轮式管道清淤机器人设计

安海涛 唐杰 雷虎城

摘 要：针对城市管道清淤危险性高、劳动强度大、效率低等问题，设计了一款管道清淤机器人，包括可以在管道行走的遥控车主体、清淤装置以及远程控制等功能模块，完成了样机制作并在模拟淤泥管道中进行了清淤工作，通过测试表明，这一机器人性能稳定可靠，清淤能力强，可以降低工作人员的劳动强度和难度。

关键词：管道清淤;机器人;ps2手柄;蓝牙控制

随着城市化进程越来越快，用水量和排水量也越来越大，其管道清淤的任务也越来越重。管道清淤是将管道进行疏通，清理管道里面的淤泥，保持长期畅通，以防止城市发生内涝。城市排水管道网络中存在大量直径偏小的管道，工人进入比较困难，再加上管道内部还有很多沼气，易燃、易中毒，不利于开展人工清理作业，导致了管道不同程度的堵塞。所以采用机器人清淤更加安全、有效。

本文提出了基于四轮底盘，采用机械手臂和弹簧平衡装置相结合的结构构成的清淤机器人。该管道清淤机器人主要由驱动行走、冲刷淤泥及控制等模块组成，基于大扭矩电机及标准型STC15单片机为控制核心，采用具有自动平衡、远程监控导航、清淤等功能。

1 管道清淤机器人的结构设计

1.1 机械总体结构设计

管道清淤机器人的主要结构由一个主体底盘、四条机械腿、弹簧平衡装置、机械臂和远程监控装置组成，如图1所示。主体底盘对称连接四条机械腿，中间固定一个灵活度高的机械臂。机械腿与主体底盘通过弹簧平衡装置实现机器人的自动平衡，大部分关节由电机驱动，实现整体机身的行走和机械臂的空间作业。

1.2 各部分组成及功能

每个机械腿由伸臂、展臂、电机、车轮构成。展臂上固定车轮，通过伸臂实现展臂与机器主体底盘的连接。展臂与伸臂实现了驱动装置与机械主体的连接;通过三个六角开关分别控制四个电机行进与转向，当需要转向时，控制机器人的两侧车轮分别正反转，那么由于摩擦力，可以让机器人整体绕着底盘中轴做圆周运动，从而实现转向。

为了使机器人在管道内能平稳工作，在机器人底盘加入弹簧平衡装置。弹簧平衡装置主要是通过弹簧钩在伸臂连杆上从而保证整体结构稳定以及车轮摩擦力，弹簧的初始状态由弹簧架确定，弹簧平衡装置通过弹簧的拉力控制机构的摆动。假设管道直径变大时，伸臂向上运动，此时弹簧被拉伸，产生的弹簧力传递到伸臂，与管壁给的支持力所平衡，进而使机构稳定;当伸臂向另一方向摆动时，弹簧也会拉动伸臂，使伸臂紧贴管壁，保证稳定和足够的摩擦力[1]

为了完成空间作业，机械手臂由机械臂底座、机械主臂、机械连臂、舵机和机械手构成。机械臂具有6个自由度，关节动作由舵机的转动实现。机械底盘实现主体底盘与机械主臂的连接，机械连臂分别连接机械主臂和机械手。所有舵机都由单片机控制，6个自由度也给予机器人足够的灵活性。

由于管道内工作环境恶劣，为了在地面上能够了解管道内的环境，管道内的淤泥状态，以便对机器人进行远程操控。在机器人的机械臂上装上了小型摄像头，在地上可利用显示屏进行实时了解，实现对机器人进行远程操控。

2 控制设计

2.1 机器人驱动模块

机器人驱动模块是其系统的关键部分，包括驱动电机的选择、控制系统的设计。由于管道清淤机器人对电机扭矩要求很高、而转速要求不高，因此可以采用大的减速比，靠牺牲电机的转速来获得较大的扭矩。本文采用XD-37GB555直流减速电机，是在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。该电机的优点是简化设计快速响应、宽广的调速范围、线性的机械特性和调节特性。

管道清淤机器人采用四轮独立驱动，考虑到驱动电路的驱动电压为 12 V、电流为1A及尺寸等因素，本文采用18650充电电池进行供电，电池座位3串联座，用两个电池座为四个电机供电。开关、電源、电机连线如图2所示，开关控制电机的正反转，一个开关控制两个行进的主轮，另外两个开关分别控制电机，以便实现原地转向和行进中转向。

2.2 机械手臂控制模块

本设计采用标准型STC15单片机作为主控，这是个低功耗、高性能的单片机。[2]舵机采用TBSN-2701型号，控制周期为20ms，转动角度为270°，舵机用PWM脉冲控制，占空比0.5ms-2.5ms的脉宽电平对应舵机0-180度角度范围，控制板采用0-1500数值对应控制输出角。[2]因此，只要调节控制器的值，舵机就会有对应的角度，进而通过传动机构引起机器模型的相应动作。将控制器编入ps2手柄中，配合无线模块可以进行无线控制，还可以配合app和蓝牙模块进行手机控制。

3 结语

本文针对城市管道清淤出现的难题，提出了一款管道清淤机器人。机器人具有驱动行走、冲刷淤泥及远程控制的功能。驱动控制系统采用六角开关构成驱动电路，机械臂采用标准型STC15单片机作为主控，实现了机器人在管道内的行走和冲刷淤泥，且结构轻巧，操作方便，清淤效率高。实践证明机器人可以对管道进行疏通，清理管道里面的淤泥，保持长期畅通，对于城市管道清淤具有重要意义。

参考文献：

[1]侯纯军.弹簧平衡装置的控制范围与调整[J].轻金属，2006：85-87.

[2]方龙，陈丹，肖献保.基于单片机的机械手臂控制系统设计.广西轻工业，2018-8：89-90.

作者简介：安海涛，山西孝义人，机械电子工程专业，从事机电一体化技术研究。