一種地埋式污水處理廠巡檢機器人機械結構設計與分析

汪名峰 施海仁 李馳騁 馮玲玲

摘 要：生物反應池是污水處理廠面積最大的惡臭污染源散發源，特別是地埋式污水處理廠，生物反應池還肩負著人員巡視、設備運輸的要求，因此必須加蓋。污水處理廠生物反應池加蓋，建成后看不見反應池內的情況，無法了解曝氣狀況。目前，在池板上開觀察孔，工作人員目測觀察情況為主，存在工作人員工作強度大，具備一定的危險性等情況。針對此類現象，文章設計了一種地埋式污水處理廠巡檢機器人，可有效解決此類巡視難題。文章對巡檢機器人的系統總體設計方案、機械結構組成、驅動裝置等進行了設計分析，通過ANSYS軟件仿真和實物測試的方法，設計并驗證了巡檢機器人在軌道上的可靠運行，以供相關人員參考。

關鍵詞：巡檢機器人;機械結構;軌道強度仿真;救援

中圖分類號：TH113 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）11-0-04

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.011

隨著土地資源的緊缺，城市空間被充分利用，越來越多的市政設施（污水處理廠、調蓄池等）趨向于半地下式和全地下式建設，由此導致了后期運行維護過程不便、影響維護人員安全等問題。文章中的巡檢機器人是為適應污水處理廠及調蓄池等趨于地下式發展的需求，解決運行維護困難等問題，而研制開發的一款基于軌道的倒掛式行走巡檢機器人，集成安裝攝像頭、溫濕度、氣體等多種傳感器負載設備;其可以在生物反應池蓋板下巡檢，觀察生物反應池的曝氣情況，判斷曝氣強弱，實現對設備、環境的綜合檢測;而且，可以利用其自身的移動功能，通過后臺設定機器人巡檢方案，實現對污水處理廠及調蓄池的全天候、全方位、全自主巡檢和監控。

1 系統總體設計

1.1 巡檢系統總體設計方案

巡檢機器人系統主要由巡檢機器人、充電樁、現場控制箱、軌道、軌道支架、提升裝置、電動門及通信系統、綜合管理平臺組成，如圖1所示。

巡檢機器人沿固定安裝軌道運行，通過搭載的防爆攝像頭可實時采集檢測區域內的污水參數和水面曝氣狀態等信息;充電樁安裝于生物反應池混凝土蓋板上方，用于向機器人充電;導軌從充電站開始敷設，向下通過自動啟閉蓋板后進入生物反應池內，固定在生物反應池蓋板下方。巡檢機器人進出的孔洞采用自動啟閉蓋板密封，能與巡檢機器人聯動;巡檢機器人通過無線通信系統將數據實時傳輸至充電站，充電站與全廠中央控制室設置主網通信網絡，將數據傳輸給綜合管理平臺;綜合管理平臺設置在全廠中央控制室內，可以判別生物反應池的曝氣狀態，對巡檢機器人的巡檢進行監控和管理，自動進行報警、形成報表等[1]。

1.2 巡檢機器人總體設計

巡檢機器人總體結構由動力機構、左箱體、右箱體、連接筒、防爆探頭、防爆攝像頭、鎳鎘電池組以及電源轉換板、控制板等組成，其中鋰電池組、電源轉換板、控制板等安裝于左右箱體內，其余部分與外界環境接觸。充電采用非接觸式充電方式，利用變壓器原理，內外電極組成充電磁芯，利用感應電流實現充電操作，外露電極無電流電壓，如圖2所示。

2 機械結構設計

2.1 軌道設計

按巡檢機器人巡檢路徑布局形式，軌道結構可由直軌道及彎軌道等組成。其中，直軌道結構形式采用“幾”字形結構，可使用成型機對不銹鋼板進行加工，具備成型效果好、驅動輪行走面平面度高等優點，其材質均采用304或316不銹鋼，表面做鈍化處理。

