摘 要：【目的】為有效解決各種管道中的污垢處理問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種管道偵測(cè)疏通清理機(jī)器人。【方法】針對(duì)管道結(jié)構(gòu)及內(nèi)部環(huán)境特點(diǎn)，使用SolidWorks軟件建立管道偵測(cè)疏通清理一體化機(jī)器人三維模型。為提高管道內(nèi)污垢清理效率，機(jī)器人集成了視覺(jué)識(shí)別裝置、履帶驅(qū)動(dòng)裝置和管徑調(diào)節(jié)裝置等結(jié)構(gòu)，可以自動(dòng)識(shí)別管道內(nèi)的情況并進(jìn)行路徑規(guī)劃。并利用Ansys軟件對(duì)機(jī)器人外殼和連接軸進(jìn)行有限元分析。【結(jié)果】計(jì)算結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)合理，強(qiáng)度符合要求。【結(jié)論】所設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人可以顯著降低管道清理的人工成本，減少在清理過(guò)程中對(duì)管道結(jié)構(gòu)的損壞，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：管道疏通；履帶驅(qū)動(dòng)裝置；SolidWorks；路徑規(guī)劃

中圖分類號(hào)：TH137.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）18-0050-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.18.010

Design of Integrated Robot for Pipeline Detection， Dredging and

Cleaning

SUN Hanbing1 WANG Yuqin1 ZHOU Luxiang1，2 SHAO Jiale1

（1.School of Mechanical Engineering ， Chaohu University， Hefei 238024， China;

2.School of Mechanical Engineering， Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000， China）

Abstract： [Purposes] In order to effectively solve the problem of dirt treatment in various pipelines， a robot for pipeline detection， dredging and cleaning is designed. [Methods] According to the characteristics of pipeline structure and internal environment， the three-dimensional model of the robot for pipeline detection， dredging and cleaning is established by SolidWorks software. In order to improve the efficiency of cleaning dirt in the pipeline， the robot integrates visual recognition device， crawler drive device and pipe diameter adjustment device， which can automatically identify the situation in the pipeline and plan the path. The finite element analysis of the robot shell and connecting shaft is carried out by Ansys software. [Findings] The calculation results show that the designed robot is reasonable in structure and meets the requirements in strength. [Conclusions] The designed pipeline robot can significantly reduce the labor cost of pipeline cleaning and reduce the damage of pipeline structure during cleaning， which has certain application and promotion value.

Keywords： pipeline dredging; track drive device; SolidWorks; path planning

0 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，石油、天然氣的需求量不斷攀升，其運(yùn)輸量也日益增加。在運(yùn)輸過(guò)程中，管道扮演了極為重要的角色，其具有占地面積小、密封性能好、運(yùn)輸能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［1］。同時(shí)，隨著城鎮(zhèn)一體化的發(fā)展，管道已融入人們生活的方方面面，無(wú)論是家庭下水管道、城市公共管道，還是其他各種類型的管道，都發(fā)揮著重要的作用［2］。然而，隨著管道的頻繁使用，加上受到各種因素的影響，管道內(nèi)部環(huán)境變得相當(dāng)惡劣，比如家用下水管道因生活垃圾堵塞導(dǎo)致的管道不暢通問(wèn)題時(shí)常發(fā)生，給人們的日常生活帶來(lái)了諸多不便。

目前，管道垃圾的清潔方式主要有機(jī)械清除、人工清理和化學(xué)清理等［3］。傳統(tǒng)的物理清洗主要采用機(jī)械結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)、刮、吸、吹、振動(dòng)等方式，其污垢清理效率較低，同時(shí)也會(huì)對(duì)管道的內(nèi)壁造成結(jié)構(gòu)性損傷。化學(xué)清理方式會(huì)腐蝕管道內(nèi)壁，從而造成管道二次破壞。人工清理方式受到管道空間環(huán)境的限制，很難對(duì)所有位置的管道進(jìn)行有效清理。

