管道爬壁机器人设计作品内容简介现在的管道机器人在竖直或者是水平方向都很好的实现了检测与清理功能但至今 还没有管道产品在复杂的管道中很好的工作为此我们设计了这款管道爬壁机器人，它 既可以在水平管道中很好的工作还可以在竖直管道中完成工作，能够自如的在水平竖直 交叉的复杂管道中完成检测，清理等工作该产品的主题结构为车体结构，在水平方向依靠车载力运动，在车体上安装有四个 机械手臂，在机械手臂的前端安装有吸盘跟电磁铁，在塑料管道中依靠吸盘在竖直方向 上运动，在铁质管道上利用电磁铁的磁力和机械手臂的交叉前进实现竖直方向的运动 该作品灵活多变，不但可以适应复杂的管道还能够进行多样的工作我们依靠机械臂的灵活度与吸盘，电磁铁的吸力来实现该产品的爬壁功能，在水平 方向上利用最传统的智能车作为动力，这样的设计完全可以满足水平方向与竖直方向的 灵活转变，实现复杂管道的自由穿梭，进而可以让该机器人更好的实现其检测与清理功 能该管道爬行机器人实现远程电脑控制，所得数据通过反馈处理使机器人能够完成各 项做业一、研制背景及意义1、随着社会的快速发展 ,国家生产水平不断提高，产品更新也越来越快管道运输在 我国运用比较普遍，但管道长期处在压力大的恶劣环境中，受到水油混合物、硫化氢等 有害气体的腐蚀。
这些管道受腐后，管壁变薄，容易产生裂缝，造成漏油、漏气的问题， 存在重大安全隐患和经济损失在管道广泛使用的今天，管道的检测、清理、维护成了 一个亟待解决的问题但是管道的封闭性和工作环境决定了这项工作的艰难时至今日， 虽然经过各国学者的努力，已经有各种各样的机器人，但是他们大都存在这样或那样的 问题，而且功能不够强大2 、人民对管道清洁机械的要求是不仅科技含量要高，而且还要绿色、节能、环保 能够满足不同类型管道的检测、维护、清理等要求3 、管道爬行机器人的研究更好地为管道的检测、维护、清理提供了新的技术手段， 这种技术更好的提高了管道监测的准确性和管道清理的安全性，也便于管道工程管理维 护人员制定维护方案，清除管道垃圾防止堵塞，事前消除管道的安全隐患，从而节约大 量的维修费用，降低管道维护成本，保障工业生产和人民生活及财产安全4、近些年来人们对自然环境、工作环境、工作工具及其方式的要求逐步提 高随着中国城市化建设事业的发展推进中国西气东输工程的全面启动 特别是 大型化工厂、大型天然气厂、大型地下管道处理系统的建成大型管道或类似管道 装置组合处理系统设施以其高质量的工作效率、圆形管道结构占地少、有效工作 空间大、美化生活环境等优点得到了广泛的应用。
为研究高效的管道机器人提供 了良好的市场环境5、 随着计算机技术的广泛普及和应用国内外检测技术都得到了迅猛发展管 道检测技术逐渐形成管道内、外检测技术 涂层检测、智能检测两个分枝通常 情况下涂层破损、失效处下方的管道同样受到腐蚀管道外检测技术的目的是检测 涂层及阴极保护有效性的基础上通过挖坑检测达到检测管体腐蚀缺陷的目的对 于目前大多数布局内检测条件的管道是十分有效的6、 管道内检测技术主要用于发现管道内外腐蚀、局部变形以及焊缝裂纹等 缺陷也可间接判断涂层的完好性因此各种大口径天然气管道、大口径石油运 输管道、大口径自来水管道、大孔径地下污水处理管道锅炉厂、硫酸厂、核电站、 液化气站、印刷厂、酒厂、食品加工厂、东风二汽长管道系统等各种大型厂房中 的大孔径管道系统随处可见但是它们在为人们工作所利用时也带来了很多问题 如人们肆意向管道内投放废品塑料、易拉罐、粘性物品、玻璃废品等长期下去导 致管道内部因淤积较多废弃物7、而使管道堵塞冬天北方天气寒冷裸露在外部的自来水管道或其他化工管 道因温度太低内部自来水会产生凝固冻结从而导致自来水不能正常流动影响城 市居民正常的生活酒精厂或其它化工厂燃料燃烧所产生的粉尘会黏附在管道或 烟囱内壁长时间越积越多吹产生静电效应甚至引发火灾和爆炸事故长期处于露 天环境大多数大型输油管道、天然气管道等都会产生内部泄露和腐蚀现象严重 影响自然环境并且产生安全隐患等等。
