管道行進刮垢機器人設計

侯培紅 黃建平 徐彬1 周志勇

摘 要：在日常生活中，UPVC生活污水排水管道內常有污垢殘留，這些污垢在長時間的堆積之后，會與管道內壁有所粘連，不易清除，最終導致堵塞，嚴重影響人們的日常生活。這些污垢極難處理，嚴重時需要挖出整個管道，十分不便，費時費力，效率低下，不能滿足和適應現在人們的高品質生活需求。本稿介紹一種管道養護機器人，該機器人可在管道內行進，同時清除管內壁污垢，避免了管道的開挖處理，極大地減少了人力資源的浪費，具有非常廣闊的應用前景。

關鍵詞：管道機器人；UPVC管道；行進；污垢

1 緒論

在人們的日常生活中，因為種種原因，UPVC排水管網內部狀況難以了解，加上目前各種對管道養護的手段不多，導致了排水系統的一些積泥堵塞，以致“水漫街”情況常有發生，直接影響著城市交通和人民的安全。人們在餐后清洗碗筷排放殘余垃圾時，部分雜質污垢會殘留在管道內，這些污垢在長時間的堆積之后，會與管道內壁有所粘連不易清除，最終導致堵塞，嚴重影響人們的日常生活。這些污垢極難處理，嚴重時需要刨根挖土，挖出整個管道，十分不便，嚴重損耗勞動力，處理效率低下。

可見，研發用于常用材料UPVC的排水管道的管道除垢機器人有著重要的意義。2008年，管昌斌等專業人員提出了一種新型蠕動管道機器人的結構設計，該設計有效地提升了機器人的運行速度，并且盡可能地減小了與管道內壁的摩擦，非常實用。

管道除垢如今常用的方法一般分為化學除垢、高壓水除垢和機械除垢等。針對UPVC排水管道內徑較小等特點，本課題采用機器人技術，用機械除垢的方式，實現管道疏通、管壁污垢刮除及自動前后行進等功能，從而達到對管道的無損除垢。

2 管道機器人的分析與設計

2.1.1 管道機器人的主要性能及設計要求

本課題設計的機器人要求能在管道內疏通管道、刮除管壁污垢及自動前后行進，還要求機器人的支撐輪系可以適應不同內徑，有較好的防水密封性能，適應濕度較大的管道環境。該管道機器人適用于生活用UPVC管道，其管道與包膠輪的摩擦系數為0.5，管道內徑為110mm，相關性能指標如下：

（1）行進速度0.08m/s；

（2）整體質量10kg左右；

（3）管內受到的阻力1kg左右。

2.1.2 管道機器人的主要組成部分

本課題的管道機器人主要由行進部分和刀具部分兩大部分組成。為了實現實際應用的可靠性和實用性，管道清除機器人必須根據管道內工作環境特點，設計要保證運行的穩定。如果機器人在移動過程中旋轉，或者由于重心的移動，機器人的軸線和管道中心線會發生偏轉，可能會導致整個機構卡在管道內，不能取出。

一般根據驅動形式，管道機器人可分為輪式管道移動機器人，履帶式管道移動機器人和蠕動管道移動機器人。機器人常用的驅動方式有：液壓傳動，氣動傳動，電動傳動三種基本方式。其中，液壓和氣動方法對環境有更高的要求，實施起來更加復雜。

根據上述要求，結合蠕動式行進速度適中，管徑可以適應中小口徑，彎道通過能力一般，但大牽引力較大，密封性較好等特點，本設計采用蠕動式行進和電驅動的方法，傳動方式采用螺旋傳動的方式，即用直流伺服電機來帶動螺桿的正反轉，以完成行進過程。

蠕動式行進的管道機器人通常包括蠕動行進機構和制動結構。其中蠕動機器人的傳動機構是整個行進部分的核心機構；制動結構用來保證機器人在運動時與管道內壁的相對鎖定，配合傳動機構完成整個行進目的。

