水下管道清淤疏浚机器人研究综述

郭昆鹏,赵银江,汤家源,尹新彦

（1.中国水利水电第七工程局有限公司,四川 成都 610213；2.北京理工大学珠海学院,广东 珠海 519088）

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[1]。但是从根本上讲是因为城市排水管道排污能力有限。为了解决快速的城市发展与滞后的基础建设之间的矛盾,我们国家已经开始启动排水管道整改项目的试点。为了解决这一问题,根本举措是改造城市排水管道,但是我国城市人均占有排水管道长度0.55米,远低于发达国家人均4米的水平,采取这种措施需要大量资金以及建设周期冗长,难于即刻缓解大量城市雨季看海的窘态。因此排水管道的清理工作对缓解目前状态非常重要[2]。

目前我国管道及暗涵清理工作依旧以人工清理为主要的清理方式,即人工下井穿缆或疏通。而城市排水管道和暗涵大多数位于人口以及建筑物密集区域,传统人工清理作业占地面积大,容易造成污泥洒落地面,污染环境,臭味飘散,给周边居民生活带来不便,同时影响市容风貌；再者传统人工清淤效率低下,而且城市排水管道和涵道的内部环境相当恶劣,气味难闻,可能存在大量甲烷等有毒气体,严重影响一线作业人员的生命安全。水下管道清淤机器人的研究具有重要的意义,所以水下管道清淤机器人的研究工作已经开始受到研究机构及部分高校的重视[3]。

1 城市排水管道清淤机器人研究现状及分析

管道清淤疏浚机器人工作环境比较恶劣,按其作业方式可分为遥控清淤机器人和自主清淤机器人。其中自主清淤机器人智能化程度高,作业精准度高,作业费用低等优点,代表了未来管道清淤机器人的发展方向。

1.1 清淤机器人作业通信方式

目前的大多数清淤机器人是遥控作业的,其通信方式一般分为无线通信和有缆通信两种方式。无线通信方式有ZigBee,无线通信模块等方式。

在文献[4]的控制系统采用了3个S7-200 PLC,机器人内部的两个PLC之间利用电缆通过专用的通信协议PPI实现通信,通过主-从协议实现内部控制。地面控制柜中的PLC与机器人内部PLC之间通过无线通信模块TWH9236/TWH9238经过编码和译码扩展后进行无线控制通讯。这种无线通讯方式能够解决机器人PLC之间的数据传递,完成地面操作人员与机器人之间的信息交互。这种通讯方式没有让地面操作人员获取管道内的环境数据。

由于城市地下管道内部环境恶劣,管壁对信号具有一定的屏蔽效果,在文献[5]中设计了一种ZigBee网络星型拓扑结构,在井口放置一个路由器节点,确保无线数据传输稳定,这种通信网络由于信道容量比较低,所以只能传输控制指令等数据。其监控视频信号由于传输数据量大,视频信号传输稳定性难以保障因此选用了无线视频信号收发器来实现视频传输功能。

在文献[6]中采用DTD433MA通讯模块,该模块支持RS-485通信方式,实现通讯模块与PLC信号对接。上位机采用WINCC组态软件,DTD433MA通讯模块通过MODBUS协议与组态软件进行数据交互。MODBUS协议通信过程可以通过ASCII、TCP、RTU三种方式进行,这里采用RTU协议进行视频信号传输。清淤机器人控制系统的无线通讯系统采用DTD433MA无线收发模块,模块通过RS232/RS485接口与PLC和上位机传输通信数据,通信协议采用MODBUS协议。PLC通过接收上位机的操作码和操作数指令控制相应元件动作,其中操作码代表需要动作的对象（步进电机、直流电机或者电动缸）,操作数代表被控制对象的动作方式。当PLC接收到数据后先将指令转存至内存指定区域,然后截取操作码部分确定被控制对象,再读取操作数确定动作方式。

对比以上两种通讯方式,在城市排水管道中,由于涵道淤泥聚集,清淤机器人在狭窄的排水管道内部作业时,如果采用有缆作业,机器人就需要拖带动力电缆和信号电缆进行作业,一般两个工作竖井之间的管道长度为60~100米左右,因此需要清淤机器人完成30~50米以上管道内的行走。随着机器人行走距离的增加,电缆也随之变长,此时电缆与涵道管壁产生很大的摩擦力,会影响清淤机器人的正常工作,严重影响清淤作业效率。相比之下,采用无线通信的清淤机器人一般工作时所需的能量由自携式蓄电池提供,省去了沉重的线缆,简化了系统的结构,提高了机器人的作业行程及运动灵活性。

1.2 清淤机器人作业方式

在暗涵清淤工程中,人工清淤的难度大,效率低,存在一定的人身安全危险隐患。在清淤的过程中还容易造成二次污染,难于满足现代工程中要求的安全文明施工的要求。引入清淤机器人后在很大程度上解决了这个问题。与人工清淤作业方式不同,当前机器人清淤的作业方式一般分为绞吸式[7]、耙吸式[8]、泵吸式、铲挖式等。

