管道爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)

管道爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)說(shuō)明書 設(shè)計(jì)者：趙藝霖 ,陳即彪 ,王振寧 (濰坊學(xué)院機(jī)電與車輛工程學(xué)院，濰坊 261061) 作品內(nèi)容簡(jiǎn)介 現(xiàn)在的管道機(jī)器人在豎直或者是水平方向都很好的實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)與清理功能。但至今還沒(méi)有管道產(chǎn)品在復(fù)雜的管道中很好的工作。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了這款管道爬壁機(jī)器人，它既可以在水平管道中很好的工作還可以在豎直管道中完成工作，能夠自如的在水平豎直交叉的復(fù)雜管道中完成檢測(cè)，清理等工作。 該產(chǎn)品的主題結(jié)構(gòu)為車體結(jié)構(gòu)，在水平方向依靠車載力運(yùn)動(dòng)，在車體上安裝有四個(gè)機(jī)械手臂，在機(jī)械手臂的前端安裝有吸盤跟電磁鐵，在塑料管道中依靠吸盤在豎直方向上運(yùn)動(dòng)，在鐵質(zhì)管道上利用電磁鐵的磁力和機(jī)械手臂的交叉前進(jìn)實(shí)現(xiàn)豎直方向的運(yùn)動(dòng)。 該作品靈活多變 ， 不但可以適應(yīng)復(fù)雜的管道還能夠進(jìn)行多樣的工作 。 我們依靠機(jī)械臂的靈活度與吸盤，電磁鐵的吸力來(lái)實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的爬壁功能，在水平方向上利用最傳統(tǒng)的智能車作為動(dòng)力，這樣的設(shè)計(jì)完全可以滿足水平方向與豎直方向的靈活轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜管道的自由穿梭，進(jìn)而可以讓該機(jī)器人更好的實(shí)現(xiàn)其檢測(cè)與清理功能。該管道爬行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電腦控制，所得數(shù)據(jù)通過(guò)反饋處理使機(jī)器人能夠完成各項(xiàng)做業(yè)。 一、研制背景及意義 1、隨著社會(huì)的快速發(fā)展 ,國(guó)家生產(chǎn)水平不斷提高，產(chǎn)品更新也越來(lái)越快。管道運(yùn)輸在我國(guó)運(yùn)用比較普遍，但管道長(zhǎng)期處在壓力大的惡劣環(huán)境中，受到水油混合物、硫化氫等有害氣體的腐蝕。這些管道受腐后，管壁變薄，容易產(chǎn)生裂縫，造成漏油、漏氣的問(wèn)題，存在重大安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。在管道廣泛使用的今天，管道的檢測(cè)、清理、維護(hù)成了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。但是管道的封閉性和工作環(huán)境決定了這項(xiàng)工作的艱難。時(shí)至今日，雖然經(jīng)過(guò)各國(guó)學(xué)者的努力，已經(jīng)有各種各樣的機(jī)器人，但是他們大都存在這樣或那樣的問(wèn)題，而且功能不夠強(qiáng)大。 2、人民對(duì)管道 清潔機(jī)械的要求是不僅科技含量要高，而且還要綠色、節(jié)能、環(huán)保。能夠滿足不同類型管道的檢測(cè)、維護(hù)、清理等要求。 3、管道爬行機(jī)器人的研究更好地為管道的檢測(cè)、維護(hù)、清理提供了新的技術(shù)手段，這種技術(shù)更好的提高了管道監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和管道清理的安全性，也便于管道工程管理維護(hù)人員制定維護(hù)方案，清除管道垃圾防止堵塞，事前消除管道的安全隱患，從而節(jié)約大量的維修費(fèi)用，降低管道維護(hù)成本，保障工業(yè)生產(chǎn)和人民生活及財(cái)產(chǎn)安全。 4、近些年來(lái)人們對(duì)自然環(huán)境、工作環(huán)境、工作工具及其方式的要求逐步提高。隨著中國(guó)城市化建設(shè)事業(yè)的發(fā)展推大型化工廠、大型天然氣廠、大型地下管道處理系統(tǒng)的建成大型管道或類似管道裝置組合處理系統(tǒng)設(shè)施以其高質(zhì)量的工作效率、圓形管道結(jié)構(gòu)占地少、有效工作空間大、美化生活環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。為研究高效的管道機(jī)器人提供了良好的市場(chǎng)環(huán)境。 