管道行进刮垢机器人设计

侯培红 黄建平 徐彬1 周志勇

摘 要：在日常生活中，UPVC生活污水排水管道内常有污垢残留，这些污垢在长时间的堆积之后，会与管道内壁有所粘连，不易清除，最终导致堵塞，严重影响人们的日常生活。这些污垢极难处理，严重时需要挖出整个管道，十分不便，费时费力，效率低下，不能满足和适应现在人们的高品质生活需求。本稿介绍一种管道养护机器人，该机器人可在管道内行进，同时清除管内壁污垢，避免了管道的开挖处理，极大地减少了人力资源的浪费，具有非常广阔的应用前景。

关键词：管道机器人；UPVC管道；行进；污垢

1 绪论

在人们的日常生活中，因为种种原因，UPVC排水管网内部状况难以了解，加上目前各种对管道养护的手段不多，导致了排水系统的一些积泥堵塞，以致“水漫街”情况常有发生，直接影响着城市交通和人民的安全。人们在餐后清洗碗筷排放残余垃圾时，部分杂质污垢会残留在管道内，这些污垢在长时间的堆积之后，会与管道内壁有所粘连不易清除，最终导致堵塞，严重影响人们的日常生活。这些污垢极难处理，严重时需要刨根挖土，挖出整个管道，十分不便，严重损耗劳动力，处理效率低下。

可见，研发用于常用材料UPVC的排水管道的管道除垢机器人有着重要的意义。2008年，管昌斌等专业人员提出了一种新型蠕动管道机器人的结构设计，该设计有效地提升了机器人的运行速度，并且尽可能地减小了与管道内壁的摩擦，非常实用。

管道除垢如今常用的方法一般分为化学除垢、高压水除垢和机械除垢等。针对UPVC排水管道内径较小等特点，本课题采用机器人技术，用机械除垢的方式，实现管道疏通、管壁污垢刮除及自动前后行进等功能，从而达到对管道的无损除垢。

2 管道机器人的分析与设计

2.1.1 管道机器人的主要性能及设计要求

本课题设计的机器人要求能在管道内疏通管道、刮除管壁污垢及自动前后行进，还要求机器人的支撑轮系可以适应不同内径，有较好的防水密封性能，适应湿度较大的管道环境。该管道机器人适用于生活用UPVC管道，其管道与包胶轮的摩擦系数为0.5，管道内径为110mm，相关性能指标如下：

（1）行进速度0.08m/s；

（2）整体质量10kg左右；

（3）管内受到的阻力1kg左右。

2.1.2 管道机器人的主要组成部分

本课题的管道机器人主要由行进部分和刀具部分两大部分组成。为了实现实际应用的可靠性和实用性，管道清除机器人必须根据管道内工作环境特点，设计要保证运行的稳定。如果机器人在移动过程中旋转，或者由于重心的移动，机器人的轴线和管道中心线会发生偏转，可能会导致整个机构卡在管道内，不能取出。

一般根据驱动形式，管道机器人可分为轮式管道移动机器人，履带式管道移动机器人和蠕动管道移动机器人。机器人常用的驱动方式有：液压传动，气动传动，电动传动三种基本方式。其中，液压和气动方法对环境有更高的要求，实施起来更加复杂。

根据上述要求，结合蠕动式行进速度适中，管径可以适应中小口径，弯道通过能力一般，但大牵引力较大，密封性较好等特点，本设计采用蠕动式行进和电驱动的方法，传动方式采用螺旋传动的方式，即用直流伺服电机来带动螺杆的正反转，以完成行进过程。

蠕动式行进的管道机器人通常包括蠕动行进机构和制动结构。其中蠕动机器人的传动机构是整个行进部分的核心机构；制动结构用来保证机器人在运动时与管道内壁的相对锁定，配合传动机构完成整个行进目的。