對于直軌道，單根長度為1.5 m;筆者建立模型，導入ANSYS有限元分析對其進行受力分析，模擬工程使用中軌道安裝的情景，對導軌的兩安裝端添加固定約束，模擬2組懸吊輪對導軌施加壓力向下方向的載荷，取值F=300 N，主要分析整個導軌的形變和應力[2]。

如圖3、圖4所示，可以看出導軌的最大形變量為0.23 mm，此數值很小，對巡檢機器人的穩定運行不會造成影響，同時通過受力圖可以看出，軌道中間和固定位置出現的最大等效應力為23.4 MPa，遠小于材料的屈服強度207 MPa。通過軟件受力分析得到結論，軌道承載力足夠滿足使用需求，結構合理。

對于彎軌道，設計為90°彎的結構形式，保證巡檢機器人通過性好，其最小彎曲半徑由巡檢機器人長度和前后懸吊輪的間距決定，筆者在此設計最小彎曲半徑為1.2 m。

2.2 驅動裝置設計

2.2.1 驅動阻力的計算

巡檢機器人在水平導軌上勻速行駛時，阻力主要來源于導軌的滾動阻力和空氣阻力;巡檢機器人必須首先克服最大靜摩擦力，才能保證能啟動，正常行駛時滾動阻力總是比靜摩擦力小得多，因此，計算啟動阻力即可[3]。

最大靜摩擦力用符號F1表示，空氣阻力用符號F2表示;同時，當巡檢機器人在軌道上行駛時，因為軌道安裝等因素，軌道存在一定的坡度，因此還必須克服重力沿軌道的分力，稱為坡度阻力，用符號F3表示;巡檢機器人加速行駛時需要克服的阻力稱為加速阻力，用符號F4表示。因此，巡檢機器人運行的總阻力為：

∑F=F1+F2+F3+F4

最大靜摩擦力的計算：

F1=μ*FN

式中：μ為最大靜摩擦系數，即驅動輪滾動臨界時所需的推力與對應導軌的正壓力FN之比。通過試驗，筆者取靜摩擦系數μ=0.6進行計算：

F1=0.6*300=180（N）

空氣阻力的計算。空氣阻力F=KV，其中，K為空氣阻力系數，計算公式為：K=ρ*V2*C*A/2;式中，ρ為空氣密度;V為速度，C為空氣阻力系數，A為巡檢機器人迎風面積。因為巡檢機器人行駛在相對密閉的室內空間，同時，機器人迎風面積也比較小，因此，空氣阻力對巡檢機器人行駛的影響忽略不計。因此，計算F2=0（N）。

坡度阻力的計算。軌道因為安裝問題，存在較小的安裝坡度，取最大安裝坡道角為α=5°，則坡道阻力為：F3=G*sin5°=26.1（N）。式中，G為巡檢機器人重力。

加速阻力的計算。巡檢機器人在加速行駛過程中，因加速運動時產生的慣性力，即加速阻力F4;設巡檢機器人從起始靜止狀態經過位移S=l m時，其車速達到最大值Vmax=1.2 m/s，則巡檢機器人的加速度為：a=Vmax/2=1.2/2=0.6m/s2。

故加速阻力為：F4=m*a=18（N），因此巡檢機器人運行的總阻力為：

∑F=F1+F2+F3+F4=224.1（N）

結合巡檢機器人軌道的結構形式，筆者分別對直軌狀態下起動和彎軌狀態下起動進行分析：

直軌狀態下起動。牽引巡檢機器人運動的驅動力與速度，不僅取決于電機功率和減速器，同時還受到主動輪直徑大小的影響，主動輪直徑越大，運動速度將增大，驅動力則減小;相反，主動輪直徑變小時，最后的運動速度將降低，驅動力則增大;結合巡檢機器人的結構外形尺寸，設計主動輪直徑D=87 mm。因為總的運動阻力為：ΣF=224.1 N，則總的運動阻力矩為：∑T=∑F*D/2=9.75（Nm）

