管道除塵機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

于家驊?徐菁?張亞茹?邢一童?趙文軒

摘要：管道除塵機(jī)器人，旨在制造一個(gè)更加方便、高效的管道除塵機(jī)器人，用來(lái)解決該領(lǐng)域內(nèi)專(zhuān)業(yè)除塵設(shè)備的不足。為了進(jìn)一步解決管道除塵機(jī)器人在管道內(nèi)單一的工作問(wèn)題，同時(shí)為了提高管道除塵機(jī)器人在管道內(nèi)的工作效率，所以我們研發(fā)了一種新的履帶式的管道除塵機(jī)器人?；诠艿莱龎m機(jī)器人的機(jī)械原理要求，對(duì)管道機(jī)器人的履帶式行走機(jī)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及輔助機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后在三維建模軟件SolidWorks內(nèi)對(duì)管道除塵機(jī)器人的各個(gè)零件進(jìn)行建模和整體裝配，建立除塵機(jī)器人的三維模型。

關(guān)鍵詞：管道除塵機(jī)器人;履帶式行走機(jī)構(gòu)

1.引言

隨著我國(guó)天然氣、空調(diào)等的廣泛應(yīng)用 ，管道的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，管道由于長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用，在運(yùn)輸過(guò)程中，多少都會(huì)積累灰塵，而由于管道狹小，多設(shè)在地下或高處，大大的增加了清潔與維護(hù)管道的難度。目前在國(guó)內(nèi)，管道除塵的方法普遍存在很多局限性，并且大多數(shù)不符合環(huán)保，并且技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性要求，除塵效果非常不理想。而且人工在進(jìn)行管道除塵、檢測(cè)時(shí)困難重重， 不僅效率非常低而且還存在著一定的安全隱患。而用管道除塵機(jī)器人在管道內(nèi)進(jìn)行除塵工作時(shí)還有著其他管道除塵方式不可替代的優(yōu)點(diǎn)， 管道除塵機(jī)器人不僅可以在管道內(nèi)進(jìn)行除塵工作， 還可以實(shí)時(shí)地檢查除塵效果以及進(jìn)行對(duì)管道的檢測(cè)、噴涂、消毒等工作。而且目前市場(chǎng)上國(guó)產(chǎn)的管道除塵機(jī)器人產(chǎn)品大多、太雜。技術(shù)性能比較單一， 產(chǎn)品倉(cāng)促投放中國(guó)市場(chǎng)， 不利于我國(guó)國(guó)內(nèi)管道除塵市場(chǎng)的健康發(fā)展。該管道除塵機(jī)器人采用了3個(gè)履帶行走機(jī)構(gòu)，可以與管道內(nèi)壁緊緊貼合。而且根據(jù)管道截面形狀使履帶360°貼合管道， 有利于增大履帶與管道壁面的附著力和摩擦力。

2.總體設(shè)計(jì)

2.1機(jī)器人工作原理

機(jī)器人在水平管道中運(yùn)行時(shí)，履帶行走機(jī)構(gòu)的履帶可以與管道的內(nèi)壁接觸，管道內(nèi)壁與履帶之間的貼合，產(chǎn)生的摩擦力可以為管道除塵機(jī)器人提供動(dòng)力。水平管道中運(yùn)行的機(jī)器人，只需要履帶與管道內(nèi)壁接觸，就可以使機(jī)器人正常行走。機(jī)器人在豎直管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，要使管道除塵機(jī)器人的本體中心線與管道的中心軸線保持平行。設(shè)計(jì)管道機(jī)器人的3個(gè)履帶行走機(jī)構(gòu)以360°抵在管道內(nèi)壁。使履帶可以緊緊地貼合在管道內(nèi)壁，防止機(jī)器人滑落，還可以為管道除塵機(jī)器人的向上運(yùn)動(dòng)提供足夠的摩擦力。機(jī)器人在進(jìn)入管道后，3個(gè)履帶開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，同時(shí)位于后方的的攝像頭打開(kāi)，前方的除塵機(jī)構(gòu)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行除塵工作。

2.2總體設(shè)計(jì)思路

為了使管道除塵機(jī)器人具有全方位的運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，總體結(jié)構(gòu)由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、除塵機(jī)構(gòu)、輔助機(jī)構(gòu)所組成。

