内径可变管道清理机器人的清理装置设计
引言
微型机器人的研究与微机械或微机电系统的研究紧密相连的美国国家自然科学基金会(NSF)将MEMS 技术列为优先支持的项目,美国国防部先进研究计划署(DARPA)也制定有关MEMS 的研究发展计划，将惯性传感器作为研究重点[1]。工业机器人市场竞争越来越激烈，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历史机遇的主要途径[2]。
随着科学技术的不断发展， 机器人技术已经取得了先进的成果。它广泛地应用于采矿、冶金、石油、化学、船舶等传统制造业领域， 同时也逐步扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中[3]。但是对城市污水、天然气输送、工业物料运输、给排水和建筑物通风系统等使用着大量复杂隐蔽的管道，如何经济而又迅速地排堵以及及时维护检修将是我们面临的最大难题， 因此研制和开发能够在内径可变管道系统内自由行走并进行管清理的内径可变管道清理机器人将会给社会带来重大效益[4]。
1 内径可变管道清理机器人总体介绍
当机器人进入内径变化的管道内，需要随着管道内径的变化来调节内径探测装置。清理装置以及支撑轮的圆周所在的直径，为了使机器人在清理的过程中方便自如、稳定准确，设计了如下装置，其结构如下。
为了管道清理机器人在对管道清理的过程中方便轻巧采用了叶轮6（发电机7 驱动下）来提供进给的推动力，同时机身上的可调节支撑轮紧贴管道内壁稳固安全，机器人头部安装有摄像头1，在摄像头控制器[5]的作用下来探测前方管道内径的粗细变化，将信号返回到中心控制器，然后再中心控制器的作用下调节清理刷2 的伸出长度，在适当的长度下（液压控制器），三叶清理刷（120?夹角）在主轴11 带动（主轴发电机9）下进行旋转，实施对管壁的清理工作。
2 可变内径清理装置的结构设计
当机器人进入管道时，为了使清理的干净彻底，清理刷上升和下降的过程中精确稳定，压力传感器[6]获得的压力值准确，在设计的过程中采用了液压装置来控制，清理刷支架的伸出的三角形挡卡可以伸缩，在上升时与强硬的支座三角接触，三角卡挡卡被压回但瞬间又伸出实现了小刻度的上升，上升平稳；当需要下降时，液压传感器将强制三角挡卡缩回，与此同时液压控制器控制油液收回，这样清理支架就会平稳的回降而不会出现剧烈的碰撞，安全稳定性高。
为了清理的彻底清理刷头采用了间隔120°的夹角[7]，由三个清理刷组成，另外在清理不同的材料组成的管道或者管道中需要清理的杂物总类不同可能会对清理刷有不同的要求，因此在支架顶端处设立了两个自由开关，用来更换不同材料的清理刷，已达到更加的清理效果，安全稳定的同时也提高了清理效率。
3 清理装置的工作流程
针对可变内径清理装置的结构设计，为了更好的了解和分析该装置的工作原理，绘制了清理装置的工作流程图[8]，该流程图清楚地表现作出清理刷的液压控制器以及压力传感器的作用时刻和位置。
4 内径可变管道清理机器人的工作原理
内径可变管道清理机器人的清理装置的工作原理结合工作流程图可知，当机器人进入管道内，在摄像头的探测下，摄像头控制器的分析下将获得的信号传给中心控制器，当获得的信号为前方管道内径增大，此时摄像头会在摄像头控制器的控制下向上移动继续探测，与此同时中心控制器会发出信号传给液压控制器，在液压力的作用下清理刷支架会沿支座的控制小刻度逐渐上升，当支架的上端刚刚与管道内壁接触时，顶端的压力传感器会将压力返回到中心控制器，来判断压力是否为合适的工作压力，如果未达到支架则继续向外伸缩，直到达到合适的工作压力后，主轴电机旋转带动清理刷旋转对管壁实施清理。
当摄像头探测到管道内径变小时，此时中心控制器会发出信号是摄像头下降，同时支架的挡销在液压控制器的作用下将与挡卡分开，然后回落到一定的高度，在叶轮的推动下继续前行，然后在伸张，当压力传感器达到稳定工作的安全时，三叶刷在主轴的带动下对管道进行清理，并且可以根据管道的材料和管内杂物的不同可以选择更换合适的清理刷，已达到最佳的清理效果。
5 实验验证与分析
为了使该装置达到最好的清理效果，需要正确的选择压力和转速，在实验准许的条件下清理刷以毛刷为例进行了试验，就清理效果η和清理刷与管壁的压力p（转速恒定）和主轴转速n（压力恒定）进行了数据测量，并绘制了图表：
由以上两组数据以及以及图形曲线可以清楚地看出，清理效果与清理刷与管壁的压力具有正相关的趋势，因此在清理的过程中可以适当的增加压力以加强清理效果，但是不可以太高以免损坏清理刷；而在转速方面转速越高清理效果越明显，但是当转速增加到一定的数值时清理效果增长的比较缓慢，因此从效率和经济性方面考虑转速不宜过高。综合以上两方面考虑，为了达到更高的清理效率并且提高经济性，本次实验验选择了1.0kpa 和980r/min 来进行实验，清理效果达到了87%，而且经济安全稳定。
该机器人装置在实验室条件下进行试验，在实验的过程中为了明显的观察机器人的清理过程，实验选择了一根长1m 直径为10cm 和一根长1m 直径20cm 的两根壁厚均为1cm 的透明塑料管连接的组成管，实验开始前管壁布满了泥沙，然后开始进行实验，检查装置无故后，将机器人放入待清理的透明塑料管中，启动机器人的控制开关，机器人便在叶轮的推动下进入塑料管，试验中由于采用透明的可见塑料管来试验，清楚地看到了清理刷的稳定精确的工作，摄像头能够在变径管处准确的分析管径的变化，清理刷也可以在变径管口处自由的变换清理刷的高度，而可调支撑轮的支撑作用也清晰可见，由于采用了从管口的两端进行了两次实验，实现了对管径由大到小和由小到大的两种变化的检测，整个单次清理过程用时大约为3 分钟，经过清理后管壁基本无泥土，达到了预期的效果，实现了清理装置稳定、快速、精确的目标。
6 结论
本文设计了内径可变管道清理机器人的清理装置，通过机器人头部的由摄像头控制器、清理刷支架的液压控制器、压力传感器、发电机、叶轮以、可调支撑轮及中心控制器等一系列装置实现了机器人在可变内径管道内的清理过程，在清理架的设计中采用了小刻度停顿的液压控制，使支架的伸出和缩回精确而稳定，而在头部采用了压力传感器从而有效的获得了最适的工作压力清理效率大大提高。此装置具有快速、稳定、精确的优点，对于内径变换的管道清理具有很大的优势，对于以后管道清理机器人的设计具有很好的参考价值。
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[参考文献] (References)
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[3] 蔡鹤皋. 机器人将是世纪技术发展的热点[J]. 中国机械工程，2000 年，第11 卷第1-2 期：58～59.
[4] 单晓敏. 利用流体动能充电的管道清理机器人[D].长春：长春理工大学，2012.
[5] 邓宗全，张晓华. 野外大口径管道焊缝x 射线检测机器人[J]. 哈尔滨工业大学学报，1997 年，第1 期：48～49.
[6] 凌永发，王杰. 压力传感器的选择与应用[J]. 云南民族大学学报，2003 年，第12 卷，第3 期：192～194
[7] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2012.
[8] 解中宁. 控制工程基础与应用[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2012.
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