（机械电子工程专业论文）城市排水管道穿缆检测机器人控制技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 城市排水管道的检修和疏通作业一直是困挠城市居民日常生活和工业 生产的难题。主要是因为排水管道埋于地下，污水中杂质含量高，能见度低， 排水管底部有大量淤泥，常规作业很难适应其要求，不便于人工和机械进行 管道内的检测、疏通和穿缆作业。文中提供了一种方便可行的方法，并研制 出了城市排水管道穿缆、检测机器人。本机器人将能带来良好的经济效益， 具有广阔的应用前景。 文中，针对城市排水管道机器人的特殊作业环境，在制定了机器人本体 设计指标和要求的基础上，对机器人的总体方案进行了确立和分析。通过对 机器人总体结构和工作环境参数的分析，机器人本体结构采用了模块化的设 计，并对机器人的各功能模块的工作原理进行了可靠性分析，进一步优化完 善了机器人本体结构的设计。 分析了机器人动力系统的传动特性，建立了动力系统数学建模，在 m a t l a b 环境中进行仿真，得到了动力系统传动特性的仿真曲线图，结果表明 该系统具有抗干扰能力强，稳态性能好的特点。建立了动力系统的p i d 控制 模型，设计了具有良好控制性能的速度、位置双闭环控制器。 管道机器人的硬件结构采用了上、下位机系统和模块化设计。上位机硬 件系统采用了a t m e g a l 6 l 单片机、l c d 液晶显示器和键盘等；下位机硬件系 统采用了a t m e g a 8 l 单片机、倾角传感器、电机驱动模块和光电码盘等组成； 并设计了上下位机系统的硬件电路。上位机和下位机之间采用了4 8 5 异步串 行通信，实现有缆遥控。 在软件控制上，建立了管道坐标系和机器人坐标系，在两个坐标系之间， 定义了机器人的姿态角，给出了机器人可能的几种姿态，并对几种姿态给出 了相应的软件控制策略。对于倾角传感器的输出和输入之间的非线性，合理 的进行了曲线拟合，优化了检测系统；建立了手动和自动两套控制策略；提 高了系统的可靠性。细化了上、下位机的执行任务，上位机主要负责机器人 的上层控制策略和算法；下位机执行上位机的命令，上传机器人姿态。制定 了r s 4 8 5 异步串行通信协议，完善了通信系统。 通过管道机器人的行走速度测试、转弯半径测试、管道内壁滑动摩擦系 数测试和越障能力等试验，结果表明，机器人能达到预期的设计目标。验证 设计的合理性、可行性。机器人在壁面行走时，操作方便，性能稳定、可靠。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 获得了机器人管道作业参数，为管道机器人的动力系统分析提供了依据。 文中的研究成果可为履带式机器人的研究提供参考。 关键词：管道机器人；动力建模；管道坐标系；非线性曲线拟合；管道作业 参数 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rm a n yy e a r s ，t h ep r o b l e mo fs e w e r _ p i p e ss p e c k i n g 、r e p a i r i n g a n dd r e d g i n gh a sb e e ns h o w ni nc i t i z e n sd a i l yl i r e sa n di n d u s t r i a l p r o d u c e ，t h em a i np r o b l e m sa r et h es e w e rp i p e sb u r i e di ne a r t h ，t h e p e r c e n t a g eo fi m p u r i t yo fs e w a g ew a t e rh i g h ，v i s i b i l i t yo nt h eb o t t o m o fs e w a g ew a t e rp o o r ，c o m m o nm e a s u r eu n u s e f u l ，m a n u a la n dm e c h a n i c a l m e t h o d si n c o n v e n i e n tt oc h i c ka n dr e p a i r i nt h i sp a p e r ，t h e r ei sa c o n v e n i e n ta n df e a s i b l em e t h o d ，w i t ht h em e t h o d ，w eh a v ep r o d u c ea r o b o tf o rs e w e rp i p e 、sc h e c k i n ga n dr e p a i r i n g ，a n dt h er o b o tw i i ib r i n g w e l le c o n o m i c a lb e n e f i t ，h a sg o o da p p l i e dp r o s p e c t i nt h i sp a p e r ，b e c a u s eo ft h es p e c i a le n v i r o n m e n ti nw h i c ht h e s e w e rr o b o tw o r k s ，f