豎直管道爬行機器人

豎直管道爬行機器人小組成員：劉曉燕、周平、時佳、王迪陽、劉傳亮一、 設(shè)計背景：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，管道在當今社會已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。管道在長期的使用中難免會出現(xiàn)破裂、堵塞等，人們往往為了尋找管道上的一個裂紋而花費大量的人力和物力。如今水平管道的檢測、清理、維護已經(jīng)不再是個難題，但豎直管道中的檢測、清理、維護仍然有待解決。而我們設(shè)計的機器人正是為滿足在豎直管道的爬行而設(shè)計的，它具有一定的承載能力，可以成為管道檢測、清洗設(shè)備的載體、檢修的運輸工人，使得管道的檢測、清潔等工作易于實現(xiàn)。二、 組成介紹：該機器人由三部分組成，包括一個伸縮模塊和兩個支撐模塊。伸縮模塊主要由曲柄連桿構(gòu)成，利用驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)機器人的行走；兩個支撐模塊結(jié)構(gòu)上完全一樣，都是由初始彈簧提供微張力而貼附在豎直管道內(nèi)壁。由電動機的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生推力，使機器人的腳與管壁壓緊而鎖死，從而產(chǎn)生機器人行走所需的靜摩擦力。伸縮模塊和支撐模塊按一定的順序工作，從而實現(xiàn)機器人在管道內(nèi)的爬行。三、 結(jié)構(gòu)設(shè)計：(1)支撐架的設(shè)計為滿足不同內(nèi)徑管道的需求，將支撐架設(shè)計為可伸縮的。同時將上下兩組支撐架設(shè)計為空間十字交叉形，這樣就滿足機器人在管道中爬行的穩(wěn)定性,，并在上下兩組支撐架中各安裝有被壓縮的彈簧，以提供一初始的張力，使摩擦滑塊與管道內(nèi)壁能夠充分接觸。⑵摩擦滑塊的設(shè)計摩擦滑塊與管道內(nèi)壁接觸的部分，滑塊的上部分有圓滑過渡以防止遇到障礙物時機器人被卡死。而且這部分是可拆卸的，對不同材質(zhì)的管道可選用不同材料的滑塊接觸面與管道內(nèi)壁接觸。(3)微電機及曲柄滑塊部分設(shè)計微電機通過桿件固定在機器人下肢的正下方，一方面為可降低機器人的重心使機器人在一開始時能夠穩(wěn)定的貼在管道內(nèi)壁而不下滑，另一方面使上肢與電動機之間的距離增加從而使連桿的擺動幅度減小使上肢運行穩(wěn)定（4）輔助電機控制機器人下降部分設(shè)計分別在上下肢兩支撐架中間的彈簧中穿一根不可伸縮的繩，繩的一端固定在其中的一個支撐架上，另一端穿過另一支撐架連在輔助電機上。四、實現(xiàn)摩擦自鎖的可行性分析：F1=F2=F/(2sin#)若使滑塊在管道內(nèi)壁不下滑 （則f>F'+G滑塊 I則u>tan#（l十2G滑塊/F）則通過設(shè)計合理的#角與滑塊的自重及摩擦系數(shù)u,此方案可行。五、動作執(zhí)行原理分析上升：由主電動機的轉(zhuǎn)動帶動曲柄滑塊的運動，使上肢在受到向下拉力的作用下，使兩側(cè)的滑塊因摩擦自鎖而鎖死，此時上肢因鎖死不動，下肢則受到曲柄滑塊的向上拉力而向上運動。當曲柄轉(zhuǎn)過一定角度的時候，下肢滑塊因摩擦而鎖死，從而推動上臂向上運動。以此來實現(xiàn)機器人的上升。（此時輔助電機不工作）下降：由輔助電機來拉繩子，通過繩子的作用使上下肢的兩支撐架向中間收,從而減小了支撐架對摩擦滑塊的正壓力，使摩擦力減小，當摩擦力減小到略比機器人自重小時則可使機器人實現(xiàn)下降。設(shè)曲柄的初始位置為a=01:在a為0-90度時，曲柄滑塊機構(gòu)在上下肢之間產(chǎn)生張力，使上肢產(chǎn)生向上，下肢產(chǎn)生向下運動的趨勢，由于張力的作用，使下肢與管道內(nèi)壁壓緊，由摩擦而產(chǎn)生自鎖，同時上肢由于受向上推力的作用，使上肢滑塊與管道內(nèi)壁摩擦減小，導(dǎo)致上肢向上運動。2:在a為90度-270度時，曲柄滑塊機構(gòu)在上下肢之間產(chǎn)生收縮力,使下肢產(chǎn)生向上,上肢產(chǎn)生向下運動的趨勢，在收縮力的作用下，使上肢與管道內(nèi)壁壓緊，由摩擦而產(chǎn)生自鎖，同時下肢由于受向上拉力的作用，使上肢滑塊與管道內(nèi)壁摩擦減小,導(dǎo)致下肢向上運動。3:在a為270度-360度時，機構(gòu)的運動情況與a為0-90度時一樣。六、創(chuàng)新點：1、 此機器人實現(xiàn)了在豎直管道中的爬行。2、 機器人的支撐架長度是可調(diào)節(jié)的，可滿足不同內(nèi)徑管道的需求。3、滑塊與管道內(nèi)壁接觸的部分是可拆卸的，對不同材質(zhì)的管道可使用不同的滑塊接觸面以提供可靠（所需的）摩擦力。七、應(yīng)用前景：在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，管道不論是在家庭生活還是在工業(yè)生產(chǎn)上都有著極大而廣泛的應(yīng)用，而豎直管道的維修，檢查及清理等在目前仍然是個比較棘手的問題，這就為豎直管道機器人的生存提供了需求空