下水道清淤机器人

下水道清淤机器人设计背景：近年来，城镇化进程迅速，城市规模日益扩大，城市下水管网不断延伸膨胀。城市排水系统是否畅通，不仅关乎城市防洪排涝，更直接影响着广大市民的日常生活和身心健康。目前，我国城市下水管道清淤方法常用有：绞车清淤法、高压水射流清淤法和水冲清淤法，绞车清淤法是最普遍采用的方法。这些方法需要工人井下作业，存在着工作环境恶劣、装配复杂、清淤效果不佳等缺陷。中国城市规划在最初规划时，考虑的都是用圆形管道作为城市的下水道管网，而这些管道的管径都比较小，小的只有二三十公分，大的也不过一米左右。这就不像外国城市规划那样采用的基本上都是那种大型管网，大的能有两米多高，最小的起码也能够让在里面行走，这样就能让人在里面进行清淤工作。但是中国的就不一样，由于管网过小，工作人员进不去，而且里面还有沼气等有毒气体，就更加增加了工作的难度。综上就迫切需要一款能够胜任管道清淤的机器人，由此我们产生有设计这款机器人的想法。行走部分：此机器人所采用的是轮式四轮驱动，每个轮子的动力都来自不同的动力源。这样就能克服更加艰苦的环境。支撑轮子的轴承是固定在不同支架上，支架可以90度自由旋转和自由伸缩。这样的设计，能够使机器人在环境恶劣的下水道里面更加行走自如，如果下水道中有沉淀的淤泥，机器人就可以通过操纵杆控制，让机器人的四只旋转车臂向上旋转，使四只轮子紧贴着下水道管壁行走，让机器人的主体部分不至于触碰到下水道里沉淀的淤泥，从而获得比较好的工作环境。然而，车臂上的液压装置主要是用来使机器人适应不同管径的下水道管道，比如有的管径只有300mm，这时只需要短的车臂就足以将机器人的底盘抬高到预定的高度，然而如果下次要清理的是，很大的管径的下水道里面的淤泥，这时光靠车臂本身的长度就不能够将机器人的底盘抬高到预定的高度。这个时候，我们所设计的可自由伸缩和旋转的车臂就能够很好的解决这样的问题。支撑部分：支撑部分是一块PVC发泡板。工业生产的PVC分子量一般在5万～12万范围内，具有较大的多分散性，分子量随聚合温度的降低而增加；无固定熔点，80～85℃开始软化，130℃变为粘弹态，160～180℃开始转变为粘流态；有较好的机械性能，抗张强度60MPa左右，冲击强度5～10kJ/m2；有优异的介电性能。但对光和热的稳定性差，在100℃以上或经长时间阳光曝晒，就会分解而产生氯化氢，并进一步自动催化分解，引起变色，物理机械性能也迅速下降，在实际应用中必须加入稳定剂以提高对热和光的稳定性。PVC很坚硬，溶解性也很差，只能溶于环己酮、二氯乙烷和四氢呋喃等少数溶剂中，对有机和无机酸、碱、盐均稳定，化学稳定性随使用温度的升高而降低。PVC溶解在丙酮-二硫化碳或丙酮－苯混合溶剂中，用于干法纺丝或湿法纺丝而成纤维，称氯纶，具有难燃、耐酸碱、抗微生物、耐磨、环保的特性并具有较好的保暖性和弹性。在PVC板上按照设计预先打好螺纹孔，为以后面组装时，固定电机和其他的零件和装置。机械臂：考虑到下水道清淤作业要更加全面和更加彻底，此机器人的机械臂部分采用的是360度全自由度机械臂（六自由度机械臂），它可以在下水道管道内，再难清理的地方机械臂都能够到进行清理。机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动操作或有操纵杆来操纵的机械装置。其主要由执行机构、驱动机构和控制机构等组成。其机械臂大概原理图如下图所示：清淤部分：清淤机构是由机械臂上的一个清淤刀盘和另一个机械臂上的一个松淤装置组成。清淤刀盘由一块锯齿状的圆刀片（锯齿比较小，且在刀盘的边缘不是平整的，而是有一定的凹凸，这样小锯齿设计可以防止下水道里面的那些绳线和塑料垃圾把刀盘缠绕住无法正常工作）和一个高速马达组成（高速马达可以提供高转速的旋转，使切割更加容易）。松淤装置由一个震动马达和一个探针组成。工作原理是：先由清淤刀盘上的旋转刀片把下水管道中的淤泥和里面的树枝、垃圾等先切割一遍，再由松淤装置将已经经切割过的淤泥、树枝和垃圾进行松动，最后再经高压水枪的水压冲击清理淤泥。冲洗部分：冲洗部分我们设计的是采用高压水枪进行冲洗，在清淤机械手把下水道管道里面的淤泥清理松动之后，这时松动的淤泥还不能顺利地向下排淤。这时高压水枪喷射出来的水冲击到淤泥上就能很轻松的将其冲洗干净，从而达到下水道管道清淤的目的。控制部分：1、视频传输：在这方面我们采用的是两个高清摄像头和一个强光电筒，经过电缆信号线传输到控制中心来，由一个显示屏来实时监测下水道里的清淤工作。2、整个控制采用单片机控制和点控结合的控制方式，来控制机械臂、机械手和高压水枪的工作状态和工作动作。零部件选用：1、橡胶车轮：直径100mm4个2、PVC发泡板：1块（孔按设计要求自行打孔）3、小型液压缸：4个（其他的配套设备自行选用）4、驱动马达（低速强转矩）：4个5、高清摄像头：2个720P（1280*720）6、强光灯：BXD6018A外径×长度40mm×208mm，重量280克。7、振动马达：1个长51mm直径27.7mm震动头直径13mm厚度8mm8、各种电源线和信号线:若干9、显示屏：1块个人总结：经过一个多月的努力，终于完成了下水道清淤机器人的简单思路构想和设计。在上本课程的时候，老师上课提到设计系统要包含液压系统、电气控制系统、机械传动系统。我们结合现实生活中有关下水道问题，想出了设计下水道清淤机器人。我们之后去图书馆借了几本相关书籍，然后确定了大概结构，过程中也遇到了很多问题，我们有耐心的去解决。最后完成了下水道机器人的简单设计。总的来说，我们这一次设计是比较成功的，我们都能学习到了很多在校园、在课堂上、课本上学不到的东西，也了解自学，自己查阅资料完成设计中困难，及懂得如何应对这些困难。感谢这次机会，让我学到了很多。