河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 牛芃涵 李耕宇 索雪松 王崇宇

引言

中國(guó)城市化發(fā)展迅速，隨著城市化的發(fā)展，城市污水管道長(zhǎng)度不斷增加，而污水管道的日常維護(hù)及管道清理工作面臨巨大挑戰(zhàn)，我們期望將管道清理中的一些危險(xiǎn)、費(fèi)力、費(fèi)時(shí)的重復(fù)性工作交由機(jī)器來(lái)完成，從而減少人工成本，解放人力。污水管道的排污能力對(duì)于管道是否正常運(yùn)行至關(guān)重要，它決定著污水管道是否被淤堵。管道清理需要經(jīng)過(guò)一系列的環(huán)節(jié)才能將附著在管道上的淤泥清除并運(yùn)至地面進(jìn)行處理。我們希望管道的清理工作可以交由機(jī)器來(lái)完成，從而設(shè)計(jì)了一款針對(duì)管道清淤工作的機(jī)器人。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)需求

1.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)一款機(jī)器人對(duì)污水管道進(jìn)行清理。

1.1.2 設(shè)計(jì)需求

（1）完成對(duì)附著在管道內(nèi)壁及管道內(nèi)的淤泥進(jìn)行鏟除并攪碎，可以將處理過(guò)的淤泥通過(guò)運(yùn)送裝置運(yùn)送至地面。

（2）可以將在地下管道中處理過(guò)的淤泥運(yùn)送至地面。

（3）機(jī)器人本身可以自主處理其在地下管道中所面臨的各種問(wèn)題。

（4）在清淤過(guò)程中適時(shí)拍攝清理過(guò)后的管道照片，將處理過(guò)后的管道照片與正常管道照片比對(duì)，找出管道內(nèi)壁難以清理的淤泥，并將其備份至機(jī)器人儲(chǔ)存空間內(nèi)。

（5）在執(zhí)行清理任務(wù)時(shí)，可以進(jìn)行測(cè)距處理，明確機(jī)器人在管道內(nèi)所在位置距離，方便在機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí)取出。

（6）每一次清理任務(wù)，機(jī)器人都需要完成5 千米的清淤長(zhǎng)度，并且存有備用電源，緊急狀態(tài)下機(jī)器人可以退回至起始點(diǎn)。

1.2 設(shè)計(jì)方案

圖1 機(jī)器人清淤流程圖

2 硬件和電路的設(shè)計(jì)

機(jī)器人主體框架材料為鋼制，機(jī)器人各種形狀部位的制作均為保定市當(dāng)?shù)夭牧现谱鞴局谱?。機(jī)器人本身行走輪選自上海屹上腳輪有限公司的鋁芯紋路橡膠AGV 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪設(shè)備行走主動(dòng)輪。攝像儀器選取高清攝像頭搭配補(bǔ)光裝置。紅外測(cè)距儀選取基恩士公司的CMOS 激光位移傳感器IL 系列并搭配其公司軟件完成對(duì)機(jī)器人測(cè)距的處理。將攝像儀器、紅外測(cè)距儀、行走裝置、攪泥裝置通過(guò)數(shù)據(jù)線與電腦進(jìn)行連接，STM32 單片機(jī)選擇STM32103RCT6 即可，選擇科爾摩根公司的AKMH 系列不銹鋼伺服電機(jī)作為行走電機(jī)與單片機(jī)相連接。單片機(jī)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制并處理機(jī)器人在管道內(nèi)的行走及清淤問(wèn)題。機(jī)器人電池選用多組連接的12.8V 10Ah 鋰電池。以上即為系統(tǒng)的硬件連接。

3 機(jī)器工作原理與系統(tǒng)控制

提前將無(wú)淤堵管道圖像儲(chǔ)存在機(jī)器人數(shù)據(jù)庫(kù)中，機(jī)器人可以在清淤過(guò)程中適時(shí)抓拍，將抓拍圖像進(jìn)行處理，與無(wú)淤堵管道圖像進(jìn)行比對(duì)，找出淤泥在管道中的附著點(diǎn)，調(diào)整機(jī)器人行走速度及機(jī)器人刀片刀絞速度，通過(guò)鏟泥板鏟下淤泥，刀片進(jìn)行攪碎和機(jī)器人向前推進(jìn)，完成機(jī)器人對(duì)管道淤泥的鏟除及運(yùn)出。

機(jī)器人在污水管道的運(yùn)行耗電量極大，因此為了確保機(jī)器人在管道行走距離超過(guò)5 千米，機(jī)器人裝帶有2 組12.8V10Ah鋰電池。機(jī)器人在刀絞淤泥時(shí)，為防止淤泥塊使刀片停轉(zhuǎn)，機(jī)器人帶有刀片電機(jī)電流過(guò)大停轉(zhuǎn)功能，停轉(zhuǎn)功能是由單片機(jī)控制的，單片機(jī)與刀片電機(jī)用數(shù)據(jù)線相連。為了完成對(duì)機(jī)器人多個(gè)行走單元的精確控制，機(jī)器人速度系統(tǒng)使用基于模糊PI 算法的控制系統(tǒng)[1]。

4 管道清淤機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

清淤機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其機(jī)械主體主要由3 部分組成，分別為1：后行走裝置，2：前行走裝置，3：清淤裝置。

圖2 專(zhuān)用型管道清淤機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，前行走裝置處于整機(jī)的中間位置，是清淤機(jī)器人支撐、運(yùn)泥的主要機(jī)構(gòu)。前行走裝置機(jī)構(gòu)與后行走裝置分界截面的截面簡(jiǎn)圖如圖3 所示，該機(jī)構(gòu)主要由分布在圓周內(nèi)5 組行走單元組成，各由1 個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該清淤機(jī)器人采用后行走裝置驅(qū)動(dòng)的方式。在理想狀態(tài)下，5 個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)不會(huì)啟動(dòng)，僅起支撐作用，僅在緊急情況下使用。

后行走裝置是管道清淤機(jī)器人前進(jìn)的主要?jiǎng)恿C(jī)構(gòu)。當(dāng)清淤機(jī)器人在管道內(nèi)向前推進(jìn)時(shí)，后行走機(jī)構(gòu)的電機(jī)啟動(dòng)，后行走裝置左右兩側(cè)行走輪向前勻速滾動(dòng)。

清淤裝置上主要有清淤盤(pán)和鏟泥板，鏟泥板截面示意圖如圖4 所示。清淤裝置通過(guò)鏟泥板刮下附著在管道內(nèi)壁的淤泥，并通過(guò)清淤盤(pán)中內(nèi)置電機(jī)帶動(dòng)的4 個(gè)攪泥刀片，將大塊的淤泥攪碎，并運(yùn)至運(yùn)泥筒中。

圖4 鏟泥板截面示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將行走裝置、攝像頭、大容量電池、單片機(jī)等部件組成機(jī)器人，在內(nèi)部軟件的支持下實(shí)現(xiàn)管道清淤的機(jī)械化、智能化。雖然只能完成管道清淤，但是有效降低了管道清掏的人工與時(shí)間成本。