中小直径排水管道缆控清淤机器人的研究

新型排水管道清淤机器人的结构设计与分析嵇鹏程;韩红波;计玉根;沈惠平【摘要】The mechanical structure and working principle of a new type of robot for deposit cleaning and checking in city drainage pipeline are introduced,the pipe-diameter adaptive mechanism of pipe cleaning robot mechanism is analyzed in dynamics,and the reamer mechanism of pipe cleaning robot is analyzed by finite element analysis.Experiments showthat the system has the characteristics of compact structure,strong adaptability,large traction force,silt thoroughly and et al.%介绍了一种用于城市排水管道清淤和检测的机器人机械结构及其工作原理，对管道清淤机器人的适径机构进行了动力学分析，对管道清淤机器人的绞刀机构进行了有限元分析。

经实验论证表明，本系统具有结构紧凑、适应性强、牵引力大、去淤彻底等特点。

【期刊名称】《江苏水利》【年(卷),期】2014(000)007【总页数】5页(P13-16,19)【关键词】清淤机器人;管径适应机构;绞刀机构;行走机构【作者】嵇鹏程;韩红波;计玉根;沈惠平【作者单位】常州市河道湖泊管理处，江苏常州213016;常州市河道湖泊管理处，江苏常州 213016;常州市水利局，江苏常州 213001;常州大学，江苏常州 213102【正文语种】中文【中图分类】TV+TP2421 总体方案1.1 清淤机器人的总体概述笔者研究的清淤机器人主要由机器人本体、管径适应机构、行走机构、绞刀机构、控制系统等组成。

疏通下水道机器人研究报告一、问题的提出我们学校食堂周围的下水道经常堵塞，特别是下雨天，食堂周围积水严重，给我们用餐带来不便。

尽管学校常请物业公司的工人来疏通，可堵塞现象还是不见好转，疏通过的下水道多则半个月，少则一星期又堵塞了。

为什么疏通过的下水道很快又堵塞了呐？我通过观察工人疏通下水道的过程发现，工人们疏通下水道的工具只是用一根长长的毛竹片，判断下水道是否已疏通的唯一方法是看窨井里的水是否能流通。

其实窨井里的水是能流通了，但堵塞部位的垃圾并没有彻底清除，只是疏通了一个小口子，有一点垃圾流过来就又堵塞了。

由于工人们疏通下水道时看不见、摸不着，往往疏通不彻底，所以容易再次堵塞。

我想要是有一种专门用于疏通下水道的机器就好了。

二、解决问题的思路设计专门用于疏通下水道的机器人，它主要由驱动部分、工作部分和操作部分组成，操作部分要有摄像头、显示器和控制器组成。

让工人们在疏通下水道时看得见、摸得着，这样就可以彻底疏通堵塞的下水道了。

三、解决方案我设计的专门用于疏通下水道的机器人，它主要由驱动部分、工作部分和操作部分组成（如图所示）。

驱动部分由马达、变速箱、轮子等驱动装置组成；工作部分有弹簧转子疏通器、冲水龙头和机械手组成。

弹簧转子疏通器安装在机器人的前部，是促使下水道堵塞部位松动的主要部件，驱动弹簧转子疏通器的马达要选用低速马达，并选用三级或四级变速箱（转速慢可对弹簧转子疏通器起到保护作用，延长使用寿命）；操作部分有摄像头、显示器和控制器组成，操作人员根据显示的图象进行操作。

四、使用方法通过摄像头看清下水道内的实际情况，工人根据显示的图象进行操作。

机器人到达堵塞部位后，通过弹簧转子的顺转和倒转使堵塞部位松动（弹簧转子是主要疏通器），在冲水龙头的帮助下使垃圾流走，遇到大件垃圾无法冲走，则使用大件垃圾清除机械手把它拖出来（机器人退出下水道）。

