摘    要
水下管道是水下油气管道的生命线，水下管道巡检机器人可以替代人工完成水下油气管道状态的实时监测和数据反馈，有助于工作人员对水下油气管道的运行情况实时掌握。
本文完成了水下管道巡检机器人的总体设计，采用三维设计软件Solidworks对水下管道巡检机器人进行了三维建模。给出了水下机器人的总体结构参数，并对机器人的水下推进器和水下电机进行了选型。详细阐述了水下管道巡检机器人的避障方案和抱爪装置，并对水下管道巡检机器人主要的零部件蜗轮蜗杆进行了设计和校核。
通过本次研究设计的管道巡检机器人可以顺利完成水下管道的巡检，改善了工作人员作业环境，降低劳动强度，提高水下机器人的自动化水平，对提高管道运输的安全性具有非常重要的社会意义。

关键词：巡检机器人；管道避障；抱爪装置；强度分析

目  录
摘    要    I
Abstract    II
1.1 研究的背景及意义    1
1.2 水下管道巡检技术的分类    1
1.3水下管道巡检机器人的研究现状    2
1.4  本文研究的内容和方法    4
2  水下管道巡检机器人总体方案设计    5
2.1 水下管道巡检机器人性能指标    5
2.2 总体结构    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本章小结    8
3  元器件选型设计及计算    9
3.1 推进器设计与选型    9
3.2 抱爪机构和电机选型    10
3.3 越障机构和电机选型    11
3.4 水下电机的选型    12
3.5本章小结    15
4  水下机器人主要零部件的设计及校核    16
4.1 推杆的设计及校核    16
4.2 蜗轮蜗杆的设计及校核    18
4.3 本章小结    22
5  水下机器人的三维模型设计    23
5.1建模软件介绍    23
5.2水下管道巡检机器人的三维建模    24
5.3零件的建模过程    24
5.4本章小结    25
6  结论    26
6.1总结    26
6.2展望    26
参考文献    28
致  谢    30

1.绪论
1.1 研究的背景及意义
随着科技的发展，管道运输凭借其成本低、传送量大等优点，在国民经济中占有越来越大的比重[1]。众所周知，海洋蕴藏着巨大的资源，例如石油、天然气等。随着人口的加剧，我国工业化脚步的推进，我国对于海底的能源的开采和利用迫在眉睫[2][3]。20世纪70年代以来，随着海底石油、天然气的开采，海底管道作为一种重要的物料运输设施，得到了广泛的应用，相比于传统的运输方式，水下运输以其安全可靠、便捷经济的优势得到越来越多的青睐。水下管道运输是除海陆空运输以外最重要的运输方式，主要为燃油能源运输提供便利。目前世界上石油天然气的总管道长度大概是200万千米，我国中长距离管道运输的总长度在2万千米左右，世界上约有50%的管道需要长时间的使用，而这些管道大部分都位于地下、海底、水下等比较复杂的介质中，管道不可避免的出现各种问题，截止目前，国内输油管道共发生过628次事故，260余人受伤，损失约2.5亿美元[4][5]，海洋管道一旦发生泄漏或者破坏，就会对周围的人和环境产生严重危险，轻则是海洋石油的泄漏，重则将会引起原油爆炸等，严重危险人身及财产安全。因此研究水下管道破损自动巡检技术，提高检测的可靠性和自动化，改善人员作业环境，降低劳动强度，提高自动化水平，对提高管道运输的安全性具有重要的社会意义[6][7]。
1.2 水下管道巡检技术的分类
1.2.1 管道巡检技术的分类
管道检测机器人根据检测目标的不同，分为管道内壁检测机器人和管道外壁检测机器人，管道内检测机器人主要是根据管内的流体推力来进行运动，常用的检测方法有目标检测法、磁粉检测法和超声波检测法。管道外壁检测机器人主要是海洋或者水底根据外界环境来进行移动，常用的检测方法有超声波检测和照相检测，本文主要研究水下管道外巡检机器人的结构设计[8][9]。
1.2.2 管道巡检机器人的分类
水下管道巡检机器人根据其与地面的联系方式的不同，分为遥控水下管道巡检机器人，简称ROV，自治水下管道机器人简称AUV，和混合型RHOV水下机器人如下图1.1所示[10]。

图1.1 水下管道外巡检机器人分类
ROV主要是遥控水下巡检机器人，在机器人上装有多种传感器和检测设备，通过工作母船放在海洋管道上，用来传送数据和操作指令，完成水下管道的无损检测。
AUV是自主运行的，不需要人为去干预，因为其行为不受母船控制，所有其巡检范围大，完成依靠自己去检测，工作效率高。
RHOV主要适用于海洋大范围管道的巡检，利用机器视觉和无线通信技术，完成管道的无损巡检和信息采集，RHOV将ROV和AUV技术进行结合，可以自主运行也可以遥控运行，适用范围比较广。
1.3水下管道巡检机器人的研究现状
目前水下管道外巡检机器人的研究主要是集中在欧美国家，其研制的机器人自动化程度更高，更先进。Oceanneering公司设计研发的Magna海底隧道检测机器人和Tracerco公司设计研发的Discovery海底隧道检测机器人代表着目前水小管道外检测技术最先进的水平[11][12]。
1.3.1 国内研究现状
国内在机器人方面研究起步比较晚，其中大多数还处于试验状态，没有应用于实际的工作场景，哈尔滨工业大学设计研制的实时监测管道机器人，已经取得了一些显著的成就，其主要开展了一种轮式移动装置使得管道机器人可以轻松实现管外机构同步运行，并且可以对管道机器人实现无线操作技术，并研制了链式和钢带式两种新型的管外旋转机构，该系统主要由六部分组成，分别是移动载体、视觉定位、无线装置、X射线机、检测系统和防护系统等[13]。主要针对微小空间进行探索，采用四个电磁驱动单元组成的蠕动爬行机器人，通过控制器发出不同时序的脉冲信号进行机器人的控制，达到蠕动爬行的运动。国内研发的水下管道巡检机器人如下图1.2所示[14]。