湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 劉嘉誠 陳濤 朱鄖濤 吳瀟

城市地下管道機(jī)器人

湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 劉嘉誠 陳濤 朱鄖濤 吳瀟

我國華中和華南地區(qū)夏季雨水越來越集中，強(qiáng)降水給城市地下管道的排水帶來了相當(dāng)大的壓力，在此壓力下，老城市舊的排水管道系統(tǒng)逐漸暴露越來越多的問題。又由于城市地下管線數(shù)量巨大、種類繁多、新舊層次突出，使得對(duì)缺陷檢測、定位以及維修等工作的難度極大，嚴(yán)重制約了我國“十三五”城市地下綜合管廊建設(shè)和城鎮(zhèn)化發(fā)展的進(jìn)程。因此，研發(fā)一套可以遠(yuǎn)程檢測的城市地下管道機(jī)器人來替代人工作業(yè)，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，在管道的疏通和維護(hù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景和十分重要的意義。

地下管道；缺陷檢測；管道疏通；城市地下管道機(jī)器人

1 背景

在城市地下，埋藏著無數(shù)錯(cuò)綜復(fù)雜的各種管道，這些管道保障著我們的生活，更關(guān)乎著城市運(yùn)行的質(zhì)量。如果把城市比作人體，四通八達(dá)的地下管網(wǎng)如同身體內(nèi)“血管”，為城市的生存、發(fā)展輸送養(yǎng)料，排出污物，完成循環(huán)。隨著管道使用年限的增加，難免會(huì)出現(xiàn)老化、變形、破損的現(xiàn)象，對(duì)城市排水系統(tǒng)造成隱患。通過人工下管道檢修，不僅效率低下，而且對(duì)人體有害。如2008年7月31日，安徽淮北市7名民工在檢查污水管道時(shí)中毒。2009年5月26日蕭山靖江鎮(zhèn)機(jī)場2期安置區(qū)，1名工人下到井里作業(yè)時(shí)發(fā)生意外。2011年6月9日，溫州扶貧開發(fā)區(qū)中興路發(fā)生一起檢查下水管道雨水的工人中毒的事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近幾年國內(nèi)每年城市排水管道檢修、疏通事故千余起，造成了很多人員傷亡，同時(shí)間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)百億元之多[1]。

管道作為一種方便、有效的物料輸送工具，在日常生活中應(yīng)用非常地廣泛。

但由于有些特殊的管道輸送一些化學(xué)物質(zhì)或者長時(shí)間腐蝕，難免出現(xiàn)泄漏、裂紋等現(xiàn)象，這些問題靠人通常很難解決，有些管道的口徑非常小，對(duì)管道的檢測維護(hù)是一件非常困難的事情，起初，如果管道出現(xiàn)了問題，人們通過把整個(gè)管道挖出來，進(jìn)行檢查維護(hù)，這樣耗費(fèi)大量的人力物力，效率極低[2]。現(xiàn)在大多采用管道機(jī)器人來檢測，通過其攜帶的高靈敏傳感器、高清攝像頭、傾斜角傳感器、多自由度機(jī)械臂、高壓清洗設(shè)備、焊接裝置、圖層裝置等設(shè)備來完成管道內(nèi)特定的工作[3]。

為了提高管道的可靠性，防止泄漏、堵塞等事故的發(fā)生，每年針對(duì)管道進(jìn)行維護(hù)檢測，傳統(tǒng)的檢測方式多采用管道機(jī)器人來代替人工檢測。由于輪式機(jī)器人具有驅(qū)動(dòng)方式簡單、容易控制、運(yùn)行效果好等特點(diǎn)，輪式管道機(jī)器人作為管道檢測設(shè)備的使用越來越廣泛[4]。然而，國內(nèi)管道機(jī)器人品種較少，且對(duì)于管道的適應(yīng)性較差，功能不足，國外設(shè)備非常昂貴，因此開發(fā)出一套經(jīng)濟(jì)可靠的管道機(jī)器人很有意義。

2 城市管道機(jī)器人功能模塊介紹

管道機(jī)器人功能包括底盤爬行模塊，云臺(tái)升降模塊，相機(jī)旋轉(zhuǎn)模塊，燈光亮度調(diào)節(jié)模塊，姿態(tài)顯示模塊，氣壓顯示模塊，溫度顯示模塊，激光測量模塊，機(jī)器人測速模塊，纜線車模塊，如下圖1所示。控制面板或者PC上位機(jī)控制端通過TCP/IP協(xié)議與管道機(jī)器人主控制通信。機(jī)械面板控制主要通過搖桿、按鈕、旋鈕等對(duì)管道機(jī)器人進(jìn)行控制，如下圖2所示。而用PC上位機(jī)來操控，只需要用鼠標(biāo)點(diǎn)擊上位機(jī)上的虛擬按鈕來控制，如下圖3所示。

圖1 管道機(jī)器人的控制系統(tǒng)模塊圖

圖2 機(jī)械控制面板

圖3 PC上位機(jī)控制端

3 管道機(jī)器人在管道行走實(shí)驗(yàn)

管道機(jī)器人在水泥管道測試，如圖4所示。通過電腦上的上位機(jī)或者機(jī)械控制面板遠(yuǎn)程操控機(jī)器人，在管道里對(duì)機(jī)器人功能上做了一些測試，包括視頻采集的實(shí)時(shí)性（包括視頻有無卡頓現(xiàn)象）、鏡頭參數(shù)的調(diào)節(jié)、燈光亮度的調(diào)節(jié)、前后燈的切換、攝像頭的旋轉(zhuǎn)測試、云臺(tái)和攝像頭復(fù)位測試、纜車收放線測試，都能夠滿足功能要求。通過在管道內(nèi)部對(duì)機(jī)器人攝像頭的控制，機(jī)器人在管道內(nèi)部進(jìn)行視頻采集，視頻效果良好，能夠清晰地看到管道內(nèi)部的情況,如圖5所示。

圖4 機(jī)器人下管道測試圖

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控圖像

4 總結(jié)

城市地下管道機(jī)器人研制的意義在于改善了當(dāng)前疏通管道時(shí)工人惡劣的工作環(huán)境、降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、保障工人的人身安全、提高排水管道清理的效率，也加快了城市地下綜合管廊建設(shè)和城鎮(zhèn)化發(fā)展的進(jìn)程。此外，還可應(yīng)用于檢測管道的破裂、腐蝕和焊縫質(zhì)量情況；在惡劣環(huán)境下管道的清掃、焊接、內(nèi)部拋光等維護(hù)工作；應(yīng)用于核反應(yīng)堆的管道方面，減少對(duì)工作人員的傷害；應(yīng)用于海洋油氣輸送管道方面等。

[1]蔡輝.排水管道檢測機(jī)器人的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[d].湖南大學(xué)，2012.

[2]甘小明，徐濱士，董世運(yùn)等.管道機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用[J].2003，6：5-10.

[3]小云，顏國正，鄢波.一種新型管道檢測機(jī)器人系統(tǒng).上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38(8)：13-24.

[4]申立琴，宋章軍.排水管道檢測機(jī)器人控制系統(tǒng)研究[J].先進(jìn)技術(shù)研究通報(bào)，2009，3（7）：38-41.

2017-09-11）