机械手正在拖出大件垃圾。

图1 自主式清淤机器人工作原理图
在一体化箱体机构上，便安装有监控设备，其与清淤斗部分位置较为接近。

由于城市排水管道内部的环境较为恶劣，加之其采光效果较差，因此，在安装监控设备时，选择的监控设备为防水且携带红外夜功能，其光源主要选择使用的为节能灯。

为保障城市排水管道中泥水不会溅落到摄像镜头，避免发生模糊，无法观察机器人工作情况以及管道环境的事情发生。

所以，在进行摄像镜头安装时，会增加专用雨刮器，类似汽车所使用的雨刮器。

在管道中，机器人进行清淤工作时，工作人员可以利用监控设备对其所工作的环境进行观察，且能利用远程操控机器人，及时地对机器人的工作进行调整。

现阶段，新型排水管道清淤机器人在工作过程中，若要与地面工作人员进行交流，其方式主要选择的为无线远
利用新型排水管道清淤机器人进行城市排水管道清淤，可以提高工作效率，降低城市排水管道清淤的总成本。

目录1 绪论 (2) (2) (4) (12)2 管道机器人总体设计 (13) (13) (14) (15) (17) (22) (22) (26) (27) (28) (28)3 链传动的设计计算 (29) (29) (30) (30)4 蜗轮蜗杆的设计计算 (32)蜗轮蜗杆基本参数设计 (32) (32) (33) (34) (35) (36) (37) (37) (38) (43) (44)5 过弯道能力和其他部件设计 (46)弹簧的设计 (46) (47) (47) (48)6 管道机器人建模与仿真分析 (52)7 总结和展望 (56)参考文献 (59)致谢 (61)1 绪论用于石油、天然气乃至民用上下水等管道在传输液、气体过程中，因温度、压力不同及介质与管道之间的物理化学作用，常常会高温结焦，生成油垢、水垢，存留沉积物，腐蚀物等，使有效传输管径减少，效率下降，物耗、能耗增加，工艺流程中断，设备失效，发生安全事故。

