機井救援機器人的設計

周天亮 薛蕊 宋娟

【摘 要】現(xiàn)階段機井救援多采用大型挖掘設備，這種救援方式不僅消耗大量的時間，而且被救者長時間處于危險的環(huán)境中，無法確保其人身安全。同時動用的大型挖掘設備極易對土地造成破環(huán)，影響其生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。長時間的救援強度對機器的燃耗很大，導致尾氣的大量排放，對空氣質(zhì)量造成威脅。其次，針對小型豎直管道的清理也是一個空白，大多數(shù)管道機器人是平行清理，對很多豎直管道的清理也是無人問津，致使其堵塞管道、破壞設備、污染環(huán)境。以節(jié)約能源、提高效率、清理積壓垃圾問題為出發(fā)點，設計了一種簡易管道救援機器人，該裝置操作簡單、使用方便、功能強大。

【關鍵詞】管道機器人；豎直行走；尺寸調(diào)節(jié)；節(jié)約能源

一、緒論

隨著時代的發(fā)展社會的進步，很多的基礎建設都在進行中，然而這些基礎建設帶來了便利和快捷，但是很多弊端也慢慢顯露出來，并且危害著人的生命、環(huán)境的質(zhì)量[1]。面對高發(fā)的墜井事件，我們大多采用大型挖掘設備，將深埋于地下的管道節(jié)節(jié)挖出，直到發(fā)現(xiàn)被控者的位置[2]。這樣的救援方式不僅耗時耗力，而且成功率相對較低。動用的大型機械設備在長時間的工作中也會不斷地排放尾氣，消耗燃油資源[3]。針對國內(nèi)近幾年機井救援案例的增加，綜合考慮現(xiàn)有的機井救援設備的不完善，以及對于垂直管道機器人的不深入，我們設計了該裝置來彌補目前國內(nèi)在這方面的空缺。

二、設計方案

（一）電器控制

管道機器人的控制系統(tǒng)是機器人的神經(jīng)中樞，機器人的行走、轉(zhuǎn)彎、進退、上下和尺寸調(diào)節(jié)都是由控制系統(tǒng)進行控制調(diào)節(jié)的?？刂葡到y(tǒng)主要有手動控制和自動控制兩種。我們設計的機器人以STC89C52單片機為核心，采用電機驅(qū)動。通過單片機內(nèi)的程序結合電機驅(qū)動模塊控制電機的正反轉(zhuǎn)，以及機器人的前進后退。

采用JGY370大扭矩直流減速電機，采用履帶式底盤結構，同時6個電機由一個開關控制，來實現(xiàn)步伐的協(xié)調(diào)，統(tǒng)一，穩(wěn)定。絲杠材料：合金鋼；提升的總重量：10KG；行程：800mm；最大速度：70mm/s；型號：XD-37GB520；額定力矩：4kg/cm；轉(zhuǎn)速100r/min；功率：10W[4]。

在機器人主體部分安裝的三根帶滑塊的螺桿的外伸部分用齒輪和履帶連接在一起，由一臺電機控制。通過改變這臺電機的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速就可以調(diào)節(jié)機器人的尺寸大小。為了便于程序的修改、閱讀，采用了模塊化設計。

采用V380手機無線監(jiān)控高清攝像頭，具有AP熱點功能，無需網(wǎng)絡，適應性更加廣泛，可以進行語音對講，實時傳輸救援實況[5]，360°全方位無死角檢測，而且可以遠程遙控，對惡劣環(huán)境有很強的適應性。

驅(qū)動方式主要有電氣驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、機械驅(qū)動4種。當前采用的主要是電驅(qū)動和氣壓驅(qū)動。氣壓驅(qū)動具有重量輕、結構簡單等特點，但是，氣壓驅(qū)動準確性不高、沖擊大。電驅(qū)動具有控制準確、位置移動精確等特點。同時相比于大型的挖掘機械都是通過消耗燃油來進行工作，不僅消耗燃油資源，而且排放的大量尾氣對環(huán)境有很大的污染。相比較氣壓驅(qū)動跟電力驅(qū)動來說電力驅(qū)動的控制在選擇上更加具有實用性更加方便。

（二）機械部分

我們采用絲杠和3個三棱柱的配合。在此基礎上可以有效解決機器人的尺寸調(diào)節(jié)。我們將平面四桿機構運用到機器人的尺寸調(diào)節(jié)中使其更具靈活性，可以自由的根據(jù)實際情況來調(diào)節(jié)自己的尺寸深入救援一線。

（三）工作原理及性能分析

機器人可以實現(xiàn)尺寸的調(diào)節(jié)，基于平行四邊形輪腿機構、采用絲杠螺母調(diào)節(jié)方式的管徑適應調(diào)整機構適合輪式驅(qū)動管道機器人，采用這種機構可以提高管道機器人的牽引能力，適應不同直徑的管道檢測。其力學特性分析表明：管道機器人行走時，保持較小的姿態(tài)角有利于提高牽引能力。通過管徑適應調(diào)整機構提供附加正壓力可以改善機器人的牽引能力，而且在大管徑時機構負荷小，效率高；管徑適應機構的張開過程中是一個復雜的受力過程，管徑較小時張開費力，機構負荷較大，在設計中應給予考慮。我們設計的管道三足爬行機器人是綜合了目前管道機器人的各種合理因素以及最新研究成果，提出了自己的觀點和設計思路，并進行了研究實踐。

三、總結

面對社會的發(fā)展，時代的進步，在管道清理，管道救援方面的難度會加大。我們的設計針對大型設備耗時、耗力、浪費能源以及各大小不一的豎直管道清理難的問題提出，在管道清理公司與消防救援方面不僅便于攜帶、容易操作、適應性強，而且有很大的可行性價值?？捎糜谖覈V山開采過程中有一些沒有及時回填的礦井和樁井、農(nóng)村灌溉用的機井和老式水井。對于這些人類沒辦法深入解決的地方，管道救援機器人可以很輕松的解決人們的難題。

【參考文獻】

[1] 張云偉，顏國正，丁國清，等.煤氣管道機器人管徑適應調(diào)整機構分析[J].上海交通大學學報，2005，39（6）：950-954，959.

[2] 劉元峰多故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性特性及轉(zhuǎn)子故障信號分析方法的研究[D].上海：上海交通大學機械與動力工程學院，2003.

[3] 劉大維，彭商賢龔進峰地下管道檢測移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀[J].吉林工業(yè)大學學報（自然科學），1998，28（1）：109-113.

[4] 余浩然，吳斌，陳麗萍.漏磁通法油氣管道在役檢測技術[J].實用測試技術，1997，9（5）：1-9.

[5] 張秀麗等，一種小型管道檢測機器人[J]機器人，2001（10）：626-629.