管道爬壁机器人的设计

管道爬壁机器人设计说明书 设计者：赵艺霖 ,陈即彪 ,王振宁 (潍坊学院机电与车辆工程学院，潍坊 261061) 作品内容简介 现在的管道机器人在竖直或者是水平方向都很好的实现了检测与清理功能。但至今还没有管道产品在复杂的管道中很好的工作。为此我们设计了这款管道爬壁机器人，它既可以在水平管道中很好的工作还可以在竖直管道中完成工作，能够自如的在水平竖直交叉的复杂管道中完成检测，清理等工作。 该产品的主题结构为车体结构，在水平方向依靠车载力运动，在车体上安装有四个机械手臂，在机械手臂的前端安装有吸盘跟电磁铁，在塑料管道中依靠吸盘在竖直方向上运动，在铁质管道上利用电磁铁的磁力和机械手臂的交叉前进实现竖直方向的运动。 该作品灵活多变 ， 不但可以适应复杂的管道还能够进行多样的工作 。 我们依靠机械臂的灵活度与吸盘，电磁铁的吸力来实现该产品的爬壁功能，在水平方向上利用最传统的智能车作为动力，这样的设计完全可以满足水平方向与竖直方向的灵活转变，实现复杂管道的自由穿梭，进而可以让该机器人更好的实现其检测与清理功能。该管道爬行机器人实现远程电脑控制，所得数据通过反馈处理使机器人能够完成各项做业。 一、研制背景及意义 1、随着社会的快速发展 ,国家生产水平不断提高，产品更新也越来越快。管道运输在我国运用比较普遍，但管道长期处在压力大的恶劣环境中，受到水油混合物、硫化氢等有害气体的腐蚀。这些管道受腐后，管壁变薄，容易产生裂缝，造成漏油、漏气的问题，存在重大安全隐患和经济损失。在管道广泛使用的今天，管道的检测、清理、维护成了一个亟待解决的问题。但是管道的封闭性和工作环境决定了这项工作的艰难。时至今日，虽然经过各国学者的努力，已经有各种各样的机器人，但是他们大都存在这样或那样的问题，而且功能不够强大。 2、人民对管道 清洁机械的要求是不仅科技含量要高，而且还要绿色、节能、环保。能够满足不同类型管道的检测、维护、清理等要求。 3、管道爬行机器人的研究更好地为管道的检测、维护、清理提供了新的技术手段，这种技术更好的提高了管道监测的准确性和管道清理的安全性，也便于管道工程管理维护人员制定维护方案，清除管道垃圾防止堵塞，事前消除管道的安全隐患，从而节约大量的维修费用，降低管道维护成本，保障工业生产和人民生活及财产安全。 4、近些年来人们对自然环境、工作环境、工作工具及其方式的要求逐步提高。随着中国城市化建设事业的发展推大型化工厂、大型天然气厂、大型地下管道处理系统的建成大型管道或类似管道装置组合处理系统设施以其高质量的工作效率、圆形管道结构占地少、有效工作空间大、美化生活环境等优点得到了广泛的应用。为研究高效的管道机器人提供了良好的市场环境。 5、随着计算机技术的广泛普及和应用国内外检测技术都得到了迅猛发展管情况下涂层破损、失效处下方的管道同样受到腐蚀管道外检测技术的目的是检测涂层及阴极保护有效性的基础上通 过挖坑检测达到检测管体腐蚀缺陷的目的对于目前大多数布局内检测条件的管道是十分有效的。 6、管道内检测技术主要用于发现管道内外腐蚀、局部变形以及焊缝裂纹等缺陷也可间接判断涂层的完好性。 因此各种大口径天然气管道、大口径石油运输管道、大口径自来水管道、大孔径地下污水处理管道锅炉厂、硫酸厂、核电站、液化气站、印刷厂、酒厂、食品加工厂、东风二汽长管道系统等各种大型厂房中的大孔径管道系统随处可见。但是它们在为人们工作所利用时也带来了很多问题如人们肆意向管道内投放废品塑料、易拉罐、粘性物品、玻璃废品等长期下去 导致管道内部因淤积较多废弃物 7、而使管道堵塞冬天北方天气寒冷裸露在外部的自来水管道或其他化工管道因温度太低内部自来水会产生凝固冻结从而导致自来水不能正常流动影响城市居民正常的生活酒精厂或其它化工厂燃料燃烧所产生的粉尘会黏附在管道或烟囱内壁长时间越积越多吹产生静电效应甚至引发火灾和爆炸事故长期处于露影响自然环境并且产生安全隐患等等 。 二、设计方案 1、总体设计及图片说明 图 1 管道爬壁机器人的整体结构图如图所示，该机器人的整体结构 为车体结构，在车体的上方安装有四个灵活的机械臂，通过四个机械手臂的配合可以在水平竖直等多种复杂的管道内完成多种 工作 。该爬壁管道机器人安装有高清摄像头，它的四个机械臂可以灵活使用，机械臂的前端是可以拆卸的，从而可以安装多种工作工具如电焊机等。 1、机械手臂底座（图 2）的设计： 图 2 该机械臂的底座采用镂空设计减轻机械手臂的重量。 利用蜗杆传动实现机械臂的365 度旋转功能。底座与车体的链接采用螺栓连接。