随着现代交通、天然气、石油化工和制造工厂的建设发展,管道已作为现代生产生活中不或缺的一个物料运输工具,定期对管道的检测、维护和清理是保证管道正常运输物料的重要环节,但是又不宜或者不可能长期采用工人对管道进行检测、维护和清理。采用特种管道机器人对管道进行监测、维护和清理变得更加合理、经济、高效、友好。本文依托国家重点研发计划“劳动密集型工业企业职业病危害防护技术与装备研发”(项目编号:2016YFC0801700),以抛光打磨车间等劳动密集型作业场所的通风除尘管道(480mm~800mm)为作业对象,根据其防爆、运动控制和清理等要求,研究开发能在管内自主运行并携带清理装置的管道机器人。主要研究的内容如下:(1)在查阅和掌握大量管道机器人相关文献和资料的基础上,总结分析各类行走运动方式和驱动方式的特点,结合通风除尘管道的环境要求和作业需求,提出一种基于气动摆缸驱动的两履带式管道机器人,并设计相关的履带行走机构,机器人主体结构、气动驱动系统回路和总体检测控制系统。(2)建立两履带式管道机器人在管内运动的运动学基本方程,研究拖缆在直管和弯管中的阻力效果,不同管道坡度和机器人横滚角对其所需最小质量、附着力和牵引力的影响。研究基于高速开关阀控摆缸的动态数学模型。得出模型主要由高速开关阀流量模型、摆缸流量微分方程和摆缸叶片受力平衡方程组成,并基于理论模型搭建了Simcape的仿真模型。得出占空比越大,系统输出角速度速越大,周期对系统稳态输出角速度无影响的结论。(3)建立机器人在过弯过程中的过渡阶段和旋转阶段的履带轮差速调节模型,搭建了管道机器人Adams虚拟样机模型,并对调速模型进行了仿真验证。对机器人在管内的非精确行走控制、步进速度控制和位置控制进行了研究,得到了可通过控制信号PFM周期控制机器人行驶平均速度,通过PWM占空比控制机器人步进速度和精确的位置控制的结论。针对位置控制,提出了模糊PID控制,较PID控制具有更快的响应特性和更好稳态精度。研究管道机器人在管内自主行走的控制策略,设计了机器人直管调速模糊控制器和弯管差速控制器,并搭建了Adams和Matlab联合仿真平台,对控制器的控制效果进行了仿真验证。(4)针对工作需求和环境工况,对管道机器人的控制系统的软硬件进行了详细的设计,开发了基于Labview的人机交互界面程序和基于UCOS-II的下位机控制程序。开展运动速度试验、最大牵引力试验、爬坡试验与现场实测,试验测得管道机器人前进行驶速度为0~19mm/s,后退行驶速度为0~25mm/s,在平直管中的最大牵引力约为195N,最大的行驶坡度角约为15度。