為提高管道污垢清理效率，本文擬設(shè)計(jì)一款集偵測(cè)、疏通、清理于一體的多功能管道機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)雜質(zhì)的快速清除。工作人員可以通過(guò)遙控裝置操控機(jī)器人偵測(cè)、清理管道內(nèi)部的污垢、異物和沉積物，以保障管道通暢。同時(shí)根據(jù)不同污垢以及不同材質(zhì)和老化的管道，清理機(jī)器人可以實(shí)時(shí)調(diào)整疏通方式。另外，根據(jù)管道管徑的不同，清理機(jī)器人可以自由伸縮履帶，保證其與管道貼合。所設(shè)計(jì)的多功能管道機(jī)器人可以有效降低人工參與程度，提高管道疏通清理效率。

1 工作原理及設(shè)計(jì)思路

1.1 工作原理

管道偵測(cè)疏通清理一體機(jī)器人配備傳感器和攝像頭，可以對(duì)管道內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行偵測(cè)，例如管道壁面的狀況、污垢堵塞的位置及堵塞程度，還包括管道內(nèi)徑大小、管道的形狀和走向［4］。機(jī)器人將傳感器獲取的數(shù)據(jù)傳輸至處理器進(jìn)行分析，以確定管道內(nèi)部情況，從而生成一張管道網(wǎng)絡(luò)圖。

通過(guò)內(nèi)部芯片處理分析，確定機(jī)器人的清理方式，如噴水裝置、清理刀片和毛刷等，從而對(duì)管道內(nèi)的污垢和堵塞物進(jìn)行清理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉環(huán)。當(dāng)管道環(huán)境復(fù)雜時(shí)，機(jī)器人無(wú)法自主清理時(shí)，工作人員可以通過(guò)遙控裝置對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)操控，確保機(jī)器人清理工作的安全性和高效性［5］。機(jī)器人總體運(yùn)行流程如圖1所示。

1.2 整體設(shè)計(jì)思路

本研究所設(shè)計(jì)的履帶驅(qū)動(dòng)式的管道偵測(cè)疏通清理一體機(jī)器人主要由履帶驅(qū)動(dòng)裝置、視覺(jué)識(shí)別裝置和管徑調(diào)節(jié)裝置等組成，利用SolidWorks軟件對(duì)其相關(guān)零件進(jìn)行建模和裝配，得到其主體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。機(jī)器人利用履帶驅(qū)動(dòng)，可以在不平整的管壁內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行。視覺(jué)識(shí)別單元可以使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)部環(huán)境的自主識(shí)別，通過(guò)分析管徑大小自動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行，從而有效降低人工干預(yù)程度。同時(shí)，根據(jù)管道內(nèi)污垢類型，機(jī)器人可以選擇合適的清理疏通方法，提高工作效率。

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 履帶驅(qū)動(dòng)裝置

鑒于管道材質(zhì)、管徑及形狀的不同，機(jī)器人采用履帶驅(qū)動(dòng)，以增強(qiáng)機(jī)器人適配管道的能力，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。履帶設(shè)計(jì)增加了機(jī)器人與管道內(nèi)壁的接觸面積，可以有效分散機(jī)器人的壓力，避免對(duì)管道造成破壞。另外，由于履帶較長(zhǎng)，前后跨度大，可以防止機(jī)器人傾覆或滑移，特別是在管壁凹凸不平的管道連接處，機(jī)器人可以順利通過(guò)，提高了機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)行的穩(wěn)定性。而且履帶與管道之間的摩擦力較大，因此可以提供更大的牽引力，使電能更大程度地轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。針對(duì)不同的使用場(chǎng)景，該履帶采用了兩條固定軸以及一條管徑調(diào)節(jié)彈簧軸進(jìn)行固定，提高了履帶的牢固性，避免發(fā)生履帶跑偏的現(xiàn)象［6-8］。機(jī)器人履帶搭配轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過(guò)控制履帶之間的速度差使機(jī)器人產(chǎn)生一個(gè)圍繞機(jī)體中心的轉(zhuǎn)向力矩，從而完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作。