5、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛普及和應(yīng)用國(guó)內(nèi)外檢測(cè)技術(shù)都得到了迅猛發(fā)展管情況下涂層破損、失效處下方的管道同樣受到腐蝕管道外檢測(cè)技術(shù)的目的是檢測(cè)涂層及陰極保護(hù)有效性的基礎(chǔ)上通 過(guò)挖坑檢測(cè)達(dá)到檢測(cè)管體腐蝕缺陷的目的對(duì)于目前大多數(shù)布局內(nèi)檢測(cè)條件的管道是十分有效的。 6、管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)主要用于發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)外腐蝕、局部變形以及焊縫裂紋等缺陷也可間接判斷涂層的完好性。 因此各種大口徑天然氣管道、大口徑石油運(yùn)輸管道、大口徑自來(lái)水管道、大孔徑地下污水處理管道鍋爐廠、硫酸廠、核電站、液化氣站、印刷廠、酒廠、食品加工廠、東風(fēng)二汽長(zhǎng)管道系統(tǒng)等各種大型廠房中的大孔徑管道系統(tǒng)隨處可見(jiàn)。但是它們?cè)跒槿藗児ぷ魉脮r(shí)也帶來(lái)了很多問(wèn)題如人們肆意向管道內(nèi)投放廢品塑料、易拉罐、粘性物品、玻璃廢品等長(zhǎng)期下去 導(dǎo)致管道內(nèi)部因淤積較多廢棄物 7、而使管道堵塞冬天北方天氣寒冷裸露在外部的自來(lái)水管道或其他化工管道因溫度太低內(nèi)部自來(lái)水會(huì)產(chǎn)生凝固凍結(jié)從而導(dǎo)致自來(lái)水不能正常流動(dòng)影響城市居民正常的生活酒精廠或其它化工廠燃料燃燒所產(chǎn)生的粉塵會(huì)黏附在管道或煙囪內(nèi)壁長(zhǎng)時(shí)間越積越多吹產(chǎn)生靜電效應(yīng)甚至引發(fā)火災(zāi)和爆炸事故長(zhǎng)期處于露影響自然環(huán)境并且產(chǎn)生安全隱患等等 。 二、設(shè)計(jì)方案 1、總體設(shè)計(jì)及圖片說(shuō)明 圖 1 管道爬壁機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)圖如圖所示，該機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu) 為車體結(jié)構(gòu)，在車體的上方安裝有四個(gè)靈活的機(jī)械臂，通過(guò)四個(gè)機(jī)械手臂的配合可以在水平豎直等多種復(fù)雜的管道內(nèi)完成多種 工作 。該爬壁管道機(jī)器人安裝有高清攝像頭，它的四個(gè)機(jī)械臂可以靈活使用，機(jī)械臂的前端是可以拆卸的，從而可以安裝多種工作工具如電焊機(jī)等。 1、機(jī)械手臂底座（圖 2）的設(shè)計(jì)： 圖 2 該機(jī)械臂的底座采用鏤空設(shè)計(jì)減輕機(jī)械手臂的重量。 利用蝸桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的365 度旋轉(zhuǎn)功能。底座與車體的鏈接采用螺栓連接。在底座的上有一個(gè)處理器這是機(jī)械臂獨(dú)立的處理器，它的主要作用是控制機(jī)械臂的活動(dòng)，在機(jī)械臂不接受任務(wù)是它能很好的配合車體上的處理器分析管道內(nèi)的具體情況，以便能夠獲得跟那個(gè)準(zhǔn)確的管道數(shù)據(jù)。 2、機(jī)械主體臂（圖 3） 圖 3 這是機(jī)械手臂的主體臂 。 它由馬達(dá) ， 連桿等零件組成 。 它主要的功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的伸縮及其豎直方向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 。 下方的兩個(gè)馬達(dá)分別控制主支撐桿與控制上方的升降傳動(dòng)連接桿 。 馬達(dá)通過(guò)自身 的傳送力實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的升降 。兩個(gè)連接桿的巧妙組合實(shí)現(xiàn)主體臂的升降與運(yùn)動(dòng)的傳遞，也為上方的機(jī)械臂前端的運(yùn)動(dòng)提供了良好的支撐。 3、機(jī)械臂前端（圖 4） 圖 4 圖 5 機(jī)械臂前端是該機(jī)械臂傳動(dòng)最為復(fù)雜的部分，該部分主要由齒輪，馬達(dá)，輪盤等零件組成。該部分由三個(gè)馬達(dá)提供動(dòng)力，其中有兩個(gè)馬達(dá)為機(jī)械手臂的最前端（機(jī)械頭）提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的。剩下的一個(gè)馬達(dá)為機(jī)械手臂的前端的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力。 