根据设计要求结合实际情况，

（1）螺杆螺母传动机构：蠕动机构即螺杆螺母传动机构作为机器人的驱动结构，完成伸展与收缩两个动作，实现机器人在管道内的自动行进功能。

（2）制动机构：使用环形电磁铁来完成制动。电磁铁可以依靠控制，来改变它的长度在管道内，给与轮胎一个正压力来实现制动功能。

（3）可变径轮系机构：分为前后共六个轮子，在管道内以空间120°的方式撑开，保证机器人在管道内工作时的支撑，保证机器人的轴线与管道轴线重合，使机器人运动平稳。

2.1.3 管道机器人的行走原理

蠕动式管道机器人在管道内的运动具有间歇式的特点，整个工作行程由多个蠕动动作组合完成，一个正转加一个反转即为一个行程。向左为例，由一下几个状态组成：

状态一：两端处于锁死状态，防止即机器人左右移动；

状态二：左段制动机构解锁，电机带动螺杆正转，螺杆推动螺母左段整体向左移动；

状态三：左段制动机构锁定，右端制动机构解锁，电机反转，螺杆带动右段整体向左移动；

状态四：重复执行以上两状态。

2.2 主要机构设计方案

2.2.1 螺母螺杆传动机构（蠕动机构）的分析运用

本设计中的螺杆驱动方式使螺母通过旋转螺杆使其直线运动，占用空间小，易于锁定，通常使用长行程螺杆。螺杆传动方式主要传递动力，螺母通过螺杆的旋转直接运动，螺母通过螺母连接件和连杆将动力传递给前端钻头部分。这种设计中的螺杆驱动器需要相对较大的轴向推力以及小的旋转扭矩，并且通常是间歇运动。工作速度相对较低，通常需要自锁功能。本设计中的管道机器人采用传动力螺旋的螺旋力传动方式。

螺杆驱动方式主要以传递动力为主，通过螺杆的转动直接驱动螺母使其实现运动，螺母通过螺母连接件和连杆将驱动力传递给前钻头。在这种设计中，螺杆驱动需要较大的轴向驱动力和较小的转动力矩，并且通常为间歇性运动，间歇运动的工作速度相对较低，通常需要自锁功能。在这种设计中，管道机器人使用螺杆传动。

2.2.2 制动机构

整个制动机构其实就是通过一个环形电磁铁控制其吸合连接套，使聚氨酯的导向轮能够压紧到管道的内壁，从而实现随时随地制动的目的。

环形电磁铁是诸多电磁铁中的一种，通常也称为电磁吸盘，电吸盘。环形电磁铁就是利用通有电流的线圈使其产生磁场，并以导磁材料为介质，磁性装置使它们像永磁体一样，其材料容易被磁化并容易从磁性软铁或硅钢中消失。这样，当电源打开时，电源关闭后，磁性会消失。

2.2.3 可变径轮系机构

可变径轮系主要由空间成120°分布的轮架，连接件，螺栓螺母及轮子组成，它可以在管道内撑开，起支撑作用并保证整个机器人与管道同心。可变径轮系可以适应一定的内径变化，通过制动机构的连接，可以保证轮子与管道内壁紧贴，从而实现进给运动。

3 结论

本课题主要设计了一种螺旋传动的蠕动式管道机器人，旨在解决平时的生活用水管道的污垢疏通。采用蠕动式的行进方式缩小了机器人的直径，解决了在小直径管道中工作的难题，本管道机器人采用减速器输出轴直接通过联轴器连接特制的钻头，十分方便有效，在需要的情况下改变钻头大小即可适应不同管道，非常方便，当然本管道机器人还有一些不足之处，如不能在管道中过弯的问题。这个问题，可以选择适合的电机和万向联轴器，再换上柔性丝杠等加以解决，在此不作具体探讨。

此机器人具有小巧、快捷、成本低、無污染、无腐蚀等特点，对残余垃圾导致的污垢堵塞很实用。

参考文献：

[1] 毕德学，邓宗全.管道机器人[J].机器人技术与应用，1996（06）：12-14.

[2] 杨国量，向忠祥.城市排水管道自动清淤检测机器人设想方案[J].中国市政工程，1998，83（4）：43—45.

[3] 郭风，许冯平，邓宗全，彭敏.管道机器人弯道处驱动力研究[J].机器人，2006（8）：1264—1266.

[4] 梁锡昌，蒋建东，李润方，陈小安. 特种螺旋传动机构的研究[J]. 机械工程学报2003-11.20（5）

上海市闵行科委资助项目：多功能管道养护机的研发.