二、设计方案1、总体设计及图片说明图1管道爬壁机器人的整体结构图如图所示，该机器人的整体结构 为车体结构，在车 体的上方安装有四个灵活的机械臂，通过四个机械手臂的配合可以在水平竖直等多种复 杂的管道内完成多种工作该爬壁管道机器人安装有高清摄像头，它的四个机械臂可以 灵活使用，机械臂的前端是可以拆卸的，从而可以安装多种工作工具如电焊机等 1、机械手臂底座（图2）的设计：图2该机械臂的底座采用镂空设计减轻机械手臂的重量利用蜗杆传动实现机械臂的365 度旋转功能底座与车体的链接采用螺栓连接在底座的上有一个处理器这是机械 臂独立的处理器，它的主要作用是控制机械臂的活动，在机械臂不接受任务是它能很好 的配合车体上的处理器分析管道内的具体情况，以便能够获得跟那个准确的管道数据2、机械主体臂（图 3）图3这是机械手臂的主体臂它由马达，连杆等零件组成它主要的功能是实现机械手 臂的伸缩及其竖直方向上的旋转运动下方的两个马达分别控制主支撑杆与控制上方的 升降传动连接杆马达通过自身的传送力实现机械手臂的升降两个连接杆的巧妙组合 实现主体臂的升降与运动的传递，也为上方的机械臂前端的运动提供了良好的支撑3、机械臂前端（图4）图4 图 5机械臂前端是该机械臂传动最为复杂的部分，该部分主要由齿轮，马达，轮盘等零件 组成。
该部分由三个马达提供动力，其中有两个马达为机械手臂的最前端（机械头）提供旋 转动力的剩下的一个马达为机械手臂的前端的旋转提供动力实现机械头的360 度的工作 状态，为机械头实现多功能化提供了基础它的传动原理如图4 所示，利用大小齿轮的啮合 实现转速的改变将马达安放在机械臂的前端可以使整个机械臂的受力保持稳定4、机械头（图6，图 7）图 6 图7这是这个整个机械臂功能实现的最主要的结构部分，该部分由两个锥形齿轮结构组成，锥 形齿轮改变了动力的传送方向，当前端的最顶头与后方的轴成九十度时买就是实现吸盘吸力 与电磁力的交叉改变的过程前端的吸盘采用液压结构，可旋转增加吸力后方的电磁力装置采用点触式结构设计更方便安全 该部分可以灵活拆卸安装不同工作所需要的其他设备 如安装上清理钻头就实现了该机器人的清理功能5、车体前端减震设计（图8）图8 该减震结构利用了四驱越野车的减震结构，我们做了结构的简化与改进，完全可以满 足该爬壁机器人的设计需要该减震结构采用最普通的弹簧减震，轻便小巧便于使用6、摄像头（图 8）如上图所示在管道爬壁机器人的前端安装有高清摄像头，该摄像头自带照明系统，并 且进行了防水设计以便可以在水中做业。
该摄像头带有旋转和升降系统可以多角度进行管道 内的侦查三、功能原理和性能指标1、功能原理（图 9）该管道爬壁机器人采用车体结构设计，电力驱动，利用机械臂的灵活伸展能力配合磁 盘或者电磁铁进行工作，使其能在复杂的管道中自由穿梭，完成在人无法进入或者很难进入 的管道中的各项工作为使该管道爬壁机器人能够多种工作我们可以将各种工作工具安装在机械臂的前端以便完成各种工作2、性能指标行走速度：10m/min自重:5kg净载重： 机身尺寸：10kg自适应管道半径范围： 200mm 300mm越障能力：2mm 5mm爬坡能力：0~90 度工作电压：12V一次性行走距离： 2500m牵引力:300N 400N密封性能：半密封工作环境中性液体环境，液面咼度不得咼于50mm工作温度0-50 度防护等级IP68可用水深5米气密保护内置防水气压传感器有压力指示灯工作温度-10°C~50°C镜头转角，电动旋转： 