机井救援机器人的设计

周天亮 薛蕊 宋娟

【摘 要】现阶段机井救援多采用大型挖掘设备，这种救援方式不仅消耗大量的时间，而且被救者长时间处于危险的环境中，无法确保其人身安全。同时动用的大型挖掘设备极易对土地造成破环，影响其生态环境的稳定。长时间的救援强度对机器的燃耗很大，导致尾气的大量排放，对空气质量造成威胁。其次，针对小型竖直管道的清理也是一个空白，大多数管道机器人是平行清理，对很多竖直管道的清理也是无人问津，致使其堵塞管道、破坏设备、污染环境。以节约能源、提高效率、清理积压垃圾问题为出发点，设计了一种简易管道救援机器人，该装置操作简单、使用方便、功能强大。

【关键词】管道机器人；竖直行走；尺寸调节；节约能源

一、绪论

随着时代的发展社会的进步，很多的基础建设都在进行中，然而这些基础建设带来了便利和快捷，但是很多弊端也慢慢显露出来，并且危害着人的生命、环境的质量[1]。面对高发的坠井事件，我们大多采用大型挖掘设备，将深埋于地下的管道节节挖出，直到发现被控者的位置[2]。這样的救援方式不仅耗时耗力，而且成功率相对较低。动用的大型机械设备在长时间的工作中也会不断地排放尾气，消耗燃油资源[3]。针对国内近几年机井救援案例的增加，综合考虑现有的机井救援设备的不完善，以及对于垂直管道机器人的不深入，我们设计了该装置来弥补目前国内在这方面的空缺。

二、设计方案

（一）电器控制

管道机器人的控制系统是机器人的神经中枢，机器人的行走、转弯、进退、上下和尺寸调节都是由控制系统进行控制调节的。控制系统主要有手动控制和自动控制两种。我们设计的机器人以STC89C52单片机为核心，采用电机驱动。通过单片机内的程序结合电机驱动模块控制电机的正反转，以及机器人的前进后退。

采用JGY370大扭矩直流减速电机，采用履带式底盘结构，同时6个电机由一个开关控制，来实现步伐的协调，统一，稳定。丝杠材料：合金钢；提升的总重量：10KG；行程：800mm；最大速度：70mm/s；型号：XD-37GB520；额定力矩：4kg/cm；转速100r/min；功率：10W[4]。

在机器人主体部分安装的三根带滑块的螺杆的外伸部分用齿轮和履带连接在一起，由一台电机控制。通过改变这台电机的正反转和转速就可以调节机器人的尺寸大小。为了便于程序的修改、阅读，采用了模块化设计。

采用V380手机无线监控高清摄像头，具有AP热点功能，无需网络，适应性更加广泛，可以进行语音对讲，实时传输救援实况[5]，360°全方位无死角检测，而且可以远程遥控，对恶劣环境有很强的适应性。

驱动方式主要有电气驱动、液压驱动、气压驱动、机械驱动4种。当前采用的主要是电驱动和气压驱动。气压驱动具有重量轻、结构简单等特点，但是，气压驱动准确性不高、冲击大。电驱动具有控制准确、位置移动精确等特点。同时相比于大型的挖掘机械都是通过消耗燃油来进行工作，不仅消耗燃油资源，而且排放的大量尾气对环境有很大的污染。相比较气压驱动跟电力驱动来说电力驱动的控制在选择上更加具有实用性更加方便。

（二）机械部分

我们采用丝杠和3个三棱柱的配合。在此基础上可以有效解决机器人的尺寸调节。我们将平面四杆机构运用到机器人的尺寸调节中使其更具灵活性，可以自由的根据实际情况来调节自己的尺寸深入救援一线。

（三）工作原理及性能分析

机器人可以实现尺寸的调节，基于平行四边形轮腿机构、采用丝杠螺母调节方式的管径适应调整机构适合轮式驱动管道机器人，采用这种机构可以提高管道机器人的牵引能力，适应不同直径的管道检测。其力学特性分析表明：管道机器人行走时，保持较小的姿态角有利于提高牵引能力。通过管径适应调整机构提供附加正压力可以改善机器人的牵引能力，而且在大管径时机构负荷小，效率高；管径适应机构的张开过程中是一个复杂的受力过程，管径较小时张开费力，机构负荷较大，在设计中应给予考虑。我们设计的管道三足爬行机器人是综合了目前管道机器人的各种合理因素以及最新研究成果，提出了自己的观点和设计思路，并进行了研究实践。

三、总结

面对社会的发展，时代的进步，在管道清理，管道救援方面的难度会加大。我们的设计针对大型设备耗时、耗力、浪费能源以及各大小不一的竖直管道清理难的问题提出，在管道清理公司与消防救援方面不仅便于携带、容易操作、适应性强，而且有很大的可行性价值。可用于我国矿山开采过程中有一些没有及时回填的矿井和桩井、农村灌溉用的机井和老式水井。对于这些人类没办法深入解决的地方，管道救援机器人可以很轻松的解决人们的难题。

【参考文献】

[1] 张云伟，颜国正，丁国清，等.煤气管道机器人管径适应调整机构分析[J].上海交通大学学报，2005，39（6）：950-954，959.

[2] 刘元峰多故障转子系统非线性特性及转子故障信号分析方法的研究[D].上海：上海交通大学机械与动力工程学院，2003.

[3] 刘大维，彭商贤龚进峰地下管道检测移动机器人的发展现状[J].吉林工业大学学报（自然科学），1998，28（1）：109-113.

[4] 余浩然，吴斌，陈丽萍.漏磁通法油气管道在役检测技术[J].实用测试技术，1997，9（5）：1-9.

[5] 张秀丽等，一种小型管道检测机器人[J]机器人，2001（10）：626-629.