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可重构自动下水道清洁机械手的设计与开发
摘要
过去十年机器人技术的进步，已
经使机器人科技可以解决许多我们每天生活中的难题。
但是，
在
印度的城市中依然是人工在清理下水道。
在那里工人从管口进去，
手工用没有任何
技术含量的工具清理堵塞在污水管中的垃圾。
这项工作可能危害人们的健康，
因此，
一个下
< br>水道清理机器人来取代人们的介入是十分重要的。
传统的下水道清理机器人不能高
效的清理
变直径的水管。为了克服这个难题，我们设计和开发了这款可重构自动下水道清
理机械手，
它可以高效的清理在变直径管道中形成的堵塞物。
概
念模型已经用
solidworks
建好了。
< br>模型
将会让你对机械手和它的子系统交互功能有个清晰的理解。
< br>基于设计概念和它的工作环境的
机械手原型已经开发出来了，
它的工作环境也就是机器人进入污水管之后必须做的和它的许
多不同的目标，
因此它的功能也最终确定了。
它由许多的连杆和关节组成。
这些关节将由许
多不同的电机来驱动，
这些电机将
在文章中提到。
开发原型的时候已经做了初步的调查，
一
些调查结果已经在文章中提到了。
关键词：机器人，移动机械手，三维模型，定期维护
1.
介绍
很
久以来，机器人学都是大学研究的主要领域，工业实验室和汽车生产线。
术语
HC
高速切削
LC
低速切削
L
红外传感器和牵引轮之间的距离
MLS
机械手的限位开关
T
重构时间，秒
E
R
重构电机消耗的能量
IR
红外线
SET
设置参考电压值，伏特
机器人通常都很大，
动作缓慢还有专业机械手都不可避免的安装在装
配线上。
幸运的是，
机器人技术的进步已经使机器人技术走出实
验室进入对做机器人感兴趣的人的车库中。
微处
理器已经很便宜
而且更有力量，
电机更小功能更强大还有机器人知识更丰富更容易获得。
这
样可以确保用机器人来改善人们日常活动这一虚拟领域的想法得到实现，
比如，
像下水道清
理，核电站检查这样脏，
危险，无聊的工作。每个人家里都有下水道，每家垃圾处理的标准
都不一样，
而且垃圾的尺寸也不一样，
但是每个国家的管子长度和穿过部分地区的管子
都有
很大的不同。比如说
1994
年末
日本的下水道是
250000
千米，德国的在
< br>1997
年是
400000
千米
，如果设计、建造、使用合理的话，那么下水道就可以用很长时间。在西德有
31.4%
的
公共下水道有
50
< br>年或者更老。然而，这是强制维护来保障其功能的结果，来保护建造时的
巨大投资
，
阻止来自下水道、
下水道治理计划和来自环境的危害。
清理堵塞的下水道是件无
聊的工作，
人的介入
也是不明智的。
为了污水从住宅区传送到污水处理厂，
在印度下
水道的
直径从
200
到
2000
毫米不等。在过去，下水道管子使用水泥制成的，但是现在聚乙烯的管
子被越来越广泛的使用。
然而，
管子的
材料会给系统带来不同的问题。
一些这样的问题将会
出现在下水
道管道中：
堵塞物的形成。
树枝、塑料容器等废弃材料的沉积。
管接头处的开裂和管子表面的腐蚀。
管子的变形和连接部分的错位。
以上
所提到的问题都有可能阻塞污水管，
因此，定期维护是非常必要的。另外，由于小
直径管道的存在、
污水管中的环境恶劣但又必须清理，
所以才被迫应用机器人来清理污水管。
大一点的管子，比如说，内径超过
180cm
的可以考虑用人工来采用更方便的方式来清理。
但是，只有极少的几个相关的主要管道可以采用这样的方式，大多数的污水管都不能采用，
直径在
15
?
10
cm
的管子从单独的房间进入。
通常，
难以达到的下水道就用传统的方式来清
理，比如用清理棒，它的效率
很低，而且很慢。为了克服这个问题，开发了一种可移动机械
手。总的来说，移动机器人
可以随处移动，也可以固定在一个地方。相反，工业机器人通常
由关节连接的手臂（多关节机械手）和手爪（或末端执行器）组成，通常安装在一个固定的
表面。
移动机器人是目前的研究焦点，
几乎每个专业大学都
有一个或更多移动机器人研究实
验室。
移动机器人在工业、军事
和安全上也有应用。它们也出现在消费品中，有娱乐功能或
者表演一个特定的任务。
一个可移动操作系统是由移动机器人和一系列机械手组成，
这个系<
/p>
统有两个好处，
一个是移动平台的移动性，
一个是机械手的灵敏性。
移动工作台为机械手提
供了无限的工
作场所。移动工作台额外的自由度也为用户提供了更多的选择。
然而这样的
系统也是一个挑战，因为它有很多的自由度所以工作显得很松散。一般的系
统组成：
1.
移动工作台
2.
连接和关节
3.
末端执行器
4.
阻塞物探测器
5.