2.2 管徑調(diào)節(jié)適配裝置

該機(jī)器人安裝有彈簧軸，根據(jù)管徑大小，彈簧可以自由伸縮，保證履帶與管道緊密接觸，提高了機(jī)器人的泛用性。同時(shí)，通過(guò)彈簧可以增加履帶對(duì)管道的接觸壓力，提高履帶與管壁之間的摩擦力，從而支撐起整個(gè)設(shè)備，保證了機(jī)器人的穩(wěn)定性和耐用性，防止出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，管徑調(diào)節(jié)裝置提高了機(jī)器人的靈活度和適應(yīng)性，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 視覺(jué)識(shí)別裝置

視覺(jué)識(shí)別裝置分布在機(jī)器人的前端，其通過(guò)智能連接系統(tǒng)，可以在遙控器屏幕或者手機(jī)上觀察管道內(nèi)部的情況。另外，視覺(jué)識(shí)別裝置有多個(gè)偵測(cè)攝像頭，可對(duì)管道進(jìn)行更加全面的偵查。與此同時(shí)，機(jī)器內(nèi)部芯片能夠根據(jù)收集的管道信息，自動(dòng)生成完整的管道圖。該管道圖不僅可以標(biāo)注污垢類型和堵塞位置，也為后續(xù)的清理工作提供數(shù)據(jù)支持。工作人員還可以利用視覺(jué)識(shí)別裝置，自行操控機(jī)器人進(jìn)行清理工作。視覺(jué)識(shí)別裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.4 高壓水射流裝置

機(jī)器人高壓水槍由萬(wàn)向水射噴頭、水流調(diào)節(jié)裝置、泡沫噴頭和噴頭支撐架等組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。高壓水槍的強(qiáng)大壓力結(jié)合清潔泡沫，可以輕松地將管道內(nèi)壁的污垢沖洗干凈。水流調(diào)節(jié)裝置可以根據(jù)管道沖洗范圍調(diào)節(jié)水流壓力，當(dāng)遇到老化程度嚴(yán)重的管道時(shí)，可以調(diào)小水流壓力，從而減少對(duì)管道的損壞。該機(jī)器人通過(guò)控制高壓水槍，可以更好地對(duì)管道內(nèi)的污垢進(jìn)行沖洗，提高了去污效率。

2.5 工作組清理裝置

該機(jī)器人工作組清理裝置由切割輪、硬毛刷和軟毛刷組成，可以根據(jù)不同的管道條件進(jìn)行調(diào)換，以適應(yīng)不同類型的污垢，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。切割輪外圈有清理葉片，能夠粉碎管道內(nèi)相對(duì)較硬的污垢，通過(guò)水流將細(xì)小碎片沖出去，從而達(dá)到清理的目的。而軟毛刷和硬毛刷可以清理一些質(zhì)地韌性較差的管道，通過(guò)硬毛刷上的鋼絲可以清除附著在管道上的頑固污垢，軟毛刷可以直接清除質(zhì)地較軟的污垢。參考盾構(gòu)機(jī)的工作方式，該機(jī)器人轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能夠確保管道的安全性以及設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性［9-11］。均勻排列的切割片可以避免管道內(nèi)壁的應(yīng)力集中，降低挖掘過(guò)程中的能源消耗。

3 主要結(jié)構(gòu)件有限元分析

由于管道內(nèi)環(huán)境潮濕，為避免零件生銹腐蝕，機(jī)器人零部件大多采用不銹鋼材料。本研究利用Ansys有限元分析軟件對(duì)零件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，以保證零件的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求［12-14］。

