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內(nèi)徑可變管道清理機(jī)器人的清理裝置設(shè)計(jì)
引言
微型機(jī)器人的研究與微機(jī)械或微機(jī)電系統(tǒng)的研究緊密相連的美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)(NSF)將MEMS 技術(shù)列為優(yōu)先支持的項(xiàng)目,美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃署(DARPA)也制定有關(guān)MEMS 的研究發(fā)展計(jì)劃，將慣性傳感器作為研究重點(diǎn)[1]。工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，中國(guó)制造業(yè)面臨著與國(guó)際接軌、參與國(guó)際分工的巨大挑戰(zhàn)，加快工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究開發(fā)與生產(chǎn)是我們抓住這個(gè)歷史機(jī)遇的主要途徑[2]。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展， 機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)取得了先進(jìn)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(shí)也逐步擴(kuò)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(duì)城市污水、天然氣輸送、工業(yè)物料運(yùn)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(jì)而又迅速地排堵以及及時(shí)維護(hù)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(jìn)行管清理的內(nèi)徑可變管道清理機(jī)器人將會(huì)給社會(huì)帶來(lái)重大效益[4]。
1 內(nèi)徑可變管道清理機(jī)器人總體介紹
當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入內(nèi)徑變化的管道內(nèi)，需要隨著管道內(nèi)徑的變化來(lái)調(diào)節(jié)內(nèi)徑探測(cè)裝置。清理裝置以及支撐輪的圓周所在的直徑，為了使機(jī)器人在清理的過(guò)程中方便自如、穩(wěn)定準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)了如下裝置，其結(jié)構(gòu)如下。
為了管道清理機(jī)器人在對(duì)管道清理的過(guò)程中方便輕巧采用了葉輪6（發(fā)電機(jī)7 驅(qū)動(dòng)下）來(lái)提供進(jìn)給的推動(dòng)力，同時(shí)機(jī)身上的可調(diào)節(jié)支撐輪緊貼管道內(nèi)壁穩(wěn)固安全，機(jī)器人頭部安裝有攝像頭1，在攝像頭控制器[5]的作用下來(lái)探測(cè)前方管道內(nèi)徑的粗細(xì)變化，將信號(hào)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(zhǎng)度，在適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度下（液壓控制器），三葉清理刷（120?夾角）在主軸11 帶動(dòng)（主軸發(fā)電機(jī)9）下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)施對(duì)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(jì)
當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入管道時(shí)，為了使清理的干凈徹底，清理刷上升和下降的過(guò)程中精確穩(wěn)定，壓力傳感器[6]獲得的壓力值準(zhǔn)確，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中采用了液壓裝置來(lái)控制，清理刷支架的伸出的三角形擋卡可以伸縮，在上升時(shí)與強(qiáng)硬的支座三角接觸，三角卡擋卡被壓回但瞬間又伸出實(shí)現(xiàn)了小刻度的上升，上升平穩(wěn)；當(dāng)需要下降時(shí)，液壓傳感器將強(qiáng)制三角擋卡縮回，與此同時(shí)液壓控制器控制油液收回，這樣清理支架就會(huì)平穩(wěn)的回降而不會(huì)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(gè)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(huì)對(duì)清理刷有不同的要求，因此在支架頂端處設(shè)立了兩個(gè)自由開關(guān)，用來(lái)更換不同材料的清理刷，已達(dá)到更加的清理效果，安全穩(wěn)定的同時(shí)也提高了清理效率。
3 清理裝置的工作流程
針對(duì)可變內(nèi)徑清理裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shí)刻和位置。
4 內(nèi)徑可變管道清理機(jī)器人的工作原理
內(nèi)徑可變管道清理機(jī)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(jī)器人進(jìn)入管道內(nèi)，在攝像頭的探測(cè)下，攝像頭控制器的分析下將獲得的信號(hào)傳給中心控制器，當(dāng)獲得的信號(hào)為前方管道內(nèi)徑增大，此時(shí)攝像頭會(huì)在攝像頭控制器的控制下向上移動(dòng)繼續(xù)探測(cè)，與此同時(shí)中心控制器會(huì)發(fā)出信號(hào)傳給液壓控制器，在液壓力的作用下清理刷支架會(huì)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(shí)，頂端的壓力傳感器會(huì)將壓力返回到中心控制器，來(lái)判斷壓力是否為合適的工作壓力，如果未達(dá)到支架則繼續(xù)向外伸縮，直到達(dá)到合適的工作壓力后，主軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)清理刷旋轉(zhuǎn)對(duì)管壁實(shí)施清理。
當(dāng)攝像頭探測(cè)到管道內(nèi)徑變小時(shí)，此時(shí)中心控制器會(huì)發(fā)出信號(hào)是攝像頭下降，同時(shí)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(dòng)下繼續(xù)前行，然后在伸張，當(dāng)壓力傳感器達(dá)到穩(wěn)定工作的安全時(shí)，三葉刷在主軸的帶動(dòng)下對(duì)管道進(jìn)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(dá)到最佳的清理效果。
5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析
為了使該裝置達(dá)到最好的清理效果，需要正確的選擇壓力和轉(zhuǎn)速，在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)許的條件下清理刷以毛刷為例進(jìn)行了試驗(yàn)，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(jìn)行了數(shù)據(jù)測(cè)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(shì)，因此在清理的過(guò)程中可以適當(dāng)?shù)脑黾訅毫σ约訌?qiáng)清理效果，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(shí)清理效果增長(zhǎng)的比較緩慢，因此從效率和經(jīng)濟(jì)性方面考慮轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高。綜合以上兩方面考慮，為了達(dá)到更高的清理效率并且提高經(jīng)濟(jì)性，本次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)選擇了1.0kpa 和980r/min 來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，清理效果達(dá)到了87%，而且經(jīng)濟(jì)安全穩(wěn)定。
該機(jī)器人裝置在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中為了明顯的觀察機(jī)器人的清理過(guò)程，實(shí)驗(yàn)選擇了一根長(zhǎng)1m 直徑為10cm 和一根長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)開始前管壁布滿了泥沙，然后開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢查裝置無(wú)故后，將機(jī)器人放入待清理的透明塑料管中，啟動(dòng)機(jī)器人的控制開關(guān)，機(jī)器人便在葉輪的推動(dòng)下進(jìn)入塑料管，試驗(yàn)中由于采用透明的可見塑料管來(lái)試驗(yàn)，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(zhǔn)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(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管徑由大到小和由小到大的兩種變化的檢測(cè)，整個(gè)單次清理過(guò)程用時(shí)大約為3 分鐘，經(jīng)過(guò)清理后管壁基本無(wú)泥土，達(dá)到了預(yù)期的效果，實(shí)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(jì)了內(nèi)徑可變管道清理機(jī)器人的清理裝置，通過(guò)機(jī)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(jī)、葉輪以、可調(diào)支撐輪及中心控制器等一系列裝置實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在可變內(nèi)徑管道內(nèi)的清理過(guò)程，在清理架的設(shè)計(jì)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(diǎn)，對(duì)于內(nèi)徑變換的管道清理具有很大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于以后管道清理機(jī)器人的設(shè)計(jì)具有很好的參考價(jià)值。
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