排水管道疏通機器人機械設(shè)計【cad高清圖紙和說明書全套】

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六獨立輪驅(qū)動式管內(nèi)機器人的研制 J . 高技術(shù)通訊, 2004(9) .5 吳延本，等. 簡明實用機械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)手冊M. 吉林科學(xué)技術(shù)出版社.1993.1畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書5畢業(yè)設(shè)計工作進(jìn)度計劃：起 迄 日 期工 作 內(nèi) 容12年2月20日 2月26日下達(dá)設(shè)計任務(wù)書，明確設(shè)計內(nèi)容和要求12年2月 27日 3月6日文獻(xiàn)檢索，完成外文翻譯12年3月7日 3月20日參觀、實習(xí)、調(diào)研、搜集資料，初步提出設(shè)計方案12年3月21日 4月20日完成方案分析比較和論證等內(nèi)容，確定總體方案12年4月21日 5月24日詳細(xì)設(shè)備設(shè)計和繪圖12年5月25 日 5月30日完善圖紙，編寫設(shè)計說明書，修改完善所有設(shè)計材料12年6月1日 6月5日準(zhǔn)備答辯系審查意見：負(fù)責(zé)人： 年 月 日院學(xué)術(shù)委員會意見：負(fù)責(zé)人： 年 月 日1畢業(yè)設(shè)計說明書設(shè)計題目： 大型排水管道疏通機器人機械設(shè)計 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 35目 次1 緒論11.1 選題背景11.2 本課題研究意義11.3 研究內(nèi)容22 排水管道機器人概述32.1 我國排水管道清淤現(xiàn)狀32.2 國外管道機器人發(fā)展現(xiàn)狀52.3 國內(nèi)管道機器人的發(fā)展現(xiàn)狀83 排水管道疏通機器人的總體設(shè)計113.1 排水管道疏通機器人工作環(huán)境113.2 管道機器人整體設(shè)計指標(biāo)113.3 管道機器人系統(tǒng)組成113.4 管道機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計123.5 管道機器人移動方式的選擇133.6 履帶移動方式運動方式分析143.7 驅(qū)動方式的選擇153.8 箱體結(jié)構(gòu)的設(shè)計203.9 驅(qū)動軸設(shè)計213.10 從動軸設(shè)計243.11 軸承的校核263.12 清淤工具的設(shè)計273.13 其他附屬裝置的設(shè)計283.14 密封和防腐結(jié)構(gòu)的設(shè)計293.15 控制系統(tǒng)設(shè)計29設(shè)計總結(jié)30致謝31參考資料321 緒論1.1 選題背景城市的排水系統(tǒng)是現(xiàn)代化社會不可缺少的重要基礎(chǔ)設(shè)施，管道維護(hù)及疏通工作對城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的影響，排水工程也是城市水污染防治和城市排漬、排澇、防洪的骨干工程。我國排水管道大都埋于地下，由于我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和建設(shè)，環(huán)境保護(hù)及城市建設(shè)工作越來越受到市政部門的重視，人們的環(huán)保意識也日益提高。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及建設(shè)世界級新型城市的需要，城市排水領(lǐng)域所暴露出的問題也突顯出來。如果排水不好將影響居民日常生活，嚴(yán)重時會打亂整個城市的正常節(jié)奏。城市排水設(shè)施是維護(hù)城市正常生態(tài)功能的重要前提，也是保護(hù)城市水質(zhì)資源和生活環(huán)境的重要措施，然而，我國的排水管道的疏通與清理工作還普遍處于人工作業(yè)的落后狀態(tài)，不僅體力繁重，效率低，惡劣環(huán)境以及毒氣、毒水給工人造成很大危害，甚至爆炸、死人等事故時有發(fā)生。傳統(tǒng)的排水管道維護(hù)方式是依靠維修人員進(jìn)入管道，用人工的方式進(jìn)行清掏和檢測工作。但是在很多情況下，人工檢測方式存在很多缺點，例如管道內(nèi)環(huán)境惡劣，充滿了許多沼氣等對人類有毒的氣體，對人身安全造成很大的傷害；還有那些人體無法通過的管道，也就無法發(fā)現(xiàn)其中的破損；人工疏通效率低、速度慢，并且需要的時間長，準(zhǔn)確率低等等。因此，研究制造一種排水管道的疏通檢測機器人具有十分重要的意義，它既是建設(shè)現(xiàn)代化城市和加強環(huán)保的需要，也是廣大市政管理、維修人員的迫切愿望。在這一應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行一些實用的自動裝置的研究，將帶來長遠(yuǎn)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，也具有十分重要的現(xiàn)實價值。1.2 本課題研究意義機器人是自動執(zhí)行工作的機器設(shè)備，一臺機器通過自己的動力和控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)各種功能。社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的快速發(fā)展不可避免的促使新技術(shù)的進(jìn)步，機器人的出現(xiàn)提高社會生產(chǎn)和人類生活質(zhì)量水平，并且使人類的勞動強度大大降低。讓機器人做那些誰也不能做的危險工作。在現(xiàn)實生活中的一些工作會造成傷害，如高空作業(yè)，重物運輸;還有一些高質(zhì)量的工作要求，如汽車焊接，精密裝配等很困難的工作，一些枯燥和重復(fù)勞動等。還有一些人類不能親自到達(dá)的工作環(huán)境，有些工作是不適合做工作，在惡劣的環(huán)境中，這些都可以利用開始發(fā)揮作用的機器人，例如火山探險、深海勘探、空間探索等。服務(wù)型機器人可以認(rèn)為你服務(wù)照顧，提供清潔和安全;水下機器人可以幫助打撈沉船;一些工程機器人還能夠鋪設(shè)電纜，開辟道路；農(nóng)業(yè)機器人可以進(jìn)行空中播種，施肥，還能夠在一些地域進(jìn)行自動化生產(chǎn)，代替人能吃苦耐勞的工作;軍用機器人還可以排出地雷和炸彈的威脅，進(jìn)行恐怖打擊。這些機器人可以促進(jìn)人類的生活，對人類發(fā)展做出貢獻(xiàn)。城市排水管道疏通機器人的研制意義在于：可以實現(xiàn)排水管道的疏通、穿纜、檢測及簡單的清理工作，改善當(dāng)前疏通管道時工人惡劣的工作環(huán)境，并且可以降低工人的勞動負(fù)擔(dān)，并且可以保障工人的人身安全、提高排水管道疏通的效率。