在文献[9]中,管道清淤机器人采用耙吸式清淤作业,在清淤机器人行进过程中,通过前耙吸螺旋桨,把淤泥汇集到集污罩中,耙吸作业单元的正反螺旋把淤泥输送到泥浆泵进口,经格栅过滤掉大块砖石瓦砾后,吸入的树枝等杂物被粉碎刀齿绞碎,然后进入淤泥输送系统。这种方式通过管道疏通污泥到地面处理工作站,全程淤泥不落地,满足安全文明施工的要求。

铲挖式作业与人工清理方式比较相像,在文献[7]中采用铲斗式清理,清淤斗每次完成清理10kg淤泥的任务,同时需要举升翻转机将装有淤泥的清淤斗举起,翻转。这种清理作业方式需要管道具有一定的高度空间,比较适合于具备有提升装置的开放式清淤环境。铲挖式作业在进行地下管道内的淤泥清理时往往不具备空间上的优势和将淤泥运送出管道的优势,往往需要将水排放干净,难以在深水下作业。

1.3 机器人在管道内运动方式

管道清淤疏浚机器人在作业时,需要克服管道内淤泥对机体运动的阻碍,如果有缆工作的话,还要拖动通讯、动力源线缆在管井中运动,因此清淤机器人的运动机构对实现管道清淤根据清淤机器人的行走方式不同分为蠕动式、足式、轮式、履带式等。

（1）蠕动式管道清淤机器人

蠕动式管道清淤机器人是像蛇一样利用蠕动的方式行进的器人,文献[10]中主要是通过机器人肢体的摩擦左右扭动来行走,机器人先是收缩前半部分身体,而后利用腹部的摩擦力带动后半部分身体前进,最后再展开已经收缩的前半部分身体,从而实现了蠕动前进的目的。蠕动式管道清淤机器人的运动空间较小,能够在管道直径比较小的管道内行走,但这种行走方式为间歇性直线运动,移动速度缓慢,且结构比较复杂,实现难度高。这种行进方式的牵引力较低,在进行负载作业时比较困难,如果是有缆清淤机器人的话,会让行进效果再打折扣,甚至难以实现实际清淤需求。采用这种行进机构的机器人多应用于管道检测与探测等。

（2）轮式管道清淤机器人

一般而言,轮式管道清淤机器人采用对称分布式的行走机构,采用车轮紧贴压紧在管道内壁表面,以便能够对管道内壁产生较大压力,采用轮式结构的管道机器人具有爬坡能力强的优点,可以在倾斜的排水管道中行走,甚至可以在管道竖井里行走。文献[10]中设计实现了一个四足对称结构的轮式机器人,每个机械足由伸臂、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；机器人的两侧车轮分别正反转,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。轮式驱动因在直管中具有拖动力大、效率高、运动平稳和结构简单等特点而成为管道机器人的常见驱动方式[4,6,11]。不足之处是,一般适应于小型管道清淤,不适合大型管道或者涵洞（横截面为矩形）类型的排水管道。

（3）履带式管道清淤机器人

另一种常见的管道机器人行走方式为履带式[3]。履带式管道机器人包括履带行走部分、控制器、车载传感器和通讯系统,其履带装有转向装置,能够灵活前后移动以及左右转向。履带式管道清淤机器人的履带与管道的基础面积大,具有较好的附着性,越障能力强,在淤泥较多的管道内也能正常行走,但受身体的质量、行走速度的限制,履带式管道清淤机器人主要应用于大中型排水管道。

2 清淤疏浚机器人发展趋势

水下管道清淤疏浚机器人的设计和研究,国内外目前尚未取得较大的进展。我国的水下清淤疏浚机器人已经走在世界发展的前列,但仍存在能耗高,功效低,功能单一的问题,纵观目前水下管道清淤疏浚机器人的状况以及市场需求,该类型机器人的发展存在以下几个特点：

（1）产品将更具有多样性。在不同的应用场景下,不一样的管道内的淤泥类型都不一样,因此需要将该类型产品在设计上更专业,对不同的场景设计不一样的机器人。

（2）智能化程度越来越高。当前的清淤疏浚机器人在使用过程中,人工参与的程度还是比较高的。在将来的发展中,清淤机器人将越来越智能,机器人上装载的传感器数量会越来越多,随着5G技术的发展以及北斗系统的进一步民用化,清淤机器人甚至可以自动识别和记录路径,既可以手动控制也可以自动控制完成既定的任务。另外大数据和云服务技术越来越成熟,也可以通过物联网技术向云端传输各种场景下的数据,不光可以实现近距离下的遥控器遥控,又可以通过互联网进行远程监控。

3 结束语

现有排水管道清淤机器人的技术还不是很成熟,当前排水管道清淤机器人都是遥控型机器人,都不具备自主行走的能力。在清淤过程中,工作人员需时刻关注机器人的状态,容易疲劳。随着管道清淤机器人智能化技术的不断发展,智能排水管道清淤机器人一定能够应用于实际。而智能管道清淤机器人的核心是智能控制算法,因此,其关键技术就是要选取合适的智能控制算法。智能管道清淤机器人具有自主行走能力[12],可降低工作人员的劳动强度,提高清淤效率和质量。