豎直管道爬行機(jī)器人

豎直管道爬行機(jī)器人小組成員：劉曉燕、周平、時(shí)佳、王迪陽、劉傳亮一、 設(shè)計(jì)背景：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，管道在當(dāng)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(gè)裂紋而花費(fèi)大量的人力和物力。如今水平管道的檢測、清理、維護(hù)已經(jīng)不再是個(gè)難題，但豎直管道中的檢測、清理、維護(hù)仍然有待解決。而我們設(shè)計(jì)的機(jī)器人正是為滿足在豎直管道的爬行而設(shè)計(jì)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(yùn)輸工人，使得管道的檢測、清潔等工作易于實(shí)現(xiàn)。二、 組成介紹：該機(jī)器人由三部分組成，包括一個(gè)伸縮模塊和兩個(gè)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(jī)的轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走；兩個(gè)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(jī)的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生推力，使機(jī)器人的腳與管壁壓緊而鎖死，從而產(chǎn)生機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道內(nèi)的爬行。三、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：(1)支撐架的設(shè)計(jì)為滿足不同內(nèi)徑管道的需求，將支撐架設(shè)計(jì)為可伸縮的。同時(shí)將上下兩組支撐架設(shè)計(jì)為空間十字交叉形，這樣就滿足機(jī)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(jì)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(shí)機(jī)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(jī)及曲柄滑塊部分設(shè)計(jì)微電機(jī)通過桿件固定在機(jī)器人下肢的正下方，一方面為可降低機(jī)器人的重心使機(jī)器人在一開始時(shí)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(jī)之間的距離增加從而使連桿的擺動幅度減小使上肢運(yùn)行穩(wěn)定（4）輔助電機(jī)控制機(jī)器人下降部分設(shè)計(jì)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(gè)支撐架上，另一端穿過另一支撐架連在輔助電機(jī)上。四、實(shí)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(jì)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(jī)的轉(zhuǎn)動帶動曲柄滑塊的運(yùn)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(shí)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(yùn)動。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)過一定角度的時(shí)候，下肢滑塊因摩擦而鎖死，從而推動上臂向上運(yùn)動。以此來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上升。（此時(shí)輔助電機(jī)不工作）下降：由輔助電機(jī)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(dāng)摩擦力減小到略比機(jī)器人自重小時(shí)則可使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)下降。設(shè)曲柄的初始位置為a=01:在a為0-90度時(shí)，曲柄滑塊機(jī)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(yùn)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(shí)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(yùn)動。2:在a為90度-270度時(shí)，曲柄滑塊機(jī)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(yùn)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(shí)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(yùn)動。3:在a為270度-360度時(shí)，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況與a為0-90度時(shí)一樣。六、創(chuàng)新點(diǎn)：1、 此機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了在豎直管道中的爬行。2、 機(jī)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(gè)比較棘手的問題，這就為豎直管道機(jī)器人的生存提供了需求空