實(shí)現(xiàn)機(jī)械頭的 360 度的工作狀態(tài)，為機(jī)械頭實(shí)現(xiàn)多功能化提供了基礎(chǔ)。它的傳動(dòng)原理如圖 4 所示，利用大小齒輪的嚙合實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。將馬達(dá)安放在機(jī)械臂的前端可以使整個(gè)機(jī)械臂的受力保持穩(wěn)定。 4、機(jī)械頭（圖 6，圖 7） 圖 6 圖 7 這是這個(gè)整個(gè)機(jī)械臂功能實(shí)現(xiàn)的最主要的結(jié)構(gòu)部分，該部分由兩個(gè)錐形齒輪結(jié)構(gòu)組成，錐形齒輪改變了動(dòng)力的傳送方向，當(dāng)前端的最頂頭與后方的軸成九十度時(shí)買就是實(shí)現(xiàn)吸盤吸力與電磁力的交叉改變的過(guò)程。前端的吸盤采用液壓 結(jié)構(gòu)，可旋轉(zhuǎn)增加吸力。后方的電磁力裝置采用點(diǎn)觸式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更方便安全。 該部分可以靈活拆卸安裝不同工作所需要的其他設(shè)備。如安裝上清理鉆頭就實(shí)現(xiàn)了該機(jī)器人的清理功能。 5、車體前端減震設(shè)計(jì)（圖 8） 圖 8 該減震結(jié)構(gòu)利用了四驅(qū)越野車的減震結(jié)構(gòu)，我們做了結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化與改進(jìn)，完全可以滿足該爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要。該減震結(jié)構(gòu)采用最普通的彈簧減震，輕便小巧便于使用。 6、攝像頭（圖 8） 如上圖所示在管道爬壁機(jī)器人的前端安裝有高清攝像頭，該攝像頭自帶照明系 統(tǒng)，并且進(jìn)行了防水設(shè)計(jì)以便可以在水中做業(yè)。該攝像頭帶有旋轉(zhuǎn)和升降系統(tǒng)可以多角度進(jìn)行管道內(nèi)的偵查。 三、功能原理和性能指標(biāo) 1、功能原理（圖 9） 圖 9 該管道爬壁機(jī)器人采用車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電力驅(qū)動(dòng)，利用 機(jī)械臂的靈活伸展能力配合磁盤或者電磁鐵進(jìn)行工作，使其能在復(fù)雜的管道中自由穿梭，完成在人無(wú)法進(jìn)入或者很難進(jìn)入的管道中的各項(xiàng)工作。為使該管道爬壁機(jī)器人能夠多種工作。我們可以將各種工作工具安裝在機(jī)械臂的前端以便完成各種工作。 2、性能指標(biāo) 行走速度： 10m/重 : 5載重： 10身尺寸： 200002090 度 12V 一次性行走距離： 2500m 牽引力 : 300N 400N 密封性能： 半密封 工作環(huán)境： 中性液體環(huán)境，液面高度不得高于 50作溫度： 0 防護(hù)等級(jí) ： 可用水深 ： 5 米 氣密保護(hù) ： 工作溫度 50 鏡頭轉(zhuǎn)角，電動(dòng)旋轉(zhuǎn) ： 徑向 360 2 * 135 度 照明光源 ： 56 顆 7色 攝像參數(shù) ： 調(diào)焦 變倍手動(dòng)對(duì)焦 成像 分辨率 ： 500 795 * 596 靈敏度 ： 尺寸 ： 80 190整體重量 ： 3激光測(cè)量： 用于測(cè)量裂縫寬度或測(cè)量目標(biāo)距離 適用管徑 ： 150000鏡頭升降 ： 200驅(qū)動(dòng) ： 四驅(qū)單 50W 直流電 6 200大行走速度 ： 可達(dá) 40m/爬坡 ： 50°左右 深度 ： 可以深入管道 200 米 后視鏡頭 ： 察倒車及線纜回收情況 顯示單元 ： 14" 1200 * 800 五、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中關(guān)鍵問(wèn)題的分析及解決方案 1、該爬壁機(jī)器人怎樣才能實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜管道中的自由運(yùn)行，我們最初的設(shè)計(jì)是圓筒狀的機(jī)器人利用有角度的爬壁輪的旋轉(zhuǎn)力作為管道機(jī)器人的前進(jìn)動(dòng)力，但這樣的設(shè)計(jì)對(duì)管道的直徑有很高的要求，能夠適應(yīng)的管道很少。 2、現(xiàn)在的管道大部分是水平的或者是豎直的，在復(fù)雜一點(diǎn)的無(wú)非就是水平豎直交叉的管道。為了更好的適應(yīng)這三種類型的管道我們進(jìn)行了大量的材料收集與分析工作，最后我們得出在水平方管道中最好的還是車體結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，車體機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是速度快，越障能力好。