【正文】 ，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)、上海大學(xué)等高校和科研院所都做了這方面的工作，在理論上和應(yīng)用上取得了很多進(jìn)步。圖17中央空調(diào)風(fēng)管清掃機(jī)器人目前，日本、美國等發(fā)達(dá)國家在管道機(jī)器人技術(shù)方面做了大量工作，尤其是日本在管道機(jī)器人的研究及開發(fā)領(lǐng)域中取得了領(lǐng)先的地位。150mm～600mm，行走速度5m/min，采用光纜通訊，但由于攜帶的蓄電池電能的限制，還不能實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的行走。日木吸取法、美等國的研究成果和應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)，開發(fā)了多種形式的管道機(jī)器人。它采用分段蠕蟲狀外形設(shè)計(jì)，使其具備了前所未有的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)對排水管道的初步清理及檢測。在發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)后機(jī)器人用一整套工具(銑刀、鉆頭、切割和清理工具)完成各道工序。該車的9個(gè)電驅(qū)動(dòng)裝置能把整個(gè)機(jī)器聯(lián)接起來，推出并轉(zhuǎn)動(dòng)工作部件、翻轉(zhuǎn)攝像機(jī)用于觀察修理過程，還能“指使”刷子去清洗應(yīng)洗的部位。彎道或連續(xù)180176。軟軸大多為分段結(jié)構(gòu)，兩端有接頭可將多根軟軸接在一起使用，從而可疏通較長距離的管道。OPCR共有三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，每個(gè)輪均有兩個(gè)微型電機(jī)控制，其中一個(gè)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)改變輪的角度，這樣在轉(zhuǎn)彎的情況下機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)彎。圖11 stoneage公司管道清洗機(jī)器人 圖12 OH39。盡管常規(guī)管道機(jī)器人有的己經(jīng)實(shí)用化了，但還存在著很多問題。該機(jī)構(gòu)由2個(gè)行走輪及4個(gè)支腿組成，支腿由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以適應(yīng)不同管徑的變化。本人設(shè)計(jì)管道清洗機(jī)器人是把行星磨頭清洗技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合起來，進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)開發(fā)，因此它的深入研究也將推動(dòng)管道清洗技術(shù)的發(fā)展。維修項(xiàng)目包括清掃、補(bǔ)口、焊接等?，F(xiàn)代工農(nóng)業(yè)及日常生活中使用著大量管道，石油、天然氣、化工等領(lǐng)域也應(yīng)用了大量管道，這些管道大多埋于地下或海底，輸送距離近千里，它們的泄漏會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，甚至引起火災(zāi)，多數(shù)管道安裝環(huán)境人們不能直接到達(dá)或人們無法直接介入，另外，在一些工廠里有大量的通風(fēng)管道，在某些餐廳或飯店里裝有大量的油煙管道，這些管道或者架設(shè)在空中，或者管道內(nèi)徑很小，在做質(zhì)量檢測、故障診斷、清洗時(shí)比較困難。針對現(xiàn)有機(jī)器人不能用于豎直管道清洗的缺點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)了鏈?zhǔn)铰膸凶摺⒂来盼降臋C(jī)械行走機(jī)構(gòu)，用于完成油煙管道的清洗爬壁任務(wù)。本課題的研究主要有以下意義:可提高機(jī)器人的清洗效率。與化學(xué)清洗及手工、機(jī)械清洗相比，具有清洗質(zhì)量好、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)到返舊還新的效果。盡管通過添加化學(xué)劑，采用合理的工藝流程，進(jìn)行水質(zhì)處理措施可以在一定程度上改善這些情況，但要完全避免污垢的產(chǎn)生是不可能的。我國的管道清洗行業(yè)長期以來80%采用的是化學(xué)方法以及手工清洗和機(jī)械清洗方法，成本高、效率低、污染環(huán)境等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代社會日益增長的要求。作為一種清潔、高效、對環(huán)境無污染的清洗技術(shù)，具有可觀的經(jīng)濟(jì)和社會效益?，F(xiàn)有油煙管道機(jī)器人由于機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有一個(gè)自由度，清洗管道壁時(shí)，要通過不斷調(diào)整機(jī)器人的位姿來實(shí)現(xiàn)，使操作變得復(fù)雜，清洗效率較低。可改善當(dāng)前清洗油煙管道工人的工作環(huán)境、降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約清洗成本、消除油煙管道清洗的衛(wèi)生死角、提高管道使用壽命、提高油煙管道的清洗效率、減少火災(zāi)以及可避免化學(xué)清洗導(dǎo)致的污染和純機(jī)械清洗對管道造成的損傷等。這促使了管道機(jī)器人的誕生。 目前在管道清洗過程中，清洗設(shè)備絕大部分是采用無動(dòng)力纜繩拖拉行走方式來進(jìn)行清洗，無法根據(jù)管道的內(nèi)部情況進(jìn)行清洗參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，管徑的適應(yīng)能力較差。