輪式管道清淤機器人設計

安海濤 唐杰 雷虎城

摘 要：針對城市管道清淤危險性高、勞動強度大、效率低等問題，設計了一款管道清淤機器人，包括可以在管道行走的遙控車主體、清淤裝置以及遠程控制等功能模塊，完成了樣機制作并在模擬淤泥管道中進行了清淤工作，通過測試表明，這一機器人性能穩定可靠，清淤能力強，可以降低工作人員的勞動強度和難度。

關鍵詞：管道清淤;機器人;ps2手柄;藍牙控制

隨著城市化進程越來越快，用水量和排水量也越來越大，其管道清淤的任務也越來越重。管道清淤是將管道進行疏通，清理管道里面的淤泥，保持長期暢通，以防止城市發生內澇。城市排水管道網絡中存在大量直徑偏小的管道，工人進入比較困難，再加上管道內部還有很多沼氣，易燃、易中毒，不利于開展人工清理作業，導致了管道不同程度的堵塞。所以采用機器人清淤更加安全、有效。

本文提出了基于四輪底盤，采用機械手臂和彈簧平衡裝置相結合的結構構成的清淤機器人。該管道清淤機器人主要由驅動行走、沖刷淤泥及控制等模塊組成，基于大扭矩電機及標準型STC15單片機為控制核心，采用具有自動平衡、遠程監控導航、清淤等功能。

1 管道清淤機器人的結構設計

1.1 機械總體結構設計

管道清淤機器人的主要結構由一個主體底盤、四條機械腿、彈簧平衡裝置、機械臂和遠程監控裝置組成，如圖1所示。主體底盤對稱連接四條機械腿，中間固定一個靈活度高的機械臂。機械腿與主體底盤通過彈簧平衡裝置實現機器人的自動平衡，大部分關節由電機驅動，實現整體機身的行走和機械臂的空間作業。

1.2 各部分組成及功能

每個機械腿由伸臂、展臂、電機、車輪構成。展臂上固定車輪，通過伸臂實現展臂與機器主體底盤的連接。展臂與伸臂實現了驅動裝置與機械主體的連接;通過三個六角開關分別控制四個電機行進與轉向，當需要轉向時，控制機器人的兩側車輪分別正反轉，那么由于摩擦力，可以讓機器人整體繞著底盤中軸做圓周運動，從而實現轉向。

為了使機器人在管道內能平穩工作，在機器人底盤加入彈簧平衡裝置。彈簧平衡裝置主要是通過彈簧鉤在伸臂連桿上從而保證整體結構穩定以及車輪摩擦力，彈簧的初始狀態由彈簧架確定，彈簧平衡裝置通過彈簧的拉力控制機構的擺動。假設管道直徑變大時，伸臂向上運動，此時彈簧被拉伸，產生的彈簧力傳遞到伸臂，與管壁給的支持力所平衡，進而使機構穩定;當伸臂向另一方向擺動時，彈簧也會拉動伸臂，使伸臂緊貼管壁，保證穩定和足夠的摩擦力[1]

為了完成空間作業，機械手臂由機械臂底座、機械主臂、機械連臂、舵機和機械手構成。機械臂具有6個自由度，關節動作由舵機的轉動實現。機械底盤實現主體底盤與機械主臂的連接，機械連臂分別連接機械主臂和機械手。所有舵機都由單片機控制，6個自由度也給予機器人足夠的靈活性。

由于管道內工作環境惡劣，為了在地面上能夠了解管道內的環境，管道內的淤泥狀態，以便對機器人進行遠程操控。在機器人的機械臂上裝上了小型攝像頭，在地上可利用顯示屏進行實時了解，實現對機器人進行遠程操控。

2 控制設計

2.1 機器人驅動模塊

機器人驅動模塊是其系統的關鍵部分，包括驅動電機的選擇、控制系統的設計。由于管道清淤機器人對電機扭矩要求很高、而轉速要求不高，因此可以采用大的減速比，靠犧牲電機的轉速來獲得較大的扭矩。本文采用XD-37GB555直流減速電機，是在普通直流電機的基礎上，加上配套齒輪減速箱。該電機的優點是簡化設計快速響應、寬廣的調速范圍、線性的機械特性和調節特性。

管道清淤機器人采用四輪獨立驅動，考慮到驅動電路的驅動電壓為 12 V、電流為1A及尺寸等因素，本文采用18650充電電池進行供電，電池座位3串聯座，用兩個電池座為四個電機供電。開關、電源、電機連線如圖2所示，開關控制電機的正反轉，一個開關控制兩個行進的主輪，另外兩個開關分別控制電機，以便實現原地轉向和行進中轉向。

2.2 機械手臂控制模塊

本設計采用標準型STC15單片機作為主控，這是個低功耗、高性能的單片機。[2]舵機采用TBSN-2701型號，控制周期為20ms，轉動角度為270°，舵機用PWM脈沖控制，占空比0.5ms-2.5ms的脈寬電平對應舵機0-180度角度范圍，控制板采用0-1500數值對應控制輸出角。[2]因此，只要調節控制器的值，舵機就會有對應的角度，進而通過傳動機構引起機器模型的相應動作。將控制器編入ps2手柄中，配合無線模塊可以進行無線控制，還可以配合app和藍牙模塊進行手機控制。

3 結語

本文針對城市管道清淤出現的難題，提出了一款管道清淤機器人。機器人具有驅動行走、沖刷淤泥及遠程控制的功能。驅動控制系統采用六角開關構成驅動電路，機械臂采用標準型STC15單片機作為主控，實現了機器人在管道內的行走和沖刷淤泥，且結構輕巧，操作方便，清淤效率高。實踐證明機器人可以對管道進行疏通，清理管道里面的淤泥，保持長期暢通，對于城市管道清淤具有重要意義。

參考文獻：

[1]侯純軍.彈簧平衡裝置的控制范圍與調整[J].輕金屬，2006：85-87.

[2]方龍，陳丹，肖獻保.基于單片機的機械手臂控制系統設計.廣西輕工業，2018-8：89-90.

作者簡介：安海濤，山西孝義人，機械電子工程專業，從事機電一體化技術研究。