城市地下管道机器人

湖北工业大学机械工程学院 刘嘉诚 陈涛 朱郧涛 吴潇

城市地下管道机器人

湖北工业大学机械工程学院 刘嘉诚 陈涛 朱郧涛 吴潇

我国华中和华南地区夏季雨水越来越集中，强降水给城市地下管道的排水带来了相当大的压力，在此压力下，老城市旧的排水管道系统逐渐暴露越来越多的问题。又由于城市地下管线数量巨大、种类繁多、新旧层次突出，使得对缺陷检测、定位以及维修等工作的难度极大，严重制约了我国“十三五”城市地下综合管廊建设和城镇化发展的进程。因此，研发一套可以远程检测的城市地下管道机器人来替代人工作业，降低工人的劳动强度，提高工作效率，在管道的疏通和维护方面具有广阔的应用前景和十分重要的意义。

地下管道；缺陷检测；管道疏通；城市地下管道机器人

1 背景

在城市地下，埋藏着无数错综复杂的各种管道，这些管道保障着我们的生活，更关乎着城市运行的质量。如果把城市比作人体，四通八达的地下管网如同身体内“血管”，为城市的生存、发展输送养料，排出污物，完成循环。随着管道使用年限的增加，难免会出现老化、变形、破损的现象，对城市排水系统造成隐患。通过人工下管道检修，不仅效率低下，而且对人体有害。如2008年7月31日，安徽淮北市7名民工在检查污水管道时中毒。2009年5月26日萧山靖江镇机场2期安置区，1名工人下到井里作业时发生意外。2011年6月9日，温州扶贫开发区中兴路发生一起检查下水管道雨水的工人中毒的事故。据统计，近几年国内每年城市排水管道检修、疏通事故千余起，造成了很多人员伤亡，同时间接经济损失达百亿元之多[1]。

管道作为一种方便、有效的物料输送工具，在日常生活中应用非常地广泛。

但由于有些特殊的管道输送一些化学物质或者长时间腐蚀，难免出现泄漏、裂纹等现象，这些问题靠人通常很难解决，有些管道的口径非常小，对管道的检测维护是一件非常困难的事情，起初，如果管道出现了问题，人们通过把整个管道挖出来，进行检查维护，这样耗费大量的人力物力，效率极低[2]。现在大多采用管道机器人来检测，通过其携带的高灵敏传感器、高清摄像头、倾斜角传感器、多自由度机械臂、高压清洗设备、焊接装置、图层装置等设备来完成管道内特定的工作[3]。

为了提高管道的可靠性，防止泄漏、堵塞等事故的发生，每年针对管道进行维护检测，传统的检测方式多采用管道机器人来代替人工检测。由于轮式机器人具有驱动方式简单、容易控制、运行效果好等特点，轮式管道机器人作为管道检测设备的使用越来越广泛[4]。然而，国内管道机器人品种较少，且对于管道的适应性较差，功能不足，国外设备非常昂贵，因此开发出一套经济可靠的管道机器人很有意义。

2 城市管道机器人功能模块介绍

管道机器人功能包括底盘爬行模块，云台升降模块，相机旋转模块，灯光亮度调节模块，姿态显示模块，气压显示模块，温度显示模块，激光测量模块，机器人测速模块，缆线车模块，如下图1所示。控制面板或者PC上位机控制端通过TCP/IP协议与管道机器人主控制通信。机械面板控制主要通过摇杆、按钮、旋钮等对管道机器人进行控制，如下图2所示。而用PC上位机来操控，只需要用鼠标点击上位机上的虚拟按钮来控制，如下图3所示。

图1 管道机器人的控制系统模块图

图2 机械控制面板

图3 PC上位机控制端

3 管道机器人在管道行走实验

管道机器人在水泥管道测试，如图4所示。通过电脑上的上位机或者机械控制面板远程操控机器人，在管道里对机器人功能上做了一些测试，包括视频采集的实时性（包括视频有无卡顿现象）、镜头参数的调节、灯光亮度的调节、前后灯的切换、摄像头的旋转测试、云台和摄像头复位测试、缆车收放线测试，都能够满足功能要求。通过在管道内部对机器人摄像头的控制，机器人在管道内部进行视频采集，视频效果良好，能够清晰地看到管道内部的情况,如图5所示。

图4 机器人下管道测试图

图5 远程监控图像

4 总结

城市地下管道机器人研制的意义在于改善了当前疏通管道时工人恶劣的工作环境、降低工人的劳动强度、保障工人的人身安全、提高排水管道清理的效率，也加快了城市地下综合管廊建设和城镇化发展的进程。此外，还可应用于检测管道的破裂、腐蚀和焊缝质量情况；在恶劣环境下管道的清扫、焊接、内部抛光等维护工作；应用于核反应堆的管道方面，减少对工作人员的伤害；应用于海洋油气输送管道方面等。

[1]蔡辉.排水管道检测机器人的设计及应用[d].湖南大学，2012.

[2]甘小明，徐滨士，董世运等.管道机器人的发展状况.机器人技术与应用[J].2003，6：5-10.

[3]小云，颜国正，鄢波.一种新型管道检测机器人系统.上海交通大学学报，2004，38(8)：13-24.

[4]申立琴，宋章军.排水管道检测机器人控制系统研究[J].先进技术研究通报，2009，3（7）：38-41.

2017-09-11）