径向360度 仰俯2 * 135度照明光源:56Lm 8颗7Lm白色LED灯摄像参数:调焦变倍手动对焦成像分辨率：500 万像素 795 * 596灵敏度：0.1LUX尺寸：80mm * 190mm整体重量3kg激光测量用于测量裂缝宽度或测量目标距离适用管径150mm~2000mm镜头升降电动升降架洛差可达200mm驱动：四驱单50W直流电机 6轮驱动 拖力200kg取大仃走速度： 可达40m/min爬坡：根据管道状况不同车体的最大爬坡能力50°左右深度：可以深入管道200米后视镜头:集成后视镜头及照明灯光 用于爬仃器回收期间观 察倒车及线缆回收情况显示单元:14"工业级咼亮液晶显示屏 分辨率1200 * 800五、实验过程中关键问题的分析及解决方案1、该爬壁机器人怎样才能实现在复杂管道中的自由运行，我们最初的设计 是圆筒状的机器人利用有角度的爬壁轮的旋转力作为管道机器人的前进动力，但 这样的设计对管道的直径有很高的要求，能够适应的管道很少。
2、现在的管道大部分是水平的或者是竖直的，在复杂一点的无非就是水平竖直交叉的管道为了更好的适应这三种类型的管道我们进行了大量的材料收集 与分析工作，最后我们得出在水平方管道中最好的还是车体结构的机器人，车体 机器人的优点是速度快，越障能力好在竖直方向的管道机器人至今还没有很好 的产品出现，对于单一的竖直管道利用利用竖直向下放置的管道机器人就可以完 成管道的检测等多项工作当遇到复杂一点的管道如水平竖直交叉的管道时还没 有很好的管道产品出现，我们团队想到利用机械臂的灵活度来实现管道机器人的 竖直爬壁功能3、要想实现机器人的爬壁功能要依靠在管道上的依附力，为了实现让机械 手臂拥有更高的依附力我们决定采用两种方式一种是适应塑料管道的吸盘，利用 吸盘的吸力可以很好的使机械手臂依附在管道上在利用机械手臂的灵活特性在 塑料管道上进行交叉行走就能很好的实现了该管道机器人在竖直方向的行走功 能在铁质金属管道中我们采用电磁力来实现管道机器人在管道中的自由爬行， 通过处理系统使前方的机械臂通电后产生磁力吸附在管道壁上，后方的机械臂向 前运动，运动到一定的程度前方的机械臂通电产生磁力后方的机械臂断电在进行 交叉前进，这样的配合使得机械臂可以自由灵活的实现爬壁的功能。
4、为了使车体结构可以更好的穿梭在管道中我们设计了具有减震效果的车 体结构，为了使车体可以更好的载重机械手臂我们加固了车的底盘结构使车的 整体载重与承受力都大大的增加5、该管道机器想要实现多功能化，必然增加了机器人的负荷，为了更好的 使该爬壁机器人实现多功能化又不增加其负荷，最终我们决定讲该机械臂的头设 计成灵活可拆卸的结构，使其能安装不同的工作工具六、设计创新点1．在塑料材质的管道中机械臂依靠气动驱动实现爬壁功能，该种驱动动力较大，使得 机器人具有承担一定负载的能力，通过调节气压可以实现动力大小的调节2．在该管道爬壁机器人的电路板设计中我们采用电路板外接，机器人主体部分可以较 好地适应潮湿的环境3．主体部分采用车体结构，由电力驱动，优越的越野车式设计实现过弯管道的功能 整体采用模块设计，轻小便捷，便于携带、能耗低4. 灵活性：该机器人采用可编程控制器由编制及更改程序来实现不同的功能；继电器接 触器由连接硬件电器，布置电路，实现功能5. 可靠性：与继电器接触器比较而言，可编程控制器故障少，可靠性更高，抗干扰能力 强通用性和适应性强，6. 该管道爬壁机器人标准化程度高，执行元件布置灵活，易于设计和制造。
易于实现过 载保护，容易和电气控制结合，实现自动控制7. 移动式堆垛机械手以液压系统中的活塞和活塞缸作为机械设计机体，以液压作为驱动 动力，以PLC作为控制手段，以变频器作为调速方式，实现。