管道行進(jìn)刮垢機(jī)器人設(shè)計(jì)

侯培紅 黃建平 徐彬1 周志勇

摘 要：在日常生活中，UPVC生活污水排水管道內(nèi)常有污垢殘留，這些污垢在長時(shí)間的堆積之后，會與管道內(nèi)壁有所粘連，不易清除，最終導(dǎo)致堵塞，嚴(yán)重影響人們的日常生活。這些污垢極難處理，嚴(yán)重時(shí)需要挖出整個管道，十分不便，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下，不能滿足和適應(yīng)現(xiàn)在人們的高品質(zhì)生活需求。本稿介紹一種管道養(yǎng)護(hù)機(jī)器人，該機(jī)器人可在管道內(nèi)行進(jìn)，同時(shí)清除管內(nèi)壁污垢，避免了管道的開挖處理，極大地減少了人力資源的浪費(fèi)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：管道機(jī)器人；UPVC管道；行進(jìn)；污垢

1 緒論

在人們的日常生活中，因?yàn)榉N種原因，UPVC排水管網(wǎng)內(nèi)部狀況難以了解，加上目前各種對管道養(yǎng)護(hù)的手段不多，導(dǎo)致了排水系統(tǒng)的一些積泥堵塞，以致“水漫街”情況常有發(fā)生，直接影響著城市交通和人民的安全。人們在餐后清洗碗筷排放殘余垃圾時(shí)，部分雜質(zhì)污垢會殘留在管道內(nèi)，這些污垢在長時(shí)間的堆積之后，會與管道內(nèi)壁有所粘連不易清除，最終導(dǎo)致堵塞，嚴(yán)重影響人們的日常生活。這些污垢極難處理，嚴(yán)重時(shí)需要刨根挖土，挖出整個管道，十分不便，嚴(yán)重?fù)p耗勞動力，處理效率低下。

可見，研發(fā)用于常用材料UPVC的排水管道的管道除垢機(jī)器人有著重要的意義。2008年，管昌斌等專業(yè)人員提出了一種新型蠕動管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)有效地提升了機(jī)器人的運(yùn)行速度，并且盡可能地減小了與管道內(nèi)壁的摩擦，非常實(shí)用。

管道除垢如今常用的方法一般分為化學(xué)除垢、高壓水除垢和機(jī)械除垢等。針對UPVC排水管道內(nèi)徑較小等特點(diǎn)，本課題采用機(jī)器人技術(shù)，用機(jī)械除垢的方式，實(shí)現(xiàn)管道疏通、管壁污垢刮除及自動前后行進(jìn)等功能，從而達(dá)到對管道的無損除垢。

2 管道機(jī)器人的分析與設(shè)計(jì)

2.1.1 管道機(jī)器人的主要性能及設(shè)計(jì)要求

本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器人要求能在管道內(nèi)疏通管道、刮除管壁污垢及自動前后行進(jìn)，還要求機(jī)器人的支撐輪系可以適應(yīng)不同內(nèi)徑，有較好的防水密封性能，適應(yīng)濕度較大的管道環(huán)境。該管道機(jī)器人適用于生活用UPVC管道，其管道與包膠輪的摩擦系數(shù)為0.5，管道內(nèi)徑為110mm，相關(guān)性能指標(biāo)如下：

（1）行進(jìn)速度0.08m/s；

（2）整體質(zhì)量10kg左右；

（3）管內(nèi)受到的阻力1kg左右。

2.1.2 管道機(jī)器人的主要組成部分

本課題的管道機(jī)器人主要由行進(jìn)部分和刀具部分兩大部分組成。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的可靠性和實(shí)用性，管道清除機(jī)器人必須根據(jù)管道內(nèi)工作環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)要保證運(yùn)行的穩(wěn)定。如果機(jī)器人在移動過程中旋轉(zhuǎn)，或者由于重心的移動，機(jī)器人的軸線和管道中心線會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，可能會導(dǎo)致整個機(jī)構(gòu)卡在管道內(nèi)，不能取出。

一般根據(jù)驅(qū)動形式，管道機(jī)器人可分為輪式管道移動機(jī)器人，履帶式管道移動機(jī)器人和蠕動管道移動機(jī)器人。機(jī)器人常用的驅(qū)動方式有：液壓傳動，氣動傳動，電動傳動三種基本方式。其中，液壓和氣動方法對環(huán)境有更高的要求，實(shí)施起來更加復(fù)雜。

根據(jù)上述要求，結(jié)合蠕動式行進(jìn)速度適中，管徑可以適應(yīng)中小口徑，彎道通過能力一般，但大牽引力較大，密封性較好等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用蠕動式行進(jìn)和電驅(qū)動的方法，傳動方式采用螺旋傳動的方式，即用直流伺服電機(jī)來帶動螺桿的正反轉(zhuǎn)，以完成行進(jìn)過程。

蠕動式行進(jìn)的管道機(jī)器人通常包括蠕動行進(jìn)機(jī)構(gòu)和制動結(jié)構(gòu)。其中蠕動機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)是整個行進(jìn)部分的核心機(jī)構(gòu)；制動結(jié)構(gòu)用來保證機(jī)器人在運(yùn)動時(shí)與管道內(nèi)壁的相對鎖定，配合傳動機(jī)構(gòu)完成整個行進(jìn)目的。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求結(jié)合實(shí)際情況，

（1）螺桿螺母傳動機(jī)構(gòu)：蠕動機(jī)構(gòu)即螺桿螺母傳動機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，完成伸展與收縮兩個動作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)的自動行進(jìn)功能。

