一种新型排水管道机器人研究,管道机器人,油烟管道清洗机器人,新型刀削面机器人,管道机器人设计,新型机器人,管道爬行机器人,管道清洗机器人,管道机器人电缆,管道检测机器人
北京联合大学自动化学院，北京100101；2. 哈尔滨工程大学机电学院，哈尔滨 150001； 哈尔滨工业大学机电学院，哈尔滨150001） 摘要：结合目前排水管道的清淤现状，分析了国内外的多种清淤方法：绞车清淤法、高压水射流清淤法和水冲清淤法 等，其中绞车清淤法是目前国内广泛应用的一种清淤方法。针对这种清淤方法穿缆效率低的缺点，提出了采用新型的排水 管道穿缆机器人，可提高绞车清淤作业中的穿缆效率和自动化水平。根据排水管道的特殊作业环境，提出了穿缆机器人的 总体方案。 关键词：清淤方法；机器人；管道机器人 中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1001 pipeRobot Used SewerYANG Oingmei 1，WANG Liguan 2，WANG Zhixing AutomationCoIIege，Beijing Union University，Beijing 100101，China； MechatronicEngineering CoIIege，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China； MechatronicEngineering CoIIege，Harbin Institute TechnoIogy，Harbin150001，China） Abstract：According statusguo sewer，severaIcIeaning ways sewerwere anaIyzed，such mechanicaIcIeaning，high pressurewater cIeaning，etc. MechanicaI cIeaning wideIyused present.Its disadvantage puIIingwire rope through newrobot used puIIwire rope through putforward. canimprove effi-ciency puIIingwire rope through automationIeveI sewer.Based speciaIworking environment sewer，thetotaI robot project putforward. Keywords：CIeaning ways sewer；Robot；PipeIinerobot 随着我国国民经济的迅速发展，环保工作越来越 受到市政部门的重视，人们的环保意识也日益提高。 城市污水排放是确保环境卫生、建设现代化文明城市 极其重要的一环。然而，我国的城市排水管道的清淤 工作还普遍处于人工作业的落后状态，不仅体力繁 重，效率低，恶劣环境以及毒气、毒水给工人造成很 大危害，甚至爆炸、死人等事故时有发生。因此，研 究开发用机器人进行排水管道的清检测作业，既是建 设现代化城市和加强环保的需要，也是广大市政管 理、维修人员的迫切愿望 ［1，2］。 为改善工人恶劣的工作环境、提高排水管道清理 的效率，在这一应用领域进行一些实用的自动装置的 研究，将带来长远的社会效益和经济效益。 我国排水管道的清淤现状根据我国目前的排水管道清淤的现状，常用的清 淤方法有绞车清淤法（亦称机械清淤法）、高压水射 流清淤法和水冲清淤法（亦称水力清淤法）等 ［3，4］。 绞车清淤法绞车清淤法是我国各地普遍采用的一种方法。该 方法采用竹片穿过需要清通的管道段，竹片一端系上 钢丝绳，绳上系住清通工具的一端。在清通管段的两 端检查井上各设一台绞车，当竹片穿过清通段后，将 钢丝绳系在一台绞车上，清淤工具的另一端通过钢丝 绳系在另一台绞车上，然后再利用绞车来回往复拉动 钢丝绳，带动清通工具将淤泥刮至下游检查井内，从 而使管道得到清通，如图 绞车清淤法原理图这种清淤方法可适应各种直径的下水管道，它比 较适合管道淤积严重，淤泥粘结密实的情况，主要缺 点是从一个井口向另一个井口穿竹片需人工下井完 成，井下非常恶劣的工作环境给工人带来极大不便， 危害工人的健康，甚至会危害工人的生命。因此，只 要穿钢缆的问题能解决，这种方法还是比较有效的。 高压水射流清淤法高压水射流清淤法是用一台高压喷射车，装备有 大型水罐、机动卷管器、高压水泵、射水喷头等。操 作时由车上引擎驱动高压泵，将水加压后送入射水喷 头。高压水射流的清淤原理如图 基金项目：哈尔滨市科技攻关项目后喷射产生的反作用力，使射水喷头和胶管一起向反 方向前进，同时清洗管道壁。当喷头达到下游的检查 井时，机动绞车将软管卷回，此时射水喷头继续喷射 水流，将管道内残留的沉积物冲到检查井中，然后由 吸泥车将其吸走。这种方法适用于各种直径的下水管 道，但由于需用干净水，所以成本较高。为降低成 本，现在的清淤车在多备有污水净化装置，以利用下 水道中的污水。这种清淤方法设备昂贵，清淤作业成 本高，不太适合我国的国情。 水冲刷清淤法水冲刷清淤法就是制作一种能挡水的清淤装置， 由检查井放入管道内。利用该装置把管道中的污水阻 挡在其上游。当水位达到一定高度后便放水，使上游 水形成水流来清除管道内的沉积物。一旦足够多的沉 积物被冲走，这个装置就向下游移动一段距离。