阻塞物清理工具
现阶段移动操作系统
是一个主要关注开发和研究环境的项目，
移动机械手，
有的是自
动
化的，
有的是电动的，
它被用在不同
的领域，
像太空探索，
军事演习，
家庭
护理和健康护理。
然而，
在工业领域机械手的应用受到限制，<
/p>
尽管对智能化和柔性自动化的需求已经显现出来
了。另外，在很大
程度上，必要的技术实体（移动工作台、机器人的机械手、监测、工具）
可以当作现成的
部件来使用。
这个简单的机构只能在水平管道中活动。
尽管产生必要的摩擦力继续移动更远的距离来
拉能量和信号线的长度是
很困难的，
但是穿过机构要简单的多。
然而，
< br>原来用于解决直径改
变这个难题的移动方案有许多不同的弯道而且提供了必要的能
量供应。
行走机构提供了复杂
的不连续的而不是简单的连续的管
壁可以移动。
最终，
这些机构没有被用在污水处理管道中。
因此，一个机构应该能处理上述讨论的所有情况和条件，这是世界上最重要的工程学。
1.1
需要认识的
在我们日常生活中，
机器人技术已经用于解决许多的实际问题。
然而，
即使在今天的印
度，
人们依然进入下水道人工清理下水道中的阻塞物。
图
1
展示了不同直径管道中的阻塞物，
他们阻碍了污水的流动。
图
1
污水管中的阻塞物
来自污水和污水阻
塞物的有毒气体将危害进入污水管的人的身体健康。
对人们来说，
清
理穿过不同地区的下水管也是比较困难的。
所以用可重构的
可以清理不同直径管道的机器人
来代替人工清理是非常必要的。
从极端领域学习污水处理管；
从学习中我们能明显的感觉到
可重
构类型的结构可以适应穿过不同地区的管道。
因此，
一个可重构
的的带有机械手的污水
处理机器人原型已经被设计和开发出来用于高效的清理阻塞物。<
/p>
初步的调查已经在展开一笔
爱你定义机器人的特征和它的动作。<
/p>
2.
下水道清理机器人的开发
一个考虑到机械手进入下水道之后各种不同目的的概念模型设计已经确定了。用
solidworks
建立的各个部件的三维模型以及装配模型已经建立好了。
图
2
展示了机械手的三
维模型，
这个机械手主要是由可重构可移动的圆盘通过关节连接起来的，
中心旋
转轴是由高
转矩的
DC
电机和末端感受
器驱动的，模型的原型已经建好了（图
5
）
，合理的选择了不同
的部件
-
机械
手电机，可移动可重构圆盘，可重构关节，惰轮和牵引轮，红外收发器，控制
和驱动电路
，
还有电源。
不同部件的选择是根据低成本和可控性决定的。<
/p>
原型将被远远的控
制，移动机器人将扫清轨迹上的障碍沿着平滑的
路线行走。这样的目的是实现预想的机制。
污水处理是最重要的设计，效率高是最高的优
势。以下有三种方法可以考虑：
?
机器人的头部有一个圆柱气垫可以推着阻塞物向前运动
?
钻头和锯齿据可以用来分解阻塞物和凝块
?
用有压力的水来喷射也可以冲刷阻塞物
有三种方法可以将阻塞物冲出污水管。
为了克服这个问题，
机
械手可以设计成收集阻塞
物而不是冲掉。
但是收集污物是一项很
笨重的工作，
机械手必须首先探测垃圾的数量，
而且
必须做许多动作知道完全将阻塞物收集完。
设施
这个方法变得十分困难。
为了减少重复计数的可能，
用像钻头、
锯齿据这样的刀具
来分解阻塞物是非常重要的。有阻塞物的污水
管一端有污水，因为污水没办法冲开阻塞物。
所以如果机器人可以破坏掉阻塞物污水就会
喷射出来。
因此，
一个大的刀具将刺入垃圾中将
垃圾切碎。然后污水就会像奔流一样将垃圾碎片带走。
图
3
显示了
可重构污水清理机器人的图解，它由机械手、可重构机制、红外接收和发
射传感器、机械
手电机、驱动电机、电池电源箱、限位传感器、微控制器、信号处理器和
H
电桥电路等子系统组成。
垃圾清理机器人的机械手
是用来高效的清理下水道阻塞物的。
图
2
展示了由基于可重构
的螺钉和螺母组成的可以旋转
120
度的三对关节。
这个可重构的结构是有高转矩的
DC
电机
驱动的，它用来在多弯道的污水管中放置机器人。
一个
H
电桥由四个开关组成（固态的或
者是机械的）
。当
S1
和
S4
（根据第一张图片）闭合（
S2
和
S3
断开）电机将产生一个正电
压。打开
S1
和
S4
闭合
S2
和
S3
，这个电压将会反向，电机的运转也会反向。
图
2
污水清理机械手的三维模型
使用上面的命名法，开关
S1
和
S2
绝不能同时关闭，这将导致输入电源短路。这个原
理同样适用于
S3
和
S4
，这个条件就是防止击穿的。
H
电桥是用来使电机
反向的，但是也可
以用来破坏电机，使电机突然停止，
像缩短电
机的工作极限，
让电机空转来停止，
电机高效
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