（2）制動機(jī)構(gòu)：使用環(huán)形電磁鐵來完成制動。電磁鐵可以依靠控制，來改變它的長度在管道內(nèi)，給與輪胎一個正壓力來實(shí)現(xiàn)制動功能。

（3）可變徑輪系機(jī)構(gòu)：分為前后共六個輪子，在管道內(nèi)以空間120°的方式撐開，保證機(jī)器人在管道內(nèi)工作時(shí)的支撐，保證機(jī)器人的軸線與管道軸線重合，使機(jī)器人運(yùn)動平穩(wěn)。

2.1.3 管道機(jī)器人的行走原理

蠕動式管道機(jī)器人在管道內(nèi)的運(yùn)動具有間歇式的特點(diǎn)，整個工作行程由多個蠕動動作組合完成，一個正轉(zhuǎn)加一個反轉(zhuǎn)即為一個行程。向左為例，由一下幾個狀態(tài)組成：

狀態(tài)一：兩端處于鎖死狀態(tài)，防止即機(jī)器人左右移動；

狀態(tài)二：左段制動機(jī)構(gòu)解鎖，電機(jī)帶動螺桿正轉(zhuǎn)，螺桿推動螺母左段整體向左移動；

狀態(tài)三：左段制動機(jī)構(gòu)鎖定，右端制動機(jī)構(gòu)解鎖，電機(jī)反轉(zhuǎn)，螺桿帶動右段整體向左移動；

狀態(tài)四：重復(fù)執(zhí)行以上兩狀態(tài)。

2.2 主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.2.1 螺母螺桿傳動機(jī)構(gòu)（蠕動機(jī)構(gòu)）的分析運(yùn)用

本設(shè)計(jì)中的螺桿驅(qū)動方式使螺母通過旋轉(zhuǎn)螺桿使其直線運(yùn)動，占用空間小，易于鎖定，通常使用長行程螺桿。螺桿傳動方式主要傳遞動力，螺母通過螺桿的旋轉(zhuǎn)直接運(yùn)動，螺母通過螺母連接件和連桿將動力傳遞給前端鉆頭部分。這種設(shè)計(jì)中的螺桿驅(qū)動器需要相對較大的軸向推力以及小的旋轉(zhuǎn)扭矩，并且通常是間歇運(yùn)動。工作速度相對較低，通常需要自鎖功能。本設(shè)計(jì)中的管道機(jī)器人采用傳動力螺旋的螺旋力傳動方式。

螺桿驅(qū)動方式主要以傳遞動力為主，通過螺桿的轉(zhuǎn)動直接驅(qū)動螺母使其實(shí)現(xiàn)運(yùn)動，螺母通過螺母連接件和連桿將驅(qū)動力傳遞給前鉆頭。在這種設(shè)計(jì)中，螺桿驅(qū)動需要較大的軸向驅(qū)動力和較小的轉(zhuǎn)動力矩，并且通常為間歇性運(yùn)動，間歇運(yùn)動的工作速度相對較低，通常需要自鎖功能。在這種設(shè)計(jì)中，管道機(jī)器人使用螺桿傳動。

2.2.2 制動機(jī)構(gòu)

整個制動機(jī)構(gòu)其實(shí)就是通過一個環(huán)形電磁鐵控制其吸合連接套，使聚氨酯的導(dǎo)向輪能夠壓緊到管道的內(nèi)壁，從而實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地制動的目的。

環(huán)形電磁鐵是諸多電磁鐵中的一種，通常也稱為電磁吸盤，電吸盤。環(huán)形電磁鐵就是利用通有電流的線圈使其產(chǎn)生磁場，并以導(dǎo)磁材料為介質(zhì)，磁性裝置使它們像永磁體一樣，其材料容易被磁化并容易從磁性軟鐵或硅鋼中消失。這樣，當(dāng)電源打開時(shí)，電源關(guān)閉后，磁性會消失。

2.2.3 可變徑輪系機(jī)構(gòu)

可變徑輪系主要由空間成120°分布的輪架，連接件，螺栓螺母及輪子組成，它可以在管道內(nèi)撐開，起支撐作用并保證整個機(jī)器人與管道同心。可變徑輪系可以適應(yīng)一定的內(nèi)徑變化，通過制動機(jī)構(gòu)的連接，可以保證輪子與管道內(nèi)壁緊貼，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動。

3 結(jié)論

本課題主要設(shè)計(jì)了一種螺旋傳動的蠕動式管道機(jī)器人，旨在解決平時(shí)的生活用水管道的污垢疏通。采用蠕動式的行進(jìn)方式縮小了機(jī)器人的直徑，解決了在小直徑管道中工作的難題，本管道機(jī)器人采用減速器輸出軸直接通過聯(lián)軸器連接特制的鉆頭，十分方便有效，在需要的情況下改變鉆頭大小即可適應(yīng)不同管道，非常方便，當(dāng)然本管道機(jī)器人還有一些不足之處，如不能在管道中過彎的問題。這個問題，可以選擇適合的電機(jī)和萬向聯(lián)軸器，再換上柔性絲杠等加以解決，在此不作具體探討。

此機(jī)器人具有小巧、快捷、成本低、無污染、無腐蝕等特點(diǎn)，對殘余垃圾導(dǎo)致的污垢堵塞很實(shí)用。

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上海市閔行科委資助項(xiàng)目：多功能管道養(yǎng)護(hù)機(jī)的研發(fā).