在底座的上有一个处理器这是机械臂独立的处理器，它的主要作用是控制机械臂的活动，在机械臂不接受任务是它能很好的配合车体上的处理器分析管道内的具体情况，以便能够获得跟那个准确的管道数据。 2、机械主体臂（图 3） 图 3 这是机械手臂的主体臂 。 它由马达 ， 连杆等零件组成 。 它主要的功能是实现机械手臂的伸缩及其竖直方向上的旋转运动 。 下方的两个马达分别控制主支撑杆与控制上方的升降传动连接杆 。 马达通过自身 的传送力实现机械手臂的升降 。两个连接杆的巧妙组合实现主体臂的升降与运动的传递，也为上方的机械臂前端的运动提供了良好的支撑。 3、机械臂前端（图 4） 图 4 图 5 机械臂前端是该机械臂传动最为复杂的部分，该部分主要由齿轮，马达，轮盘等零件组成。该部分由三个马达提供动力，其中有两个马达为机械手臂的最前端（机械头）提供旋转动力的。剩下的一个马达为机械手臂的前端的旋转提供动力。 实现机械头的 360 度的工作状态，为机械头实现多功能化提供了基础。它的传动原理如图 4 所示，利用大小齿轮的啮合实现转速的改变。将马达安放在机械臂的前端可以使整个机械臂的受力保持稳定。 4、机械头（图 6，图 7） 图 6 图 7 这是这个整个机械臂功能实现的最主要的结构部分，该部分由两个锥形齿轮结构组成，锥形齿轮改变了动力的传送方向，当前端的最顶头与后方的轴成九十度时买就是实现吸盘吸力与电磁力的交叉改变的过程。前端的吸盘采用液压 结构，可旋转增加吸力。后方的电磁力装置采用点触式结构设计更方便安全。 该部分可以灵活拆卸安装不同工作所需要的其他设备。如安装上清理钻头就实现了该机器人的清理功能。 5、车体前端减震设计（图 8） 图 8 该减震结构利用了四驱越野车的减震结构，我们做了结构的简化与改进，完全可以满足该爬壁机器人的设计需要。该减震结构采用最普通的弹簧减震，轻便小巧便于使用。 6、摄像头（图 8） 如上图所示在管道爬壁机器人的前端安装有高清摄像头，该摄像头自带照明系 统，并且进行了防水设计以便可以在水中做业。该摄像头带有旋转和升降系统可以多角度进行管道内的侦查。 三、功能原理和性能指标 1、功能原理（图 9） 图 9 该管道爬壁机器人采用车体结构设计，电力驱动，利用 机械臂的灵活伸展能力配合磁盘或者电磁铁进行工作，使其能在复杂的管道中自由穿梭，完成在人无法进入或者很难进入的管道中的各项工作。为使该管道爬壁机器人能够多种工作。我们可以将各种工作工具安装在机械臂的前端以便完成各种工作。 2、性能指标 行走速度： 10m/重 : 5载重： 10身尺寸： 200002090 度 12V 一次性行走距离： 2500m 牵引力 : 300N 400N 密封性能： 半密封 工作环境： 中性液体环境，液面高度不得高于 50作温度： 0 防护等级 ： 可用水深 ： 5 米 气密保护 ： 工作温度 50 镜头转角，电动旋转 ： 径向 360 2 * 135 度 照明光源 ： 56 颗 7色 摄像参数 ： 调焦 变倍手动对焦 成像 分辨率 ： 500 795 * 596 灵敏度 ： 尺寸 ： 80 190整体重量 ： 3激光测量： 用于测量裂缝宽度或测量目标距离 适用管径 ： 150000镜头升降 ： 200驱动 ： 四驱单 50W 直流电 6 200大行走速度 ： 可达 40m/爬坡 ： 50左右 深度 ： 可以深入管道 200 米 后视镜头 ： 察倒车及线缆回收情况 显示单元 ： 14 1200 * 800 五、实验过程中关键问题的分析及解决方案 1、该爬壁机器人怎样才能实现在复杂管道中的自由运行，我们最初的设计是圆筒状的机器人利用有角度的爬壁轮的旋转力作为管道机器人的前进动力，但这样的设计对管道的直径有很高的要求，能够适应的管道很少。 2、现在的管道大部分是水平的或者是竖直的，在复杂一点的无非就是水平竖直交叉的管道。为了更好的适应这三种类型的管道我们进行了大量的材料收集与分析工作，最后我们得出在水平方管道中最好的还是车体结构的机器人，车体机器人的优点是速度快，越障能力好。在竖直方向的管道机器人至今还没有很好的 产品出现，对于单一的竖直管道利用利用竖直向下放置的管道机器人就可以完成管道的检测等多项工作。当遇到复杂一点的管道如水平竖直交叉的管道时还没有很好的管道产品出现，我们团队想到利用机械臂的灵活度来实现管道机器人的竖直爬壁功能。 3、要想实现机器人的爬壁功能要依靠在管道上的依附力，为了实现让机械手臂拥有更高的依附力我们决定采用两种方式一种是适应塑料管道的吸盘，利用吸盘的吸力可以很好的使机械手臂依附在管道上在利用机械手臂的灵活特性在塑料管道上进行交叉行走就能很好的实现了该管道机器人在竖直方向的行走功能。