于家驊?徐菁?張亞茹?邢一童?趙文軒

摘要：管道除塵機器人，旨在制造一個更加方便、高效的管道除塵機器人，用來解決該領(lǐng)域內(nèi)專業(yè)除塵設(shè)備的不足。為了進一步解決管道除塵機器人在管道內(nèi)單一的工作問題，同時為了提高管道除塵機器人在管道內(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器人?；诠艿莱龎m機器人的機械原理要求，對管道機器人的履帶式行走機構(gòu)、動力驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)以及輔助機構(gòu)進行設(shè)計，最后在三維建模軟件SolidWorks內(nèi)對管道除塵機器人的各個零件進行建模和整體裝配，建立除塵機器人的三維模型。

關(guān)鍵詞：管道除塵機器人;履帶式行走機構(gòu)

1.引言

隨著我國天然氣、空調(diào)等的廣泛應用 ，管道的運用越來越廣泛，管道由于長時間的應用，在運輸過程中，多少都會積累灰塵，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管道的難度。目前在國內(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)濟性要求，除塵效果非常不理想。而且人工在進行管道除塵、檢測時困難重重， 不僅效率非常低而且還存在著一定的安全隱患。而用管道除塵機器人在管道內(nèi)進行除塵工作時還有著其他管道除塵方式不可替代的優(yōu)點， 管道除塵機器人不僅可以在管道內(nèi)進行除塵工作， 還可以實時地檢查除塵效果以及進行對管道的檢測、噴涂、消毒等工作。而且目前市場上國產(chǎn)的管道除塵機器人產(chǎn)品大多、太雜。技術(shù)性能比較單一， 產(chǎn)品倉促投放中國市場， 不利于我國國內(nèi)管道除塵市場的健康發(fā)展。該管道除塵機器人采用了3個履帶行走機構(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

2.1機器人工作原理

機器人在水平管道中運行時，履帶行走機構(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器人提供動力。水平管道中運行的機器人，只需要履帶與管道內(nèi)壁接觸，就可以使機器人正常行走。機器人在豎直管道內(nèi)運行時，要使管道除塵機器人的本體中心線與管道的中心軸線保持平行。設(shè)計管道機器人的3個履帶行走機構(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，防止機器人滑落，還可以為管道除塵機器人的向上運動提供足夠的摩擦力。機器人在進入管道后，3個履帶開始運動，同時位于后方的的攝像頭打開，前方的除塵機構(gòu)開始轉(zhuǎn)動，進行除塵工作。

2.2總體設(shè)計思路

為了使管道除塵機器人具有全方位的運動，設(shè)計采用了模塊化的設(shè)計思想，總體結(jié)構(gòu)由動力驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、行走機構(gòu)、除塵機構(gòu)、輔助機構(gòu)所組成。

動力驅(qū)動機構(gòu)：機器人有三種驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電動驅(qū)動，對這三種基本方式進行分析比較，確定了管道除塵機器人的驅(qū)動方式。液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動不僅對環(huán)境要求比較高，而且實現(xiàn)起來比較復雜，但電機驅(qū)動的結(jié)構(gòu)相對簡單，比較容易實現(xiàn)密封和調(diào)速控制，所以在本設(shè)計中選用了步進電機驅(qū)動作為管道除塵機器人本體的驅(qū)動裝置。

傳動機構(gòu)：傳動機構(gòu)是將原動機的運動和動力進行傳遞和分配作用，是機器人非常重要的組成部分，通過分析常用的帶傳動、齒輪傳動、鏈傳動及蝸輪蝸桿傳動的特點，結(jié)合除法機器人的組成特征，確定傳動機構(gòu)的構(gòu)成由蝸輪蝸桿傳動、鏈傳動等組成。

行走機構(gòu)：行走進機構(gòu)是此機器人行走的關(guān)鍵，現(xiàn)有機器人的移動方式主要有蠕動爬行、彈性振動走、履帶行進、車輪式和腿足式。其中車輪式、腿足式和履帶行進3種移動方式結(jié)構(gòu)相對簡單且較容易實現(xiàn)。車輪式的行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，移動速度快，控制轉(zhuǎn)向比較方便，運動過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; 腿足式自適應能力強，越障能力強，對粗糙路面吸附性能好，但移動是間歇的，運動不連貫，速度慢，結(jié)構(gòu)復雜，步態(tài)難于控制。由于履帶式行進機構(gòu)有支撐面積大，越障能力強，清掃時不易抖動，轉(zhuǎn)向半徑極小，可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向等特點。基于履帶式行進機構(gòu)以上特點都較符合管道內(nèi)行走要求，所以本機器人采用的是履帶行走機構(gòu)。

除塵機構(gòu)：管道除塵機器人是用毛刷、氣錘、氣管等機械攪動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達到清理管道的目的。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)生的負壓將灰塵吸入，需要用到一根很長的管子， 把灰塵吸到管道外面，再進行清理工作。本產(chǎn)品采用了毛刷除塵，使毛刷的軸線與管道除塵機器人的行進方向一致， 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。

輔助機構(gòu)：管道除塵機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。有一些管道除塵機器人使用的是鹵素燈進行照明， 雖然鹵素燈的優(yōu)點是亮度很高， 但它也存在著使命壽命短、發(fā)熱量大等缺點。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，而且沒有上述所說的缺點。

3.履帶行走構(gòu)設(shè)計

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

履帶行走機構(gòu)中的履帶采用的是橡膠履帶，因為材料的原因，在管道除塵機器人的行走過程中，橡膠履帶比其他履帶有著更大的摩擦力，尤其是管道機器人行走在有些傾斜角或者豎直管道內(nèi)的時侯，橡膠材料的履帶產(chǎn)生的摩擦效果會比其他履帶的摩擦效果更顯著。履帶行走機構(gòu)與管道內(nèi)壁的接觸面積更大，可以為管道除塵機器人的運動提供更大的摩擦力，提高管道機器人的行走能力。因為履帶的整體結(jié)構(gòu)比較笨重，需要一定的轉(zhuǎn)彎半徑，所以在制作履帶過程中采用的是輕質(zhì)材料組裝管道除塵機器人的履帶行走機構(gòu)。

4.除塵機構(gòu)設(shè)計

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

5.輔助機構(gòu)設(shè)計

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

6.管道機器人的整體裝配

我們在對于新型的管道除塵機器人的設(shè)計過程中，采用的是以本體為中心向周圍擴散的裝配方法，首先要對管道除塵機器人的各種機械零件和裝配結(jié)構(gòu)進行分析。用SolidWorks三維建模軟件完成對管道除塵機器人的全部零件的設(shè)計和建模，并且通過對管道除塵機器人的各個零件進行了合理的配合，然后組裝成了整體機器人的裝配體。如圖所示：

7.結(jié)論

該管道除塵機器人可以應用在各種復雜的管道內(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)動能力和負載能力，可以牢牢的抓住管道內(nèi)壁。該機器人采用了三維建模軟件Solid Works對機器人的各個零件進行設(shè)計、建模和裝配，直觀地體現(xiàn)出變徑管道機器人的整體情況。在管道內(nèi)具有更好的實用性。

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基金項目：2021年山東省大學生創(chuàng)新訓練項目（S202113320092）;

2020年青島黃海學院科技創(chuàng)新活動項目;

2021年國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目.