● 摘要
当前，新型管道机器人系统已成为地下管线检测领域的一个研究热点。现有轮式、履带式管道机器人由于横截面积大、环境适应力差，难以适用于非开挖技术铺设的各类中小口径地下管线。针对此类地下管线的特点，本文研究并设计了一种新型伸缩式管道机器人，该机器人具备IP68防水等级、较好的爬坡能力和较大的牵引力等特点。本文所做的主要工作包括：
1. 依据机器人的性能指标，确定了管道机器人的总体方案；针对器件选型的要求，对机器人进行了有针对性的受力分析；在此基础上，利用遗传算法工具箱对机器人的主要结构参数进行了多目标优化设计，为机器人的机械设计提供依据。
2. 基于机器人的行走原理和结构特点，设计了机器人控制系统框架和整体控制策略；基于有限状态机的思想对机器人的基本行走模式进行建模，并给出相应的状态转移图；设计了各步进电机的加减速控制算法。
3. 在硬件设计部分，首先进行了丝杠和电机的选型计算；依据机器人的总体方案，使用Solidworks软件设计了机器人各机构的三维模型；依据控制系统框架，设计了机器人控制系统的电路原理图和PCB图，并阐述了硬件电路的测试过程。
4. 设计了控制系统的嵌入式软件，具体包括载波通讯程序、CPLD程序、步进电机驱动程序等，每一部分均给出了硬件测试结果或仿真波形。