在豎直方向的管道機(jī)器人至今還沒(méi)有很好的 產(chǎn)品出現(xiàn)，對(duì)于單一的豎直管道利用利用豎直向下放置的管道機(jī)器人就可以完成管道的檢測(cè)等多項(xiàng)工作。當(dāng)遇到復(fù)雜一點(diǎn)的管道如水平豎直交叉的管道時(shí)還沒(méi)有很好的管道產(chǎn)品出現(xiàn)，我們團(tuán)隊(duì)想到利用機(jī)械臂的靈活度來(lái)實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人的豎直爬壁功能。 3、要想實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬壁功能要依靠在管道上的依附力，為了實(shí)現(xiàn)讓機(jī)械手臂擁有更高的依附力我們決定采用兩種方式一種是適應(yīng)塑料管道的吸盤，利用吸盤的吸力可以很好的使機(jī)械手臂依附在管道上在利用機(jī)械手臂的靈活特性在塑料管道上進(jìn)行交叉行走就能很好的實(shí)現(xiàn)了該管道機(jī)器人在豎直方向的行走功能。在鐵質(zhì)金屬管 道中我們采用電磁力來(lái)實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人在管道中的自由爬行，通過(guò)處理系統(tǒng)使前方的機(jī)械臂通電后產(chǎn)生磁力吸附在管道壁上，后方的機(jī)械臂向前運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到一定的程度前方的機(jī)械臂通電產(chǎn)生磁力后方的機(jī)械臂斷電在進(jìn)行交叉前進(jìn)，這樣的配合使得機(jī)械臂可以自由靈活的實(shí)現(xiàn)爬壁的功能。 4、為了使車體結(jié)構(gòu)可以更好的穿梭在管道中我們?cè)O(shè)計(jì)了具有減震效果的車體結(jié)構(gòu)，為了使車體可以更好的載重機(jī)械手臂我們加固了車的底盤結(jié)構(gòu)。使車的整體載重與承受力都大大的增加。 5、該管道機(jī)器想要實(shí)現(xiàn)多功能化，必然增加了機(jī)器人的負(fù)荷，為了更好的使該爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多功 能化又不增加其負(fù)荷，最終我們決定講該機(jī)械臂的頭設(shè)計(jì)成靈活可拆卸的結(jié)構(gòu)，使其能安裝不同的工作工具。 六、設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn) 1在塑料材質(zhì)的管道中機(jī)械臂依靠氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)爬壁功能，該種驅(qū)動(dòng)動(dòng)力較大，使得機(jī)器人具有承擔(dān)一定負(fù)載的能力，通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力大小的調(diào)節(jié)。 2在該管道爬壁機(jī)器人的電路板設(shè)計(jì)中我們采用電路板外接，機(jī)器人主體部分可以較好地適應(yīng)潮濕的環(huán)境。 3主體部分采用 車體 結(jié)構(gòu)，由 電力 驅(qū)動(dòng)，優(yōu)越的越野車式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)彎管道的功能。整體采用模塊設(shè)計(jì)，輕小便捷，便于攜帶、能耗低 。 該機(jī)器人采用 可編程控 制器由編制及更改程序來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能；繼電器接觸器由連接硬件電器，布置電路，實(shí)現(xiàn)功能 。 與繼電器接觸器比較而言，可編程控制器故障少，可靠性更 高， 抗干擾能力強(qiáng)通用性和適應(yīng)性強(qiáng) ， 。 準(zhǔn)化程度高，執(zhí)行元件布置靈活，易于設(shè)計(jì)和制造。易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù) ， 容易和電氣控制結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 液壓作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，以 為控制手段，以變頻器作為調(diào)速方式，實(shí)現(xiàn)升降、伸縮、回轉(zhuǎn)、行走、剎車等多種動(dòng)作的操作。