i r s t ，w ee s t a b l i s ht h ed e s i g nt a r g e to fm e c h a n i c a l s t r u c t u r e ，c o m p l e t et h er o b o t 、st o t a l s t r u c t u r el a y o u t a f t e r a n a l y z i n gt h et o t a l s t r u c t u r ea n d e n v i r o n m e n t a ld a t a ，w eu s e m o d u l a r i z ew a y st od e s i g nt h er o b o t 、ss t r u c t u r e ，t h r o u g ha n a l y z i n g t h ew o r kt h e o r yo fe v e r yf u n c ti o n a lm o d ul e ，w em a k et h er o b o ts m e c h a n i c a ls t r u c t u r em o r er e a s o n a b l e a f t e r a n a l y z i n g t h et r a n s m i s s i o no ft h ed r i v e s y s t e m ， e s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i cm o d e lo fd r i v es y s t e m 。s i m u l a t i n gi nm a t l a b ， w eg e tt h es i m u l a t ed a t ao fr o b o td r i v es y s t e m t h ed a t as h o wt h a t t h ed r i v es y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fs t r o n ga n t i j a m m i n ga n d g o o ds t a b i l i t y ，a n dw ee s t a b l i s hp i dc o n t r o l l e rm o d e lf o rd r i v es y s t e m ， d e s i g ns p e e da n dp o s i t i o nc l o s el o o pc o n t r o l l e rw i t hg o o dc o n t r o l p r o p e r t i e s t h er o b o t sh a r d w a r ei n c l u d e ss e n i o nc o m p u t e rs y s t e m ( s c s ) a n d j u n i o nc o m p u t e rs y s t e m ( j c s ) t h eh a r d w a r eo fs c si n c l u d e sa t m e g a l 6 l s i n g l e c h i p ，l c dd i s p l a y ，a n dk e y b o a r de c t ：t h eb a r d w a r eo fj c s i n c l u d e sa t m e g a 8 ls i n g l e c h i p ，o b l i q u i t ys e n s o r ，l c dd i s p l a y ，m o t o r d r i v e rm o d e la n de n c o d e re c t ：a n dw ed e s i g nt h ec o r r e s p o n d i n gc i r c u i t f o rt o t a lh a r d w a r es y s t e m u s er s 一4 8 5s e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n j c sa n ds c s ，w i r e c o n t r o l l e r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；= ；i i ；i i i i i i ；i ；i ；= ；= ；= ；i ；= = ；i i ；：； i ns o f t w a r e ，w ee s t a b l i s hp i p ec o o r d i n a t e a n dr o b o t ，d e f i n e r o b o tsg e s t u r ea n g l ob e t w e e nt w oc o o r d i n a t e ，d e s c r i b es e v e r a l p o s s i b l eg e s t u r e ，a n dp r o v i d ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm e t h o d r