管道爬壁機器人的設(shè)計

管道爬壁機器人設(shè)計說明書 設(shè)計者：趙藝霖 ,陳即彪 ,王振寧 (濰坊學院機電與車輛工程學院，濰坊 261061) 作品內(nèi)容簡介 現(xiàn)在的管道機器人在豎直或者是水平方向都很好的實現(xiàn)了檢測與清理功能。但至今還沒有管道產(chǎn)品在復雜的管道中很好的工作。為此我們設(shè)計了這款管道爬壁機器人，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雜管道中完成檢測，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動，在車體上安裝有四個機械手臂，在機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動，在鐵質(zhì)管道上利用電磁鐵的磁力和機械手臂的交叉前進實現(xiàn)豎直方向的運動。 該作品靈活多變 ， 不但可以適應(yīng)復雜的管道還能夠進行多樣的工作 。 我們依靠機械臂的靈活度與吸盤，電磁鐵的吸力來實現(xiàn)該產(chǎn)品的爬壁功能，在水平方向上利用最傳統(tǒng)的智能車作為動力，這樣的設(shè)計完全可以滿足水平方向與豎直方向的靈活轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)復雜管道的自由穿梭，進而可以讓該機器人更好的實現(xiàn)其檢測與清理功能。該管道爬行機器人實現(xiàn)遠程電腦控制，所得數(shù)據(jù)通過反饋處理使機器人能夠完成各項做業(yè)。 一、研制背景及意義 1、隨著社會的快速發(fā)展 ,國家生產(chǎn)水平不斷提高，產(chǎn)品更新也越來越快。管道運輸在我國運用比較普遍，但管道長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、漏氣的問題，存在重大安全隱患和經(jīng)濟損失。在管道廣泛使用的今天，管道的檢測、清理、維護成了一個亟待解決的問題。但是管道的封閉性和工作環(huán)境決定了這項工作的艱難。時至今日，雖然經(jīng)過各國學者的努力，已經(jīng)有各種各樣的機器人，但是他們大都存在這樣或那樣的問題，而且功能不夠強大。 2、人民對管道 清潔機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、維護、清理等要求。 3、管道爬行機器人的研究更好地為管道的檢測、維護、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)測的準確性和管道清理的安全性，也便于管道工程管理維護人員制定維護方案，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)約大量的維修費用，降低管道維護成本，保障工業(yè)生產(chǎn)和人民生活及財產(chǎn)安全。 4、近些年來人們對自然環(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)點得到了廣泛的應(yīng)用。為研究高效的管道機器人提供了良好的市場環(huán)境。 5、隨著計算機技術(shù)的廣泛普及和應(yīng)用國內(nèi)外檢測技術(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技術(shù)的目的是檢測涂層及陰極保護有效性的基礎(chǔ)上通 過挖坑檢測達到檢測管體腐蝕缺陷的目的對于目前大多數(shù)布局內(nèi)檢測條件的管道是十分有效的。 6、管道內(nèi)檢測技術(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、大口徑石油運輸管道、大口徑自來水管道、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、東風二汽長管道系統(tǒng)等各種大型廠房中的大孔徑管道系統(tǒng)隨處可見。但是它們在為人們工作所利用時也帶來了很多問題如人們肆意向管道內(nèi)投放廢品塑料、易拉罐、粘性物品、玻璃廢品等長期下去 導致管道內(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水管道或其他化工管道因溫度太低內(nèi)部自來水會產(chǎn)生凝固凍結(jié)從而導致自來水不能正常流動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)生的粉塵會黏附在管道或煙囪內(nèi)壁長時間越積越多吹產(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)計方案 1、總體設(shè)計及圖片說明 圖 1 管道爬壁機器人的整體結(jié)構(gòu)圖如圖所示，該機器人的整體結(jié)構(gòu) 為車體結(jié)構(gòu)，在車體的上方安裝有四個靈活的機械臂，通過四個機械手臂的配合可以在水平豎直等多種復雜的管道內(nèi)完成多種 工作 。該爬壁管道機器人安裝有高清攝像頭，它的四個機械臂可以靈活使用，機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等。 1、機械手臂底座（圖 2）的設(shè)計： 圖 2 該機械臂的底座采用鏤空設(shè)計減輕機械手臂的重量。 利用蝸桿傳動實現(xiàn)機械臂的365 度旋轉(zhuǎn)功能。底座與車體的鏈接采用螺栓連接。在底座的上有一個處理器這是機械臂獨立的處理器，它的主要作用是控制機械臂的活動，在機械臂不接受任務(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準確的管道數(shù)據(jù)。 