尽管通过添加化学剂，采用合理的工艺流程，进行水质处理措施可以在一定程度上改善这些情况，但要完全避免污垢的产生是不可能的。

我国的管道清洗行业长期以来80%采用的是化学方法以及手工清洗和机械清洗方法，成本高、效率低、污染环境等，远远不能满足现代社会日益增长的要求。

探索和开发高效的清洗方法成为工业生产和人民生活的不可或缺的环节。

利用行星磨头清洗是一种新的清洗方法。

与化学清洗及手工、机械清洗相比，具有清洗质量好、效率高、适应性强、成本低等一系列优点，可达到返旧还新的效果。

作为一种清洁、高效、对环境无污染的清洗技术，具有可观的经济和社会效益。

随着经济的发展、人们生活水平的提高，人们对于食品卫生、健康的要求越来越高，环保意识越来越强，如何实现油烟管道高效率的清洗成了相关从业人员关注的问题。

本课题的研究目的是设计一种应用于清洗油烟管道的机器人，解决单独靠人力很难完成，甚至不可能完成的油烟管道清洗任务。

管道清淤功能简介
管道清淤功能简介
1. 引言
管道清淤是一种创新的工程，用于清理城市排水管道中的淤泥、垃圾和堵塞物。

本文将详细介绍管道清淤的各项功能。

2. 自动探测
管道清淤配备了高精度的探测装置，可以自动扫描管道内的淤泥和堵塞物。

通过激光雷达和摄像头等传感器，可以实时获取管道内部的状态，并详细的管道结构图。

3. 淤泥清理
管道清淤通过高压水枪和清扫装置，可以对管道内的淤泥进行清理。

可以根据管道结构图和实时数据，自动调整清洗参数，确保彻底清除淤泥，恢复管道的通畅。

4. 堵塞物清除
当遇到堵塞物时，管道清淤可以发出报警信号，并采取相应的措施进行清除。

配备了特殊的工具，如钳子和钻头，可以在不损坏管道的情况下清除各种类型的堵塞物。

5. 数据记录与分析
管道清淤具备数据记录和分析功能。

可以记录清理过程中的
各项数据，包括淤泥的重量、清理时间等。

这些数据将被传输到后
台系统进行分析，以便对管道进行管理和维护。

6. 遥控操作与自主运行
管道清淤可以进行遥控操作，操作人员可以通过遥控器对进
行控制和监控。

同时，还具备自主运行的能力，可根据预设的路径
自动巡航，完成清淤任务。

7. 附件
本文档涉及以下附件：清淤结构图、清洗参数设置表、清理
记录表格。

8. 法律名词及注释
1）排水管道：城市中用于排放废水和雨水的管道系统。

2）淤泥：在排水管道中积聚的沉积物，由污水中的固体颗
粒组成。

3）堵塞物：导致管道流动受阻的物体，包括垃圾、树根等。

下水道清淤机器人设计背景：近年来，城镇化进程迅速，城市规模日益扩大，城市下水管网不断延伸膨胀。

城市排水系统是否畅通，不仅关乎城市防洪排涝，更直接影响着广大市民的日常生活和身心健康。

目前，我国城市下水管道清淤方法常用有：绞车清淤法、高压水射流清淤法和水冲清淤法，绞车清淤法是最普遍采用的方法。

这些方法需要工人井下作业，存在着工作环境恶劣、装配复杂、清淤效果不佳等缺陷。

中国城市规划在最初规划时，考虑的都是用圆形管道作为城市的下水道管网，而这些管道的管径都比较小，小的只有二三十公分，大的也不过一米左右。

这就不像外国城市规划那样采用的基本上都是那种大型管网，大的能有两米多高，最小的起码也能够让在里面行走，这样就能让人在里面进行清淤工作。

但是中国的就不一样，由于管网过小，工作人员进不去，而且里面还有沼气等有毒气体，就更加增加了工作的难度。

综上就迫切需要一款能够胜任管道清淤的机器人，由此我们产生有设计这款机器人的想法。

行走部分：此机器人所采用的是轮式四轮驱动，每个轮子的动力都来自不同的动力源。

这样就能克服更加艰苦的环境。

支撑轮子的轴承是固定在不同支架上，支架可以90度自由旋转和自由伸缩。

这样的设计，能够使机器人在环境恶劣的下水道里面更加行走自如，如果下水道中有沉淀的淤泥，机器人就可以通过操纵杆控制，让机器人的四只旋转车臂向上旋转，使四只轮子紧贴着下水道管壁行走，让机器人的主体部分不至于触碰到下水道里沉淀的淤泥，从而获得比较好的工作环境。

然而，车臂上的液压装置主要是用来使机器人适应不同管径的下水道管道，比如有的管径只有300mm，这时只需要短的车臂就足以将机器人的底盘抬高到预定的高度，然而如果下次要清理的是，很大的管径的下水道里面的淤泥，这时光靠车臂本身的长度就不能够将机器人的底盘抬高到预定的高度。

这个时候，我们所设计的可自由伸缩和旋转的车臂就能够很好的解决这样的问题。

支撑部分：支撑部分是一块PVC发泡板。

工业生产的PVC分子量一般在5万～12万范围内，具有较大的多分散性，分子量随聚合温度的降低而增加；无固定熔点，80～85℃开始软化，130℃变为粘弹态，160～180℃开始转变为粘流态；有较好的机械性能，抗张强度60MPa左右，冲击强度5～10kJ/m2；有优异的介电性能。

排水管道清淤机器人的方案研究摘要：市政排水管道的使用情况与人民群众的生产生活密切相关，随着市政面积的增大，排水系统变得越来越复杂，对排水系统的管理和维修工作就变得越来越重要。

排水管道的淤堵会影响到排水的效率，严重时还会导致管道的断裂，从而给市政的基本运行和居民的日常生活带来很大的冲击。

随着机器人技术的快速发展，在排水管道清淤领域取得较大的发展。

本文对排水管道淤积的成因进行分析，详细介绍排水管道清淤机器人的设计与应用，确保市政排水管道运行更加稳定。

关键词：排水管道；清淤机器人；方案引言导致排水管道淤堵因素多种多样，特别是有些老旧的社区，因为基础设施不够健全，就更容易发生排水管道淤堵的情况。

此外，在进行排水管道的日常维修时，也要定期对排水管道进行疏通，这些特殊要求都推动了排水管道清淤技术的发展。

1 市政排水管道阻塞的成因1.1 不合理的设计和不规范的建造在旧建筑区的规划建设中，由于未充分重视原有的地下管道布局，导致在建设过程中，管道间存在着较多的交叉，从而造成工程建设中的临时处理计划不够完善。

