管道爬壁机器人的设计

管道爬壁机器人设计

作品内容简介

现在的管道机器人在竖直或者是水平方向都很好的实现了检测与清理功能。但至今还没有管道产品在复杂的管道中很好的工作。为此我们设计了这款管道爬壁机器人，它既可以在水平管道中很好的工作还可以在竖直管道中完成工作，能够自如的在水平竖直交叉的复杂管道中完成检测，清理等工作。

该产品的主题结构为车体结构，在水平方向依靠车载力运动，在车体上安装有四个机械手臂，在机械手臂的前端安装有吸盘跟电磁铁，在塑料管道中依靠吸盘在竖直方向上运动，在铁质管道上利用电磁铁的磁力和机械手臂的交叉前进实现竖直方向的运动。该作品灵活多变，不但可以适应复杂的管道还能够进行多样的工作。

我们依靠机械臂的灵活度与吸盘，电磁铁的吸力来实现该产品的爬壁功能，在水平方向上利用最传统的智能车作为动力，这样的设计完全可以满足水平方向与竖直方向的灵活转变，实现复杂管道的自由穿梭，进而可以让该机器人更好的实现其检测与清理功能。该管道爬行机器人实现远程电脑控制，所得数据通过反馈处理使机器人能够完成各项做业。

一、研制背景及意义

1、随着社会的快速发展,国家生产水平不断提高，产品更新也越来越快。管道运输在我国运用比较普遍，但管道长期处在压力大的恶劣环境中，受到水油混合物、硫化氢等有害气体的腐蚀。这些管道受腐后，管壁变薄，容易产生裂缝，造成漏油、漏气的问题，存在重大安全隐患和经济损失。在管道广泛使用的今天，管道的检测、清理、维护成了一个亟待解决的问题。但是管道的封闭性和工作环境决定了这项工作的艰难。时至今日，虽然经过各国学者的努力，已经有各种各样的机器人，但是他们大都存在这样或那样的问题，而且功能不够强大。

2、人民对管道清洁机械的要求是不仅科技含量要高，而且还要绿色、节能、环保。能够满足不同类型管道的检测、维护、清理等要求。

3、管道爬行机器人的研究更好地为管道的检测、维护、清理提供了新的技术手段，这种技术更好的提高了管道监测的准确性和管道清理的安全性，也便于管道工程管理维护人员制定维护方案，清除管道垃圾防止堵塞，事前消除管道的安全隐患，从而节约大量的维修费用，降低管道维护成本，保障工业生产和人民生活及财产安全。

4、近些年来人们对自然环境、工作环境、工作工具及其方式的要求逐步提高。随着中国城市化建设事业的发展推进中国西气东输工程的全面启动 特别是大型化工厂、大型天然气厂、大型地下管道处理系统的建成大型管道或类似管道装置组合处理系统设施以其高质量的工作效率、圆形管道结构占地少、有效工作空间大、美化生活环境等优点得到了广泛的应用。为研究高效的管道机器人提供了良好的市场环境。

5、随着计算机技术的广泛普及和应用国内外检测技术都得到了迅猛发展管道检测技术逐渐形成管道内、外检测技术 涂层检测、智能检测两个分枝。通常情况下涂层破损、失效处下方的管道同样受到腐蚀管道外检测技术的目的是检测涂层及阴极保护有效性的基础上通过挖坑检测达到检测管体腐蚀缺陷的目的对于目前大多数布局内检测条件的管道是十分有效的。

6、管道内检测技术主要用于发现管道内外腐蚀、局部变形以及焊缝裂纹等缺陷也可间接判断涂层的完好性。因此各种大口径天然气管道、大口径石油运

输管道、大口径自来水管道、大孔径地下污水处理管道锅炉厂、硫酸厂、核电站、液化气站、印刷厂、酒厂、食品加工厂、东风二汽长管道系统等各种大型厂房中的大孔径管道系统随处可见。但是它们在为人们工作所利用时也带来了很多问题如人们肆意向管道内投放废品塑料、易拉罐、粘性物品、玻璃废品等长期下去导致管道内部因淤积较多废弃物

7、而使管道堵塞冬天北方天气寒冷裸露在外部的自来水管道或其他化工管道因温度太低内部自来水会产生凝固冻结从而导致自来水不能正常流动影响城市居民正常的生活酒精厂或其它化工厂燃料燃烧所产生的粉尘会黏附在管道或烟囱内壁长时间越积越多吹产生静电效应甚至引发火灾和爆炸事故长期处于露天环境大多数大型输油管道、天然气管道等都会产生内部泄露和腐蚀现象 严重影响自然环境并且产生安全隐患等等。

二、设计方案

1、总体设计及图片说明

图1

管道爬壁机器人的整体结构图如图所示，该机器人的整体结构为车体结构，在车体的上方安装有四个灵活的机械臂，通过四个机械手臂的配合可以在水平竖直等多种复杂的管道内完成多种工作。该爬壁管道机器人安装有高清摄像头，它的四个机械臂可以灵活使用，机械臂的前端是可以拆卸的，从而可以安装多种工作工具如电焊机等。

1、机械手臂底座（图2）的设计：

图2

该机械臂的底座采用镂空设计减轻机械手臂的重量。利用蜗杆传动实现机械臂的365度旋转功能。底座与车体的链接采用螺栓连接。在底座的上有一个处理器这是机械臂独立的处理器，它的主要作用是控制机械臂的活动，在机械臂不接受任务是它能很好的配合车体上的处理器分析管道内的具体情况，以便能够获得跟那个准确的管道数据。

2、机械主体臂（图3）

图3

这是机械手臂的主体臂。它由马达，连杆等零件组成。它主要的功能是实现机械手臂的伸缩及其竖直方向上的旋转运动。下方的两个马达分别控制主支撑杆与控制上方的升降传动连接杆。马达通过自身的传送力实现机械手臂的升降。两个连接杆的巧妙组合实现主体臂的升降与运动的传递，也为上方的机械臂前端的运动提供了良好的支撑。

3、机械臂前端（图4）

图4 图5

机械臂前端是该机械臂传动最为复杂的部分，该部分主要由齿轮，马达，轮盘等零件组成。该部分由三个马达提供动力，其中有两个马达为机械手臂的最前端（机械头）提供旋转动力的。剩下的一个马达为机械手臂的前端的旋转提供动力。实现机械头的360度的工作状态，为机械头实现多功能化提供了基础。它的传动原理如图4所示，利用大小齿轮的啮合实现转速的改变。将马达安放在机械臂的前端可以使整个机械臂的受力保持稳定。

4、机械头（图6，图7）

图6 图7

这是这个整个机械臂功能实现的最主要的结构部分，该部分由两个锥形齿轮结构组成，锥形齿轮改变了动力的传送方向，当前端的最顶头与后方的轴成九十度时买就是实现吸盘吸力与电磁力的交叉改变的过程。前端的吸盘采用液压结构，可旋转增加吸力。后方的电磁力装