管道是天然气、化工原料气体和高压蒸汽等气体输运的重要手段,广泛应用于民生、服务和国民经济各领域中,而泄漏作为气体输运管道最常见的故障,往往会带来不可忽视的能源损耗、严重的经济损失以及潜在的人身安全风险。因此,一直以来对管道泄漏故障的检测具有强烈的需求。目前,尽管已发展了多种方法,但由于管道声学检漏方法具有非接触式、特征关联性强和应用普适性广等优势,加之管道点多面广分布所带来固定式方法难以实现全覆盖和无死角监测的困境,因而采用声学方法和巡检方式相结合发展一种管道泄漏巡检技术,已成为了该领域的研究热点之一。然而,管道往往在受限空间内排布铺设,常会受到其它管道或结构物的遮挡,声学检测传感器难以直接进入感兴趣区域实现抵进感知,严重影响声学巡检性能发挥。基于以上背景,本文提出开展面向气体管道声学检漏的蛇形机械臂扫查关键技术研究。在了解气体管道机器人声学检漏相关技术研究现状及其发展趋势的基础上,确定气体管道泄漏机器人巡检系统总体技术方案,重点开展了绳驱蛇形冗余机械臂设计、蛇形机械臂运动学和动力学建模以及受限空间内蛇形机械臂末端跟随扫查运动控制等技术研究。同时,完成了蛇形机械臂制造和系统集成,并开展相关实验研究,以验证本文所研发技术的可行性和有效性。本文的主要研究内容有:第一章,论述了气体管道设施及其巡检技术研究的重要意义,系统总结了气体管道机器人声学检漏相关技术及其发展趋势,分析了面向气体管道声学检漏的机器人巡检扫查存在的问题,明确了本论文的研究内容与框架。第二章,分析了气动声波的辐射及传播机理,明确了基于声学感知的气体管道泄漏检测原理及其影响因素,为后续的研究提供检测理论基础。同时,在确定系统功能目标的基础上,设计了基于蛇形机械臂扫查的气体管道声学检漏机器人巡检系统总体方案,并对需要解决的主要关键技术进行了总结。第三章,开展了绳驱冗余蛇形机械臂设计及其运动学和动力学建模。采用绳索牵拉传动方式,在完成多节串接空间正交铰链蛇形臂体和卷绕式绳索驱动阵列装置设计的基础上,研发了一种冗余自由度的蛇形机械臂机械本体,并对其零部件进行了受力分析。同时,通过蛇形机械臂正运动学建模,明确机械臂关节空间与位姿空间以及绳索长度与关节角度等映射关系,进而利用雅克比微分数值迭代法实现了蛇形机械臂的逆运动学建模,并基于拉格朗日法构建了蛇形机械臂的动力学模型。本章工作奠定了蛇形机械臂机构和运动控制的技术基础。第四章,开展受限空间内蛇形机械臂末端跟随扫查运动控制技术研究。针对受限空间内蛇形机械臂,数值计算分析了驱动绳索的安全控制余量及其末端工作空间,并基于启发式迭代策略,发展了一种面向末端跟随运动控制的改进型逆运动学求解算法。同时,完成待检管道感兴趣区域的视觉检测与识别,获取扫查目标的空间坐标,并结合上述改进型逆运动学算法,定量确定出蛇形机械臂扫查运动的控制参数,进而实现基于视觉伺服的受限空间内蛇形机械臂扫查运动控制。第五章,在上述章节研究工作的基础上,完成了蛇形机械臂的加工制造及相关软硬件研发,将蛇形机械臂与移动机器人及声学泄漏检测设备相结合,研发出一套基于蛇形臂扫查的气体管道声学检漏机器人巡检系统。同时,利用该系统进行了蛇形机械臂运动控制及气体管道蛇形机械臂扫查声学检漏等实验,对本文研发的平台和技术的有效性进行了验证。第六章,总结了全文的研究内容以及创新成果,并且展望了需要进一步开展的工作。