在长期运行中，因外界荷载的影响或雨水引起的地基土沉降等原因，造成了管线的沉降。

管道污水流通断面、水流最小流速没有达到设计规范的要求，或者在设计中没有任何原则地对管径进行了扩大，违反了管径计算中80%的充满度的标准，使得排水流速下降，不能确保自净流速得到保障，这就会对排水管道的阻塞造成潜在的危害，造成污物和杂质容易在管底部沉淀。

随着时间的推移，最终形成了沉淀和阻塞。

一些施工单位在进行市政排水管道的设计时，没有充分考虑到施工地区地下管线的布置特征，导致工程不能适应施工要求。

市政排水管道在施工过程中，由于施工图纸的不正确，会造成排水管道的塌陷、破裂，1.2 使用不当，维修不及时在施工过程中，对其进行的管理存在着一定的问题。

比如，水泥砂浆、磨石浆、碎砖渣、木料等，都会在不经意间被丢弃到管道中，从而造成之后的管道出现堵塞，对排水造成不好的影响，并且难以进行疏通。

城市建设现代化，要求各种公用设施也要相应现代化，排水设施现代化便是其中的一个重要组成部分。

排水事业的任务是保护环境免受污染，促进工农业生产的发展和保障广大人民群众的健康与正常生活。

城市地下排水管道一旦堵塞，严重时形成内涝，房屋街道被淹，威胁城市居民的生命财产安全，造成企事业单位巨大经济损失，所以需要进行清淤疏通作业。

近年来，各地在疏通地下排水管道的作业中，发生过多起作业人员中毒伤亡的事故，给人民的生命财产造成了严重二次损失。

我国城市地下排水管道的清淤工作还普遍处于人工作业的落后状态，不仅体力繁重，效率低，恶劣环境雨污水管道已经运行多年，多处地段严重淤积和破损。

地下管道在路面下，看不着摸不到，其清淤和修补成了一大难题。

地下管道经常堵塞渗漏，无法查明原因，更无计可施？
地下管网工程技术人员普遍担忧的老大难问题。

被武汉中仪物联的地下管道检测机器人（水下清淤机器人）轻松搞定。

Technology Innovation and Application2021年16期创新前沿水下管道清淤疏浚机器人研究综述郭昆鹏1，赵银江1,汤家源■，尹新彦2（1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都610213；.北京理工大学珠海学院，广东珠海519088）摘要：随着城市化进程的发展加快,城市居民人口，工业园区数量快速增加，城市排水系统压力逐渐增大，由于大多数排水管道长时间淤泥沉积造成管道堵塞,形成雨季内涝，城市看海现象，严重地影响了城乡居民的日常生活以及城市的发展建设。

文章介绍了国内的城市管道清淤疏浚机器人的研究现状，通过对机器人的机械结构、行走方式、控制方式等进行归类，总结 了各种管道清淤机器人的特点，并对各种机器人的性能进行了分析对比，指出了各类管道清淤疏浚机器人目前存在的问题，并对水下管道清淤疏浚机器人的发展进行了展望。

关键词：清淤疏浚机器人;管道;城市;研究中图分类号:TP242文献标志码:A文章编号：2095-2945(2021)16-0021-03Abstract:With the rapid development of urbanization,the population of urban residents and the number of industrial parks are increasing rapidly,and the pressure of urban drainage system is gradually increasing.Due to the long-term sludge deposition of most drainage pipelines,some of the pipelines are blocked,which seriously affects the daily life of urban and ru­ral residents and the development and construction of the city.This paper introduces the research status of domestic urban pipeline dredging robots,classifies the mechanical structure,walking mode and control mode of robots,summarizes the charac­teristics of various pipeline dredging robots,analyzes and compares the performance of various robots,points out the existing problems of all kinds of pipeline dredging robots,and puts forward some suggestions for underwater pipeline dredging robots. Finally,the development of dredging robot is prospected.Keywords:dredging robot;pipeline;urban;research近年环境恶化以及持续强降雨是导致城市内涝的一个方面，因此迫切需要增加城市排水管道容量;另外城市居民生活水平提高，城市工业园区发展迅速，生活及工业废液排放量增大，多年来管道内的淤泥聚集以及泥沙沉降使得主要排水干道的排水能力明显下降，是导致城市排水管道堵塞的一个重要方面叫但是从根本上讲是因为城市排水管道排污能力有限。

