多功能管道疏通機器人

西安思源學院工學院 白光榜 趙 祎 羅 強 張建偉 張 錦 李美星

管道工程作為一種重要的經濟社會基礎性建設設施，它的應用十分廣泛。管道在日常使用的過程中，由于受到各種原因的干擾，會導致管道發生各種堵塞，從而引起管道的堵塞甚至導致破壞。若不及時地對管道進行排除、維護以及清理，則有可能會產生更大的隱患。由于管道內的空間和環境的影響，人們不能直接檢測和維護，檢測和清洗工作的難度很高。所以有效辦法就是設計一種可以替代人工的機器，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器人，其采用三個履帶輪的作業方式，解決了疏通設備難以適應管道復雜工作環境的難題，實現了高效率、高質量完成管道疏通工作的目的。

1 多功能管道疏通機器人的簡介

多功能管道疏通機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器人。結構由三個履帶輪和主體部分組成，三個履帶輪通過調節可以確保作業時的穩定性，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。此機器人的控制可以自動在管道里行走作業，也可以通過遙控來進行操控，如圖2所示。

圖1 管道疏通機器人整體結構圖

圖2 機器人工作狀態示意圖

2 多功能管道疏通機器人結構原理

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

（2）機器人主體部分設計成軟體結構，使其在兩個管道接口處可以形成一定的彎度，依舊可以在管道內正常工作。

（3）采用arduino進行控制，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

通過搜集資料和調研分析，發現履帶輪行走裝置在管內行走遠遠可能優于其他不同類型的行走機構。首先，履帶輪可以大面積的接觸在管壁內，這樣就完全可以直接使得機器人的履帶與管壁之間產生較大的橫向摩擦力，防止機器人脫落，可以有效快速的進行作業，為了適應不同的管徑范圍，在機器人的每個履帶輪上都裝有氣壓缸結構，如圖3所示。當要求在不同型號管內工作時，可以通過氣缸來調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，這樣就可以適應不同大小的管道，提高了工作效率。

圖3 氣壓缸工作原理

履帶式結構的分析：

優點：

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

（2）履帶式機器人可以輕松的越過障礙物。

（3）履帶輪有強勁的抓地力，這樣可以確保機器人在清理雜物時正常前進。

當然，履帶式機器人也存在一些缺點，首先，履帶輪相比傳統輪子要重，這樣使人們攜帶起來就有一些不便，其次，履帶式機器人在轉彎時，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 機器人電機的選擇

由于管道疏通機器人受到各種管道阻力約束和受到限定的各種條件下進行作業的，特別是在那些經常具有彎曲的大型管道里需要進行大功率高速運行，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。考慮到在管內工作時的需求，盡量減少機器人的重量和體積，因此本設計采用直流電機進行驅動，采用可充電航模電池提供動力輸出，可以有效的減少機器人的自身重量。每個履帶輪獨立配備一個直流電機，這樣就可以輸出更強的動力。

2.3 機器人控制系統的設計

由于管道內部的各種復雜環境，機器人必須可以自主完成作業任務，因此采用單片機來控制整個機器人運行，單片機采用arduino，安裝各種傳感器和探測儀器，設計出各個模塊的功能，這樣可以確保機器人實時傳送管道內的情況。同時機器人在管道內進行檢查、清理、修復時可能會使其受到一定損壞，因此，我們要考慮到機器人的自治和自我修復功能，這樣機器人即使出現問題，也可以通過自身調節解決，這將在工作中會很大的提高效率。

3 多功能管道疏通機器人的功能

基于以上基本結構技術原理，其功能如下：

（1）當管道堵塞時，將機器人放進管道的入口，調節三個履帶輪的位置，使其貼入管道內壁，然后進行工作，可其將管道內部垃圾清潔到管道末端。

（2）當管道破裂時，安裝上檢測裝置，使機器人在管內進行檢測排查，確定管道破裂的位置。

（3）多功能管道機器人還可以檢測部分管道內的溫度、濕度等，檢查其封閉性。

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

結語：隨著人們生活水平的不斷提高，城市建設也越來越大，許多管道由于管內污物的存在，很容易發生堵塞狀況，因此管道疏通工作耗費了大量的人力物力，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械設備，提高工作效率，節省人力物力。

目前市場清潔管道的相似產品存在使用的局限性，每種產品只能對應一種型號的管道，多功能管道疏通機器人可以在不同型號的管道里進行作業，同時具有探測和清理的功能，結構的合理設計解決了以往管道里復雜情況對作業時的不利影響。并且可以更換不同的裝置，實現多功能的用途。從而可以有效降低使用成本，大大提高了作業效率。