此外，還可應(yīng)用于其它領(lǐng)域：（1）在惡劣的環(huán)境中作業(yè)，進(jìn)行檢測、疏通、修理等工作；（2）在海底管道中作業(yè)，進(jìn)行管道檢測，鋪設(shè)海底光纜；（3）檢查管道的腐蝕、破損以及接縫情況；（4）可以應(yīng)用在輻射，高溫，高壓的管道上，減少對工作人員的傷害。1.3 研究內(nèi)容通過分析比較國內(nèi)外的參考文獻(xiàn)，和實際資料，我們可以知道國內(nèi)外的管道機器人大都采用有線和無線控制方式，結(jié)構(gòu)上主要有輪式，履帶式的本體結(jié)構(gòu)，還有些采用蠕動式的本體結(jié)構(gòu)。管道機器人需要適應(yīng)復(fù)雜的管道環(huán)境，應(yīng)配有各種圖像傳感系統(tǒng)以及各種傳感器來進(jìn)行運動調(diào)節(jié)。管道機器人是各種技術(shù)的融合，是機電一體化技術(shù)的很好反應(yīng)，它包括控制技術(shù)，人機工程，傳感器技術(shù)，以及人工智能技術(shù)。本文主要對排水管道機器人的本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，對排水管道及其人的工作環(huán)境，驅(qū)動方式的選擇，本體結(jié)構(gòu)設(shè)計，還有控制系統(tǒng)等進(jìn)行了簡要的分析和介紹。2 排水管道機器人概述2.1 我國排水管道清淤現(xiàn)狀2.1.1 人工清淤法 工作人員在配備安全保護(hù)措施的情況下借助簡單的工具進(jìn)入溝渠的內(nèi)部，然后進(jìn)行清淤工作，并通過手推車將淤泥送到井口，達(dá)到一定的量后，然后用挖掘機將污泥挖出，但這些設(shè)備需要人工進(jìn)入進(jìn)行實地操作，并且只適用于人進(jìn)入的管道，這種方法勞動量大，并且環(huán)境惡劣，對工人的人身安全無法做到很好的保障。2.1.2 水力清淤法水力清淤發(fā)分為高壓水射流清淤法和水沖刷清淤法。高壓水射流清淤方法如圖2.1，是使用高壓噴射車配備電動機，高壓泵，大型水箱，水射流噴嘴等。操作是通過汽車的發(fā)動機驅(qū)動的高壓泵，加壓使水從噴射水頭高速射出。然后依靠射流反應(yīng)，產(chǎn)生的反作用力，使水射流噴嘴和軟管在朝著相反與身體的方向運動，但還可以清潔管壁。當(dāng)噴嘴達(dá)到一定的距離，電動絞盤將軟管卷回，射水槍繼續(xù)噴灑水，堵塞物和污泥被沖刷到管道檢查井，然后由污泥抽取車輛將其運走。這種方法可以適用于不同直徑的水管，但因為需要使用干凈的水，所以成本較高。然而，為了降低成本，挖泥車通常有自己的污水凈化設(shè)備，可以利用下水道中污水的優(yōu)勢。這疏通方法設(shè)備昂貴并且疏通的作業(yè)成本高，不適合中國國情。 圖2.1 高壓水射流清淤法水沖刷疏浚方法是進(jìn)入管道檢查井，能夠擋水的設(shè)備。在其上游使用設(shè)備使污水管道堵塞，當(dāng)水位達(dá)到一定高度后，打開水，使上游的水在管道形成水流清除淤泥。一旦足夠數(shù)量的淤泥被沖走，設(shè)備向下游移動了一段距離。這種方法需要管道本身必須有一定的流量，污泥應(yīng)不會太大，上游的水不能從其他的滑移流走，同時確保上游的水不能回流到附近的建筑物，其缺點是可能導(dǎo)致在上游管道的新沉積的生產(chǎn)。由于管道直徑的大小的限制，整個裝置的組成部分，必須在下水道組裝，這種方法需要在管道中的大量的工作。污水排水管道通常是很容易聚集著硫化氫等有毒氣體，以及爆炸性氣體，水管檢測人員下井檢查時，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)陌踩胧?.1.3 絞車清淤法絞車疏浚方法如圖2.2，是比較廣泛使用的一種方法，這種方法，首先通過使用竹，竹一端系繩子，繩子綁清道工具的一端，需要通過管段清除淤泥。在兩個管端，通過管道檢查井上各設(shè)個絞車，繩索系著清工具，通過鋼絲繩的另一端系在另一絞車。然后用絞車來回拉動繩子，通過工具將污物帶到下游的檢查井中，通過用清淤工具刮泥使管道暢通。絞車動力可以由人類手動，也可以是通過電機拉動，根據(jù)實際情況。這種方法適用于各種直徑的下水管道，特別是較嚴(yán)重的管道堵塞，淤泥已非常密集，用強力水流疏通無效，采取這種做法效果很好。主要缺點是穿竹從井口到另一個井口需要手動完成，地下的工作環(huán)境是很糟糕。由于排水渠中的惡劣的工作條件，它是可能危及工人的健康，甚至危及工人的生命。因此，如果一個設(shè)備可以被用來取代人工去在下水管道中穿纜繩，這種方法是非常有效和可行的，雖然歷史久遠(yuǎn)，但是目前最常用的管道疏通方法。圖2.2 絞車清淤法2.1.4 通溝機清淤法鉆桿通溝機清淤法如圖2.3，是通過利用發(fā)動機動力旋轉(zhuǎn)頭，驅(qū)動鉆桿旋轉(zhuǎn)的鉆頭，通過管道檢查井的中心，鉆頭向前鉆，同時管內(nèi)的淤泥材料清洗到另一個檢查井。氣動通溝機是通過壓縮空氣，將清淤器發(fā)送到另一個檢查井，檢查清除淤泥，然后用機尾繩通過絞車?yán)嘶貋?，該清淤器將后面的葉片打開，將管內(nèi)的雜物送到檢查井底部。也有無動力通溝機，稱為PIG，是上世紀(jì)七十年代國外研制和開發(fā)的疏通方法，如圖所示。這種機器通過頭部和尾部，在管內(nèi)形成氣流，產(chǎn)生壓力差，從而形成動力，通過管內(nèi)氣流的壓力差向前運動。其原理是類似活塞在汽缸內(nèi)，也就是說，在作為一個缸的管道中運動，把擁有一定的彈性和硬度PIG作為活塞。 PIG外徑稍比管道直徑大，壓入管在背后流體壓力小于面前壓力，由于有壓力差的作用，PIG，克服管道內(nèi)壁與通溝機之間的摩擦阻力運動，清除管道污垢，這種方法需要一個內(nèi)壁光滑規(guī)則，不能有太多的污垢，因此在我國并不怎么使用。圖2.3 無動力通溝機清淤法2.2 國外管道機器人發(fā)展現(xiàn)狀2.2.1 MicroVGTV管道機器人MicroVGTV管道機器人能夠根據(jù)不同的管徑改變它的本體結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)排水管道復(fù)雜的地形，如圖2.4所示。它從傳統(tǒng)的形狀變成成一個三角形的結(jié)構(gòu)，不僅可以適應(yīng)各種彎曲泥濘的環(huán)境，還具有防水能力，在機器人的前方，安裝有圖形傳感系統(tǒng)，能夠清楚的將排水管道中的影像資料傳到控制車中，通過分析可以了解堵塞狀況。 這種機器人采用履帶式的移動防水，能夠很好的適應(yīng)管道中淤泥環(huán)境，有較強的附著力，可以再泥濘的管道中自自由行走。但這種結(jié)構(gòu)的機器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，受到功率的限制，只能承載較輕的重量。由于結(jié)構(gòu)尺寸較大，較適合大型管道，對于小直徑管道不易通過。