排水管道机器人综述排水管道机器人综述陈松李天剑王会香刘相权（北京信息科技大学智能机器人技术研究所，北京，100192）摘要：排水管道机器人通常采用模块化设计，一般分为爬行器、电缆绞盘、上位控制单元、检测单元、辅助装置、图像处理软件等模块。

本文介绍排水管道机器人各模块现有技术特点，并结合智能控制技术，展望未来排水机器人发展方向。

关键词：机器人，排水管道，模块化，技术展望0 引言排水系统被形象地比做城市的命脉，保证排水系统的正常运转，对于保护环境、减少污染、提高人民健康水平、维持城市的正常工作、生活秩序有着非常重要的意义[1]。

因此，为保证排水管道的正常使用，就必须对排水管道进行检测维护，排水管道机器人应运而生。

管道机器人是一种可沿管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统[2-3]。

1 排水管道机器人模块1.1 爬行器排水管道机器人按爬行器行走方式可分为轮式管道机器人[4]、履带式管道机器人[5]、腿式管道机器人[6]、蠕动式管道机器人[7]。

目前市场上排水管道机器人以轮式管道机器人居多。

1.1.1 轮式管道机器人按行走机构划分，轮式管道机器人可分为支撑轮式和车型式两类。

支撑轮式管道机器人[7]采用对称分布的行走结构，支撑轮紧贴在管道表面，对管道表面有较大压力，行走能力强，可在有较大倾角的排水管道中行走。

在理论上，该机器人的中心与管道中心重合，机器人运动稳定性好。

支撑轮式管道机器人一般具有变径机构，以适应不同管径的管道。

图1 MRINSPECT IIMRINSPECT II采用多节方式，各节间通过可控万向铰连接，可通过弯管接头，采用弹簧支撑式连杆机构[8]。

车型式管道机器人[7]在管道底部行走，具有结构简单、行走连续平稳、运动灵活等优点。

车型式管道机器人靠自身重量提供正压力，因此不能在大倾角的管道中行走。

基于pro/e的中小型排水管道清淤机器人虚拟样机设计
随着国民经济的迅速发展，环境污染日益严重，环保问题越来越受到社
会各界的普遍关注。

城市污水排放是确保环境卫生、建设现代化文明城市的重要一环。

目前，我国绝大多数城市排水管道的清淤工作仍普遍处于人工作业的落后状况，不仅体力繁重、效率低，而且井下工作环境恶劣，易于引发爆炸等事故伤害。

文献检索的结果表明，国内外管道机器人多用于核反应堆管道和油气输送管道的检测、补口等工作，而排水管道清淤机器人的研究尚属空白。

鉴于这种情况，我们进行了排水管道清淤机器人的研究，并在Pro/Engineer 平台上进行了清淤机器人虚拟样机设计。

一、排水管道清淤机器人设计方案
排水管道清淤机器人本体采用四轮结构，轮子用耐磨、耐腐蚀的合成橡胶制成，并在其表面加设花纹以增大摩擦力。

车轮与管道壁接触处的形状与管壁的弧形完全一致，以尽量做到无间隙接触。

车体前部装有作业刀具，用于清理管道中的树枝及钙化物等淤积物。

清理后的淤积物在水流的冲刷下被带到下游管道检查井。

二、管道清淤机器人虚拟样机设计
虚拟样机(Virtual Prototyping) 是当前设计制造领域的一门新兴技术,该技术是在计算机上通过CAD/ CAM/ CAE 等技术将产品信息集成到计算机提供的可视化虚拟环境,在实际产品制造之前实现产品的仿真、分析与优化过程。

2.1 管道清淤机器人虚拟样机的系统结构
管道清淤机器人虚拟样机将管道清淤机器人研究与虚拟样机技术相结合, 针对机器人设计与制造过中的运动学与动力学分析、轨迹和路径规划、机器人与工作环境的相互作用等技术内容进行研究与系统开发,通过系统仿真软件在相应。

