細(xì)小變半徑管道修補(bǔ)機(jī)器人設(shè)計(jì)

摘要：采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力源，彈簧被動(dòng)適應(yīng)管壁，設(shè)計(jì)出一種適用于內(nèi)徑50-70mm變半徑細(xì)小管道的修補(bǔ)機(jī)器人，機(jī)器人具有機(jī)構(gòu)靈活度高，機(jī)構(gòu)緊湊，控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；變半徑管道；修補(bǔ)；蝸輪蝸桿

1 前言

目前細(xì)小型管道已廣泛應(yīng)用在電力，制冷，航空航天等領(lǐng)域。而隨之而來的細(xì)小的查漏、排障、修補(bǔ)等問題也日益引起業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文所研制的機(jī)器人主要應(yīng)用于內(nèi)徑50-70mm的管道中的查漏和修補(bǔ)，通過機(jī)器人攜帶的超聲波傳感器及紅外線傳感器可排查阻塞管道的障礙和檢測(cè)管道縫隙，機(jī)器人上安裝有修補(bǔ)劑涂抹機(jī)構(gòu)，通過CCD成像技術(shù)可使機(jī)器人準(zhǔn)確的修補(bǔ)管道縫隙。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究中機(jī)器人主要由行走機(jī)構(gòu)，變徑機(jī)構(gòu)，涂膠及檢測(cè)機(jī)構(gòu)組成；總體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示：

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

1.變徑機(jī)構(gòu) 2.行走機(jī)構(gòu) 3.涂膠及檢測(cè)機(jī)構(gòu)

2.1 行走機(jī)構(gòu)

機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)由四個(gè)行走單元組成，每個(gè)單元固定在變徑滑道上，由此組成機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)。行走單元機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示：

圖2 行走機(jī)構(gòu)

1.支架 2.從動(dòng)輪 3.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 4.從動(dòng)輪連桿

5.從動(dòng)輪扭簧 6.從動(dòng)軸 7.主動(dòng)輪

8.主動(dòng)軸 9.蝸輪 10.蝸桿

機(jī)器人行走時(shí)由3驅(qū)動(dòng)10帶動(dòng)9和8旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)輪7帶動(dòng)機(jī)器人在管壁內(nèi)行走，從動(dòng)輪2通過扭簧5及從動(dòng)輪連桿的被動(dòng)的適應(yīng)在管壁上，由于機(jī)器人的行進(jìn)從動(dòng)輪2從動(dòng)旋轉(zhuǎn)以增加機(jī)器人和管道壁的接觸長(zhǎng)度。

2.2 變徑機(jī)構(gòu)

變徑機(jī)構(gòu)部分主要有滑道、滑塊、連桿及拉簧組成。機(jī)器人進(jìn)入管道時(shí)拉簧要有一定的預(yù)緊力，以增加機(jī)器人行進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力，機(jī)器人行進(jìn)至變半徑管道時(shí)，由于管道半徑發(fā)生了變化，導(dǎo)致機(jī)器人行走單元上相對(duì)主動(dòng)輪間的距離變化，連接各單元的拉簧長(zhǎng)度變化致使滑塊在滑道上滑動(dòng)，從而適應(yīng)變化后的新半徑。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 變半徑機(jī)構(gòu)

1.單元固定塊 2.拉簧 3.變徑連桿 4.滑塊

5.行走單元 6.滑道 7.主動(dòng)輪

8.支架 9.扭簧 10.從動(dòng)輪

機(jī)器人行走在變半徑管道內(nèi)，當(dāng)管道半徑發(fā)生變化時(shí)，3、4、7可視為的搖桿機(jī)構(gòu)，由扭簧2的伸縮帶動(dòng)滑塊4在滑道6上滑動(dòng)，滑塊4通過變徑連桿3拉動(dòng)支架8沿管壁半徑方向擺動(dòng)，使主動(dòng)輪7適應(yīng)管內(nèi)半徑的變化，從動(dòng)輪10通過扭簧9的作用也在管道半徑方向上擺動(dòng)，從而適應(yīng)管道半徑的變化。

2.3 涂膠及檢測(cè)機(jī)構(gòu)

圖4 涂膠及檢測(cè)部分

1.推出電機(jī) 2.檢測(cè)攝像機(jī) 3.推出絲杠

4.行進(jìn)攝像機(jī) 5.澆池 6.注膠電機(jī)

機(jī)器人在管道里行進(jìn)時(shí)通過行進(jìn)攝像頭4實(shí)時(shí)監(jiān)控管道內(nèi)的情況，攝像機(jī)前端安裝有一周LED發(fā)光體，通過手持終端來調(diào)整機(jī)器人的速度和姿態(tài)，通過檢測(cè)攝像機(jī)2反饋回的圖像信號(hào)檢測(cè)管壁的情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)管壁有需要作業(yè)的區(qū)域，通過手持終端的控制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)3帶動(dòng)澆池5沿管壁半徑方向調(diào)整，當(dāng)對(duì)準(zhǔn)作業(yè)區(qū)域時(shí)，電機(jī)6旋轉(zhuǎn)通過絲杠螺母機(jī)構(gòu)擠壓澆池5，使膠涂抹在作業(yè)區(qū)域，完成一次作業(yè)任務(wù)。

2.4 機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎

機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎是通過控制行進(jìn)電機(jī)的差速實(shí)現(xiàn)的，通過控制行進(jìn)電機(jī)的速度及旋轉(zhuǎn)方向可以使機(jī)器人在狹小管道內(nèi)靈活的轉(zhuǎn)彎。

5 總結(jié)

基于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、扭簧和連桿機(jī)構(gòu)被動(dòng)適應(yīng)的細(xì)小管道機(jī)器人，采用這種機(jī)構(gòu)可以提高機(jī)器人的爬行牽引力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，能適應(yīng)不同的管道半徑，轉(zhuǎn)彎靈活，控制簡(jiǎn)單，其力學(xué)特性分析證明，保持較小的姿態(tài)角能提高機(jī)器人的牽引力，管道被動(dòng)適應(yīng)機(jī)構(gòu)的張開過程是一個(gè)復(fù)雜的受力過程，在設(shè)計(jì)中應(yīng)給予著重考慮。

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