這種機器人運動靈活，目前，許多國家的科研人員在進(jìn)行研究當(dāng)中。(a) 常規(guī)形狀的MicroVGYV(b) 變形后的MicroVGTV圖2.4 履帶式管道機器人MicroVGTV2.2.2 佛羅里達(dá)大學(xué)管道清理機器人由美國佛羅里達(dá)大學(xué)電子及計算機工程學(xué)院智能機械設(shè)計實驗室研制的機器人主要由頭部，驅(qū)動部分和控制部分組成，能夠在狹窄的管徑中自由運動。在機器人的前方裝有感應(yīng)設(shè)備，當(dāng)遇到阻塞或者遇到大型障礙物時，能夠立即終止機器人的前進(jìn)。如圖2.5所示。驅(qū)動系統(tǒng)有兩方面的作用，它不僅能夠控制機器人的運動，而且在遇到障礙時能夠改變機器人的運動角度，并且通過自身的旋轉(zhuǎn)運動來疏通管道的阻塞物。這種管道疏通機器人有三個驅(qū)動車輪，每個車輪有兩個微電機控制，一個電機控制車輪的運動角度，另一個電機控制機器人向前運動，通過傳感器和控制系統(tǒng)，機器人可以在彎管處迅速實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運動，快速通過。機器人配有穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，能夠在崎嶇的管面內(nèi)穩(wěn)定的形式，防止傾覆、翻轉(zhuǎn)的發(fā)生。圖2.5 佛羅里達(dá)大學(xué)管道清理機器人2.2.3 俄羅斯管道機器人俄羅斯“月球車”系列的管道機器人如圖2.6所示。這一系列的機器人有九個驅(qū)動電機，在前部攜帶檢測和工作工具，工作時轉(zhuǎn)動工具。這種機器人的攝像系統(tǒng)可以向后翻轉(zhuǎn)，能夠監(jiān)控整個運動過程。此外，這種機器人可以彎曲身體豎直進(jìn)入管道，它可以適應(yīng)190-600毫米口徑管道。圖2.6 輪式管道機器人月球車機器人的機身是由不銹鋼加工而成，擁有可靠的氣密性和孔的同軸度。這種機器人采用輪式結(jié)構(gòu)，以0.3米/秒的速度移動，前面裝有大功率照明設(shè)備，在行走的同時，圖像系統(tǒng)可以360度進(jìn)行檢測。發(fā)現(xiàn)故障點后，機器人的使用一套工具 - 銑刀，鉆頭，切割和清理工具來完成這一過程。機器人裝有微型處理器和信息設(shè)備，能夠由操控人員進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。這種機器性能優(yōu)越，并且成本也很低，非常適合管道內(nèi)的修復(fù)工作。2.2.4 蠕動式管道機器人日本某研究機構(gòu)研制的管道機器人采用蠕動式的運動方式，能夠像蠕蟲一樣在管道中行駛，如在圖2.7所示。這種爬行機器人是使用扭動著腹部的摩擦表面，器人收縮前面的身體，然后通過拉動身體向在摩擦的作用下運動，然后擴(kuò)大原來的收縮身體的前端。除了電機，驅(qū)動系統(tǒng)和蠕動機器人的智能控制部分，其余部分都由多個球形身體連接組成。每個球體的分為兩層皮膚，里面是塑料薄片可以彎曲，電機工作時，他們將在前進(jìn)的方向彎曲。外面布滿了橡膠，在機器人移動時能夠增加與管道的摩擦力。通過這樣做伸展和收縮，機器人將能夠成功地向前移動。 這種機械結(jié)構(gòu)能夠在狹窄的管徑中運動，但是這種運動方式只能進(jìn)行直線運動，不適于彎曲較多的管道，而且這種結(jié)構(gòu)很難制造，控制不易，運動速度緩慢，難以滿足實際情況的需要，只是研究使用，實際中很少用到。圖2.7 蠕動式管道機器人2.3 國內(nèi)管道機器人的發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)研究管道機器人的時間較晚，從上世紀(jì)八十年代開始，國內(nèi)目前對于管道機器人的研究剛剛起步，還在學(xué)習(xí)國外管道機器人的先進(jìn)技術(shù)的時期。在近幾年，由于我國鋪設(shè)管道的增加以及管道的老化，國家對于管道問題越來越重視，在國家的大力支持下，國內(nèi)一些大學(xué)在國家自然科學(xué)基金以及各省部委基金的資助下開始管道機器人的研究，例如：清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)，都在管道機器人的開發(fā)和研究上有了一定的成果，主要是以結(jié)構(gòu)相對簡單的輪式和履帶式管道機器人的研究為主。2.3.1 清華大學(xué)管道機器人圖2.8為清華大學(xué)研制的輪式管道疏通機器人。該管道疏通機器人在適合400 mm以上的管道進(jìn)行清淤作業(yè)，車體的運動方式采用了輪式的移動機構(gòu)，有四個車輪驅(qū)動，機器人的車體前方攜帶CCD攝像頭。這種機器人在空載、干凈的管道中運行時功率：350-400W平均速度：5.8m/min載體的推力：60kg平均速度：4.5m/min當(dāng)淤泥沉積到管徑的1/3處,機器能夠平穩(wěn)的運行，并且無打滑現(xiàn)象。圖2.8 清華大學(xué)管道機器人2.3.2 上海交通大學(xué)管道機器人上海交通大學(xué)研制的管道機器人是履帶式的機器人，他通過利用仿造履帶式車輛行走原理，驅(qū)動方式采用帶齒輪減速箱直流伺服電機驅(qū)動。機器人上還裝有角度傳感器，機器人可實現(xiàn)前進(jìn)、后退、按一定曲率半徑回轉(zhuǎn)原地轉(zhuǎn)向等動作，可在直管和大曲率半徑的彎管內(nèi)平穩(wěn)運動。機器人機箱上方裝有圖像檢測系統(tǒng)，CCD圖像傳感器，CCD圖像傳感器可以做上下運動，通過另一個直流伺服電機控制，以擴(kuò)大檢測范圍。如圖2.9所示。電機功率:5W；減速箱減速比:100；輸出轉(zhuǎn)速：030 rmin；最小管道直徑: 120 m運動速度:一般為12mmin圖2.9 上海交通大學(xué)管道機器人2.3.3 天津大學(xué)管道機器人天津大學(xué)研制出“PR-1型”管內(nèi)移動機器人實驗樣機。驅(qū)動部分采用螺旋輪式結(jié)構(gòu)，可以直立行走，并且可以通過以下彎曲度較大的彎道。該機器人運用了“平面四點支撐”及“可變自由度機身行走機構(gòu)”的概念，從而使得該裝置在各項指標(biāo)上均有所突破。國內(nèi)其它高校和機構(gòu)也先后對管道機器人進(jìn)行了研究，但大多處于基礎(chǔ)研究階段，研究成果還不能滿足實際生產(chǎn)生活需要。目前根據(jù)實際情況可以知道，目前我國基本上還處于人工疏通排水管道的狀態(tài)，對于自動化程度比較高的高壓射水流技術(shù)和自動化疏通機器人在我國大、中、小城市還無法得到普及和應(yīng)用。我國的排水管道大多已經(jīng)使用了很長時間，由于長時間使用，和維護(hù)較少，很多地方已經(jīng)出現(xiàn)老化破損，對于高壓射水以及機械疏通很容易造成管道的破壞。而且我國的排水管道大多管徑小，不利于自動化機械的進(jìn)入。因此，對于制造一種價格適中，自動化效率高，結(jié)構(gòu)簡單實用的管道疏通機器人具有很好的現(xiàn)實意義。