工业中小型管道清洁机器人的使用场景工业中小型管道清洁机器人是一种能够用于清洁工业管道的智能机器人。

它可以在狭窄的管道内进行自主导航和清洁操作，解决了传统清洁方法无法达到的难题，大大提高了清洁效率和安全性。

下面将介绍工业中小型管道清洁机器人的使用场景。

工业中小型管道清洁机器人可以广泛应用于化工、石油、能源等工业领域。

这些行业中常常存在着大量的管道系统，包括输送管道、反应器管道、储罐管道等。

由于这些管道常年运行，内部会积累很多污垢和沉积物，导致管道堵塞、磨损甚至爆炸等安全隐患。

传统的清洁方法需要人工进入管道进行清洁，操作复杂、危险性高，而工业中小型管道清洁机器人可以代替人工完成清洁任务，提高工作效率，同时也减少了人员负担和安全风险。

工业中小型管道清洁机器人还可以用于城市下水道、污水处理厂等公共设施的清洁工作。

城市下水道是城市污水排放的重要通道，经常会被垃圾、泥沙等堵塞，影响排水效果。

传统的清洁方法需要工人进入下水道进行清理，不仅工作量大，而且存在安全隐患。

而工业中小型管道清洁机器人可以通过自主导航技术，在下水道内自主行驶，并利用机械臂、喷水装置等工具进行清洁作业，大大提高了清洁效率，减少了工人的工作强度和安全风险。

工业中小型管道清洁机器人还可以应用于食品加工行业。

食品加工过程中，常常会产生大量的管道，包括输送管道、混合管道、蒸煮管道等，这些管道内部容易产生残留物、细菌滋生等问题，影响食品的质量和卫生安全。

传统的清洁方法需要人工进行，不仅效率低下，而且存在交叉污染的风险。

而工业中小型管道清洁机器人可以通过自主导航和智能控制技术，在管道内部进行全面清洁，保证食品加工过程的卫生安全。

工业中小型管道清洁机器人还可以应用于建筑行业。

建筑工地常常会有大量的管道，包括给排水管道、暖通管道、燃气管道等。

这些管道在施工过程中容易被泥浆、水泥渣、焊渣等杂质堵塞，导致管道流量减小、甚至完全堵塞。

传统的清洁方法需要工人进行人工清理，不仅费时费力，而且存在安全风险。

项目的研究内容城市排水管道智能作业机器人系统研究随着城市化进程的不断加快，城市排水管道的建设和维护也变得越来越重要。

而传统的排水管道维护方式存在许多问题，如人工作业效率低下，工作环境恶劣等等。

因此，研究城市排水管道智能作业机器人系统，成为解决这些问题的重要途径。

一、研究背景城市排水管道作为城市基础设施的重要组成部分，其维护和管理一直是城市管理的难点。

传统的排水管道维护方式主要依靠人工作业，但这种方式效率低下，容易出现人为误操作等问题。

而且，排水管道作业环境恶劣，存在一定的安全风险。

因此，研究城市排水管道智能作业机器人系统，成为解决这些问题的重要途径。

二、研究内容1. 智能作业机器人系统的设计智能作业机器人系统是本研究的核心内容。

该系统主要由机器人本体、控制系统和传感器组成。

机器人本体需要具备足够的机械臂灵活性和稳定性，以便在狭小的排水管道内进行作业。

控制系统需要能够实现机器人的自主导航、避障和作业控制等功能。

传感器则需要能够对排水管道内的环境进行实时监测，以保证机器人作业的准确性和安全性。

2. 智能作业机器人系统的功能智能作业机器人系统需要具备的功能包括自主导航、避障、作业控制和环境监测等。

其中，自主导航和避障是实现机器人在排水管道内自由移动的关键。

作业控制则需要能够实现机器人对排水管道内的污物和堵塞物进行清理和修复等作业。

环境监测则需要能够实时监测排水管道内的温度、湿度、气体浓度等参数，以保证机器人作业的安全性和准确性。

3. 智能作业机器人系统的应用智能作业机器人系统的应用主要包括排水管道的巡检、清理和维护等方面。

在排水管道的巡检方面，机器人可以通过自主导航和环境监测等功能，实现对排水管道内的异常情况进行监测和报警。

在排水管道的清理和维护方面，机器人可以通过作业控制等功能，实现对排水管道内的污物和堵塞物进行清理和修复等作业。

三、研究意义城市排水管道智能作业机器人系统的研究，具有重要的现实意义和社会价值。