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近年来,工业发展水平迅速,随着管道技术在生产生活中的普及和利用,管道早已成为工业生产中不可缺少的重要组成部分。然而随着管道铺设量的增加,管道问题也逐渐暴露,如管壁破损、管内异物堵塞等,严重影响着正常的工业生产。此外,一些管道内部结构复杂且空间狭小,人工难以进入对其进行检测维修,因此针对不同行业的专用性管道机器人研究逐渐成为管道机器人领域的热点内容。GIS管道是变电站设备的重要部件之一,不同于传统的工业管道,其内部空间狭小且结构复杂,管壁为非磁性材料。因此本论文针对GIS非磁性管道的特殊结构,对管道机器人在非磁性弧面的攀附移动机理进行研究,创新提出了一款小于管道内曲面直径的非磁性弧面攀附移动的管道机器人。本论文提出的机器人运动在狭小的非磁性弧面内,利用弧面壁对机器人的摩擦力实现机器人的攀附移动。在结构设计方面,本论文通过结合摩擦吸附和轮式移动,最终确定了管道机器人的总体结构,并用SolidWorks软件建立机器人的三维模型。其次,本文对机器人在非磁性弧面攀附运动的稳定性进行了深入研究,总结出机器人在管道弧面攀附移动应满足以下两个条件:一是机器人不发生滑落;二是机器人不发生倾覆。在动力学建模方面,本文重点对机器人在非磁性弧面的静止吸附状态和攀附移动状态进行了研究,研究机器人抗滑落和抗倾覆的临界条件,并进行仿真分析,以证明机器人在非磁性弧面利用摩擦实现攀附移动的理论可行性。本文建立了机器人的运动学模型,分析机器人速度和机器人车轮速度之间的关系,并建立基于速度反馈的机器人控制系统。在控制算法的研究中,为了提高控制系统的精度和鲁棒性,使机器人在非磁性弧面完成更好的攀附运动,本文结合PID控制算法和改进后的烟花算法提出了改进的烟花PID算法,克服了传统PID算法中参数难以整定的缺点,并通过实验证明了基于改进后的烟花PID控制策略在机器人控制上更具有优越性。最后,对机器人控制系统的总体研究进行详细分析,建立以单片机为下位机控制核心,PC机为上位机的全闭环机器人控制系统。对机器人的软、硬件进行了详细分析,介绍了几款主要零部件选择,并利用C++编写一款上位机控制软件,能够利用WI-FI对机器人进行远程操控,并显示机器人在管道内采集的数据和视频信息。通过前期对管道机器人的研究,研发出一款能够在非磁性弧面进行攀附移动的机器人原理样机,并进行了攀附测试实验,验证了样机利用摩擦力实现攀附移动的可行性和正确性,并与现有的GIS机器人进行对比,结果显示本研究提出的机器人在GIS弧面攀附移动中更具有创新性和优越性。