对牵引式排水管道清淤机器人的研究

吴立新

（淮北市园林管理局，安徽 淮北 235000）

随着人工智能的发展，人们开始将人工智能运用在清淤工作上，完成人类清淤的任务，减少人类在清污过程中伤害的同时，提升清淤的效率。笔者引入牵引式排水管道清淤机器人，充分运用现代先进技术，构建智能化的清淤设备，解决人工清淤的众多难题，并进行相应的管道检测，及时发现并维修管道中的问题，提升排污水的效率，为增强城市的服务能力添砖加瓦。

一、牵引式排水管道清淤机器人的研究背景

“雨后看海”成为网络中热议的现象。这种现象的背后显示出我国地下管网建设的不健全，这也造成了严重的安全隐患，人们字雨后坠入排水井盖下水道的现象屡见不鲜。针对这种状况，各级政府十分关注城市排数系统的建设，并向此环节进行投资，完善国家的地下管道建设。通过调查，发现我国将近有80%的排水管道中有沉积物，其中60%以上的排水管道沉积物厚度是管道直径的40%，这也严重影响了城市排水功能。由此可见，当前清淤工作成为排水建设的重中之重。笔者注重将一种新型的牵引式排水管道清淤机器人引入日常的清淤工作中，为提升城市的服务能力带来新的可能。

二、清淤机器人的关键技术

我国排水管道直径大小不一，最小的为300mm，最大的为2000mm。与地面垂直的排水管道直径为680mm。由于排水管道的直径大小不同，对清淤机器人的尺寸、行走方式等等提出较高的要求。与此同时，在设置清淤机器人的内部结构时，相关设计者可以采用组合式结构，即将清淤装置与清淤机器人车体进行分离，在保证机器人获得足够动力的同时，利于机器人的安装。此外，设计者需要考虑清淤机器人的内部电机尺寸以及电机所能提供的电流。更为重要的是，设计者可以关注清淤机器人的控制系统，要结合管道的客观状况进行相应的指令的设计以及行走速度的控制等等。为了增强清淤工作的平顺性，设计者应该设计相应的辅助设备，比如监控设备，提升清淤效率。密封性也是清淤机器人设计的关键性技术。假如污水渗入机器人的内部，不仅会造成控制电路的短路，甚至会加重清淤工作量。为此，设计者需对清淤机器人的关键部件进行密封，比如，对一些活动关节，设计者可以采用动静结合的密封方式。此外，笔者注重构建出两种牵引形式：形式一，自主式牵引形式。形式二，被动式牵引形式。

三、本文清淤机器人研究的主要结构

设计者注重从水下机器人的清淤结构、机器人的主体以及机器人操作系统三个方面入手，进行此部分内容的介绍。

在水下机器人的清淤结构方面，笔者将其设计成四大部分。第一部分，前铲主体。前铲体有两个功用。功用一，起到固定清淤结构的作用。功用二，提高吸附沉积物量的功用。这个部分是一个不规则的容器。第二部分，水枪。此水枪的高度可调节，将淤泥冲散到水中，减少淤泥阻塞排水管的作用。第三部分，拦污栅。拦污栅的作用是将一些直径过大的物体过滤在外边。值得注意的是在拦污栅的下端有一个尖角形状的舞台，其可以吸起板结沉积物，并在水枪的辅助作用下，将沉积物打散，并吸出。第四部分，吸污口。此部件的功能是将溺水混合物吸出。

在机器人主体结构部分，笔者结合实际工作需要，以及个人掌握的技术，从设计出九大部分。第一部分，机体主体。机器主体是有结构框架与底盘焊接而成。结构框架主要是为机器人中的相关部分提供必要的支撑。底盘主要是为机器人提供行走动力，该底盘采用液压马达，最大可以进行40 度的爬坡，行进速度在每分钟4 米到6 米之间。第二部分，渣浆泵。此泵的作用是提供搅碎污物的动力。它的功率是18.5 千瓦，扬程是20 米，并带有铰刀装置。第三部分，高压水泵。高压水泵的作用是利用水体，形成高压区域。它的功率为11 千瓦，扬程为40 米。第四部分为接线盒。接线盒主要是梳理各个线路的电线，并将这些电线接到对应的装置上。第五部分，液压动力站。此部分主要适用于提供动力。提供动力的对象为前铲油泵和履带。第六部分，机器人控制箱。它主要起到控制以及传输的作用，可以控制机器人的动作，传输机器人传感器上的数据。第七部分，高清水下摄像头。此摄像头可以辅助工作人员看清机器人的工作环境。第八部分，LED 照明灯。此照明灯具有较强的防水性和穿透性，可以为水下录像提供相应的光源，提升清淤的效率。第九部分，声呐。声呐的作用主要是判断机器人与障碍物之间的距离，提升施工的效率，保证施工的安全。