因而它具有機(jī)械化、程序化、可控化，適應(yīng)性、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn) 道機(jī)器人的設(shè)計(jì)以智能小車為基礎(chǔ)，按照實(shí)際管道測(cè)試的要求搭載多個(gè)紅外傳感器，使用 為小車的主控芯片，并編制相應(yīng)的路徑搜索算法來(lái)實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人在管道內(nèi)部自動(dòng)的行走、尋路和避障，整個(gè)過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，具備較高的智能化水平。 進(jìn)行管道探堵時(shí)，管道機(jī)器人按照尋路時(shí)檢測(cè)的有效路徑在管道中行走，同時(shí)通過(guò)前方的紅外傳感器來(lái)檢測(cè)管道內(nèi)的障礙，當(dāng)檢測(cè)到管道阻塞時(shí) , 管道機(jī)器人可將檢測(cè)位置記錄在設(shè)備的存儲(chǔ)器中并沿原路返回，工作人員只需調(diào)出存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)即可知道阻塞的具體位置，從而有針對(duì)性的開展解堵作業(yè) 10. 操作靈活，擴(kuò)展性好：管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的 片，便于程序的設(shè)計(jì)與升 級(jí)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)好后，可通過(guò)管道檢測(cè)的實(shí)際情況來(lái)不斷調(diào)整紅外檢測(cè)的參數(shù)，從而減少誤測(cè)現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化尋路算法來(lái)提高系統(tǒng)的檢測(cè)速度。 還可以在不同材質(zhì)的管道中自由穿梭，完成多種工作。 可以完成除雜物。焊接等工作。靈活的機(jī)械頭方便拆卸安裝不同的工作組件一百年完成其他的工作。 七、結(jié)構(gòu)示意圖 圖 10 圖 11 圖 12 八、總結(jié) 需求是創(chuàng)新的原動(dòng)力，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展， 管道爬壁機(jī)器人應(yīng)用范圍更廣，可應(yīng)用于各類管道的管理可通過(guò)檢測(cè)畫面快速直觀判定管道內(nèi)部堵塞、塌陷、非法插入、錯(cuò)位、裂痕等各種缺陷狀態(tài)為管道的更新或修復(fù)工作提供評(píng)估依據(jù)。大工管道探測(cè)機(jī)器人采用的先進(jìn)的管道內(nèi)窺攝像檢測(cè)系統(tǒng)可在管道內(nèi)自動(dòng)爬行實(shí)現(xiàn)全方位觀測(cè)并可將錄像傳輸?shù)降孛婵刂葡到y(tǒng)便于地面工作人員了解管道內(nèi)部情況判斷管道損壞程度、范圍等。管道機(jī)器人可用于市政污水管網(wǎng)、窨井 通過(guò)檢測(cè)畫面快速直觀判斷管道內(nèi)部堵塞、塌陷、非法插入、錯(cuò)位、裂痕等各種缺陷狀態(tài)為管道的更新或修復(fù)工作提供評(píng)估依據(jù) 。 管道爬壁機(jī)器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機(jī)械在工作人員的遙控操作或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制下進(jìn)行一系列管道作業(yè)的機(jī)、電、儀一體化系統(tǒng)。我們所設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人具有更好的靈活度，能適應(yīng)多種管道，能進(jìn)行多種工作，在當(dāng)代市場(chǎng)還鮮有此多功能的管道機(jī)器人，市場(chǎng)前景廣泛。 九、參考文獻(xiàn) 1、 趙 延 治 、張 潔 、趙 鐵 石 彈性鉸平面并聯(lián)三自由度機(jī)器人連續(xù)剛度映射研究 【 燕山大 學(xué)學(xué)報(bào) 2008 年 04 期】 2、魏軒、吳軍 3面并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度分析 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 【 2009 年 09 期】 3、邵珠峰、唐曉強(qiáng)、王立平、黃鵬 平面柔性 3聯(lián)機(jī)構(gòu)自標(biāo)定方法機(jī)械工程【學(xué)報(bào) 2009 年 03 期】 李樹軍 3面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛度特性分析 東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 【 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