隨著管道機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛。美國是機(jī)器人的誕生地，早在1962年就研制出了世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人。例如，能源供給、可靠性等問題。S管道機(jī)器人OPCR由三個(gè)部分組成:頭部、驅(qū)動(dòng)部分、穩(wěn)定性控制部分。當(dāng)驅(qū)動(dòng)部分難以控制OPCR穩(wěn)定的處在管道軸線中心線時(shí)，穩(wěn)定性控制部分這時(shí)就會起作用了。用于排水管道疏通的疏通機(jī)一般作業(yè)直徑范圍100mm～250mm之間，最大疏通距離一般為50m。返水彎管。除此以外，為了使機(jī)器人能從豎孔中鉆進(jìn)橫向管道，機(jī)器人自身可折彎，因而可在直徑190mm～600mm的管道中工作。機(jī)器人由操作師控制，操作師的指令將傳給機(jī)器人內(nèi)安裝的微處理系統(tǒng)。適用于大直徑、淤積不嚴(yán)重、管路復(fù)雜的排水管道。例如，日木關(guān)西電力株式會社開發(fā)出了適用于248。日本推出的“三藏法師”用于清洗、檢測空調(diào)通風(fēng)管道的超小型機(jī)器人，如圖17所示，是被世界認(rèn)可的風(fēng)管清掃系統(tǒng)(具有美國、日本、歐洲多國專利)，其特長為:使用新開發(fā)的多功能超小型機(jī)器人，可有效的對各式各樣的風(fēng)管進(jìn)行污染診斷和清掃。日本和美國都是機(jī)器人發(fā)展較成熟的國家，對空調(diào)管道機(jī)器人的研究也較成熟，上面介紹的日本管道機(jī)器人，體積小，能清洗任何形狀的空調(diào)通風(fēng)管道，不但可以做清掃任務(wù)，還可做檢測任務(wù)。近幾年來，用于空調(diào)管道清洗和檢測的管道機(jī)器人如雨后春筍般的出現(xiàn)的市場在上，己初見規(guī)模。但該機(jī)器人體積較大，對于常見的248。同樣，由于其功能中自動(dòng)控制能力較強(qiáng)具有自動(dòng)糾偏自主導(dǎo)航的功能，其尺寸相應(yīng)較大是其應(yīng)用范圍的限制因素。這種管道機(jī)器人移動(dòng)載體既適用于大口徑管道，也適用于小口徑管道，能跨越管內(nèi)的階梯管、錐形管接口、變截面形狀管接口，可適用于矩形管和圓管，能輕松實(shí) 圖18 MDCRI 圖19自主變位四履帶足機(jī)器人現(xiàn)直角矩形管轉(zhuǎn)向和圓弧彎道行走，可勝任各種環(huán)境復(fù)雜的管道。下水道自動(dòng)清淤機(jī)器人清華大學(xué)研制的下水自動(dòng)清淤機(jī)器人適合248。哈爾濱工程大學(xué)的城市排水管道穿纜檢測機(jī)器人，采用了履帶式行走機(jī)構(gòu)，用于城市排水管道的疏通、檢測，可檢測直徑大于500mm的排水管道。其主要技術(shù)指標(biāo)如下:采用長距離行走的自走車，一般能行走500m；采用小口徑用自走車，能應(yīng)用于管徑為248。該機(jī)器人無法完成豎直油煙管道的清洗，且重量較重。盡管自驅(qū)動(dòng)管內(nèi)機(jī)器人行走可以采用的輪式、腳式爬行式、蠕動(dòng)式，履帶式等多種形式，但本文則是對輪式管道機(jī)器人的研究，可以設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)在一定的管徑變化范圍內(nèi)，具有常封閉特性，增加了載體的穩(wěn)定性和可靠性，機(jī)構(gòu)具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。彎管獨(dú)立輪式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向特性。對管道機(jī)器人靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究。125mm的管道中工作，作業(yè)環(huán)境要求整個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸應(yīng)盡可能的小并且具備一定的牽引力，整個(gè)設(shè)計(jì)從選取移動(dòng)方式入手。對于大口徑的管道機(jī)器人，由于其自重較大，如果支撐臂不具備自動(dòng)定心性能，必定產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，其結(jié)果使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)阻力增大，出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。蛇行、蠕動(dòng)、變形運(yùn)動(dòng)鄉(xiāng)適合于光滑的管壁、地面或水下。傳動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量與成本在整臺機(jī)器中占有很大比重。很顯然，要同時(shí)滿足這些要求肯定比較困難的，因此，要通過分析和比較多種傳動(dòng)方案，選擇其中最能滿足眾多要求的合理傳動(dòng)方案，作為最終確定的傳動(dòng)方案。故在本設(shè)計(jì)中選用步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)器人本體的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力；減速器選用行星齒輪減速器。下面兩輪所在支腿中心線與減速器輸出軸線垂直，且兩支腿中心線的夾角為120176。兩蝸輪軸線之間的夾角為120176。管道由于制作誤差、使用過程中局部結(jié)垢、局部壓力過大而產(chǎn)生變形以及內(nèi)表面雜物的存在，管道機(jī)器人在碰到變形部位及雜物時(shí)，由于阻力而使支撐臂收縮，同時(shí)在驅(qū)動(dòng)力的作用下通過變形部位，當(dāng)再次達(dá)到管道正常段時(shí)，支撐臂能夠在彈簧的作用下像傘一樣張開，使機(jī)器人重新恢復(fù)原來的平穩(wěn)狀態(tài)。