雖然我國大部分還處于研制階段，但具有很重要的社會價值和經(jīng)濟(jì)價值。3 排水管道疏通機器人的總體設(shè)計3.1 排水管道疏通機器人工作環(huán)境 我國的城市排水管道直徑大概從3002000mm，井口內(nèi)徑一般為680mm，井底內(nèi)徑可達(dá)700mm，沉淤井深一般為300500mm, 井距約為50m，管道敷設(shè)基本水平，規(guī)定其坡度不大于10，實際為15,排水管道內(nèi)多為淤泥，垃圾等一些雜物，設(shè)計的管道疏通機器人主要用于500mm以上管徑排水管道的疏通檢測工作。3.2 管道機器人整體設(shè)計指標(biāo)管道本機器人整體設(shè)計指標(biāo)如下：適應(yīng)管徑：500mm移動速度：29mmin；電源：采用有纜式控制，由控制車輛提供動力； 機器人重量約為：20kg；負(fù)重能力：5kg；作業(yè)能力：可以在200m以內(nèi)的排水管道完成穿纜、檢測、疏通任務(wù)。3.3 管道機器人系統(tǒng)組成大型排水管道疏通機器人主要由機械本體、疏通裝置、控制裝置和影像檢測裝置四部分組成，如圖3.1所示，其工作過程為如下：將起重設(shè)備放在檢查井附近，將排水管道疏通機器人豎直放到檢查井中，然后水平送到排水管道的入口處，機器人開始清淤工作。在井口的附近停放有控制車輛，車上有車輛控制柜，CRT顯示器，電源和收放線設(shè)備。車上還配有動力設(shè)備，可以為機器人的運動，控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)提供電力保障；車上配有線纜收放裝置，可以隨著機器人的前進(jìn)隨時調(diào)節(jié)線纜的長度，并且為排水管道疏通機器人提供動力和信號傳輸；在排水管道疏通機器人機體上安裝有CCD圖像傳感器，能夠提供排水管道中的圖像信息，監(jiān)視機器人的工作環(huán)境，方便控制人員及時調(diào)整機器人的運動狀態(tài)。圖3.1 排水管道疏通機器人工作框圖3.4 管道機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計排水管道疏通機器人適用于200m以內(nèi)的排水管道疏通、檢測及穿纜工作。機器人整體結(jié)構(gòu)要適應(yīng)排水管狹窄的工作環(huán)境，要有位置調(diào)節(jié)機構(gòu)，以適應(yīng)惡劣的地形。由于機器人在排水管道污水中作業(yè)，必須解決機器人的水密性問題。因此機器人本體采用一體式箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計，驅(qū)動機構(gòu)密封到箱體內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡單，密封方便。機器人選用步進(jìn)電動機驅(qū)動，實行有纜控制，尾部牽著纜繩以備把淤泥拉出，內(nèi)有電源線和信號線。機器人頭部攜帶絞龍，采用螺旋式絞刀設(shè)計，可以粉碎管道中的堵塞物，并排出管道。為了適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，選用履帶式運動方式，與地面的接觸面積大，越障能力強，負(fù)重能力強，左右輪差動運動，控制簡單，運動平穩(wěn)。本體結(jié)構(gòu)如圖3.2所示 。圖3.2 排水管道疏通機器人本體結(jié)構(gòu)俯視圖3.5 管道機器人移動方式的選擇機器人移動方式主要有蠕動式、足式、輪式、履帶式等幾種形式，每種移動方式的功用都有所不同。輪式移動方式是移動機器人中應(yīng)用最廣泛的移動方式，在平坦的地面上，用車輪方式移動十分穩(wěn)定可靠，并且易于控制，制造。足式移動方式可以在高低不平的地面上運動，適應(yīng)能力強，在崎嶇的路面可以有很好的支點，還能夠阻隔震動，但足式運動方式控制系統(tǒng)復(fù)雜，需要及時反饋周圍的環(huán)境信息，制造成本高，并且不易于開發(fā)。履帶式移動方式接觸面積較大，對地面的壓強小，與路面的黏著力也較強，因此能夠在凹凸不平和松軟地面上移動。對于排水管道的疏通環(huán)境，具有如下特點：（1)管道內(nèi)環(huán)境未知，內(nèi)部運動情況復(fù)雜多變;（2)管道內(nèi)部空間狹窄，機器人需要攜帶的傳感器對管道運動環(huán)境進(jìn)行反饋，并對機器人在管內(nèi)的運動姿態(tài)進(jìn)行全面檢測和調(diào)整；（3)機器人在管道內(nèi)的運動具有不確定性，如爬坡或過障礙等。結(jié)合管道機器人的工作環(huán)境，選擇履帶式移動方式。履帶式機構(gòu)稱為無限軌道方式，履帶式移動機器人是輪式機構(gòu)的擴(kuò)展，其最大特征是將圓環(huán)狀的無限軌道履帶卷繞在多個車輪上，使車輪不直接與地面接觸。適合在未知的路面上行走，因為履帶本身起到給路面連續(xù)鋪路的作用。履帶式移動機器人具有以下特點：（1）支撐面積大，接地比壓小，路面保持力強，適合于松軟或泥濘地作業(yè)，下陷深度小，滾動阻力小，通過性能較好，能登上較高的臺階。（2）越野機動性好，爬坡、越溝等性能優(yōu)于輪式移動機構(gòu)。重心低、較穩(wěn)定，并且能夠原地旋轉(zhuǎn)。（3）履帶支撐面上有履帶齒、不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。（4）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，運動慣性大。3.6 履帶移動方式運動方式分析履帶移動機構(gòu)由于驅(qū)動位置的不同，履帶內(nèi)部受力的狀況也不同。前輪驅(qū)動方式和后輪驅(qū)動方式的履帶內(nèi)張力分布如圖3.3所示。其中圖3.3(a)為前驅(qū)動方式，圖3.3(b)為后驅(qū)動方式。(a) 前驅(qū)動（b）后驅(qū)動圖3.3 采用不同驅(qū)動方式時履帶的內(nèi)張力分布To履帶總預(yù)張力Fz主動輪上的牽引力Fzk為履帶的內(nèi)部牽引力Fz主動輪上的牽引力履帶預(yù)加張力是盡量減小履帶的振動、噪音和磨損等因素對履帶在行駛過程中的影響，履帶總預(yù)張力To包括預(yù)加動張力和預(yù)加靜張力兩部分。主動輪上的牽引力Fz是用來克服履帶行動裝置的內(nèi)部阻力和外部阻力的。而履帶的內(nèi)部牽引力包括了所有作用于履帶上的牽引力，即：Fzk=Fz+To如圖3.3(a)所示的前驅(qū)動方式的主動輪較后驅(qū)動的磨損較少，這是由于履帶在從排水管道管面到主動輪的過程中，履帶上所夾雜的淤泥已經(jīng)被沖刷了。但從圖3.3(a)可以看出，在驅(qū)動電機安裝在前輪時，大部分的履帶在運動過程中需要承載很大的牽引力。隨著履帶行駛時間增加，將導(dǎo)致履帶伸長，可能在履帶車行駛的過程中，導(dǎo)致履帶的脫落。而采用如圖3.3(b)所示的后驅(qū)動方式，由于履帶內(nèi)部牽引力的高區(qū)段短，避免了主動輪前置時存在的問題。