2、機械主體臂（圖 3） 圖 3 這是機械手臂的主體臂 。 它由馬達 ， 連桿等零件組成 。 它主要的功能是實現(xiàn)機械手臂的伸縮及其豎直方向上的旋轉(zhuǎn)運動 。 下方的兩個馬達分別控制主支撐桿與控制上方的升降傳動連接桿 。 馬達通過自身 的傳送力實現(xiàn)機械手臂的升降 。兩個連接桿的巧妙組合實現(xiàn)主體臂的升降與運動的傳遞，也為上方的機械臂前端的運動提供了良好的支撐。 3、機械臂前端（圖 4） 圖 4 圖 5 機械臂前端是該機械臂傳動最為復雜的部分，該部分主要由齒輪，馬達，輪盤等零件組成。該部分由三個馬達提供動力，其中有兩個馬達為機械手臂的最前端（機械頭）提供旋轉(zhuǎn)動力的。剩下的一個馬達為機械手臂的前端的旋轉(zhuǎn)提供動力。 實現(xiàn)機械頭的 360 度的工作狀態(tài)，為機械頭實現(xiàn)多功能化提供了基礎(chǔ)。它的傳動原理如圖 4 所示，利用大小齒輪的嚙合實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。將馬達安放在機械臂的前端可以使整個機械臂的受力保持穩(wěn)定。 4、機械頭（圖 6，圖 7） 圖 6 圖 7 這是這個整個機械臂功能實現(xiàn)的最主要的結(jié)構(gòu)部分，該部分由兩個錐形齒輪結(jié)構(gòu)組成，錐形齒輪改變了動力的傳送方向，當前端的最頂頭與后方的軸成九十度時買就是實現(xiàn)吸盤吸力與電磁力的交叉改變的過程。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觸式結(jié)構(gòu)設(shè)計更方便安全。 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現(xiàn)了該機器人的清理功能。 5、車體前端減震設(shè)計（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)的簡化與改進，完全可以滿足該爬壁機器人的設(shè)計需要。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)，并且進行了防水設(shè)計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)可以多角度進行管道內(nèi)的偵查。 三、功能原理和性能指標 1、功能原理（圖 9） 圖 9 該管道爬壁機器人采用車體結(jié)構(gòu)設(shè)計，電力驅(qū)動，利用 機械臂的靈活伸展能力配合磁盤或者電磁鐵進行工作，使其能在復雜的管道中自由穿梭，完成在人無法進入或者很難進入的管道中的各項工作。為使該管道爬壁機器人能夠多種工作。我們可以將各種工作工具安裝在機械臂的前端以便完成各種工作。 2、性能指標 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 防護等級 ： 可用水深 ： 5 米 氣密保護 ： 工作溫度 50 鏡頭轉(zhuǎn)角，電動旋轉(zhuǎn) ： 徑向 360 2 * 135 度 照明光源 ： 56 顆 7色 攝像參數(shù) ： 調(diào)焦 變倍手動對焦 成像 分辨率 ： 500 795 * 596 靈敏度 ： 尺寸 ： 80 190整體重量 ： 3激光測量： 用于測量裂縫寬度或測量目標距離 適用管徑 ： 150000鏡頭升降 ： 200驅(qū)動 ： 四驅(qū)單 50W 直流電 6 200大行走速度 ： 可達 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、實驗過程中關(guān)鍵問題的分析及解決方案 1、該爬壁機器人怎樣才能實現(xiàn)在復雜管道中的自由運行，我們最初的設(shè)計是圓筒狀的機器人利用有角度的爬壁輪的旋轉(zhuǎn)力作為管道機器人的前進動力，但這樣的設(shè)計對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，在復雜一點的無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)的機器人，車體機器人的優(yōu)點是速度快，越障能力好。在豎直方向的管道機器人至今還沒有很好的 產(chǎn)品出現(xiàn)，對于單一的豎直管道利用利用豎直向下放置的管道機器人就可以完成管道的檢測等多項工作。當遇到復雜一點的管道如水平豎直交叉的管道時還沒有很好的管道產(chǎn)品出現(xiàn)，我們團隊想到利用機械臂的靈活度來實現(xiàn)管道機器人的豎直爬壁功能。 3、要想實現(xiàn)機器人的爬壁功能要依靠在管道上的依附力，為了實現(xiàn)讓機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械手臂依附在管道上在利用機械手臂的靈活特性在塑料管道上進行交叉行走就能很好的實現(xiàn)了該管道機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實現(xiàn)管道機器人在管道中的自由爬行，通過處理系統(tǒng)使前方的機械臂通電后產(chǎn)生磁力吸附在管道壁上，后方的機械臂向前運動，運動到一定的程度前方的機械臂通電產(chǎn)生磁力后方的機械臂斷電在進行交叉前進，這樣的配合使得機械臂可以自由靈活的實現(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設(shè)計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、該管道機器想要實現(xiàn)多功能化，必然增加了機器人的負荷，為了更好的使該爬壁機器人實現(xiàn)多功 能化又不增加其負荷，最終我們決定講該機械臂的頭設(shè)計成靈活可拆卸的結(jié)構(gòu)，使其能安裝不同的工作工具。 