西安思源學(xué)院工學(xué)院 白光榜 趙 祎 羅 強(qiáng) 張建偉 張 錦 李美星

管道工程作為一種重要的經(jīng)濟(jì)社會基礎(chǔ)性建設(shè)設(shè)施，它的應(yīng)用十分廣泛。管道在日常使用的過程中，由于受到各種原因的干擾，會導(dǎo)致管道發(fā)生各種堵塞，從而引起管道的堵塞甚至導(dǎo)致破壞。若不及時地對管道進(jìn)行排除、維護(hù)以及清理，則有可能會產(chǎn)生更大的隱患。由于管道內(nèi)的空間和環(huán)境的影響，人們不能直接檢測和維護(hù)，檢測和清洗工作的難度很高。所以有效辦法就是設(shè)計(jì)一種可以替代人工的機(jī)器，幫助人們高效率的工作。

針對上述問題，本文將介紹一種多功能管道疏通機(jī)器人，其采用三個履帶輪的作業(yè)方式，解決了疏通設(shè)備難以適應(yīng)管道復(fù)雜工作環(huán)境的難題，實(shí)現(xiàn)了高效率、高質(zhì)量完成管道疏通工作的目的。

1 多功能管道疏通機(jī)器人的簡介

多功能管道疏通機(jī)器人主要是解決中小型管道堵塞和清除污垢以及檢測管道封閉性的機(jī)器人。結(jié)構(gòu)由三個履帶輪和主體部分組成，三個履帶輪通過調(diào)節(jié)可以確保作業(yè)時的穩(wěn)定性，如圖1。主體部分有動力輸出和探測器，以及清理的裝置。在不同的管道工作時，檢測裝置和清理裝置都可以更換，選擇好更有利于工作的裝置。此機(jī)器人的控制可以自動在管道里行走作業(yè)，也可以通過遙控來進(jìn)行操控，如圖2所示。

圖1 管道疏通機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 機(jī)器人工作狀態(tài)示意圖

2 多功能管道疏通機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理

（1）機(jī)器人的動力輸出以及三個履帶輪通過氣壓缸裝置的調(diào)節(jié)，三個履帶輪確保在一個同心圓內(nèi)，可以有效的使其在管道內(nèi)行走。

（2）機(jī)器人主體部分設(shè)計(jì)成軟體結(jié)構(gòu)，使其在兩個管道接口處可以形成一定的彎度，依舊可以在管道內(nèi)正常工作。

（3）采用arduino進(jìn)行控制，通過超聲波傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器openmv視覺識別攝像頭可以確保機(jī)器人的檢測功能。

2.1 行走裝置的選擇-履帶輪

通過搜集資料和調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)履帶輪行走裝置在管內(nèi)行走遠(yuǎn)遠(yuǎn)可能優(yōu)于其他不同類型的行走機(jī)構(gòu)。首先，履帶輪可以大面積的接觸在管壁內(nèi)，這樣就完全可以直接使得機(jī)器人的履帶與管壁之間產(chǎn)生較大的橫向摩擦力，防止機(jī)器人脫落，可以有效快速的進(jìn)行作業(yè)，為了適應(yīng)不同的管徑范圍，在機(jī)器人的每個履帶輪上都裝有氣壓缸結(jié)構(gòu)，如圖3所示。當(dāng)要求在不同型號管內(nèi)工作時，可以通過氣缸來調(diào)整三個履帶輪的位置，使得三個履帶輪的空間位置在同一圓上，確保每個履帶輪貼在管壁內(nèi)，這樣就可以適應(yīng)不同大小的管道，提高了工作效率。