e f e rt o u n l i n e a r i t yo fo b l i q u i t ys e n s o rso u t p u ta n di n p u t ，w eg i v et h e a p p r o x i m a t e c u r v et or e s e m b l e r e a s o n a b l y ，e s t a b li s hm a n u a la n d a u t o m a t i cc o n t r 0 1 1 e r s t h e nc o n t r e t l e ra n dc h e c ks y s t e ma r eo p t i m i z e d d i s t r i b u t i n gm i s s i o nt oj c sa n ds c sa n dd e f i n i n gt h ea g r e e m e n to fr s 一4 8 5s e r i a lc o m m u n i c a t i o np e r f e c tt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h r o u g ht h es e w e rr o b o tss p e e dt e s t ，s w e r v er a d i u st e s t ， s e w e r _ p i p esi n n e rs u r f a c er u bm o d u l u st e s ta n do v e r s h o o ta b i l i t y t e s t ，w eg e te x p e r i m e n tr e s u l tw h i c hs h o w st h es e w e rr o b o tc a nm e e t e x p e c t e dr e q u i r e m e n t ，a n dt h er e s u l tp r o v e st h ed e s i g ni sr e a s o n a b l e w h e ns e w e rr o b o tc r a w l si ns e w e rp i p e ，m a n i p u l a t i o ni sc o n v e n i e n t ， c a p a b i l i t yi ss t e a d y w i t he x p e r i m e n tw eg e ts e w e rr o b o t 、sw o r kd a t a ， w h i c hp r o v i d ea t t e s tf o rs e w e rr o b o t sd r i v es y s t e ma n a l y s i s i nt h ep a p e r ，a llr e s e a r c hr e s u l tc a no f f e rar e f e r e n c ef o r p e d r a ilr o b o tss t u d y k e d m r d s ：s e w e rr o b o t ：d r i v em o d e l ：p i p ec o o r d i n a t e ：a p p r o x i m a t e c u r v er e s e m b l eo fu n l i n e a r i t y ：p i p ew o r kd a t a 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ： 盘，曼磋 日期：五彩年月瑙自 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 城市的污水、石油天然气输送、工业物料运输、给排水和建筑物的通风 系统等，使用着大量复杂隐蔽的管道。管道作为一种有效的输送和排泄装置而 得到广泛的应用，如，6 0 年代，各国铺设了许多远距离输送原油和天然气的 管道，但是，大量的管道，尤其是小口径管道，在使用一段时间后，难免会出 现裂纹、穿孔等损伤，因而全世界都在采取措施以评定这些管道老化的情况 因此，管道机器人作为一种管道的故障诊断、检测及维修的可行性工具应运而 生。，并越来越受到重视”1 。 管道机器人是在管内极限环境中进行作业的机器人，它可携带各种检测 和作业装置，在操作人员的远距离控制下完成管内各项作业”3 管道检测机 器人( 国外一般统称为p i p e l i n ei n t e l l i g e n tp i g ，简称p i g ) 是集无损伤检测、 机器人、计算机、数据分析和处理等多项技术于一体的实用化工程。与普通 机器人相比，管道机器人一般工作在一个特殊的环境，比如油、气管道和城市 污水管道等。这些管道大多埋于地下，常规探测很难适应其检测要求，管道经 过长年使用后，焦油、萘、硫化铁、粉尘、铁锈等杂质在管道中的沉积也增加 了检测难度“1 。因此，移动机构是管道机器人重点研发的领域之一。现阶段 国内外微型管道机器人移动机构的驱动方式可分为：压电驱动、静电驱动、 电磁驱动、气压驱动、形状记忆合金( s m a ) 驱动、热膨胀驱动、光驱动及超声 波驱动等0 1 ：小型管道机器人移动机构的驱动方式可分为电机驱动、液压驱 动、气压驱动，以及随传输介质漂流的无驱动管道机器人。