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：機(jī)器人有三種驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，對(duì)這三種基本方式進(jìn)行分析比較，確定了管道除塵機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式。液壓驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)不僅對(duì)環(huán)境要求比較高，而且實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜，但電機(jī)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，比較容易實(shí)現(xiàn)密封和調(diào)速控制，所以在本設(shè)計(jì)中選用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為管道除塵機(jī)器人本體的驅(qū)動(dòng)裝置。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是將原動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力進(jìn)行傳遞和分配作用，是機(jī)器人非常重要的組成部分，通過(guò)分析常用的帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)及蝸輪蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)，結(jié)合除法機(jī)器人的組成特征，確定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的構(gòu)成由蝸輪蝸桿傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等組成。

行走機(jī)構(gòu)：行走進(jìn)機(jī)構(gòu)是此機(jī)器人行走的關(guān)鍵，現(xiàn)有機(jī)器人的移動(dòng)方式主要有蠕動(dòng)爬行、彈性振動(dòng)走、履帶行進(jìn)、車(chē)輪式和腿足式。其中車(chē)輪式、腿足式和履帶行進(jìn)3種移動(dòng)方式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且較容易實(shí)現(xiàn)。車(chē)輪式的行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，移動(dòng)速度快，控制轉(zhuǎn)向比較方便，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量的利用利率較高，但是著地面積小，轉(zhuǎn)彎半徑小，越障能力一般，爬坡能力弱; 腿足式自適應(yīng)能力強(qiáng)，越障能力強(qiáng)，對(duì)粗糙路面吸附性能好，但移動(dòng)是間歇的，運(yùn)動(dòng)不連貫，速度慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，步態(tài)難于控制。由于履帶式行進(jìn)機(jī)構(gòu)有支撐面積大，越障能力強(qiáng)，清掃時(shí)不易抖動(dòng)，轉(zhuǎn)向半徑極小，可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向等特點(diǎn)?；诼膸叫羞M(jìn)機(jī)構(gòu)以上特點(diǎn)都較符合管道內(nèi)行走要求，所以本機(jī)器人采用的是履帶行走機(jī)構(gòu)。

除塵機(jī)構(gòu)：管道除塵機(jī)器人是用毛刷、氣錘、氣管等機(jī)械攪動(dòng)裝置將黏附在管道內(nèi)壁上的灰塵剝離， 然后再利用大功率的吸塵器把灰塵吸走用來(lái)達(dá)到清理管道的目的。其中毛刷的樣式有矩形管毛刷和圓管毛刷。有的產(chǎn)品還采用吸塵器方式， 吸塵器形式的管道除塵機(jī)器人和生活中家用的吸塵器相似， 單單依靠空氣泵產(chǎn)生的負(fù)壓將灰塵吸入，需要用到一根很長(zhǎng)的管子， 把灰塵吸到管道外面，再進(jìn)行清理工作。本產(chǎn)品采用了毛刷除塵，使毛刷的軸線與管道除塵機(jī)器人的行進(jìn)方向一致， 毛刷直徑大小與管道直徑相配。毛刷有利于快速清除灰塵，效率高。

輔助機(jī)構(gòu)：管道除塵機(jī)器人在黑暗的管道環(huán)境工作， 必須要安裝必要輔助照明裝備。有一些管道除塵機(jī)器人使用的是鹵素?zé)暨M(jìn)行照明， 雖然鹵素?zé)舻膬?yōu)點(diǎn)是亮度很高， 但它也存在著使命壽命短、發(fā)熱量大等缺點(diǎn)。因此本產(chǎn)品采用的是高清攝像頭，不僅可以在黑暗中清楚的看到管內(nèi)的狀況，而且沒(méi)有上述所說(shuō)的缺點(diǎn)。

3.履帶行走構(gòu)設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的履帶行走機(jī)構(gòu)不同，該履帶行走機(jī)構(gòu)沒(méi)有直接與管道機(jī)器人本體相連接，而是通過(guò)履帶固定結(jié)構(gòu)與本體間接相連，一方面是機(jī)器人變徑結(jié)構(gòu)的一部分，另一方面是管道除塵機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)。使得管道機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)輕松變徑，讓機(jī)器人的變徑與行走變得更加靈活。