因此，驅動系統電機驅動力矩至少為：T=9.75 Nm，同時要考慮留有一定的余量。

彎軌狀態下起動。巡檢機器人在轉彎狀態下，行駛速度為直軌狀態下行駛速度的1/3，筆者取速度V=0.4 m/s;設開始起動后1 s內達到正常運行速度，取最大值0.4 m/s進行計算;巡檢機器人轉向時，因單電機驅動，主動輪行駛速度相比直軌狀態下較小，因此，總的運動阻力矩比直軌狀態下小[4]。

2.2.2 電機及減速器機的選定

按照巡檢機器人驅動力的計算需求，綜合電機和傳動裝置的尺寸、重量、成本等多因素，直流無刷電機輸出功率選為90 W，其性能參數如表1所示。

然后確定傳動裝置的總傳動比：總傳動比i=30;選用紐卡特行星減速機，該減速機結構緊湊、回程間隙小、精度較高，其性能參數如表2所示。

因此，總驅動力矩T=0.43*30*97%=12.5（Nm），滿足設計需求。

2.3 救援裝置

在設計過程中，筆者考慮到巡檢機器人運行到地下水池內部時，由于驅動或機械故障，會導致巡檢機器人無法返回檢修平臺或充電樁，因此筆者為巡檢機器人設計救援裝置，由救援機器人對其進行牽引并拉回檢修平臺。

巡檢機器人前后端均設計有拉環機構，當操縱救援鉤至巡檢機器人的拉環機構時，內置的彈性裝置會削弱巡檢機器人的驅動輪與軌道之間的摩擦力，從而使巡檢機器人能夠被牽引回檢修平臺。

3 實物測試及分析

根據巡檢機器人測試需求，筆者搭建了巡檢機器人測試系統，包含巡檢軌道、安裝支架、變軌裝置、充電樁及現場控制箱等。巡檢機器人試驗狀態圖如圖5所示。

巡檢機器人試驗裝置主要由以下幾部分組成：

巡檢軌道：用于巡檢機器人運行導向支撐，巡檢機器人沿軌道行走并進行工作;該軌道分為直軌道、水平彎軌等;

安裝支架：用于巡檢軌道吊掛支撐，采用方管焊接，支架放置在水平橫梁上，局部做加強處理，滿足試驗軌道強度的要求;

變軌裝置：通過電動推桿運行，實現直軌與彎軌變換。當變軌裝置變為彎軌時，使巡檢機器人在閉環軌道上運行完成巡檢任務;當變軌裝置變為直軌時，巡檢機器人可從充電樁駛入巡檢軌道，或者機器人巡檢完成后從巡檢軌道返回充電樁進行充電;

充電樁：巡檢機器人完成巡檢后返回充電樁中，在充電樁內為巡檢機器人充電;

現場控制箱：巡檢機器人現場控制箱用于控制電動門與巡檢設備聯動，控制變軌裝置配合巡檢任務，隨時變更直軌或彎軌，以及控制巡檢機器人充電回路;現場控制箱配置有觸摸屏，可實現巡檢機器人現場控制，執行相應的巡檢任務。

4 結語

通過對巡檢機器人及巡檢機器人控制平臺的多次試驗，巡檢機器人本體機械結構性能得到了驗證，具體為巡檢機器人的運動功能、軌道運行及爬坡提升能力等方面滿足工程功能需求。目前，該巡檢機器人在上海白龍港污水處理廠、肥東店埠河調蓄池等項目上投入使用，該機器人可有效解決人工觀測生物反應池水面曝氣難題，觀察調蓄池內部設備及進行環境的綜合檢測，從而實現污水處理廠等的自動化維護管理。

參考文獻

[1] 李濱.智能巡檢機器人系統在地下式污水處理廠的運用[J].自動化應用，2020，41（4）：77-79.

[2] 云亞文，高培源，雍明超，等.管廊巡檢機器人機械結構設計與分析[J].數字技術與應用，2019，37（9）：129-133.

[3] 劉璘.巡檢機器人機械結構設計研究[J].赤峰學院學報（自然版），2012（24）：73-75.

[4] 劉偉，王銀斌，劉國強，等.機器人智能巡檢技術在城市綜合管廊中的應用[J].給水排水，2019，45（2）：122-128.