圖3 氣壓缸工作原理

履帶式結(jié)構(gòu)的分析：

優(yōu)點(diǎn)：

（1）履帶式機(jī)器人接觸面積大，適用于松軟或者泥濘的工作場地上進(jìn)行工作，在管道內(nèi)不易打滑，防止在垂直管道墜落。

（2）履帶式機(jī)器人可以輕松的越過障礙物。

（3）履帶輪有強(qiáng)勁的抓地力，這樣可以確保機(jī)器人在清理雜物時正常前進(jìn)。

當(dāng)然，履帶式機(jī)器人也存在一些缺點(diǎn)，首先，履帶輪相比傳統(tǒng)輪子要重，這樣使人們攜帶起來就有一些不便，其次，履帶式機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時，由于和管壁直接接觸摩擦，會對地面有較大的剪切破壞，因此會對管壁造成一定的損壞。

2.2 機(jī)器人電機(jī)的選擇

由于管道疏通機(jī)器人受到各種管道阻力約束和受到限定的各種條件下進(jìn)行作業(yè)的，特別是在那些經(jīng)常具有彎曲的大型管道里需要進(jìn)行大功率高速運(yùn)行，首先要具備一個足夠的摩擦力以及他們能夠同時克服管道重力的相互作用，另一方面還要求需要為他們自身提供一個足夠大的推動力同時克服所帶來的管道阻力。考慮到在管內(nèi)工作時的需求，盡量減少機(jī)器人的重量和體積，因此本設(shè)計(jì)采用直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，采用可充電航模電池提供動力輸出，可以有效的減少機(jī)器人的自身重量。每個履帶輪獨(dú)立配備一個直流電機(jī)，這樣就可以輸出更強(qiáng)的動力。

2.3 機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于管道內(nèi)部的各種復(fù)雜環(huán)境，機(jī)器人必須可以自主完成作業(yè)任務(wù)，因此采用單片機(jī)來控制整個機(jī)器人運(yùn)行，單片機(jī)采用arduino，安裝各種傳感器和探測儀器，設(shè)計(jì)出各個模塊的功能，這樣可以確保機(jī)器人實(shí)時傳送管道內(nèi)的情況。同時機(jī)器人在管道內(nèi)進(jìn)行檢查、清理、修復(fù)時可能會使其受到一定損壞，因此，我們要考慮到機(jī)器人的自治和自我修復(fù)功能，這樣機(jī)器人即使出現(xiàn)問題，也可以通過自身調(diào)節(jié)解決，這將在工作中會很大的提高效率。

3 多功能管道疏通機(jī)器人的功能

基于以上基本結(jié)構(gòu)技術(shù)原理，其功能如下：

（1）當(dāng)管道堵塞時，將機(jī)器人放進(jìn)管道的入口，調(diào)節(jié)三個履帶輪的位置，使其貼入管道內(nèi)壁，然后進(jìn)行工作，可其將管道內(nèi)部垃圾清潔到管道末端。

（2）當(dāng)管道破裂時，安裝上檢測裝置，使機(jī)器人在管內(nèi)進(jìn)行檢測排查，確定管道破裂的位置。

（3）多功能管道機(jī)器人還可以檢測部分管道內(nèi)的溫度、濕度等，檢查其封閉性。

（4）可以根據(jù)在不同環(huán)境的作業(yè)需求，可以裝配不同的檢測裝置和清理裝置，進(jìn)行實(shí)時影像檢測、分析處理，確保在不同環(huán)境下都可以進(jìn)行有效的工作。

結(jié)語：隨著人們生活水平的不斷提高，城市建設(shè)也越來越大，許多管道由于管內(nèi)污物的存在，很容易發(fā)生堵塞狀況，因此管道疏通工作耗費(fèi)了大量的人力物力，而且工作效率很低。因此急需一種能夠代替人工來完成管道疏通工作的機(jī)械設(shè)備，提高工作效率，節(jié)省人力物力。

目前市場清潔管道的相似產(chǎn)品存在使用的局限性，每種產(chǎn)品只能對應(yīng)一種型號的管道，多功能管道疏通機(jī)器人可以在不同型號的管道里進(jìn)行作業(yè)，同時具有探測和清理的功能，結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)解決了以往管道里復(fù)雜情況對作業(yè)時的不利影響。并且可以更換不同的裝置，實(shí)現(xiàn)多功能的用途。從而可以有效降低使用成本，大大提高了作業(yè)效率。