并且各种行走方 式有各自的优越性和局限性。 在检测方面，工业检测机器人的应用范围十分广泛，遍及管道检测、通 用检测、遥测、水下检测、核反应堆检测及污染物检测等各个领域。据对1 9 2 种工业检测机器人应用情况的统计i ”，用于管道检测的占3 3 ，位居榜首：依 哈尔滨工程大学硕士学位论文 次分别为通用检测的2 8 ，遥测的1 5 ，水下检测的1 3 ，核反应堆检测的 6 及污染物检测的5 【6 。 现有管道智能检测机器人一般采用漏磁方法m f l ( m a g n e t i cf l u x l e a k a g e ) 、超声方法u tf u l t r a s o n i c ) 平l lc c d 视觉实施管道检测，国外称其为 i n t e l l i g e n tp i g 【”。国外称管道清洗为p i p e l i n ep i g 或p i p e l i n ep i g g i n g ，国内称 “通球”。由于在役管道智能检测机器人具有智能化特点，且其工况类似于通 球，因此在役管道智能检测机器人仍沿用p i g 一词，称为i n t e l l i g e n tp i g ， i n s p e c t i o np i g ，c o r r o s i o np i g 或s m a r tp i g t 8 - 1 引。 在役管道漏磁智能检测机器人称为m f lp i g ，在役管道超声智能检测机 器人称为u t p i g ，国内则相应地称为管道智能检测机器人、管道检测爬机、 管道爬行器或管道探伤机器人等【1 4 _ 2 0 】。 在管道机器人的控制方面，由于机器人控制所处理的对象的质量、摩擦 力等参数变动大，重复性小，并无法准确知道，实践证明，最优控制和解耦 控制往往不能保证机器人控制的最佳特性，效果不十分明显。但自适应控制、 模糊控制和神经网络控制有适应系统变化的能力，在本质上可以实现非线性 控制，因此发展迅速很有前途。机器人现在正向着智能化高级机器人的方向 发展。为了使机器人适应各种复杂的环境和完成各种各样的未知任务，基于 精确模型的传统控制方法是难以胜任的，这就对机器人的控制提出了更高的 要求，必须采用机器入智能控制系统，而现在智能控制的发展也为机器人的 智能控制提供了可能。这是因为在生命科学和人工智能的推动下，控制理论 和自动化领域出现了提高控制系统智能的趋势。如专家控制、神经网络控制、 模糊控制等等这些智能控制的分支近些年取得了很多成果，尤其是在机器人 智能控制方面的应用更是广泛 2 1 _ 2 2 j 。 从而使得管道机器人的控制系统不仅能够满足实现驱动元件和执行元件 的基本控制功能的要求，而且还能满足具有强实时性、高性价比、易维护性、 高可靠性、友好的人机界面、良好的可扩展性和很强的环境适应性的要求。 在管道机器人作业时，完成对管道内部的椭圆度、腐蚀程度、焊缝质量和堵 塞情况等进行适时检测，以便在现场获得准确可靠的管道内部数据。然后对 所得数据进行分析，完成相应作业。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 课题研究的来源、背景及意义 课题来源：哈尔滨市科技攻关计划项目 2 0 世纪5 0 年代，工业机器人为解决单调、重复的体力劳动和提高产品 质量而诞生。在工业机器人飞速发展的同时，在非制造业领域对机器人技术 应用的研究和开发也非常活跃，这被称为特种机器人技术。据专家预测，2 1 世纪将是非制造业自动化技术快速发展的时期。机器人以及其他智能机器将 在空间和海洋探索、农业及食品加工、采掘、建筑、医疗、服务、交通运输、 军事等领域具有广阔的市场前景m 1 。 城市排水管道穿缆检测机器人属于特种机器人的范畴。在目前。我国有 各种气管道、石油管道、下水道、自来水管道等很多管道，由于年久失修， 每年都要出现大量故障，可是这些管道大多数都埋在地下，因而一旦出现泄 漏堵塞、就很难查找。随着经济的发展和建立世界级新型城市的需要，有关 部门对城市排水领域所暴露出的问题越来越关注。目前，疏通清理城市地下 排水管道主要采用的方法是，在两个积水井( 马葫芦) 口分别放有一绞车， 拉动管道内拴有清污桶的钢丝绳往复运动，从而将污泥清理出管道。操作时， 首先要在两个积水井之间管道内穿过一条钢缆。由于积水井中充满污水及大 量有害气体，人不能下到井中，这就增加了穿缆的难度。通常采用的方法是 用竹皮将钢缆穿过管道，采用这种方法穿缆效率很低，顺利时穿一根缆需要 2 至3 小时，不顺利需要1 至2 天。而且当井深超过3 米时人工就无法实现 穿缆任务，如果排水管道堵塞则只能将排水管道完全挖开来进行疏通清理， 这样不仅有损城市的市容而且影响交通和人们的日常生活。由于城市地下管 线复杂，街道广场非常华丽不允许随便挖开清理，所以城市主排水管道穿缆 检测机器人( 以下简称穿缆检测机器人) 的研制非常有必要。 为改善当前疏通管道时工人恶劣的工作环境、减少工人的劳动强度、保 障工人的人身安全、提高排水管道清理的效率，有必要在这一应用领域进行 实用机械的研究。管道机器人就是为解决这一实际问题产生的，它是一种可 沿管道内、外壁自动行走，携有传感器或操作机械( 如操作手，喷枪、焊枪、 刷子) ，在操作人员的遥控或自动控制下，进行一系列管道作业的一体化系统。