當(dāng)機(jī)器人在行進(jìn)過程中，其中的一個(gè)或多個(gè)支腿遇到障礙物（包括突起和凹陷）時(shí)，利用支腿內(nèi)部的調(diào)整彈簧來改變支腿的長度使得支腿與管壁處于理想的接觸狀態(tài)，以滿足穩(wěn)定作業(yè)要求。比較研究了各種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，針對本課題的工程實(shí)際需要，并根據(jù)前后支腿的特性要求，在前支腿（即從動(dòng)輪支腿）選用彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式，后支腿（即主動(dòng)輪支腿）選用滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式。保證管道機(jī)器人以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管道內(nèi)壁上，使機(jī)器人具有充足且穩(wěn)定的牽引力。合并整合上兩式得： （28）此式即為滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的力學(xué)特性。故在彈簧壓緊調(diào)節(jié)方武的力學(xué)特性如下：圖23彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式選取其中的一個(gè)支承臂作為研究對象，其受力分析如圖所示，由前述滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)方式的分析可知，彈簧壓緊調(diào)節(jié)方式的力學(xué)平衡方程為： （29）式中，—彈簧的壓緊力，N。在計(jì)算前。當(dāng)姿態(tài)角分別為60176。 總阻力 根據(jù)實(shí)際情況，我們設(shè)計(jì)主動(dòng)輪半徑，總阻力矩為： = 已經(jīng)設(shè)過機(jī)器人行進(jìn)速度為，也就是，則主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速應(yīng)該是：nw= = = 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為系統(tǒng)傳動(dòng)比為： 電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力矩為： = 考慮機(jī)器人在管道內(nèi)行進(jìn)出現(xiàn)的在和突變情況，取安全系數(shù)為，則電機(jī)的功率為,電機(jī)選用型?？紤]驅(qū)動(dòng)能力時(shí)減速比的計(jì)算根據(jù)電機(jī)的相關(guān)資料，可知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為 ，為滿足機(jī)器人能正常行駛，則整個(gè)軀動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)減速增扭后，驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)大于等于機(jī)器人所受到的總的阻力矩，即應(yīng)保證傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比 應(yīng)滿足： 2．考慮機(jī)器人最高運(yùn)行速度傳動(dòng)比的計(jì)算根據(jù)電機(jī)相關(guān)資料，可知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為則傳動(dòng)系統(tǒng)的最大傳動(dòng)比 應(yīng)該滿足： 基于上述傳動(dòng)比，我們可以確定傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比 應(yīng)該滿足： （214）傳動(dòng)比里面蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比為：=580，選用20則減速器的出動(dòng)比 為： （215）我們選用 根據(jù)《小功率計(jì)算機(jī)》書上說明，選用GBX40行星減速器。根據(jù)電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩為，傳動(dòng)比 為，則機(jī)器人總的驅(qū)動(dòng)力矩為：因?yàn)闄C(jī)器人總的驅(qū)動(dòng)力矩大于其所受到的總的阻力矩，所以機(jī)器人能夠有足夠的動(dòng)力起車，并有一定的動(dòng)力儲備。 (mm) (mm) (mm) 176。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。由于影響軸的結(jié)構(gòu)的因素較多，且其結(jié)構(gòu)形式又要隨著具體情況的不同而異，所以軸沒有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強(qiáng)度。下面根據(jù)上述原則對軸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。下面介紹幾種常用的計(jì)算方法。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 （41）式中： 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力， —軸所受的扭矩， —軸的抗扭截面系數(shù)， —軸的轉(zhuǎn)速 —軸傳遞的功率，功率 —計(jì)算截面處軸的直徑， —許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，見表42表42 軸的幾種材料的 及 值軸的材料 Q235A、20 Q2735 45 40Cr、35SiMn 38SiMnMo、3Cr13 15～25 20～35 25～45 35～55 149～126 135～112 135～103 112～97由上式可得軸的直徑