创新杯--振动式管道清洗机器人

项目名称振动式管道清洗机器人

基本信息概述

项目大类科技发明制作B类

项目小类机械与控制

项目简介

本作品主要由电机、偏心块、毛刷等组成。基于毛刷的弹性与自适应性，利用电机带动偏心块产生离心力压缩毛刷，以管壁对毛刷的反作用力来实现旋转前进。利用高频振动的毛刷来清洗灰尘及污垢。可实现大角度转弯、变径管道清洗、竖直管道清洗等功能，克服了机器人在管道中卡死、打滑等缺点。

项目图片：

项目介绍

本作品制作材料基本上为塑料，采用多节连接，前一节中间为电机，两节之间用挠性软管链接，后一节载有电池。每节长度约为直径的2/3。

他基于毛刷的弹性与自适应性，使附在机器人周围的毛刷与机器人端面法向径向都形成一定的角度，利用电动机带动偏心轮产生离心力传向毛刷，使毛刷偏移角度发生变化，毛刷与管壁间产生摩擦力推动机器人前进。同时，管壁施加给毛刷的法向力由于毛刷的偏移产生力矩，迫使机器人旋转。两个运动合成后，机器人呈螺旋前进状态。再前进过程中，由于毛刷高频振动，与管壁间相对高速来回滑动，已达到清洗管道的目的。在清洗过程中若需对某一处管道加强清洗时，对机械人施加一个反方向的力，则可使毛刷停留下来旋转清洗，实现定点定位清洗功能，本作品可加一个辅助装置实现。

作品设计、发明的目的和基本思路、创新点和主要技术指标

1 设计目的：本作品是针对目前管道清洗机器人在行走机构、清扫方式、驱动装置、管道适应性等方面存在的不足来进行设计的，可实现大角度转弯、变径管道清洗、竖直管道清洗等功能，克服了机器人在管道中卡死、打滑等缺点。

2 基本思路：基于毛刷的弹性与自适应性，使附在机器人周围的毛刷与机器人端面法向径向都形成一定的角度，利用电动机带动偏心轮产生离心力传向毛刷，使毛刷偏移角度发生变化，毛刷与管壁间产生摩擦力推动机器人旋转前进。再前进过程中，由于毛刷高频振动，与管壁间相对高速来回滑动，以达到清洗管道的目的。

3 创新点：以毛刷变形产生螺旋前进动力，高频振动清洗，毛刷集清洗与驱动于一身，不需要大扭矩电机；毛刷与管壁间实现压缩性全接触，摩擦力大，不易发生打滑现象。

4 技术关键：在于确定毛刷的偏移角度和机器人振动的频率，对于振动规律进行分析，确定机器人在前进与清洗最佳状态时的振动参数；应用有关知识求解系统最优参数，为设计与开发振动式管道清洗机器人奠定理论基础与实验基础。

主要技术指标如下：

1）毛刷偏移角度：5°～60°

2）行走速度：≤250mm/s

3）变径范围：≤3mm（φ75）

4）爬坡角度：0°～90°

5）转弯角度：0°～90 °

6）最快转速：110r/min

7）振动频率：≥50Hz

8）功率：0.012KW

作品的先进性科学性

本作品是管道清洗机器人的一次革新，他从更本上改变了以往管道清洗机器的清洗及行走方式，克服了目前管道清洗机器人的多方不足。其理论准确、论据充分、方案可行，具有研究与开发的使用价值。

目前国外的管道清洗机器人大多采用轮式或双履带式移动载体，越障能力差。并且，管道清洗机器人是在管道限定的环境里运行，尤其是在有弯曲管道里运行，一方面，机器人在弯管(包括垂直管道) 行走中要有足够的摩擦力来克服重力的影响，另一方面需要提供足够大的驱动力来克服各种阻力，这就需要尺寸小而扭矩大的电机……

通过实验对比，本作品具有如下优点：

1、清洗速度快，不打滑，效率高，效果明显。

2、可清洗竖直管道、变径管道、“S”形，“U”形等特殊管道。

3，体积小，重量轻，结构简单，维修容易，操作简单。

4，备件少，成本低，可更换多种规格毛刷，使用寿命长。

综上所述，本作品与国内管道清洗机器人相比较，更具有结构科学性，性能可靠性，效率高效性等特点。

使用说明及技术特点和优势，作品的适用范围，推广前景，市场分析和经济效益预测

使用说明：

本作品机构简单，操作方便，不需要专业人员即可使用。

1、打开机器人电源开关打开，将机器人头部放入待清洗管道，机器人即可螺旋前进进行清

洗。

2、停用时，应将机器人电源断开。长时间不用时，应将电池取出，避免电池泄电漏油腐蚀机器人。

本作品由于具有可清洗弯曲较大角度的管道、竖直管道、变径管道、“S”形，“U”形等特殊管道、体积小、重量轻、结构简单、维修容易、操作简单、备件少、成本低、可更换多种规格毛刷，使用寿命长等特点，可用于清洗通风管道、物料输送管道、厨房排烟管道，城市通水管道等，与目前市场投入使用的管道清洗机比较，具备相当大的市场潜力。

随着社会的发展，管道的运用越来越广泛，所以管道清洗机的开发具有广阔的市场前景，且有十分重要的社会效益和经济效益。

当前国内同类课题研究水平概述

目前国内外管道清洗机器人的性能水平可概括成以下几点：

（1）大多采用轮式或双履带式移动机构，管道适应性并不强。

（2）配有高速旋转的清扫机构，用来把管内的灰尘打落、清除。由于管道有矩形管和圆管之分，所以可更换相应的清洗矩形管和圆管的清洁刷。

（3）装有CCD摄像头及照明灯，用于探测管道内的状况，这在人所不能到达的管道内部是必不可少的。

（4）由于管道机器人还不可能达到完全自主清洁，故采用线控方式，由操作人员在管道外进行操作。

所面临的问题：

（1）灵活可靠的行走机构：管道清洗机器人在弯管中的通过性问题是一个难点，要解决这一问题，要在机构上保证机器人能够在这些特殊环境中顺利行走，需要寻找融合各种机构优点及可靠的机构方案。

（2）驱动方式：由于管道清洗机器人是在管道限定的环境里运行，尤其是在有弯曲管道里运行，一方面，机器人在弯管(包括垂直管道)行走中要有足够的摩擦力来克服重力的影响，另一方面需要提供足够大的驱动力来克服各种阻力，现在使用的驱动方式一般是电机，这就需要尺寸小而扭矩大的电机。

（3）信号、电力的传输和供给方式：在直管道线缆可以顺利进出，但是在弯曲管道里，尤其是有几个弯曲的管道里，必须考虑线缆在转弯处的阻力。采用无线的方式来传递信号，由于金属管道具有一定的屏蔽作用，需要考虑发射信号的频率。电力的供给现在一般采用高能干电池、蓄电池和管外供电(线缆)的方式。

我们所设计的管道清洗机器人应用电动机带动毛刷的振动为驱动力，以毛刷对管的摩擦力来驱动机器前进。机器人多级连接，能够实现大角度的转弯。另外，机器人周径略大于管道，压缩的毛刷有效地增加了机器人与管壁之间的摩擦力，而机器人所用的大多为塑料等轻质材料，在竖直管道中尤显优势。能实现一次性全面清洗，可清洗弯曲变径管道、“S”形，“U”形等特殊管道……