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本项目研究目的是解决井深超过3 米或人不能完成的城市排水管道穿缆 的难题，同时可以在此机械本体机构上安装上不同的作业工具，进行管道内 作业，其研究意义在于： 1 ) 实现排水管道的穿缆、内窥检测及疏通清理工作； 2 ) 可以检测管道的破裂、腐蚀和焊缝质量情况； 3 ) 在恶劣环境下管道的清扫、喷涂、焊接、内部抛光等维护工作； 4 ) 应用于核反应堆的管道方面，减少对工作人员的伤害； 5 ) 应用于海洋油气输送管道检测、维修方面等。 1 3 管道机器人的国内外发展概况 1 3 1 国内成型管道机器人发展现状 国内管道机器人都处于研制试验阶段，还没有形成产品。如上海交大的 履带式管道机器人，哈尔滨工业大学的可越凹哇的多轮式管道机器人的结构， 清华大学的通风管道清污机器人m d c r i 的结构，广州工业大学的微型管 道机器人的结构j 上海大学的细小工业管道探测机器人的结构。因为没有形 成产品，还处于研制试验阶段，有的只是处于原理研究的阶段，所以其结构 成在一些缺点：只适用于特定的管径，通用性差、密封性可靠性差，只可用 环境参数良好的管道作业，效 率太低，没有形成成熟完备的 控制系统，不适用于两栖作业。 1 、上海交大的管道机器人 上海交大的管道机器人， 如图1 1 所示，采用了双窄履 带结构，有彩色c c d 摄像头、 4 图1 1 上海交大管道机器人 哈尔滨工程大学硕士学位论文 卤素探照灯的环境采集系统。机器人的姿态由倾角传感器来检测，防止机器 人的倾覆，和姿态控制。 2 、哈尔滨工业大学的管道轮式平行四边形行走越障机构 图1 2 哈工大的轮式平行四边形行走越障机构 如图1 2 所示轮架采用平行四边形结构原理，保证了轮系全部和管道壁 接触，增2 n t 附着力，又使得机器人有一定越障能力，越过一定的凹坑“”。 1 3 2 国外成型管道机器人发展现状 七十年代，石油、天然气，核工业等恶劣环境下，管道，罐状容器维护 的需要刺激了管道机器人的研究。一般认为，法国的j v e r t u t 较早从事管 道机器人理论和样机的研究。1 9 7 8 年他提出了轮腿式管内行走机构模型 i p r i v 。该机构虽然简单，却揭示了管道行走所必需的两个功能：支撑吸附和 驱动行走，起了抛砖引玉的作用o “。 八十年代，随着计算机，传感器，现代控制理论和技术的发展，为管道 机器人的研究应用提供了技术保证。美国开始研制用于地下天然气管道泄漏 检测的机器人。同时，日本则充分利用法，美等国的研究成果和现代技术开 发了多种形式的管道机器人，使日本国成为管道机器人研究最多、成果最为 丰富、技术走在最前面的国家，如日本的冈田研制的m o g r e r 管内机器人( 图 1 3 ) ，该机采用三轮支撑，适用管径1 3 2 2 1 8 m m ，装一台c c d 摄像机，结构 哈尔滨工程大学硕士学位论文 简单，图1 4 是福田、细贝研制的可通过l 型弯管的管内检测机器人实验样 机，该机由可相对回转的本体和头部两部分组成，在直管内行走时由本体上的 电机m 1 带动4 个驱动轮行走，由头部4 个红外传感器感知和分别l 型弯头的 位置和力向，电机m 2 驱动头部作姿态调整并驱动头部转动，导引机器人通过 l 管。 图1 3 i a g r e r 机器人 图1 4 可通过“l ”弯管的管道机器人 1 美国j n u k t u n 公司系列管道检测机器人v e r s a tr a x 图1 5 串联结构爬行机器人 图1 6 并联管道机器人 图1 5 一图1 8 是国外现有的成型管道机器人。在此重点介绍图1 5 和图 1 8 所示的两种管道机器人。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 5 所示为串联结构爬行机器人适应的管径范围很广，最小管径为 1 0 0 m m ，大管径可至9 0 0 m m 以上。其主要技术参数如下： 图1 8 超大管道爬行器( 选配) 图1 7 三足竖管爬行器 适应管径2 0 0 3 0 0 r a m 1 ) 防水深度：3 0 米 2 ) 爬行速度：0 1 0 米分钟 3 ) 运载方式：微型履带或m i n i 履带 4 ) 直视摄像头：c c d 彩色 5 ) 工作温度：o 5 0 6 ) 电源和控制箱：线形速度调节；游戏控制柄 图1 8 所示为功能可选配的超大管道爬行器，应用管径范围9 1 4 m m 以上 其主要技术参数如下： 1 ) 防水深度：2 0 米 2 ) 爬行速度：0 2 0 米分钟 3 ) 运载方式：m i n i 履带 4 ) 直视摄像头：1 3 “c c d 彩色 5 ) 工作温度：o 6 0 6 ) 电源和控制箱：线控；手持控制器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 俄罗斯“塔里斯”公司的“月球车”系列管道机器人维修车 该维修车有9 个电驱动装置， 能把整个机器联接起来，推出并 转动工作部件，翻转摄像机，用于 观察修理过程，还能“指使”刷子去 清洗要洗的部位。除此以外，为了 使机器人能从竖孔中钻进横向管 道，机器人自身可折弯曲，因而可 在直径1 9 0 毫米到6 0 0 毫米的管道 图1 1 0 “月球车”之二 适于管径范围1 5 0 - 4 0 0 m m 图1 9 “月球车”之一 适应管径范围为3 0 0 - 9 0 0 r a m 图1 1 l “月球车”之三 适于9 0 m r n 以上的管径 中工作。