內徑可變管道清理機器人的清理裝置設計

內徑可變管道清理機器人的清理裝置設計

引言
　　
　　微型機器人的研究與微機械或微機電系統的研究緊密相連的美國國家自然科學基金會(NSF)將MEMS 技術列為優先支持的項目,美國國防部先進研究計劃署(DARPA)也制定有關MEMS 的研究發展計劃，將慣性傳感器作為研究重點[1]。工業機器人市場競爭越來越激烈，中國制造業面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰，加快工業機器人技術的研究開發與生產是我們抓住這個歷史機遇的主要途徑[2]。
　　隨著科學技術的不斷發展， 機器人技術已經取得了先進的成果。它廣泛地應用于采礦、冶金、石油、化學、船舶等傳統制造業領域， 同時也逐步擴大到核能、航空、航天、醫藥、生化等高科技領域以及家庭清潔、醫療康復等服務業領域中[3]。但是對城市污水、天然氣輸送、工業物料運輸、給排水和建筑物通風系統等使用著大量復雜隱蔽的管道，如何經濟而又迅速地排堵以及及時維護檢修將是我們面臨的最大難題， 因此研制和開發能夠在內徑可變管道系統內自由行走并進行管清理的內徑可變管道清理機器人將會給社會帶來重大效益[4]。
　　
　　1 內徑可變管道清理機器人總體介紹
　　
　　當機器人進入內徑變化的管道內，需要隨著管道內徑的變化來調節內徑探測裝置。清理裝置以及支撐輪的圓周所在的直徑，為了使機器人在清理的過程中方便自如、穩定準確，設計了如下裝置，其結構如下。
　　為了管道清理機器人在對管道清理的過程中方便輕巧采用了葉輪6（發電機7 驅動下）來提供進給的推動力，同時機身上的可調節支撐輪緊貼管道內壁穩固安全，機器人頭部安裝有攝像頭1，在攝像頭控制器[5]的作用下來探測前方管道內徑的粗細變化，將信號返回到中心控制器，然后再中心控制器的作用下調節清理刷2 的伸出長度，在適當的長度下（液壓控制器），三葉清理刷（120?夾角）在主軸11 帶動（主軸發電機9）下進行旋轉，實施對管壁的清理工作。
　　
　　2 可變內徑清理裝置的結構設計
　　
　　當機器人進入管道時，為了使清理的干凈徹底，清理刷上升和下降的過程中精確穩定，壓力傳感器[6]獲得的壓力值準確，在設計的過程中采用了液壓裝置來控制，清理刷支架的伸出的三角形擋卡可以伸縮，在上升時與強硬的支座三角接觸，三角卡擋卡被壓回但瞬間又伸出實現了小刻度的上升，上升平穩；當需要下降時，液壓傳感器將強制三角擋卡縮回，與此同時液壓控制器控制油液收回，這樣清理支架就會平穩的回降而不會出現劇烈的碰撞，安全穩定性高。
　　為了清理的徹底清理刷頭采用了間隔120°的夾角[7]，由三個清理刷組成，另外在清理不同的材料組成的管道或者管道中需要清理的雜物總類不同可能會對清理刷有不同的要求，因此在支架頂端處設立了兩個自由開關，用來更換不同材料的清理刷，已達到更加的清理效果，安全穩定的同時也提高了清理效率。
　　
　　3 清理裝置的工作流程
　　
　　針對可變內徑清理裝置的結構設計，為了更好的了解和分析該裝置的工作原理，繪制了清理裝置的工作流程圖[8]，該流程圖清楚地表現作出清理刷的液壓控制器以及壓力傳感器的作用時刻和位置。
　　
　　4 內徑可變管道清理機器人的工作原理
　　
　　內徑可變管道清理機器人的清理裝置的工作原理結合工作流程圖可知，當機器人進入管道內，在攝像頭的探測下，攝像頭控制器的分析下將獲得的信號傳給中心控制器，當獲得的信號為前方管道內徑增大，此時攝像頭會在攝像頭控制器的控制下向上移動繼續探測，與此同時中心控制器會發出信號傳給液壓控制器，在液壓力的作用下清理刷支架會沿支座的控制小刻度逐漸上升，當支架的上端剛剛與管道內壁接觸時，頂端的壓力傳感器會將壓力返回到中心控制器，來判斷壓力是否為合適的工作壓力，如果未達到支架則繼續向外伸縮，直到達到合適的工作壓力后，主軸電機旋轉帶動清理刷旋轉對管壁實施清理。
