竖直管道爬行机器人

竖直管道爬行机器人

小组成员：刘晓燕、周平、时佳、王迪阳、刘传亮

一、设计背景：

随着科学技术的发展，管道在当今社会已经得到了广泛的应用。管道在长期的使用中难免会出现破裂、堵塞等，人们往往为了寻找管道上的一个裂纹而花费大量的人力和物力。如今水平管道的检测、清理、维护已经不再是个难题，但竖直管道中的检测、清理、维护仍然有待解决。而我们设计的机器人正是为满足在竖直管道的爬行而设计的，它具有一定的承载能力，可以成为管道检测、清洗设备的载体、检修的运输工人，使得管道的检测、清洁等工作易于实现。

二、组成介绍：

该机器人由三部分组成，包括一个伸缩模块和两个支撑模块。伸缩模块主要由曲柄连杆构成，利用驱动电机的转动来实现机器人的行走；两个支撑模块结构上完全一样，都是由初始弹簧提供微张力而贴附在竖直管道内壁。由电动机的转动产生推力，使机器人的脚与管壁压紧而锁死，从而产生机器人行走所需的静摩擦力。伸缩模块和支撑模块按一定的顺序工作，从而实现机器人在管道内的爬行。

三、结构设计:

（1）支撑架的设计

为满足不同内径管道的需求,将支撑架设计为可伸缩的。同时将上下两组支撑架设计为空间十字交叉形，这样就满足机器人在管道中爬行的稳定性,,并在上下两组支撑架中各安装有被压缩的弹簧,以提供一初始的张力,使摩擦滑块与管道内壁能够充分接触。

(2) 摩擦滑块的设计

摩擦滑块与管道内壁接触的部分，滑块的上部分有圆滑过渡以防止遇到障碍物时机器人被卡死。而且这部分是可拆卸的，对不同材质的管道可选用不同材料的滑块接触面与管道内壁接触。

（3）微电机及曲柄滑块部分设计

微电机通过杆件固定在机器人下肢的正下方，一方面为可降低机器人的重心使机器人在一开始时能够稳定的贴在管道内壁而不下滑，另一方面使上肢与电动

机之间的距离增加从而使连杆的摆动幅度减小使上肢运行稳定

（4）辅助电机控制机器人下降部分设计

分别在上下肢两支撑架中间的弹簧中穿一根不可伸缩的绳，绳的一端固定在其中的一个支撑架上，另一端穿过另一支撑架连在辅助电机上。

四、实现摩擦自锁的可行性分析：

五、动作执行原理分析

上升：由主电动机的转动带动曲柄滑块的运动，使上肢在受到向下拉力的作用下，使两侧的滑块因摩擦自锁而锁死，此时上肢因锁死不动，下肢则受到曲柄滑块的向上拉力而向上运动。当曲柄转过一定角度的时候，下肢滑块因摩擦而锁死，从而推动上臂向上运动。以此来实现机器人的上升。（此时辅助电机不工作）下降：由辅助电机来拉绳子，通过绳子的作用使上下肢的两支撑架向中间收，

从而减小了支撑架对摩擦滑块的正压力，使摩擦力减小，当摩擦力减小到略比机器人自重小时则可使机器人实现下降。

设曲柄的初始位置为α=0

1:在α为0-90度时,曲柄滑块机构在上下肢之间产生张力,使上肢产生向上,下肢产生向下运动的趋势,由于张力的作用,使下肢与管道内壁压紧,由摩擦而产生自锁,同时上肢由于受向上推力的作用,使上肢滑块与管道内壁摩擦减小,导致上肢向上运动。

2:在α为90度-270度时,曲柄滑块机构在上下肢之间产生收缩力,使下肢产生向上,上肢产生向下运动的趋势,在收缩力的作用下,使上肢与管道内壁压紧,由摩擦而产生自锁,同时下肢由于受向上拉力的作用,使上肢滑块与管道内壁摩擦减小,导致下肢向上运动。

3:在α为270度-360度时,机构的运动情况与α为0-90度时一样。

六、创新点：

1、此机器人实现了在竖直管道中的爬行。

2、机器人的支撑架长度是可调节的，可满足不同内径管道的需求。

3、滑块与管道内壁接触的部分是可拆卸的，对不同材质的管道可使用不同的滑块接触面以提供可靠(所需的)摩擦力。

七、应用前景：

在科学技术不断发展的今天，管道不论是在家庭生活还是在工业生产上都有着极大而广泛的应用，而竖直管道的维修，检查及清理等在目前仍然是个比较棘手的问题，这就为竖直管道机器人的生存提供了需求空间。而且竖直管道机器人作为一种搭载工具，可搭载不同的操作手，来完成不同的操作需求，就像汽车可装载不同的货物一样，从而使竖直管道机器人的应用领域得到很大的拓宽，应用前景广阔。