机器人的机身是用一整块不锈钢旋出来的，只有这样才能达到轮子 所必须的孔的同轴度和可靠的密封性。机器人装有轮子，以每秒o 3 米的速 度向前行驶，有大功率灯泡照明，摄像机向不同的方向旋转，可以判断故障 点。在发现故障点后，机器人用一整套工具一一铣刀、钻头、切割和清理工 具完成各道工序。机器人由操作师控制，操作师的指令传给机器人内安装的 微处理系统。“塔里斯”公司制造的这种机器除具有明显的技术优势外，价 格也很低廉。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 国内外城市排水管道的疏通方法及发展概况 1 4 1 国外疏通清理地下排水管道主要技术 国外主要采用高压水射流技术结合传统管道( p i g ) 清洗技术进行下水管 道的清刷，可根据管道的特点和客户的要求设计施工方案，为市政燃气、给 排水工程、油田、矿业、电力、造纸、化工、建筑等行业部门提供最为安全、 高效、经济的优质服务，高压水射流清洗设备产生高达i o o m p a 的水，经喷嘴 所形成的高压水射流能够轻松清除管道内的硬垢、焊熘、无机盐沉积物等清 洗难度较大的污垢。将清理出的污物用装在同一台车上的吸泥机吸出。这种 方案不适合国内使用，原因是，国内排水管道大多数是水泥管，时间长了局 部会有破损和老化，高压水冲洗会产生破坏，加剧排水管道的老化的过程。 另一种原因是作业效率低，高压水清刷出的污物用装在同一台车上的吸泥机 吸出，一般垃圾倾倒场远离市区，这样一台车一天只能往返两至三次，而每 台车的价值上百万元，大多数城市用不起。其清掏原理如图1 1 2 所示。 图1 1 2 高压水射流技术的清掏原理图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1 3 美国v a c t o r 公司的2 1 0 0 系列下水管道 清洗、吸泥车现场作业示意图 图1 1 4v a c t o r2 1 0 0 系列清洗车采用的关键技术 国内现在引进的技术主要是高压水射流技术进行下水管道的清刷，用吸 泥设备将冲刷的泥浆吸出，引进的设备的情况也大致相同。图1 1 3 是美国 v a c t o r 公司的2 1 0 0 系列下水管道清洗、吸泥车，图1 1 4 是v a c t o r2 1 0 0 系 列清洗车采用的关键技术。v a c t o r2 1 0 0 系列清洗车的水罐容积5 6 7 8 升，在 水压1 4 m p a 时，排水量6 0g p m 至8 0g p m ，采用不锈钢罐体，清洗排水管直 径8 至6 0 c m 。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 2 国内疏通清理城市地下排水管道主要方法 在我国的一些城市，目前国内疏通、清理地下排水管道主要有两种方法： 一、采用高压水对堵塞的管道进行清污，就是制作一种能挡水的清淤装置， 由检查井放人管道内。由于井口尺寸小，整个装置放不下去一般采用先运 下装置的部件，再到管道内装配的办法。待清淤装置装配好后，放到管道的 一定位置，把管道中的污水阻挡在其装置的上淤，为水位达到一定高度后便 放水，使上游水形成水流来清除管道内的沉积物。沉积物冲走后，这个装置 就向下游移动一段位置，再进行集水清蹬。这种方法优点很明显，但相当大 的工作量需要在管道内进行，所以，人们不太喜欢，浪费水，由于排水管道 都是网状，很难得到要求的水位，不适用o ”。二、在被清理的排水管道两端 的积水井上，分别安放一台绞车，支撑钢丝绳及清污桶。操作时，由操作工 人用竹皮把一台绞车上拴有清掏刮的钢丝绳穿过两积水井之间的管道，然后 往复拉动钢丝绳，由系在钢丝绳中间的清掏刮板将管内的赃物刮到两侧的积 水井内，然后再由清掏机械手爪，提升到井上来，如图1 1 5 所示。或如图 1 1 6 所示，在钢丝绳上拴有清物桶，用绞车将清污桶反拉，清理出下水管道 中的脏物，提到井上来，达到了疏通地下主排水管道的目的。 图1 1 5 绞车钢丝绳清污方法示意图 以上两种方法，后面的方法比较适合中国国情，只要把穿钢缆的问题解 决，这种方法还是比较有效的，经济可行。目前，水下排水管道的穿缆是一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1 6 绞车钢丝绳清污方法示意图 个关键问题。有待进一步的解决，找到现实可行的方法。 由上述的国内外情况比较分析可知，我国在这一领域的技术还比较落后。 2 0 0 1 年中国市政工程协会等四家单位联合主办的“中国市政工程及城市路桥 建设技术设备展览”在北京农展馆开幕。这次展览会上不仅参展的国外厂商 少，国内城建机械行业大企业也很少，更谈不上参展的产品了。可见。我国 这一领域的技术还很不成熟，成型实用设备较少，没有相应的基础技术研究， 起步晚。 1 5 本文的主要研究内容及工作 本论文“城市排水管道穿缆检测机器人设计、控制及检测系统的研究” 的研究目的是研制一种在管径大于4 5 0 m m 的城市地下排水管道内，完成对堵 塞的管道检测、穿缆的机器人，重点是完成管道机器人的设计、控制及检测 系统的设计和研究。