采用后輪驅(qū)動的方式有助于機器人適應(yīng)各種不同環(huán)境的管道，增強了機器人的適應(yīng)性。在機器人運動過程中，經(jīng)過管道凹凸處時，前面的從動輪會在機器人主動輪的帶動下，會使履帶與管道表面更好的接觸，從而保障機器人可以在排水管道中平穩(wěn)的前進(jìn)。3.7 驅(qū)動方式的選擇驅(qū)動系統(tǒng)是機器人重要的組成部分，根據(jù)能量轉(zhuǎn)化方式，將驅(qū)動方式分為液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動和新型驅(qū)動裝置。除了應(yīng)該充分考慮機器人的工作要求，如工作速度、最大搬運物重量、驅(qū)動功率、驅(qū)動平穩(wěn)性、精度要求，除此之外，還應(yīng)考慮到能否能夠在較大的慣性負(fù)載條件下，提供足夠的加速度以滿足作業(yè)要求。由于管道尺寸的限制，根據(jù)排水管道的特點，液壓系統(tǒng)驅(qū)動方式所占的體積較大，超出排水管道疏通機器人的尺寸要求，并且系統(tǒng)復(fù)雜，很難維修。氣動系統(tǒng)控制精度較低，很難實現(xiàn)對機器人運動速度，運動位置的精確控制。但是從電機的可維護(hù)性、加速度、動態(tài)剛度、靜態(tài)剛度、線性度、噪音等技術(shù)指標(biāo)來看，電機驅(qū)動方式要比液壓驅(qū)動方式和氣壓驅(qū)動方式更適合于機器人的驅(qū)動系統(tǒng)。目前，電氣驅(qū)動被廣泛應(yīng)用在工業(yè)，制造業(yè)的各種機器設(shè)備中，是目前較為成熟的驅(qū)動方式?，F(xiàn)階段國內(nèi)外的機器人中大部分都采用電氣驅(qū)動方式。根據(jù)排水管道機器人的實際情況，我們選用電氣驅(qū)動方式進(jìn)行驅(qū)動。3.7.1 電氣驅(qū)動的特點電氣驅(qū)動是利用各種電動機產(chǎn)生力和力矩，直接或經(jīng)過機械傳動去驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以獲得機器人的各種運動。因為省去了中間的能量轉(zhuǎn)換過程，所以比液壓及氣壓驅(qū)動效率高，使用方便且成本低。電氣驅(qū)動大致可分為普通電機驅(qū)動、步進(jìn)電機驅(qū)動和直線電機驅(qū)動三類。（1）普通電機驅(qū)動的特點 普通電機包括交流電機、直流電機及伺服電機。交流電機一般不能進(jìn)行調(diào)速或難以進(jìn)行無級調(diào)速，即使多速電動機，也只能進(jìn)行有限的有級調(diào)速，但直流電源價格較高，因而限制了它在機器人上的應(yīng)用。（2）步進(jìn)電機驅(qū)動的特點步進(jìn)電動驅(qū)動的速度和位移大小，可由電氣控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖數(shù)加以控制。由于步進(jìn)電機的位移量與脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，故步進(jìn)電機驅(qū)動可以達(dá)到較高的重復(fù)定位精度。但是，步進(jìn)電機速度不能太高，控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜。（3）直線電機驅(qū)動的特點 直線電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單、成本低，其動作速度與行程主要取決于于定子與轉(zhuǎn)子的長度。反接制動時，定位精度低，必須增設(shè)緩沖及定位機構(gòu)。步進(jìn)電機可分為反應(yīng)式步進(jìn)電機、永磁式步進(jìn)電機和混合式步進(jìn)電機。步進(jìn)電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。它具有高精度的定位、位置及速度控制、具定位保持力、動作靈敏、開回路控制不必依賴傳感器定位、中低速時具備高轉(zhuǎn)矩、高信賴性、小型、高功率等特征，使其具有廣泛的應(yīng)用。因此選用步進(jìn)電動機進(jìn)行驅(qū)動。3.7.2 步進(jìn)電機的工作原理步進(jìn)電機是機電控制中一種常用的執(zhí)行機構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，它的的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，控制換相順序，即通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照一定順序分別控制各相的通斷。通過控制脈沖個數(shù)即可以控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的?？刂撇竭M(jìn)電機的轉(zhuǎn)向，即給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機正轉(zhuǎn)，若按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)?？刂撇竭M(jìn)電機的速度，即給步進(jìn)電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步，兩個脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機就轉(zhuǎn)得越快。同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。3.7.3 電機的選擇移動行走機構(gòu)幾何尺寸設(shè)計計算:將移動行走機構(gòu)歸為底箱部分,底箱是整個機器人的基礎(chǔ),其中包括電機、驅(qū)動器、傳感器、光電編碼器等,設(shè)兩個主動輪安裝在底箱前部,差動驅(qū)動,主動輪與從動輪的厚度為40 mm,直徑為120mm,兩主動輪的間距為300 mm,從動輪到主動輪的最大距離為220mm。估算機器人的質(zhì)量為20Kg，最大的行走速度為0.15m/s，則車輪的角速度為： （3-1）由于機器人在水中行走，必然會受到水的阻力，可將機器人簡化為一個長方體，因此，機器人在水中的粘滯阻力為： （3-2）式中：CD阻力系數(shù)密度最大的行走速度A特征面積討論負(fù)載及軸所受到的扭矩:啟動后達(dá)到最大速度0.15m/s勻速前進(jìn),此時主動輪摩擦力和從動輪的摩擦力的關(guān)系如圖3.4所示。圖3.4 勻速時小車的受力關(guān)系 （3-3） 而 （3-4） 取=0.5得： 所以，主動輪受力為： 則平均每個輪受力及扭矩為： 1/2= 101.75N TL =101.750.06=6Nm 綜上可知，選用南京華興電機制造有限公司的兩相混合式步進(jìn)電機,型號為57BYG4501,其參數(shù)如表3.1所示。