周天亮 薛蕊 宋娟

【摘 要】現(xiàn)階段機(jī)井救援多采用大型挖掘設(shè)備，這種救援方式不僅消耗大量的時(shí)間，而且被救者長(zhǎng)時(shí)間處于危險(xiǎn)的環(huán)境中，無(wú)法確保其人身安全。同時(shí)動(dòng)用的大型挖掘設(shè)備極易對(duì)土地造成破環(huán)，影響其生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。長(zhǎng)時(shí)間的救援強(qiáng)度對(duì)機(jī)器的燃耗很大，導(dǎo)致尾氣的大量排放，對(duì)空氣質(zhì)量造成威脅。其次，針對(duì)小型豎直管道的清理也是一個(gè)空白，大多數(shù)管道機(jī)器人是平行清理，對(duì)很多豎直管道的清理也是無(wú)人問津，致使其堵塞管道、破壞設(shè)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(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易管道救援機(jī)器人，該裝置操作簡(jiǎn)單、使用方便、功能強(qiáng)大。

【關(guān)鍵詞】管道機(jī)器人；豎直行走；尺寸調(diào)節(jié)；節(jié)約能源

一、緒論

隨著時(shí)代的發(fā)展社會(huì)的進(jìn)步，很多的基礎(chǔ)建設(shè)都在進(jìn)行中，然而這些基礎(chǔ)建設(shè)帶來(lái)了便利和快捷，但是很多弊端也慢慢顯露出來(lái)，并且危害著人的生命、環(huán)境的質(zhì)量[1]。面對(duì)高發(fā)的墜井事件，我們大多采用大型挖掘設(shè)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(shí)耗力，而且成功率相對(duì)較低。動(dòng)用的大型機(jī)械設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間的工作中也會(huì)不斷地排放尾氣，消耗燃油資源[3]。針對(duì)國(guó)內(nèi)近幾年機(jī)井救援案例的增加，綜合考慮現(xiàn)有的機(jī)井救援設(shè)備的不完善，以及對(duì)于垂直管道機(jī)器人的不深入，我們?cè)O(shè)計(jì)了該裝置來(lái)彌補(bǔ)目前國(guó)內(nèi)在這方面的空缺。

二、設(shè)計(jì)方案

（一）電器控制

管道機(jī)器人的控制系統(tǒng)是機(jī)器人的神經(jīng)中樞，機(jī)器人的行走、轉(zhuǎn)彎、進(jìn)退、上下和尺寸調(diào)節(jié)都是由控制系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)的?？刂葡到y(tǒng)主要有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種。我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人以STC89C52單片機(jī)為核心，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。通過單片機(jī)內(nèi)的程序結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，以及機(jī)器人的前進(jìn)后退。

采用JGY370大扭矩直流減速電機(jī)，采用履帶式底盤結(jié)構(gòu)，同時(shí)6個(gè)電機(jī)由一個(gè)開關(guān)控制，來(lái)實(shí)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(hào)：XD-37GB520；額定力矩：4kg/cm；轉(zhuǎn)速100r/min；功率：10W[4]。

在機(jī)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(tái)電機(jī)控制。通過改變這臺(tái)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速就可以調(diào)節(jié)機(jī)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(shè)計(jì)。

采用V380手機(jī)無(wú)線監(jiān)控高清攝像頭，具有AP熱點(diǎn)功能，無(wú)需網(wǎng)絡(luò)，適應(yīng)性更加廣泛，可以進(jìn)行語(yǔ)音對(duì)講，實(shí)時(shí)傳輸救援實(shí)況[5]，360°全方位無(wú)死角檢測(cè)，而且可以遠(yuǎn)程遙控，對(duì)惡劣環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

驅(qū)動(dòng)方式主要有電氣驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)4種。當(dāng)前采用的主要是電驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)。氣壓驅(qū)動(dòng)具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但是，氣壓驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)確性不高、沖擊大。電驅(qū)動(dòng)具有控制準(zhǔn)確、位置移動(dòng)精確等特點(diǎn)。同時(shí)相比于大型的挖掘機(jī)械都是通過消耗燃油來(lái)進(jìn)行工作，不僅消耗燃油資源，而且排放的大量尾氣對(duì)環(huán)境有很大的污染。相比較氣壓驅(qū)動(dòng)跟電力驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)電力驅(qū)動(dòng)的控制在選擇上更加具有實(shí)用性更加方便。

（二）機(jī)械部分

我們采用絲杠和3個(gè)三棱柱的配合。在此基礎(chǔ)上可以有效解決機(jī)器人的尺寸調(diào)節(jié)。我們將平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)用到機(jī)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(shí)際情況來(lái)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(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)尺寸的調(diào)節(jié)，基于平行四邊形輪腿機(jī)構(gòu)、采用絲杠螺母調(diào)節(jié)方式的管徑適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)適合輪式驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人，采用這種機(jī)構(gòu)可以提高管道機(jī)器人的牽引能力，適應(yīng)不同直徑的管道檢測(cè)。其力學(xué)特性分析表明：管道機(jī)器人行走時(shí)，保持較小的姿態(tài)角有利于提高牽引能力。通過管徑適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)提供附加正壓力可以改善機(jī)器人的牽引能力，而且在大管徑時(shí)機(jī)構(gòu)負(fù)荷小，效率高；管徑適應(yīng)機(jī)構(gòu)的張開過程中是一個(gè)復(fù)雜的受力過程，管徑較小時(shí)張開費(fèi)力，機(jī)構(gòu)負(fù)荷較大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)給予考慮。我們?cè)O(shè)計(jì)的管道三足爬行機(jī)器人是綜合了目前管道機(jī)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(diǎn)和設(shè)計(jì)思路，并進(jìn)行了研究實(shí)踐。

三、總結(jié)

面對(duì)社會(huì)的發(fā)展，時(shí)代的進(jìn)步，在管道清理，管道救援方面的難度會(huì)加大。我們的設(shè)計(jì)針對(duì)大型設(shè)備耗時(shí)、耗力、浪費(fèi)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(yīng)性強(qiáng)，而且有很大的可行性價(jià)值?？捎糜谖覈?guó)礦山開采過程中有一些沒有及時(shí)回填的礦井和樁井、農(nóng)村灌溉用的機(jī)井和老式水井。對(duì)于這些人類沒辦法深入解決的地方，管道救援機(jī)器人可以很輕松的解決人們的難題。

【參考文獻(xiàn)】

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