根據設計要求結合實際情況，

（1）螺桿螺母傳動機構：蠕動機構即螺桿螺母傳動機構作為機器人的驅動結構，完成伸展與收縮兩個動作，實現機器人在管道內的自動行進功能。

（2）制動機構：使用環形電磁鐵來完成制動。電磁鐵可以依靠控制，來改變它的長度在管道內，給與輪胎一個正壓力來實現制動功能。

（3）可變徑輪系機構：分為前后共六個輪子，在管道內以空間120°的方式撐開，保證機器人在管道內工作時的支撐，保證機器人的軸線與管道軸線重合，使機器人運動平穩。

2.1.3 管道機器人的行走原理

蠕動式管道機器人在管道內的運動具有間歇式的特點，整個工作行程由多個蠕動動作組合完成，一個正轉加一個反轉即為一個行程。向左為例，由一下幾個狀態組成：

狀態一：兩端處于鎖死狀態，防止即機器人左右移動；

狀態二：左段制動機構解鎖，電機帶動螺桿正轉，螺桿推動螺母左段整體向左移動；

狀態三：左段制動機構鎖定，右端制動機構解鎖，電機反轉，螺桿帶動右段整體向左移動；

狀態四：重復執行以上兩狀態。

2.2 主要機構設計方案

2.2.1 螺母螺桿傳動機構（蠕動機構）的分析運用

本設計中的螺桿驅動方式使螺母通過旋轉螺桿使其直線運動，占用空間小，易于鎖定，通常使用長行程螺桿。螺桿傳動方式主要傳遞動力，螺母通過螺桿的旋轉直接運動，螺母通過螺母連接件和連桿將動力傳遞給前端鉆頭部分。這種設計中的螺桿驅動器需要相對較大的軸向推力以及小的旋轉扭矩，并且通常是間歇運動。工作速度相對較低，通常需要自鎖功能。本設計中的管道機器人采用傳動力螺旋的螺旋力傳動方式。

螺桿驅動方式主要以傳遞動力為主，通過螺桿的轉動直接驅動螺母使其實現運動，螺母通過螺母連接件和連桿將驅動力傳遞給前鉆頭。在這種設計中，螺桿驅動需要較大的軸向驅動力和較小的轉動力矩，并且通常為間歇性運動，間歇運動的工作速度相對較低，通常需要自鎖功能。在這種設計中，管道機器人使用螺桿傳動。

2.2.2 制動機構

整個制動機構其實就是通過一個環形電磁鐵控制其吸合連接套，使聚氨酯的導向輪能夠壓緊到管道的內壁，從而實現隨時隨地制動的目的。

環形電磁鐵是諸多電磁鐵中的一種，通常也稱為電磁吸盤，電吸盤。環形電磁鐵就是利用通有電流的線圈使其產生磁場，并以導磁材料為介質，磁性裝置使它們像永磁體一樣，其材料容易被磁化并容易從磁性軟鐵或硅鋼中消失。這樣，當電源打開時，電源關閉后，磁性會消失。

2.2.3 可變徑輪系機構

可變徑輪系主要由空間成120°分布的輪架，連接件，螺栓螺母及輪子組成，它可以在管道內撐開，起支撐作用并保證整個機器人與管道同心。可變徑輪系可以適應一定的內徑變化，通過制動機構的連接，可以保證輪子與管道內壁緊貼，從而實現進給運動。

3 結論

本課題主要設計了一種螺旋傳動的蠕動式管道機器人，旨在解決平時的生活用水管道的污垢疏通。采用蠕動式的行進方式縮小了機器人的直徑，解決了在小直徑管道中工作的難題，本管道機器人采用減速器輸出軸直接通過聯軸器連接特制的鉆頭，十分方便有效，在需要的情況下改變鉆頭大小即可適應不同管道，非常方便，當然本管道機器人還有一些不足之處，如不能在管道中過彎的問題。這個問題，可以選擇適合的電機和萬向聯軸器，再換上柔性絲杠等加以解決，在此不作具體探討。

此機器人具有小巧、快捷、成本低、無污染、無腐蝕等特點，對殘余垃圾導致的污垢堵塞很實用。

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上海市閔行科委資助項目：多功能管道養護機的研發.