(jù)進行處理，就能夠顯示出openmv采集到的圖片，來實現(xiàn)圖像回傳功能，使用連接好上位機軟件的用戶端便可以實時觀察到管內(nèi)的情況和機器的實時狀況。

2. 產(chǎn)品細節(jié)展示

3. 產(chǎn)品優(yōu)勢

3.1 安全性高
? ?? ? 使用管道機器人進入管道查明管道內(nèi)部情況或排除管道隱患，如果是人工作業(yè)的話，往往存在較大的安全隱患而且勞動強度高不利于工人的健康。管道機器人智能作業(yè)可有效提高作業(yè)的安全性能。
3.2 節(jié)省人力
管道檢測機器人小巧輕便，一個人即可完成作業(yè)控制器可裝載在車上節(jié)省人力，節(jié)省空間。
3.3 提高效率和品質(zhì)
管道機器人智能作業(yè)定位準確可實時顯示出日期時間、爬行器傾角(管道坡度)、氣壓、爬行距離、激光測量結(jié)果、方位角度、選配等信息并可通過功能鍵設置這些信息的顯示狀態(tài)鏡頭視角時鐘顯示。

4.產(chǎn)品安裝過程及成品展示

主要程序代碼：

詳細內(nèi)容可參考?https://www.robotway.com/h-col-282.html