在机器人操作系统方面，笔者设计八大部分。第一部分，声呐系统。声呐系统的作用是测量机器人与障碍物之间的距离，并搜集机器人各个方位之间的距离信息，将其传到机器的操作系统中，并进行数据的处理，向执行装置发射相应的信息，执行相应的动作。本文中机器人的反应时间不能超过1 秒。第二部分，液压系统。此系统主要是向CPU 传递液压运动以及压力差数据，进而判断机器人的运动状况。第三部分，三维姿态系统。三维姿态系统像是机器人的眼睛，有利于施工者观看机器人的运动状况，比如翻滚、倾斜等等，及时调整机器人的状态。第四部分，工作状态检测系统。此系统以摇杆动作以及液压压力大小以及变化为依据，判断机器人的运动状态。第五部分，气体检测系统。气体检测系统的作用是检测下水管道中是否含有有毒气体、管道中的气体浓度，增强清淤工作的安全性。第六部分，超声波测距系统。此系统的作用是在排水管中没有液体的状况下，测量机器与障碍物之间的距离，其测量的速度快，精度高。第七部分，深水监测系统。此系统进行工作的主要设备是水深传感器。此传感器的作用是检测机器人在排水管中所处的位置，将相应的数据传到CPU中，显示在界面上。第八部分，操作箱温度检测系统。为了让机箱可以在适宜的温度下工作，清淤机器人需要配有专门的温度检测系统。本文中的温度检测系统名称为操作箱温度监控系统。

值得注意的是：在实际的运用钢丝绳迁移过程中，笔者根据实际的工作状况，进行相应的运动力学分析，设计出钢丝绳牵引装置，从而减少机器人在运动过程中的阻力，提升机器人的有载清淤动力。

四、清淤机器人的工作流程

（一）排查

排查的作用是汇总与清淤相关的数据，为后续清淤规划工作的制定提供相应的依据。本文中的数据包括以下几点。第一，沉积物。相关工作人员需要判断沉积物的种类、所在位置以及厚度。第二，箱涵。工作人员需要得到箱涵的位置、走向以及实际尺寸信息。第三，气体、液体。相关人员需要知晓下排水管中的是否含有气体（气体成分以及浓度）、液体（液体的成分以及浓度）。第四，水电配套。相关工作人员需要了解下排水管附近的水电配套设施。

（二）规划

本文中的规划注重从影响相应的因素、时空的选择以及设备的运用三方面介绍。在影响因素方面，施工者需要考虑清运的条件、当地的交通及环保、城市管理状况等等。在时空的选择方面，施工者需要明确施工的具体位置，减少施工位置变化的次数，从而减少相应的经济成本。在设备运用方面，施工者需要合理布置相应的设备，比如动力线缆、脱水及接收设备、清水回流管路、排污水管以及控制箱。

（三）清淤

在安装上述设备后，相关工作人员可以进行如下的操作。首先，判断气体。工作人员将设备放到下排水管中，并打开相应的视觉设备，比如LED 灯、高清水下摄像头以及工控机，测量下水管中的气体成分。假如，气体中含有有毒气体，则需要运用强行通风设备，清除下水管中的有毒气体，进而将相关工作人员的身体危害降到最低。其次，开展清淤。在实施清淤中，机器人通过前铲将沉积物打散，并在渣浆泵的作用下，将这些沉积物输送到地面。在地面操作过程中，相关工作人可以进行单人操控，即运用机器人的报警、监控以及动作功能，进行地面清淤工作。值得注意的是，在机器人进行前进的过程中，相关人员需要事先对在排泥管以及电缆上安装相应的管道附体，从而减少这些管道在运行过程中的阻力，提升清淤的效率。

（四）脱水

脱水的作用是减轻运输的重量，减少不必要的能源浪费。在现阶段比较成熟的脱水方式有带式脱水、真空式脱水、离心式脱水、半框式脱水。在本文的清淤机器人设计中，笔者使用离心式脱水的方式。这种方式的优势在于：第一，体积小。离心式脱水机的体积较小，可以安装在管道的末端。第二，操作方便。这种机器安装在机器的末端，可以让清水就近流入排水区域，使得污泥进入到运输车中。第三，具有较强的工作能力，比如，密封性好（减少臭味的溢出）、工作持续性好。

（五）清理

在沉积物清理过程中，施工人员以淤泥颗粒物的大小为标准采用不同的清淤方式。在初步过滤的过程中，施工人员根据防堵泵拦污栅孔的大小进行沉积物的处理。假如沉积物比拦污栅孔小，则可以直接进行处理；假如沉积物比拦污栅孔稍大，则需要运用铰刀，切割这些沉积物，完成预料的清理。众所周知，在市政排水管建造过程中，会出现很多的建筑垃圾、生活垃圾以及生态垃圾（比如树根）等，施工人员可以运用吊车连接抓斗，将沉积物抓取到相应的运输车中。由于抓斗具有伸缩的特性，所以可以更为高效和灵活地进行相应沉积物的抓取工作。

（六）简介整体工作流程

第一步，输送管道内部。施工人员操作设备，运用牵引绳将清淤机器输送到管道内部。第二步，输送到指定位置。施工人员根据清淤机器的所处设备以及周边情况，准确将清淤机器输送到制定的位置。第三步，开展清淤作业。施工人员进行牵引钢丝绳，让清淤机器靠近沉积物，并将沉积物进行打碎，以及脱水处理，将其放入到清淤斗中，保持清淤斗口朝上的位置。与此同时，施工人员操作牵引钢丝绳，进行拖拽动作，并经过一系列动作，将沉积物输送到运输车上，最终完成清淤作业。

总而言之，清淤机器人在下排水管的运用过程中可以减少人工作业对工人的伤害，提升工作效率。但是，相关工作者也意识到中国下水管较为复杂的状况，需要不断地在清淤机器上引入新技术，进项相应设备的改造，真正增强清淤机器人工作的适应性，提升清淤水平。与此同时，相关工作者应注重提升个人的专业能力，注重学习各种先进的科学技术，并将其真正与清淤工作融合，提升清淤工作的效率，为城市的发展构建美丽的“地下蓝图”！