六、設(shè)計創(chuàng)新點 1在塑料材質(zhì)的管道中機械臂依靠氣動驅(qū)動實現(xiàn)爬壁功能，該種驅(qū)動動力較大，使得機器人具有承擔一定負載的能力，通過調(diào)節(jié)氣壓可以實現(xiàn)動力大小的調(diào)節(jié)。 2在該管道爬壁機器人的電路板設(shè)計中我們采用電路板外接，機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，優(yōu)越的越野車式設(shè)計實現(xiàn)過彎管道的功能。整體采用模塊設(shè)計，輕小便捷，便于攜帶、能耗低 。 該機器人采用 可編程控 制器由編制及更改程序來實現(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， 抗干擾能力強通用性和適應(yīng)性強 ， 。 準化程度高，執(zhí)行元件布置靈活，易于設(shè)計和制造。易于實現(xiàn)過載保護 ， 容易和電氣控制結(jié)合，實現(xiàn)自動控制。 液壓作為驅(qū)動動力，以 為控制手段，以變頻器作為調(diào)速方式，實現(xiàn)升降、伸縮、回轉(zhuǎn)、行走、剎車等多種動作的操作。因而它具有機械化、程序化、可控化，適應(yīng)性、靈活性強的特點 道機器人的設(shè)計以智能小車為基礎(chǔ)，按照實際管道測試的要求搭載多個紅外傳感器，使用 為小車的主控芯片，并編制相應(yīng)的路徑搜索算法來實現(xiàn)管道機器人在管道內(nèi)部自動的行走、尋路和避障，整個過程無需人工干預(yù)，具備較高的智能化水平。 進行管道探堵時，管道機器人按照尋路時檢測的有效路徑在管道中行走，同時通過前方的紅外傳感器來檢測管道內(nèi)的障礙，當檢測到管道阻塞時 , 管道機器人可將檢測位置記錄在設(shè)備的存儲器中并沿原路返回，工作人員只需調(diào)出存儲器中的數(shù)據(jù)即可知道阻塞的具體位置，從而有針對性的開展解堵作業(yè) 10. 操作靈活，擴展性好：管道機器人的設(shè)計采用標準架構(gòu)的 片，便于程序的設(shè)計與升 級。系統(tǒng)設(shè)計好后，可通過管道檢測的實際情況來不斷調(diào)整紅外檢測的參數(shù)，從而減少誤測現(xiàn)象的發(fā)生，同時通過優(yōu)化尋路算法來提高系統(tǒng)的檢測速度。 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)新的原動力，隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展， 管道爬壁機器人應(yīng)用范圍更廣，可應(yīng)用于各類管道的管理可通過檢測畫面快速直觀判定管道內(nèi)部堵塞、塌陷、非法插入、錯位、裂痕等各種缺陷狀態(tài)為管道的更新或修復工作提供評估依據(jù)。大工管道探測機器人采用的先進的管道內(nèi)窺攝像檢測系統(tǒng)可在管道內(nèi)自動爬行實現(xiàn)全方位觀測并可將錄像傳輸?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。管道機器人可用于市政污水管網(wǎng)、窨井 通過檢測畫面快速直觀判斷管道內(nèi)部堵塞、塌陷、非法插入、錯位、裂痕等各種缺陷狀態(tài)為管道的更新或修復工作提供評估依據(jù) 。 管道爬壁機器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機械在工作人員的遙控操作或計算機自動控制下進行一系列管道作業(yè)的機、電、儀一體化系統(tǒng)。我們所設(shè)計的管道機器人具有更好的靈活度，能適應(yīng)多種管道，能進行多種工作，在當代市場還鮮有此多功能的管道機器人，市場前景廣泛。 九、參考文獻 1、 趙 延 治 、張 潔 、趙 鐵 石 彈性鉸平面并聯(lián)三自由度機器人連續(xù)剛度映射研究 【 燕山大 學學報 2008 年 04 期】 2、魏軒、吳軍 3面并聯(lián)機構(gòu)剛度分析 機械設(shè)計與制造 【 2009 年 09 期】 3、邵珠峰、唐曉強、王立平、黃鵬 平面柔性 3聯(lián)機構(gòu)自標定方法機械工程【學報 2009 年 03 期】 李樹軍 3面并聯(lián)機構(gòu)的剛度特性分析 東北大學學報（自然科學版） 【 2007 年 01 期】 4、劉大煒 王立平基于工作空間的 4余并聯(lián)機構(gòu)支鏈優(yōu)化 清華大學學報 （自 然科學版）【 2010 年 08 期】 5、 機器人應(yīng)用技術(shù) / 孟繁華編著哈爾濱工業(yè)大學出版社 8906 5 6、 機器人運動學及動力學 / 王庭樹著西安電子科技大學出版社 6 7、 機器人控制工程 / 徐繽昌 , 闕志宏編著西北工業(yè)大學出版社 0 8、 機器人學 / 李自茂編譯四川科學技術(shù)出版社 1990 1 9、郭洪紅 科學出版社 2011 10 機器人 l):111 機器人 ):2112 機器人 l):13 機電工程 l):424、石淼等 計算機研究與發(fā)展 ):3015、朱世強 ,王宣銀 浙江大學出版社 2001 16、金茂菁 ,曲忠平 ,張桂華 北京機械工業(yè)自動化所 2000