履帶行走機(jī)構(gòu)中的履帶采用的是橡膠履帶，因?yàn)椴牧系脑?，在管道除塵機(jī)器人的行走過(guò)程中，橡膠履帶比其他履帶有著更大的摩擦力，尤其是管道機(jī)器人行走在有些傾斜角或者豎直管道內(nèi)的時(shí)侯，橡膠材料的履帶產(chǎn)生的摩擦效果會(huì)比其他履帶的摩擦效果更顯著。履帶行走機(jī)構(gòu)與管道內(nèi)壁的接觸面積更大，可以為管道除塵機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供更大的摩擦力，提高管道機(jī)器人的行走能力。因?yàn)槁膸У恼w結(jié)構(gòu)比較笨重，需要一定的轉(zhuǎn)彎半徑，所以在制作履帶過(guò)程中采用的是輕質(zhì)材料組裝管道除塵機(jī)器人的履帶行走機(jī)構(gòu)。

4.除塵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

除塵模塊是管道除塵機(jī)器人完成除塵工作任務(wù)的核心，是關(guān)鍵技術(shù)研究?jī)?nèi)容，本機(jī)器人除塵采用的是毛刷清理，由3個(gè)毛刷組成，以360°分布在機(jī)器人的前側(cè)。通過(guò)除塵機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到清理的效果。在面對(duì)不同的管道時(shí)，可采用不同直徑的毛刷。而且當(dāng)需要清掃哪一類(lèi)管道時(shí)， 只需要換上符合該類(lèi)管道的毛刷即可， 而不需要更換毛刷的傳動(dòng)箱體， 大大方便了操作。

5.輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于管道的長(zhǎng)期使用，會(huì)有一些污垢的沉積，而且管道的直徑比較小，使得管道能見(jiàn)度較差，甚至根本就看不見(jiàn)管道內(nèi)的情況，很容易會(huì)產(chǎn)生一些不必要的麻煩。為此必須給管道機(jī)器人配備照明和視頻采集裝備，采集到的視頻圖像通過(guò)通訊線傳回地面監(jiān)視系統(tǒng)，以便于地面人員實(shí)時(shí)對(duì)管道情況進(jìn)行觀察、分析，從而預(yù)防意外事件的發(fā)生。本產(chǎn)品機(jī)器人裝有小型照明攝像頭，小型攝像頭裝在機(jī)器人后方，可以更好的觀測(cè)管道內(nèi)的情況，方便工作人員從地面上對(duì)管道情況進(jìn)行觀察、分析。視頻采集攝像頭用來(lái)采集管道污垢的堆積與除塵后的情況，和機(jī)器人的前進(jìn)路徑和周邊環(huán)境，據(jù)此地面工作人員可以更好地對(duì)管道環(huán)境進(jìn)行周詳?shù)姆治?，從而更好更快地進(jìn)行除塵維護(hù)工作。

6.管道機(jī)器人的整體裝配

我們?cè)趯?duì)于新型的管道除塵機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用的是以本體為中心向周?chē)鷶U(kuò)散的裝配方法，首先要對(duì)管道除塵機(jī)器人的各種機(jī)械零件和裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。用SolidWorks三維建模軟件完成對(duì)管道除塵機(jī)器人的全部零件的設(shè)計(jì)和建模，并且通過(guò)對(duì)管道除塵機(jī)器人的各個(gè)零件進(jìn)行了合理的配合，然后組裝成了整體機(jī)器人的裝配體。如圖所示：

7.結(jié)論

該管道除塵機(jī)器人可以應(yīng)用在各種復(fù)雜的管道內(nèi)，還可以更加高效的完成管道內(nèi)的除塵的工作，本文采用履帶式結(jié)構(gòu)，增大了與管道內(nèi)壁的接觸面積，提高了摩擦力，而且還提高了驅(qū)動(dòng)能力和負(fù)載能力，可以牢牢的抓住管道內(nèi)壁。該機(jī)器人采用了三維建模軟件Solid Works對(duì)機(jī)器人的各個(gè)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模和裝配，直觀地體現(xiàn)出變徑管道機(jī)器人的整體情況。在管道內(nèi)具有更好的實(shí)用性。

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