　　當攝像頭探測到管道內徑變小時，此時中心控制器會發出信號是攝像頭下降，同時支架的擋銷在液壓控制器的作用下將與擋卡分開，然后回落到一定的高度，在葉輪的推動下繼續前行，然后在伸張，當壓力傳感器達到穩定工作的安全時，三葉刷在主軸的帶動下對管道進行清理，并且可以根據管道的材料和管內雜物的不同可以選擇更換合適的清理刷，已達到最佳的清理效果。
　　
　　5 實驗驗證與分析
　　
　　為了使該裝置達到最好的清理效果，需要正確的選擇壓力和轉速，在實驗準許的條件下清理刷以毛刷為例進行了試驗，就清理效果η和清理刷與管壁的壓力p（轉速恒定）和主軸轉速n（壓力恒定）進行了數據測量，并繪制了圖表：
　　由以上兩組數據以及以及圖形曲線可以清楚地看出，清理效果與清理刷與管壁的壓力具有正相關的趨勢，因此在清理的過程中可以適當的增加壓力以加強清理效果，但是不可以太高以免損壞清理刷；而在轉速方面轉速越高清理效果越明顯，但是當轉速增加到一定的數值時清理效果增長的比較緩慢，因此從效率和經濟性方面考慮轉速不宜過高。綜合以上兩方面考慮，為了達到更高的清理效率并且提高經濟性，本次實驗驗選擇了1.0kpa 和980r/min 來進行實驗，清理效果達到了87%，而且經濟安全穩定。
　　該機器人裝置在實驗室條件下進行試驗，在實驗的過程中為了明顯的觀察機器人的清理過程，實驗選擇了一根長1m 直徑為10cm 和一根長1m 直徑20cm 的兩根壁厚均為1cm 的透明塑料管連接的組成管，實驗開始前管壁布滿了泥沙，然后開始進行實驗，檢查裝置無故后，將機器人放入待清理的透明塑料管中，啟動機器人的控制開關，機器人便在葉輪的推動下進入塑料管，試驗中由于采用透明的可見塑料管來試驗，清楚地看到了清理刷的穩定精確的工作，攝像頭能夠在變徑管處準確的分析管徑的變化，清理刷也可以在變徑管口處自由的變換清理刷的高度，而可調支撐輪的支撐作用也清晰可見，由于采用了從管口的兩端進行了兩次實驗，實現了對管徑由大到小和由小到大的兩種變化的檢測，整個單次清理過程用時大約為3 分鐘，經過清理后管壁基本無泥土，達到了預期的效果，實現了清理裝置穩定、快速、精確的目標。
　　
　　6 結論
　　
　　本文設計了內徑可變管道清理機器人的清理裝置，通過機器人頭部的由攝像頭控制器、清理刷支架的液壓控制器、壓力傳感器、發電機、葉輪以、可調支撐輪及中心控制器等一系列裝置實現了機器人在可變內徑管道內的清理過程，在清理架的設計中采用了小刻度停頓的液壓控制，使支架的伸出和縮回精確而穩定，而在頭部采用了壓力傳感器從而有效的獲得了最適的工作壓力清理效率大大提高。此裝置具有快速、穩定、精確的優點，對于內徑變換的管道清理具有很大的優勢，對于以后管道清理機器人的設計具有很好的參考價值。

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　　[參考文獻] (References)
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　　[2] 陳佩云，金茂菁等. 我國工業機器人發展現狀[J]. 《機器人技術與應用》，2001 年，第1 期：1～2.
　　[3] 蔡鶴皋. 機器人將是世紀技術發展的熱點[J]. 中國機械工程，2000 年，第11 卷第1-2 期：58～59.
　　[4] 單曉敏. 利用流體動能充電的管道清理機器人[D].長春：長春理工大學，2012.
　　[5] 鄧宗全，張曉華. 野外大口徑管道焊縫x 射線檢測機器人[J]. 哈爾濱工業大學學報，1997 年，第1 期：48～49.
　　[6] 凌永發，王杰. 壓力傳感器的選擇與應用[J]. 云南民族大學學報，2003 年，第12 卷，第3 期：192～194
　　[7] 濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2012.
　　[8] 解中寧. 控制工程基礎與應用[M]. 徐州：中國礦業大學出版社，2012.

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