采用 这种方法要求管道本身必须有一定流量，淤泥不宜过 多（20% 左右），且上游的水不能从支路流走， 同时保证不使上游水回流进入附近建筑物，它的缺点 是可能造成上游管道产生新的淤积。由于检查井尺寸 的限制，整个装置的部件必须在下水管道内装配，这 种方法需要在管道内进行大量的工作。由于下水管道 中的污水通常能析出硫化氢等有毒气体或爆炸性气 体，因此养护人员下井检查时要采取相应的安全措 清淤法通沟机清淤是国外的从 20 世纪 70 年代发展起来 的一种清方法，现在已有系列的产品。通沟机（ 外亦称之为pig）清淤是用某种同管道之间为刚性密 封的清泥器在空气或液体压力作用下作为一个喷射体 穿过管道，同时清除了管道异物，这种方法要求管壁 规则光滑，污物不能太多 ［5，6］。 SieiwOif 系统是德国开发的一种清除大直径下水 管道中的坚硬沉积物的大型清淤装置，其循环系统使 用从下水道吸出的污水经高压喷嘴冲开沉积物。这种 清淤方法的设备价格昂贵。 方案的提出从现有的国内外的各种清淤方法来看，清淤过程 一般分为淤泥粉粹和淤泥输送两处阶段。这两个过程 均可采用机械方式或流体方式来完成，清淤方式可分 为以下三种方式： （l）流体粉碎流体输送的方式 高压水射流清淤就是这种清淤方法的典型代表。 这种清淤具有高效安全等优点，但需要消耗大量水资 源，清淤作业成本较高，且清淤设备较昂贵。 （2）机械粉碎流体输送的方式 这种清淤方法对作业系统要求较高，要保证淤泥 能够充分粉碎。另外，必须保证管内有较大的水流 量，粉碎后的淤泥能够被冲刷到沉积井中。但比高压 水射流清淤方法耗水量要少。通沟机属于这种清淤方 （3）机械粉碎机械输送的方式这种方法利用作业工具先将淤泥粉碎后，仍由机 械装置将其送出，可以利用较大的机械力一次性送 出。这样就避免大量的用水，使清淤设备不用配备大 型水车，减小了设备的占用空间。绞车清淤法就属于 这种清淤方式，设备简单，清淤作业成本低。通过各 种排水管道清淤方法的分析，根据我国的实际国情和 经济现状，从清淤设备成本和清淤作业的成本方面考 虑，对于一般的大城市和中小型城市，广泛应用的绞 车清淤法是一种实用的清淤方法，但这种方法的最大 缺点是穿缆效率低，由于积水井中充满污水及大量有 害气体，当井深超过 3m 时，人不能下到井中，这就 增加了穿缆的难度。如果排水管道堵塞只能将排水管 道完全挖开来进行疏通清理，这样不仅有损城市的市 容而且影响交通和人们的日常生活。因此，开发一种 新型的用于排水管道穿缆的机器人，替代目前人工穿 缆作业，将大大地提高绞车清淤法的清淤效率，提高 排水管道作业中的自动化水平。 机器人的总体方案穿缆机器人的作业任务是在沉积了各种垃圾和污 物的下水管道中行走，来完成穿缆作业，机器人主要 由机械本体、驱动与行走系统、检测控制系统三部分 组成。 机器人的驱动方式和行走方式目前国内外对管道机器人有许多研究，管道机器 人按驱动方式大体可以分为三种：（l）自驱动（自 带动力源）；（2）利用流体推力；（3）通过弹性杆外 加推力 ［7］。考虑到排水管道内是恶劣的泥水环境，穿 缆机器人采用自驱动方式。采用直流力矩电机，通过 蜗轮蜗杆减速器减速，再将驱动力矩传递给行走装 置。管道机器人的行走方式主要有轮式、履带式、蠕 动式、轮腿式和脚式等。排水管道中有泥水及各种生 活垃圾，环境比较恶劣，附着能力较差，因此，穿缆 机器人采用履带式行走方式，增加机器人与管壁间的 机器人的本体结构与密封方式机器人整体结构要适应空间窄小的工作环境，并 有调节机构，以适应不同的管径。穿缆机器人设计采 用模块化设计方法，采用两个独立密封的履带模块， 模块内装有驱动电机、减速器、光电码盘、姿态传感 器及控制电路等。两个履带模块之间用可更换的连接 机构，以适应不同的水管道直径。尾部带有一条电 缆，内有电源线和信号线。 机器人的本体结构机器人在排水管道中的污水淤泥中作业，必须重 点解决机器人的水密性问题，使机器人能适应恶劣的 工作环境。利用旋转格来圈进行动力输出轴的动密 封，具有摩擦力小、抗摩性、尺寸稳定性好及密封效 果好等优点。 机器人的检测与控制系统机器人在排水管道中行走时，会产生侧倾甚至翻 倾现象，因此机器人应能实时地检测自身的位置和姿 态，调整机器人的两履带的运动速度，控制行走路线 和行走平稳性。机器人内部安装了姿态传感器、光电 码盘等传感器，组成机器人的位置和姿态检测系统。 控制系统采用 AVR 单片机，传感器的检测信号输入 AVR单片机，经过数据处理，获得机器人的姿态 和位置信息，控制机器人的两行走电机的转速，使机 器人按预定的轨迹行走，在排水管道中顺利地完成穿 缆作业。 结论本文通过对各种清淤方法的分析，提出了研制在 排水管道中完成穿缆作业的穿缆机器人，通过提高穿 缆效率，提高排水管道的自动作业水平，改善工人的 作业条件。针对排水管道恶劣的作业环境，进行了穿 缆机器人的总体方案设计，确定了穿缆机器人的驱动 形式和行走方式，分析了机器人的本体结构形式和密 封形式，设计了机器人的检测控制系统。穿缆机器人 的研究解决井深超过 3m 时人不能完成的排水管道穿 缆的难题，同时穿缆机器人可以作为载体，携带各种 传感器进行排水管道内窥检查。 参考文献 城市排水管道自动清淤检测机器人设想方案［J］. 中国市政工程，1998（4）：43 排水管道清淤方法及开发新设备的构想［J］. 给水排水，1996，22（8）：52 浅谈管道清淤器的功效［J］.市政 建设，2001（11）：14. 【5】孙建宇，杨向东 新型下水管道自动清淤机器人［J］.给水排水，1997，22（8）：54