3.1 機(jī)器外殼結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

機(jī)器外殼由6塊304不銹鋼加工拼接而成，具有較強(qiáng)的耐腐蝕性和較高的硬度。不銹鋼板通過(guò)連接軸和彈簧軸與履帶驅(qū)動(dòng)裝置連接，呈交替形式排列，確保機(jī)器人在管道中工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。

機(jī)器人在工作過(guò)程中，主要承受來(lái)自機(jī)器工作組清理裝置指向機(jī)體方向的壓力以及三條履帶通過(guò)連接軸對(duì)機(jī)器外殼的壓力。為了確保機(jī)器人在極端環(huán)境下能保持安全運(yùn)轉(zhuǎn)且發(fā)揮最大性能，對(duì)機(jī)器外殼進(jìn)行有限分析，其應(yīng)力和位移云圖如圖8所示。由圖8可知，對(duì)機(jī)器外殼施加50 N的壓力，機(jī)器外殼所受到的反作用力為49.997 4 N，泊松比為0.27。機(jī)器外殼的最大等效應(yīng)力為2.378×106 N/m2，最大位移量為8.667×10-3 mm?？梢?jiàn)，機(jī)器外殼的最大等效應(yīng)力和位移量在許用范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 履帶-機(jī)器外殼連接軸靜力學(xué)分析

履帶-機(jī)器外殼連接軸由316不銹鋼材料制成，具有良好的耐腐蝕性和耐磨性。連接軸是履帶驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)器外殼的連接方式之一，其承受來(lái)自履帶對(duì)管道的摩擦力，不可避免地受到牽連作用。為檢驗(yàn)應(yīng)變是否符合要求，對(duì)連接軸施加一個(gè)[x]軸方向的壓力 ［15-17］。履帶-機(jī)器外殼連接軸應(yīng)力云圖和履帶-機(jī)器外殼連接軸位移如圖9所示。由圖9可知，履帶-機(jī)器外殼連接軸的泊松比為0.27，所施加壓力為50 N，連接軸所受到的反作用力為49.998 4 N。連接軸的最大等效應(yīng)力為7.210×107 N/m2，最大位移量為0.243 5 mm?？梢?jiàn)，所設(shè)計(jì)的連接軸的應(yīng)力應(yīng)變?cè)谠S用范圍內(nèi)，滿足使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究為有效提升管道清理工作的效率，設(shè)計(jì)了一種搭載視覺(jué)識(shí)別的管道偵測(cè)疏通清理一體機(jī)器人。該機(jī)器人配備了先進(jìn)的履帶驅(qū)動(dòng)裝置，以保證機(jī)器人可以輕松應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境，提高其越障能力。該機(jī)器人安裝了管徑調(diào)節(jié)裝置，使得履帶驅(qū)動(dòng)裝置與管壁可以緊密貼合。該機(jī)器人所搭載的視覺(jué)識(shí)別裝置，可以輕松識(shí)別和查找管道堵塞原因，并采取合適的清理方式進(jìn)行清理疏通工作，降低管道污垢的清理難度。本研究利用SolidWorks軟件構(gòu)建機(jī)器人三維模型，并利用Ansys軟件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。通過(guò)對(duì)比施壓前后的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)合理，滿足強(qiáng)度要求。綜上所述，所設(shè)計(jì)的管道偵測(cè)疏通清理一體機(jī)器人具有清理效率高、使用成本低和自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為未來(lái)管道清理技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)借鑒。

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收稿日期：2024-07-24

基金項(xiàng)目：安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“暢行無(wú)礙-管道疏通偵測(cè)清理一體機(jī)器人”（S202410380033）；安徽省傳統(tǒng)專業(yè)改造提升項(xiàng)目“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)改造提升”（2021zygzts039）；安徽省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“數(shù)控加工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”（2021xnfzxm070）。

作者簡(jiǎn)介：孫含冰（2005—），男，本科生，研究方向：機(jī)械制造。

通信作者：王玉勤（1985—），男，碩士，副教授，研究方向：機(jī)械系統(tǒng)測(cè)試與控制。