在铁质金属管 道中我们采用电磁力来实现管道机器人在管道中的自由爬行，通过处理系统使前方的机械臂通电后产生磁力吸附在管道壁上，后方的机械臂向前运动，运动到一定的程度前方的机械臂通电产生磁力后方的机械臂断电在进行交叉前进，这样的配合使得机械臂可以自由灵活的实现爬壁的功能。 4、为了使车体结构可以更好的穿梭在管道中我们设计了具有减震效果的车体结构，为了使车体可以更好的载重机械手臂我们加固了车的底盘结构。使车的整体载重与承受力都大大的增加。 5、该管道机器想要实现多功能化，必然增加了机器人的负荷，为了更好的使该爬壁机器人实现多功 能化又不增加其负荷，最终我们决定讲该机械臂的头设计成灵活可拆卸的结构，使其能安装不同的工作工具。 六、设计创新点 1在塑料材质的管道中机械臂依靠气动驱动实现爬壁功能，该种驱动动力较大，使得机器人具有承担一定负载的能力，通过调节气压可以实现动力大小的调节。 2在该管道爬壁机器人的电路板设计中我们采用电路板外接，机器人主体部分可以较好地适应潮湿的环境。 3主体部分采用 车体 结构，由 电力 驱动，优越的越野车式设计实现过弯管道的功能。整体采用模块设计，轻小便捷，便于携带、能耗低 。 该机器人采用 可编程控 制器由编制及更改程序来实现不同的功能；继电器接触器由连接硬件电器，布置电路，实现功能 。 与继电器接触器比较而言，可编程控制器故障少，可靠性更 高， 抗干扰能力强通用性和适应性强 ， 。 准化程度高，执行元件布置灵活，易于设计和制造。易于实现过载保护 ， 容易和电气控制结合，实现自动控制。 液压作为驱动动力，以 为控制手段，以变频器作为调速方式，实现升降、伸缩、回转、行走、刹车等多种动作的操作。因而它具有机械化、程序化、可控化，适应性、灵活性强的特点 道机器人的设计以智能小车为基础，按照实际管道测试的要求搭载多个红外传感器，使用 为小车的主控芯片，并编制相应的路径搜索算法来实现管道机器人在管道内部自动的行走、寻路和避障，整个过程无需人工干预，具备较高的智能化水平。 进行管道探堵时，管道机器人按照寻路时检测的有效路径在管道中行走，同时通过前方的红外传感器来检测管道内的障碍，当检测到管道阻塞时 , 管道机器人可将检测位置记录在设备的存储器中并沿原路返回，工作人员只需调出存储器中的数据即可知道阻塞的具体位置，从而有针对性的开展解堵作业 10. 操作灵活，扩展性好：管道机器人的设计采用标准架构的 片，便于程序的设计与升 级。系统设计好后，可通过管道检测的实际情况来不断调整红外检测的参数，从而减少误测现象的发生，同时通过优化寻路算法来提高系统的检测速度。 还可以在不同材质的管道中自由穿梭，完成多种工作。 可以完成除杂物。焊接等工作。灵活的机械头方便拆卸安装不同的工作组件一百年完成其他的工作。 七、结构示意图 图 10 图 11 图 12 八、总结 需求是创新的原动力，随着社会经济的迅速发展， 管道爬壁机器人应用范围更广，可应用于各类管道的管理可通过检测画面快速直观判定管道内部堵塞、塌陷、非法插入、错位、裂痕等各种缺陷状态为管道的更新或修复工作提供评估依据。大工管道探测机器人采用的先进的管道内窥摄像检测系统可在管道内自动爬行实现全方位观测并可将录像传输到地面控制系统便于地面工作人员了解管道内部情况判断管道损坏程度、范围等。管道机器人可用于市政污水管网、窨井 通过检测画面快速直观判断管道内部堵塞、塌陷、非法插入、错位、裂痕等各种缺陷状态为管道的更新或修复工作提供评估依据 。 管道爬壁机器人是一种可沿管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。我们所设计的管道机器人具有更好的灵活度，能适应多种管道，能进行多种工作，在当代市场还鲜有此多功能的管道机器人，市场前景广泛。 九、参考文献 1、 赵 延 治 、张 洁 、赵 铁 石 弹性铰平面并联三自由度机器人连续刚度映射研究 【 燕山大 学学报 2008 年 04 期】 2、魏轩、吴军 3面并联机构刚度分析 机械设计与制造 【 2009 年 09 期】 3、邵珠峰、唐晓强、王立平、黄鹏 平面柔性 3联机构自标定方法机械工程【学报 2009 年 03 期】 李树军 3面并联机构的刚度特性分析 东北大学学报（自然科学版） 【 2007 年 01 期】 4、刘大炜 王立平基于工作空间的 4余并联机构支链优化 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