城市排水管道清淤機(jī)器人研究綜述

沈體強

（華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063000）

城市排水管道清淤機(jī)器人研究綜述

沈體強

（華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063000）

分析了城市排水管道清淤機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，按照行走方式對清淤機(jī)器人進(jìn)行了歸類，總結(jié)了各種管道清淤機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，并對各種清淤機(jī)器人的運動性能進(jìn)行了分析對比，指出了各類管道清淤機(jī)器人存在的問題，展望了城市管道清淤機(jī)器人的發(fā)展方向。

城市；管道清淤機(jī)器人；研究；發(fā)展

1 引言

隨著我國城市化逐漸的加快，城市排水系統(tǒng)的規(guī)模也逐漸擴(kuò)大，然而大多數(shù)的排水管道隨著長時間的淤泥沉積，開始出現(xiàn)管道堵塞、污水溢流的情況，污染了環(huán)境，給社會經(jīng)濟(jì)造成了巨大損失。城市排水系統(tǒng)相當(dāng)于我們城市的命脈，必須定期清理排水管道，對于保護(hù)城市環(huán)境、避免污染、維護(hù)市容市貌、提高人民生活質(zhì)量，有著極其重要的意義。因此，為保證排水系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，就必須對排水管道進(jìn)行定期疏通、清理。然而，排水管道中環(huán)境惡劣，還有一些有毒氣體，靠人工清理難度較大，且容易對人身安全造成危害，于是排水管道清淤機(jī)器人應(yīng)運而生。城市排水管道清淤機(jī)器人是一種可在操作人員的通過計算機(jī)遙控控制下，在排水管道內(nèi)部自動行走，完成一系列管道清淤作業(yè)的機(jī)器人［1］［2］。

2 城市排水管道清淤機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及分類

目前，國內(nèi)外許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行管道清淤機(jī)器人的研究，并且取得了較大的進(jìn)展，其中有些研究成果在現(xiàn)實生活中已經(jīng)得到了應(yīng)用。這些管道清淤機(jī)器人按行走機(jī)構(gòu)主要分為蠕動式、腳式、輪式和履帶式等［3］。

2.1 蠕動式管道清淤機(jī)器人

蠕動式管道清淤機(jī)器人是像蚯蚓一樣利用蠕動的方式行進(jìn)的器人，主要是通過腹部的摩擦表層左右扭動來行走，機(jī)器人先是收縮前半部分身體，而后利用腹部的摩擦力帶動后半部分身體前進(jìn)，最后再展開已經(jīng)收縮的前半部分身體，從而實現(xiàn)了蠕動前進(jìn)的目的［4］。

2.2 腳式管道清淤機(jī)器人

美國的Automatika公司研制出的一種名為TIGRE的腳式管道清淤機(jī)器人，其基本工作原理是通過腿推壓管道壁來支撐身體，再利用裝有彈簧的傾斜支撐臂把腿上的車輪緊壓在管道內(nèi)壁上，使其產(chǎn)生預(yù)壓力，利用軟軸將扭矩作用使機(jī)器人向前行走。這種方式便于在各種形狀的管道內(nèi)行走，能夠輕松的越過障礙物，它可以在400～900mm的可變直徑的管道中工作。

2.3 輪式管道清淤機(jī)器人

輪式管道清淤機(jī)器人采用對稱分布式的行走機(jī)構(gòu)，車輪緊貼在管道內(nèi)壁表面，能夠?qū)艿纼?nèi)壁具有較大壓力，爬坡能力強，可以傾斜放置的排水管道中行走［5］。例如俄羅斯塔里斯公司開發(fā)的月球車系列管道機(jī)器人共有9個電驅(qū)動裝置，能有效將整個機(jī)器人聯(lián)接起來，能夠轉(zhuǎn)動工作部件，裝有攝像機(jī)，可完成觀察修理工作。另外，機(jī)器人的自身可以彎曲，能從豎孔中鉆進(jìn)橫向管道。

2.4 履帶管道清淤機(jī)器人

履帶式管道機(jī)器人包括履帶行走部分、控制器、車載傳感器和通訊系統(tǒng)，其履帶裝有轉(zhuǎn)向裝置，能夠靈活前后移動以及左右轉(zhuǎn)向，采用蓄電池作為動力源并可無線通訊。

3 各類管清淤機(jī)器人的性能分析

（1）蠕動式管道清淤機(jī)器人的運動空間較小，能夠在管道直徑比較小的管道內(nèi)行走，但這種行走方式為間歇性直線運動，移動速度緩慢，且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，難以實現(xiàn)，不能滿足實際需要，因此應(yīng)用較少。

（2）腳式管道清淤機(jī)器人便于在各種形狀的管道內(nèi)行走，能夠輕松的越過障礙物，但是其支撐足的伸展受到空間的限制，運動能力較差，移動速度緩慢，僅僅進(jìn)行了理論研究，難以進(jìn)行實際應(yīng)用。

（3）輪式管道清淤機(jī)器人由于輪式管道清淤機(jī)器人的中心與排水管道中心相重合，使得機(jī)器人運動平穩(wěn)性較好。具有結(jié)構(gòu)簡單、運動能力強、便于控制等特點，也是現(xiàn)實應(yīng)用最多的一種機(jī)器人。

（4）履帶式管道清淤機(jī)器人的履帶與管道的基礎(chǔ)面積大，具有較好的附著性，越障能力強，在淤泥較多的管道內(nèi)也能正常行走，但受身體的質(zhì)量、行走速度的限制，履帶式管道清淤機(jī)器人主要應(yīng)用于大中型排水管道。

4 結(jié)束語

現(xiàn)有排水管道清淤機(jī)器人的技術(shù)還不是很成熟，當(dāng)前排水管道清淤機(jī)器人都是遙控型機(jī)器人，都不具備自主行走的能力。在清淤過程中，工作人員需時刻關(guān)注機(jī)器人的狀態(tài)，容易疲勞。隨著管道清淤機(jī)器人智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，智能排水管道清淤機(jī)器人一定能夠應(yīng)用于實際。而智能管道清淤機(jī)器人的核心是智能控制算法，因此，其關(guān)鍵技術(shù)就是要選取合適的智能控制算法。智能管道清淤機(jī)器人具有自主行走能力，可將降低工作人員的勞動強度，提高清淤效率和質(zhì)量。

［1］湯霞，陳衛(wèi)兵，李懷正.城市排水系統(tǒng)沉積物特性及清淤方式研究進(jìn)展［J］.城市道橋與防洪，2013，3（03）.

［2］李俊.城市排水管道的清淤問題［J］.黑龍江水利科技，2004（01）：122-123.

［3］李磊，葉濤，譚民等.移動機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來［J］.機(jī)器人，2002，24（05）：475-480.

［4］徐國華，譚民.移動機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2001（03）：7-14.

［5］甘小明，徐濱士，董世運等.管道機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2003（06）：5-10.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.253

沈體強（1989-），男，碩士研究生，主要從事機(jī)器人技術(shù)方向的研究。