表3.1 步進(jìn)電機57BYG4501參數(shù)表步距角相數(shù)驅(qū)動電壓(V)相電流 (A)保持轉(zhuǎn)矩(Nm)空載起動頻率(步/秒)空載運行頻率(千步 /秒)轉(zhuǎn)動慣量(Kgcm2)相電感 (mH)重量 (Kg)0.9/1.82/4361.51.01200 200.32.41.0 電機尺寸分別為B = 57, d (H7) = 6. 35, L1 = 21, D1( h7) = 38. 1, h = 1. 6, h1 = 5. 5, L = 45, D2 = 66. 6, d1 = 5。通過電機的安裝尺寸做一個支架將電機用螺釘固定在機器人底板上。若直接讓步進(jìn)電機驅(qū)動機器人仍無法滿足要求，因此可在步進(jìn)電機前安裝一微型減速器，該公司生產(chǎn)的減速器類型如表3.2所示，外形如圖3.5所示。表3.2 減速器類型電機類別常規(guī)減速比減速類型39，4BYGH1:5，1:10，1:30，1:50行星，齒輪57BYG，57BYGH1:3，1:5，1:10，1:15，1:20，1:25，1:30，1:50，1:100齒輪60BYGH1:3，1:5，1:10，1:15，1:20，1:25，1:30，1:50，1:100齒輪86BYG，86BYGH1:3，1:5，1:10，1:30，1:50，1:100行星110BYGH1:5，1:10，1:30，1:50，1:100行星圖3.5 驅(qū)動電機 由表3.2可知，可選用57BYG系列，減速比為i=1：20的齒輪型減速器，則輸出扭矩最大為： （3-5） 當(dāng)機器人運行恒定時，取效率=0.75，則電機的輸出功率為： （3-6） 以上均滿足設(shè)計要求。3.8 箱體結(jié)構(gòu)的設(shè)計箱體結(jié)構(gòu)是固定的，連接驅(qū)動機構(gòu)，傳動機構(gòu)和連接移動機構(gòu)，并且由于在有水的環(huán)境中工作，應(yīng)考慮箱體的密封問題。在機器人的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮的驅(qū)動系統(tǒng)，和運動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和大小。由于管道尺寸的限制，設(shè)計的箱體盡可能簡單，尺寸不能太大，并且重量輕，在設(shè)計時還應(yīng)該考慮機器人的工作環(huán)境，設(shè)計時箱體可以進(jìn)行方便密封。排水管道疏通機器人的箱體設(shè)計成上下分離的箱體式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)制造方便，便于安裝，結(jié)構(gòu)簡單而且方便密封拆裝?？梢允瓜潴w內(nèi)部形成密閉空間，使箱體內(nèi)電機、控制系統(tǒng)封閉在箱體內(nèi)部，防止排水管道中污水的入侵，保障機器人安全行駛。箱體結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。圖3.6 排水管道疏通機器人箱體結(jié)構(gòu)3.9 驅(qū)動軸設(shè)計 3.9.1 初步確定軸的最小直徑 由前面計算可知 P1=40W，n1=fi=9r/min,T1=6.1Nm 初步估算軸的最小直徑，材料40Cr，調(diào)質(zhì)處理。取A0I=110，于是得： dminI=A0I （3-7） 最細(xì)處是安裝小齒輪的地方，小齒輪直接與電動機連接，根據(jù)前面已經(jīng)選好的電動機知道，電機的輸出軸直徑d=8mm，大齒輪與前軸配合連接。3.9.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度（1）為了滿足大齒輪軸向定位的要求,VII軸段左端需要制出一軸肩,故取VII的直徑；右端用螺母墊片鎖緊定位,按軸端直徑取墊片直徑套筒與軸配合的輪轂孔長度l=25mm，為了保證軸端擋圈只壓在齒輪上而不壓在軸端上, 故VII的長度應(yīng)比l略短一些,取。（2）初步選擇滾動軸承，因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用,故選用單列圓錐滾子軸承，參照工作要求并根據(jù) ,由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度級的單列深溝球軸承61904型。參數(shù)為dDB=20379，故，lI=21.75，右端采用主體定位。（3）已知=9mm，為使套筒壓緊齒輪，取=28mm，考慮到與軸的配合，取=41mm。（4）取車輪與箱壁之間相距為11mm，取滾動軸承距箱內(nèi)壁距離為8mm，則=11+8+12+9+9=49mm。（5）軸上零件的周向定位，斜齒輪、聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵連接。按連接處的直徑，由參考資料查得平鍵的結(jié)構(gòu)尺寸鍵寬b鍵高h(yuǎn)健長l分別為：（大齒輪）；（車輪）（單位mm）。同時保證了齒輪和軸的良好的對中性所以選擇輪轂和軸的配合為 ，滾動軸承與軸的同向定位為過渡配合來保證，此處軸的尺寸公差為。（6）確定圓角及倒角，取軸端倒角為1.545，各處軸肩圓角半徑均為1mm。3.9.3 求軸上載荷 （1）Y方向上： （3-8） （2）Z方向上： （3-9） （3）總彎矩： （4）軸的載荷分布圖為圖3.7 驅(qū)動軸的載荷分布圖從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖可以看出齒輪截面處是危險截面?，F(xiàn)將計算出的危險截面的MY，MZ及M總的值列于表3.3： 表3.3 驅(qū)動軸所受載荷、彎矩與扭矩載荷水平面 Y垂直面 Z支持力F彎矩M總彎矩M1=167.87Nmm同理：M2=126.22Nmm扭矩TT1=6.8Nm3.9.4 按彎曲合成應(yīng)力校核強度 從軸的結(jié)構(gòu)彎矩扭矩圖中可以看出C截面是軸的危險截面，C截面上所有數(shù)據(jù)上步中均已算出根據(jù)參考資料以及軸單向旋轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力強度校核 （3-10）小于材料強度極限故40Cr合格。3.9.5 軸的工作圖圖3.8 驅(qū)動軸工作圖3.10 從動軸設(shè)計3.10.1 初步確定軸的最小直徑 由前面計算可知 P1=40W，n1=fi=9r/min,T1=6.1Nm 初步估算軸的最小直徑，材料40Cr，調(diào)質(zhì)處理。，取A0I=110，于是得： dminI=A0I （3-11）3.10.2 求軸上載荷 （1）Y方向上： （3-12） （2）Z方向上： （3-13） （3）總彎矩： （4）軸的載荷分布圖為圖3.9 從動軸載荷分布從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖可以看出齒輪截面處是危險截面?，F(xiàn)將計算出的危險截面的MY，MZ及M總的值如表3.4所示。