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內(nèi)徑可變管道清理機器人的清理裝置設(shè)計
引言
微型機器人的研究與微機械或微機電系統(tǒng)的研究緊密相連的美國國家自然科學(xué)基金會(NSF)將MEMS 技術(shù)列為優(yōu)先支持的項目,美國國防部先進研究計劃署(DARPA)也制定有關(guān)MEMS 的研究發(fā)展計劃，將慣性傳感器作為研究重點[1]。工業(yè)機器人市場競爭越來越激烈，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，加快工業(yè)機器人技術(shù)的研究開發(fā)與生產(chǎn)是我們抓住這個歷史機遇的主要途徑[2]。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展， 機器人技術(shù)已經(jīng)取得了先進的成果。它廣泛地應(yīng)用于采礦、冶金、石油、化學(xué)、船舶等傳統(tǒng)制造業(yè)領(lǐng)域， 同時也逐步擴大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔、醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中[3]。但是對城市污水、天然氣輸送、工業(yè)物料運輸、給排水和建筑物通風(fēng)系統(tǒng)等使用著大量復(fù)雜隱蔽的管道，如何經(jīng)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(fā)能夠在內(nèi)徑可變管道系統(tǒng)內(nèi)自由行走并進行管清理的內(nèi)徑可變管道清理機器人將會給社會帶來重大效益[4]。
1 內(nèi)徑可變管道清理機器人總體介紹
當(dāng)機器人進入內(nèi)徑變化的管道內(nèi)，需要隨著管道內(nèi)徑的變化來調(diào)節(jié)內(nèi)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(wěn)定準確，設(shè)計了如下裝置，其結(jié)構(gòu)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(fā)電機7 驅(qū)動下）來提供進給的推動力，同時機身上的可調(diào)節(jié)支撐輪緊貼管道內(nèi)壁穩(wěn)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(nèi)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(diào)節(jié)清理刷2 的伸出長度，在適當(dāng)?shù)拈L度下（液壓控制器），三葉清理刷（120?夾角）在主軸11 帶動（主軸發(fā)電機9）下進行旋轉(zhuǎn)，實施對管壁的清理工作。
2 可變內(nèi)徑清理裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計
當(dāng)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(wěn)定，壓力傳感器[6]獲得的壓力值準確，在設(shè)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(xiàn)了小刻度的上升，上升平穩(wěn)；當(dāng)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(wěn)的回降而不會出現(xiàn)劇烈的碰撞，安全穩(wěn)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(shè)立了兩個自由開關(guān)，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(wěn)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(nèi)徑清理裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)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(xiàn)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(nèi)徑可變管道清理機器人的工作原理
內(nèi)徑可變管道清理機器人的清理裝置的工作原理結(jié)合工作流程圖可知，當(dāng)機器人進入管道內(nèi)，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(dāng)獲得的信號為前方管道內(nèi)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(xù)探測，與此同時中心控制器會發(fā)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(dāng)支架的上端剛剛與管道內(nèi)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(xù)向外伸縮，直到達到合適的工作壓力后，主軸電機旋轉(zhuǎn)帶動清理刷旋轉(zhuǎn)對管壁實施清理。
當(dāng)攝像頭探測到管道內(nèi)徑變小時，此時中心控制器會發(fā)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(xù)前行，然后在伸張，當(dāng)壓力傳感器達到穩(wěn)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(jù)管道的材料和管內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速恒定）和主軸轉(zhuǎn)速n（壓力恒定）進行了數(shù)據(jù)測量，并繪制了圖表：
由以上兩組數(shù)據(jù)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(guān)的趨勢，因此在清理的過程中可以適當(dāng)?shù)脑黾訅毫σ约訌娗謇硇Ч�，但是不可以太高以免損壞清理刷；而在轉(zhuǎn)速方面轉(zhuǎn)速越高清理效果越明顯，但是當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到一定的數(shù)值時清理效果增長的比較緩慢，因此從效率和經(jīng)濟性方面考慮轉(zhuǎn)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(jīng)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(jīng)濟安全穩(wěn)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(guān)，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(wěn)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(diào)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(xiàn)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(jīng)過清理后管壁基本無泥土，達到了預(yù)期的效果，實現(xiàn)了清理裝置穩(wěn)定、快速、精確的目標(biāo)。
6 結(jié)論
本文設(shè)計了內(nèi)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(fā)電機、葉輪以、可調(diào)支撐輪及中心控制器等一系列裝置實現(xiàn)了機器人在可變內(nèi)徑管道內(nèi)的清理過程，在清理架的設(shè)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(wěn)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(wěn)定、精確的優(yōu)點，對于內(nèi)徑變換的管道清理具有很大的優(yōu)勢，對于以后管道清理機器人的設(shè)計具有很好的參考價值。
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[參考文獻] (References)
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