城市排水管道穿缆、检测机器人的任务是将钢缆穿过两 个积水之间的排水管道，同时可以作为载体用于排水管道内窥检查。研究的 主要内容是： ( 1 ) 研制一台在城市排水管道内完成穿缆、检测作业的机器人工程原理样机。 完成此样机的总体设计，此机器人可以作为载体，通过安装不同的设备 实现排水管道内窥检测及清除等作业。 ( 2 ) 进行了管道机器人工程原理样机的动力驱动设计、较核，建立了数学模 哈尔滨工程大学硕士学位论文 型，并对该模型的稳定性和频率特性以及动、静态特性进行了分析、仿 真研究，并建立了动力系统的速度、位置闭环系统，设计了p i d 调节器， 对模型进行调整核参数校正。 ( 3 ) 机器人控制器软硬件的设计。此机器人的控制器设计分为上下位机设计， 设计了基于m e g a l 6 单片机上位机控制系统，采用了适于野外作业的手 持式简易控制器，设计了上下位机的通信模块协议、下位机的直流电机 驱动器和传感器信息采集模块，并对其软硬件进行了调试。 ( 4 ) 控制器及机器人样机模型的性能试验。建立了管道机器人的实验平台， 进行了管道机器人原理样机的实验研究，实验结果表明，所提出的管道 机器人的控制方案是可行的。原理样机的研制为进一步研制工程化样机 莫定了坚实的基础。并进行了管道机器人的水下密封试验，管径适应性 试验，行走速度测试、转弯半径测试、管道内壁滑动摩擦系数测试和越 障能力及偏角测试等试验。验证双履带式管道机器人本体结构设计的合 理性、可行性；当机器人在壁面上采用高、中、低三种速度运行时，是 否能行走平稳，移动速度满足作业要求；测量管道机器人一些作业参数， 为进步的设计和开发奠定了基础。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章排水管道穿缆检测机器人的总体方案分析 2 1 引言 小型管道穿缆、缺陷检查、修补、管道疏通等技术是一种新型的技术， 可运用于天然气管道、石油管道、城市排水管道、自来水管道、核工业管道 等多种小型管道。该技术中通常使用的作业工具是管道机器人，管道机器人 作为一种管道的故障诊断、检测、疏通及维修的可行性工具应运而生，并越来 越受到重视管道内行走的移动机构是微型管道机器人重点研发的领域之一， 现阶段国内外微型管道机器人移动机构的驱动方式可分为电机驱动、压电驱 动、电磁驱动、气压驱动、液压驱动等；而机器人的行走方式又可分为惯性 冲击行走、蠕动爬行、弹性针型振动行走及轮式行走等”“1 。 管道机器人的作业机理是：在计算机的控制下，自动检测自身姿态和环境 参数，自动进行位置调整和空间作业，也可通过人机界面，反映环境参数和 机器人姿态，由人通过计算机来进行管道内的作业。可在管道中按照路径规 划沿直线或曲线行走，即从管道的一处入口进入，沿着管道前进，行进中可 以自身进行位姿的调整、越过一定高度的障碍物、修正偏差找正作业点和目 标，完成穿缆、缺陷检查、修补、管道的疏通等工作，最后，从管道的另一 指定口出来。 小型管道机器人是为了满足高效准确的管道检测、维护任务而出现并发 展起来的。小型管道机器人的关键技术之一是机器人的驱动和行走机构。由 于受到空间条件的限制，机器人的机械机构必须简单可靠，而且能量转换效 率高。机器人行走和工作时，需要有可靠的动力源，过去研究的机器人不论 采用何种动力源，其能源供给方式主要有两种“1 ：有缆方式或无缆方式。 对有缆方式的机器人，主要的问题是当机器人行走到一定距离，特别是当转 弯较多时，线缆与管壁的摩擦力会增大；对于无缆机器人，它的能源供给主 要依靠携带的蓄电池。而蓄电池由于受体积限制所储存的能量有限，同时还 受电池质量、充电工艺等因素的影响，因而使机器人的行走距离受到限制。 所以现在研究的管道机器人一般为有缆方式，信息和电力采用同一根缆线传 输”。对系统进行优化设计，提供合适可靠的动力源，就能克服有缆所带来 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的问题。 本课题研究的主要任务是完成城市排水管道( 直径一 4 5 0 m m ) 堵塞情况的 检测以及完成管道内的穿缆作业。作为在管道内运行的机器人，首先应该具 有良好的姿态调整能力和行走机能，行走速度为l 1 5 米分；其次，考虑到 作业环境和作业性质的特殊性，需要机器人具有一定的负载能力以及越障能 力；最后，机器人本体的尺寸要尽可能地小，以适应于在更小的排水管径内 作业。 2 2 管道机器人系统性能指标 2 2 1 管道机器人主要技术指标 根据穿缆、检测机器人在城市排水管道内作业任务的要求，机器人的 整体性能应达到如下主要技术指标： ( 1 ) 移动机构：差动式双宽履带式管道机器人，密封式水下结构； ( 2 ) 移动速度：眦o 米分： ( 3 ) 负重能力：1 0 公斤，s 2 0 公斤； ( 4 ) 控制通信方式：4 8 5 通信； ( 5 ) 行进深度：5 0 米。 2 2 2 管道机器人主要设计要求 由于排水管道机器人环境的特殊性，以及城市污水能见度低，必须满足 管道作业的可行性、可靠性和稳定性等设计要求： 1 、) 小车的结构紧凑； 2 、) 小车的密封性要求； 3 、) 小车结构要尽可能的轻： 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 、) 下水管道有油和污渍，提出了水中摩擦力附着力要求； 5 、) 城市排水管道中下部是软的污泥，不受压，机器人对污泥的 压强有要求； 6 、) 小车自身的运动性能、驱动动力要求。 