表3.4 從動軸所受載荷、彎矩與扭矩載荷水平面 Y垂直面 Z支持力F彎矩M總彎矩M1=1167.87Nmm同理：M2=1126.22Nmm扭矩TT1=6.8Nm3.10.3 按彎曲合成應(yīng)力校核強度 從軸的結(jié)構(gòu)彎矩扭矩圖中可以看出B截面是軸的危險截面B截面上所有數(shù)據(jù)上步中均已算出根據(jù)參考資料以及軸單向旋轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力強度校核 （3-14）小于材料強度極限故40Cr合格。3.10.4 軸的工作圖圖3.10 從動軸工作圖3.11 軸承的校核3.11.1 選型 選用深溝球軸承61904，額定動載荷為，額定靜載荷為。3.11.2 計算徑向力 ， （3-15）3.11.3 計算軸向力 （3-16） 已知有參考資料查的61904軸承e=0.37，Y=1.6，所以=1.78N，所以。3.11.4 計算當(dāng)量載荷 因，所以X=0.4，Y=1.6， 。 （3-17） 因 所以X=1，Y=0， （3-18）3.11.5 驗算軸承壽命 因為P1P2,因此只需校核軸承2 （3-19） 滿足壽命要求。3.11.6 軸承結(jié)構(gòu)圖圖3.11 軸承結(jié)構(gòu)圖3.12 清淤工具的設(shè)計若排水管堵塞計較嚴(yán)重，需要專業(yè)的清淤工具進(jìn)行疏通，為了排水管道機器人可以順利通過阻塞的管道，完成穿纜和疏通任務(wù)，在機器人的本體前方設(shè)計螺旋葉片，采用螺旋式絞刀設(shè)計，可以粉碎管道中的堵塞物，并排出管道。螺旋絞刀由電機帶動旋轉(zhuǎn)軸做旋轉(zhuǎn)運動。機器人螺旋絞刀選用步進(jìn)電動機驅(qū)動，做旋轉(zhuǎn)運動，將排水管道堵塞區(qū)域打通后，尾部牽著清淤板將阻塞物拉到兩側(cè)的檢查井中，然后由污泥車將檢查井中的淤泥等雜物抽出并運輸。 電機選用南京華興電機制造有限公司的兩相混合式步進(jìn)電機,型號為57BYG4503,其參數(shù)如表3.5所示。表3.5 步進(jìn)電機57BYG4503參數(shù)表步距角相數(shù)驅(qū)動電壓(V)相電流 (A)保持轉(zhuǎn)矩(Nm)空載起動頻率(步/秒)空載運行頻率(千步 /秒)轉(zhuǎn)動慣量(Kgcm2)相電感 (mH)重量 (Kg)0.9/1.82/4361.51.51200 200.32.41.0電機尺寸分別為B = 57, d (H7) = 6. 35, L1 = 21, D1( h7) = 38. 1, h = 1. 6, h1 = 5. 5, L = 67, D2 = 66. 6, d1 = 5。通過電機的安裝尺寸做一個支架將電機用螺釘固定在機器人底板上。若直接讓步進(jìn)電機驅(qū)動機器人仍無法滿足要求，因此可在步進(jìn)電機前安裝一微型減速器，該公司生產(chǎn)的減速器類型如表3.2所示。 由表3.2可知，可選用57BYG系列，減速比為i=1:20的齒輪型減速器，輸出扭矩最大為： 符合設(shè)計要求。3.13 其他附屬裝置的設(shè)計排水管疏通機器人需要配有起吊設(shè)備，在進(jìn)入管道前需要由起吊裝置將機器人由檢查井的井口輸送到排水管道的入口處。排水管道疏通機器人應(yīng)該配有圖像傳輸裝置，傳感裝置，便于檢查排水管道內(nèi)的環(huán)境。在控制車輛中安裝顯示器實時監(jiān)控機器人的運行狀況。機器人配有穿纜裝置，可以進(jìn)行穿纜作業(yè)，為了使機器人行走與電纜收放同步，還帶有一個可伸縮的電線設(shè)備。排水管道機器人本體結(jié)構(gòu)與外界的控制車相連，由外部運載小車通過線纜提供電源，控制裝置，并且配有卷纜設(shè)備。機器人的前端配有螺旋葉片，可以疏通堵塞的管道，并且后面可以攜帶線纜，完成穿纜工作。然后在線纜上安裝清淤板，利用外部絞車，讓清淤板來回通過管道，將管道中的污泥及雜物刮到兩端的檢查井中，利用污泥車將污泥抽離。3.14 密封和防腐結(jié)構(gòu)的設(shè)計排水管道疏通機器人由于在排水管道的環(huán)境中工作，不同于地面上運行，排水管道中有大量的污水存在，應(yīng)該考慮機器人的密封和防腐的問題。將控制設(shè)備等精密部件放在專門設(shè)計的箱體內(nèi)，并且周圍加上密封件，我們常用的密封件固定式O型密封圈，O型圈在密封上被廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備中，是很好的密封材料。排水管道疏通機器人的電機可以直接采用防水電機，控制電纜可采用圓柱橄欖形橡膠密封。機器人長期在排水管道環(huán)境中工作，由于城市排放的生活污水，工業(yè)廢水、管道內(nèi)淤積的各種腐爛物質(zhì)等，構(gòu)成了一個力學(xué)因素和電化學(xué)因素共同作用的腐蝕環(huán)境，使得機器人在排水管道中容易發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)腐蝕。若是忽略下水管道中對機器人的腐蝕作用，排水管道疏通機器人的使用時間將大大縮短，并且很容易發(fā)生各種故障，使工作效率和質(zhì)量大大降低。因此在選擇材料時, 要對機器人的金屬表面進(jìn)行二次噴涂一些防腐鍍膜等,也可涂覆耐腐蝕的涂層材料，要優(yōu)先考慮選用耐水腐蝕的合金材料,如不銹鋼;非金屬防水腐蝕材料,如特種尼龍,丁腈橡膠等。3.15 控制系統(tǒng)設(shè)計對排水管道疏通機器人的控制主要集中在對驅(qū)動步進(jìn)電機和絞刀的步進(jìn)電機的控制。步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機來控制變的非常的簡單。由于步進(jìn)電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。在此，采用使用較為廣泛的51單片機AT89C51（晶振頻率為12MHZ）對南京華興電機制造有限公司生產(chǎn)的57BYG4501、57BYG4503步進(jìn)電機（步距角0.90/1.80，額定電壓36V）進(jìn)行控制。通過I/O口輸出的具有時序的方波作為步進(jìn)電機的控制信號，信號經(jīng)過控制芯片驅(qū)動步進(jìn)電機，可實現(xiàn)調(diào)速和正反轉(zhuǎn)。設(shè)計總結(jié)本文在了解我國排水管道疏通現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析國內(nèi)外城市排水管道疏通、清淤等方面的發(fā)展情況和技術(shù)現(xiàn)狀，并查閱國內(nèi)外關(guān)于排水管道機器人的研究資料，并在此基礎(chǔ)上，針對排水管道疏通機器人在排水管道內(nèi)的作業(yè)情況，確定總體方案設(shè)計，確定機器人的驅(qū)動形式和行走方式，設(shè)計機器人的本體結(jié)構(gòu)，預(yù)計通過此次畢業(yè)設(shè)計完成大型排水管道疏通機器人的機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，通過采用自動化的排水管道疏通方式，提高排水管道疏通效率，改善工人的作業(yè)環(huán)境。