1.2 管道机器人概述
在工农业生产及日常生活中，管道作为一种重要的物料输送手段，其应用范围日益广泛，数量也不断增多。管道工程在国民经济许多行业中如石化、天然气、核工业、给排水、管道输送等行业起着极其重要的作用。管道在使用过程中，由于各种外界因素的影响，会形成各种各样的管道故障与管道损伤。如果不及时对管道检测、维修及清洗就可能会产生事故，形成不必要的损失和浪费。然而，管道所处的环境往往是人们不易直接达到或不允许人们直接进入的，检修及清洗难度很大。因此最有效的方法之一就是利用管道机器人来实现管道内的在线检测、维修和清洗。
管内机器人是一种可沿管道自动行走，携有一种或多种传感器件和作业机构，在遥控操作或计算机控制下能在极其恶劣的环境中进行一系列管道作业的机电一体化系统。
1.2.1 国外管道机器人发展现状
对较长距离管道的直接检测、清理技术的研究始于本世纪50年代美、英、法、德、日等国，受当时的技术水平的限制，主要成果是无动力的管内检测清理设备一PIG，由于PIG本身没有行走能力，其移动速度、检测区域均不易控制，所以不能算作管内机器人。70年代以后，石油、化工、天然气及核工业的发展为管道机器人的应用提供了广阔而诱人的前景，而机器人学、计算机、传感器等理论和技术的发展，也为管内和管外自主移动机器人的研究和应用提供了技术保证。日、美、法、德等国在此方面作了大量研究工作，其中日本从事管道机器人研究的人员最多，成果也最多。
1.2.2 国内管道机器人发展现状
我国管内移动机器人技术的研究己有十几年的历史，中国科学院沈阳自动化研究所、上海交通大学、大庆石油管理局、胜利油田、中原油田等单位都进行了这方面的研究工作。
国内有关单位也对“管内作业装置”等问题进行了多项内容的研究与开发，作出类具有一定意义的工作，它们是：
(1)上海交通大学的“管内移动装置行走机构研究”。
(2)中原油田研制的适用于529mm- 630mm埋地钢质管道的内环焊缝区域喷涂常温固化液态涂料的补口机。
(3)大庆油建科研所和吉林省模具厂联合研制的小口径管道(D=114mm)补口机。
(4)中科院研发用于400*400mm和500mm*500mm空调通风管道中的清洁机器人，具有在管道中行走、对管道内污染情况进行观察和对污染物进行清洁的功能。
经过多年的研究与开发，国内外已经在管内作业机器人领域取得了大量的成果，但是，距大规模实用化还用一定的差距。
总体看来，我国管内机器人的研制和应用己经有了一定了基础，但仍处于起步阶段。
1.3 管道清灰机器人系统概述
管道机器人是一种可沿管道自动行走，携有一种或多种传感器件和作业机构，在遥控操作或计算机控制下在极其恶劣的环境中进行一系列管道作业的机电一体化系统。目前国内外关于管道机器人的研究很多，大多是管道监测维修，适应于200mm以下、400-600mm以及微型管道等管径。关于管道清洁机器人，中科院研发了用于400mm 和500mm的空调通风管道中的清洁机器人。而本文根据金属冶炼厂烟气管道内特殊环境和清灰技术要求开发了一种适应于金属冶炼厂。700-1000mm的烟气输送管道烟灰堆积层清理的管道清灰机器人。
管道清灰机器人工作要求及性能指标：
1)管道分为水平、小于30度倾斜、3.4倍管道直径弯曲三种形式，要求能行走自如；
2)机器人必须小巧、灵活、拆卸方便，可自由通过600入口；
3)自动化程度高，生产能力高，每小时清理能力应在50米左右；
4)机器人应有管道监视系统；
5)可附加焊缝检测、壁厚检测模块；
6)烟灰密度3.5g/cm。
1.3.1 管道清灰机器人驱动方式
由于管道清灰机器人工作空间狭窄，专用机器人在结构上必须小巧、灵活、拆装方便，所以机器人在结构上要注重运动传递部件、运动定位导向部件和运动部件壳体的一体化设计。管道清灰机器人本体结构由移动装置和操作臂组成。管道机器人经过简化，可认为是以机械手安装在移动装置上。机械手具有两个自由度，手抓末端安装着末端操作器—铲斗，可实现抬升和旋转两个运动。根据液压驱动具有以下特点，机械手采用液压式驱动方式。
①驱动力或驱动力矩大，即功率重量比大，响应速度快，重复精度高，压力可达20-3 0Mpa(机器人多用0.6-0.7Mpa)。
②液压缸可直接用作机器人关节的一部分，实现直接驱动，结构简单紧凑。
③速度调节方便易控，可实现平稳的无极调速和换向。容易实现自动化。
④液压系统可实现自我润滑，过载保护方便，使用寿命长。
1.3.2 管道清灰机器人操作臂设计要求
管道清灰机器人完成在管道内对砂状沉积物的铲掘、清理，对物料进行装、运、卸及牵引作业。该机器人的铲掘作业和装卸物料的作业都是通过操作臂来完成的，因此操作臂的设计要达到下列要求:
i.应使铲斗在地面的铲掘位置能产生较大的铲起力；
ii.应保证铲斗从运输位置举升到最高位置的过程中，其转角差不得超出一定范围，以免在铲斗举升过程中物料撒落；
iii.应使铲斗在动臂举升过程中的各个位置，其卸载角不小于一定值，以保证卸料干净；
iv.操作臂在整个运动过程中，应满足传动角的要求，保证运动轻巧，不得出现死点；操作臂各构件之间不允许发生运动干涉。
1.3.3 管道清灰机器人行走机构设计