2 2 3 管道机器人结构设计原则 小车的结构本体总体设计原则( 采用巧妙式非常规设计) ： 由于管道机器人的工作空间小，恶劣的环境参数，曾加了机械结构 设计的难度，同时为了扩大机器人的管径适应范围，致使我们的结构尺 寸的设计要尽量小，也增加了我们的设计难度。本论文中重点介绍我们 设计的一种结构。 结构设计是本课题的关键之一，尤其是总体的机构设计( 通过设计合 适的尺寸和结构来达到环境的要求。) 通过合理的设计，使驱动电机和被 控载体之间有良好的力传递性、机动性，能保证运动的精度，和良好的 水下密封，能快速、高效、准确的完成管道内的作业。 总体设计原则： 1 、一体式优化结构设计 2 、箱体式的密封，动力轴输出采用动密封，优化合理分配动静密封 结构： 3 、输出轴和电机之间采用链式传动，减轻重量，对小型机器人，可 靠性稳定性的要求满足； 4 、采用双宽履带式运动机构，增加和地面的接触面积，减小压强、 运动阻力； 5 、履带上绑定橡胶块，增加摩擦力和附着力，防滑，减震： 6 、小型可调式履带张紧机构，减小体积和重量。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 穿缆检测机器人本体结构原理 本课题设计的是种小型城市排水管道穿缆检测机器人，机器人的本体 结构如图2 1 图2 2 所示，本文设计的履带式排水管道穿缆检测机器人，基本 尺寸为5 3 0 m m x3 2 4 0 m m 1 9 0 m m ( 长宽高) ，当在管道内行走时，遇到 障碍最大仰角坡度可为4 5 0 ，侧倾角度可达3 0 度。它包括动力源及传动系统 结构、密封结构、新型宽履带及张紧结构和外架系统四大部分。其特征是采 用了一种新型微小型履带结构和张紧结构，使得管道机器人不仅能在干净的 管道中行走，还可在有液体和淤泥的管道中运行( 如城市排水管道和输油管 道) ，履带安装在主动轮和从动轮上，从动轮安装在有从动轮支架和履带张紧 装置所固定的从动轴上，采用双履带结构的差动驱动 密封结构采用箱体式 密封，从后部引入电源和串行控制线，通过箱体的输出轴驱动主动轮带动履 带运动。本发明具有结构紧凑合理、体积小、作业效率高、水陆两栖、成本 低，适用于直径大于4 5 0 m m 管内作业和不同管径的管外作业，能够完成对管 道进行穿缆、缺陷检查、修补、管道疏通等作业，可运用于天然气管道、石 油管道、城市排水管道、自来水管道、核工业管道等。 2 3 1 小型城市排水管道机器人组成： 从动链轮1 ，单耳传动链条2 ，前轮端盏3 ，前轮端盖螺钉4 ，前轮支架 螺钉5 ，前轮支架6 ，上箱体7 ，上下箱体紧固螺钉、螺母和垫圈8 、9 、1 0 圆锥销1 1 ，起盖螺钉1 2 ，下箱体1 3 ，电机1 4 ，履带橡胶块1 5 ，长紧固螺钉 和螺母1 6 、1 7 ，箱体端盖螺钉1 8 ，箱体端盖1 9 ，电机安装板2 0 ，沉头螺钉 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 8 匝糖惰爨姆鞲惜、，椎嚣卿瓤*站怛繇_【n匦 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一弋7 厂 7 一_ 4 心7 汀， a 苯j ll谰u 吐f 。，1 瑚f 必b = 荔阮磋彭 弭，牛一竹o 。l 。、。树；锄鼢 2 p ：銎薪辞期阀莲蕊1 里珂湘 4 ，7 纛瓣职：芝h * 一 jl 甲髟 i i 、m 1 f 斟 。一 l 0 - 由咔1 4 一占一 r ，一 一 、 嘲酬 f 辨耕 土 r k 硝 p ， m t 丌1 川姒 辫。 图2 2 小型城市排水管道机器人俯视结构示意图 2 1 ，电机安装板紧固螺钉、螺母2 2 、2 3 ，螺母2 4 ，拉紧螺栓2 5 ，垫片2 6 ， 从动轴格来圈2 7 ，调隙钢圈2 8 ，o 型橡胶密封圈2 9 ，弹性挡圈3 0 ，从动轴 3 1 ，深沟球轴承3 2 ，夹紧螺母3 3 ，夹紧垫圈3 4 ，螺钉3 5 ，电路安装板3 6 。 传动小链轮3 7 ，小链条3 8 ，主动轮3 9 ，主动轴格来圈4 0 ，后轮端盖4 1 ，端 盖螺钉4 2 ，主动轴4 3 ，o 型密封圈4 4 ，调隙钢圈4 5 ，主轴深沟球轴承4 6 ， 套筒4 7 ，传动大链轮4 8 ，平键4 9 ，拖缆铝筒5 0 ，密封螺母5 1 ，0 性密封圈 5 2 ，履带钢板5 3 ，外架支架5 4 ，夕t - ；o n 紧固螺钉5 5 ，外架5 6 。 2 3 2 本体结构原理 整个机器人采用左右对称式的结构分布，它包括动力源及传动系统、密 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 封结构、新型宽履带及张紧结构和外架结构四大部分。 a i 、机器人的动力源传动系统和结构说明 小车的动力源为两个直流电机( 1 4 ) ，通过电机自带的蜗轮蜗杆传出动 力，在电机的输出轴上安装传动小链轮( 3 7 ) ，传动小链轮( 3 7 ) 上的动力通 过小链条( 3 8 ) 传给传动大连轮( 4 8 ) ，传给传动大连轮( 4 8 ) 通过平键( 4 9 ) 固定在主动轴( 4 3 ) 上( 如图2 所示，两根主动轴都为两端输出) ，通过套筒 ( 4 7 ) 、轴承( 4 6 ) 、