大型排水管道疏通機器人選用履帶式運動方式，與地面的接觸面積大，越障能力好，負(fù)重能力強，左右輪差動運動，控制簡單，運動平穩(wěn)，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境，優(yōu)化管道機器人的結(jié)構(gòu)布局，機器人本體采用一體式箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并加以密封，防止污水的進(jìn)入。機器人選用步進(jìn)電動機驅(qū)動，采用有纜控制的方式，內(nèi)有電源線和信號線。機器人頭部攜帶絞龍，采用螺旋式絞刀設(shè)計，可以粉碎管道中的堵塞物，并排出管道。尾部牽著纜繩，配有清淤板，以備把淤泥拉出。機器人由機械本體、控制系統(tǒng)、收放線裝置及可視系統(tǒng)四部分組成。地面上放置運載小車，車上配有控制柜、顯示器、動力源、收放線裝置以及抽污設(shè)備等附屬裝置。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我從中獲得了許多寶貴的設(shè)計經(jīng)驗，不僅把這四年所學(xué)得以運用，而且還豐富了知識，同時在查找參考資料和實際調(diào)研的過程中也了解了許多課外內(nèi)容，開拓了視野，使自己在專業(yè)知識方面和動手能力方面有很大的進(jìn)步。這次畢業(yè)設(shè)計使我明白自己還有許多欠缺和不足的地方，學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己的知識和綜合素質(zhì)。我相信，這次畢業(yè)設(shè)計的經(jīng)過一定會讓我終身難忘，設(shè)計過程中所學(xué)到的東西是我這次畢業(yè)設(shè)計的最大收獲和財富，使我受益匪淺。致謝經(jīng)過三個月的努力，在老師和同學(xué)大力幫助下，我完成了排水管道疏通機器人的設(shè)計工作。付出了很多汗水，但也收獲不小。這里，首先感謝本次畢業(yè)設(shè)計的指導(dǎo)xx老師，沒有他的悉心指導(dǎo)和認(rèn)真糾錯，我不會這么順利的做完畢業(yè)設(shè)計。 老師工作很忙，但如果我們有什么問題或者麻煩了，他都會抽出時間盡快幫我們解決。在 老師的精心指導(dǎo)下，我學(xué)到了很多關(guān)于機器人的知識，順利完成了畢業(yè)設(shè)計的各種要求。 老師也是一個十分敬業(yè)的老師，他科學(xué)的態(tài)度和研究精神是值得我等后輩學(xué)習(xí)的和發(fā)揚的。 同時，我也要感謝我的同學(xué)和親友們，在我遇到麻煩和陷入困境的時候，他們及時給我提供了不少幫助和安慰，是我能夠盡快的振作起來，堅持做了下來。他們雖然對我的設(shè)計并不了解，但是常常幫助我查閱資料，提供解決問題的方法，不但幫我渡過了難關(guān)，而且體驗到友情的珍貴。 最后，我要感謝河南工業(yè)大學(xué)和機電工程學(xué)院，他們給我提供了一個優(yōu)良的環(huán)境，讓我順利的完成學(xué)業(yè)，而且期間認(rèn)識不少德才兼?zhèn)涞膸熼L學(xué)友，從而學(xué)到了很多珍貴的知識和經(jīng)驗。大學(xué)四年雖然沒有什么特別出眾的表現(xiàn)，但潛移默化里我已經(jīng)成長為一個有知識，有素養(yǎng)，有追求的青年，大學(xué)里學(xué)到的世界觀和方法論，將會對以后的人生道路產(chǎn)生漫長的影響，讓我更加闊步而奮進(jìn)。參考資料1 陳樂. 城市排水管網(wǎng)自動清理系統(tǒng)的可行性分析J. 河南科技，2011(3）2 于志偉.排水管道檢測機器人機構(gòu)設(shè)計及性能分析J. 煤炭技術(shù)，2008（2）3 唐德威, 宗德祥, 鄧宗全, 等. 管道內(nèi)徑在線檢測機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計J . 林業(yè)機械與木工設(shè)備, 2005(2) 4 鄧宗全. 六獨立輪驅(qū)動式管內(nèi)機器人的研制J. 高技術(shù)通訊, 2004(9) 5 吳延本，等. 簡明實用機械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)手冊M. 吉林科學(xué)技術(shù)出版社.1993.16 楊清梅, 王立權(quán), 王知行, 等. 一種新型排水管道機器人研究J .機床與液壓, 2006(3）7 劉麗萍，白春燕. 試談排水管道的清淤問題J. 黑龍江科技信息，2002.8 楊國清，向忠祥. 城市排水管道自動清淤檢測機器人設(shè)想方案J. 中國市政工程，1998(4）9 孫勇，楊向東，孫建宇，等. 排水管道清淤方法及開發(fā)新設(shè)備的構(gòu)想J. 給水排水，1996(8）.10 孫建宇，楊向東. 新型下水管道自動清淤機器人J.給水排水，1997(8）.11 楊志欣，孫寶元，董維杰，等微機器人關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用J機床與液壓，2002(6).12 潘家華普及和發(fā)展我國管道內(nèi)檢測技術(shù)J油氣儲運，1996(3).13 甘小明，徐濱士等管道機器人的發(fā)展現(xiàn)狀J.機器人技術(shù)與應(yīng)用，2003(6).14 濮良貴，紀(jì)名剛主編機械設(shè)計M高等教育出版社，1998.15 高連華，劉雨發(fā)履帶車輛動力學(xué)M北京：裝甲兵工程學(xué)院，1987.16 熊有倫等機器人學(xué)M北京：機械工業(yè)出版社，1993.17 蔣新松機器人學(xué)導(dǎo)論M沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994.18 張福學(xué)機器人技術(shù)及其應(yīng)用M電子工業(yè)出版社，2000.19 劉麗萍，白春燕試談排水管道的清淤問題J黑龍江科技信息，2002(3).20 張福學(xué).機器人技術(shù)及其應(yīng)用M電子工業(yè)出版社，200021 鄧宗全，畢德學(xué)管道機器人J. 機器人技術(shù)與應(yīng)用，1996(6)22 王立權(quán)，賈守波郭黎濱等城市排水管道機器人控制系統(tǒng)研究J機床與液壓，2008(6)23 徐小云，顏國正，丁國清等管道機器人適應(yīng)不同管徑的三種調(diào)節(jié)機構(gòu)的比較J光學(xué)精密工程，2004(1)24 彭商賢，劉斌等履帶式管道機器人及側(cè)傾問題的研究J，2001(7)：25 陳建平水下機器人液壓系統(tǒng)密封技術(shù)研究J機器人技術(shù)與應(yīng)用，1997(3)