一種基于大容量電池驅動的清淤機器人

河北農業大學 牛芃涵 李耕宇 索雪松 王崇宇

引言

中國城市化發展迅速，隨著城市化的發展，城市污水管道長度不斷增加，而污水管道的日常維護及管道清理工作面臨巨大挑戰，我們期望將管道清理中的一些危險、費力、費時的重復性工作交由機器來完成，從而減少人工成本，解放人力。污水管道的排污能力對于管道是否正常運行至關重要，它決定著污水管道是否被淤堵。管道清理需要經過一系列的環節才能將附著在管道上的淤泥清除并運至地面進行處理。我們希望管道的清理工作可以交由機器來完成，從而設計了一款針對管道清淤工作的機器人。

1 系統的整體設計

1.1 設計任務和設計需求

1.1.1 設計任務

設計一款機器人對污水管道進行清理。

1.1.2 設計需求

（1）完成對附著在管道內壁及管道內的淤泥進行鏟除并攪碎，可以將處理過的淤泥通過運送裝置運送至地面。

（2）可以將在地下管道中處理過的淤泥運送至地面。

（3）機器人本身可以自主處理其在地下管道中所面臨的各種問題。

（4）在清淤過程中適時拍攝清理過后的管道照片，將處理過后的管道照片與正常管道照片比對，找出管道內壁難以清理的淤泥，并將其備份至機器人儲存空間內。

（5）在執行清理任務時，可以進行測距處理，明確機器人在管道內所在位置距離，方便在機器人出現故障時取出。

（6）每一次清理任務，機器人都需要完成5 千米的清淤長度，并且存有備用電源，緊急狀態下機器人可以退回至起始點。

1.2 設計方案

圖1 機器人清淤流程圖

2 硬件和電路的設計

機器人主體框架材料為鋼制，機器人各種形狀部位的制作均為保定市當地材料制作公司制作。機器人本身行走輪選自上海屹上腳輪有限公司的鋁芯紋路橡膠AGV 機器人驅動輪設備行走主動輪。攝像儀器選取高清攝像頭搭配補光裝置。紅外測距儀選取基恩士公司的CMOS 激光位移傳感器IL 系列并搭配其公司軟件完成對機器人測距的處理。將攝像儀器、紅外測距儀、行走裝置、攪泥裝置通過數據線與電腦進行連接，STM32 單片機選擇STM32103RCT6 即可，選擇科爾摩根公司的AKMH 系列不銹鋼伺服電機作為行走電機與單片機相連接。單片機對伺服電機進行控制并處理機器人在管道內的行走及清淤問題。機器人電池選用多組連接的12.8V 10Ah 鋰電池。以上即為系統的硬件連接。

3 機器工作原理與系統控制

提前將無淤堵管道圖像儲存在機器人數據庫中，機器人可以在清淤過程中適時抓拍，將抓拍圖像進行處理，與無淤堵管道圖像進行比對，找出淤泥在管道中的附著點，調整機器人行走速度及機器人刀片刀絞速度，通過鏟泥板鏟下淤泥，刀片進行攪碎和機器人向前推進，完成機器人對管道淤泥的鏟除及運出。

機器人在污水管道的運行耗電量極大，因此為了確保機器人在管道行走距離超過5 千米，機器人裝帶有2 組12.8V10Ah鋰電池。機器人在刀絞淤泥時，為防止淤泥塊使刀片停轉，機器人帶有刀片電機電流過大停轉功能，停轉功能是由單片機控制的，單片機與刀片電機用數據線相連。為了完成對機器人多個行走單元的精確控制，機器人速度系統使用基于模糊PI 算法的控制系統[1]。

4 管道清淤機器人機械系統結構

清淤機器人的結構如圖2 所示，其機械主體主要由3 部分組成，分別為1：后行走裝置，2：前行走裝置，3：清淤裝置。

圖2 專用型管道清淤機器人總體結構

由圖2 可知，前行走裝置處于整機的中間位置，是清淤機器人支撐、運泥的主要機構。前行走裝置機構與后行走裝置分界截面的截面簡圖如圖3 所示，該機構主要由分布在圓周內5 組行走單元組成，各由1 個電機驅動，該清淤機器人采用后行走裝置驅動的方式。在理想狀態下，5 個獨立的驅動電機不會啟動，僅起支撐作用，僅在緊急情況下使用。

后行走裝置是管道清淤機器人前進的主要動力機構。當清淤機器人在管道內向前推進時，后行走機構的電機啟動，后行走裝置左右兩側行走輪向前勻速滾動。

清淤裝置上主要有清淤盤和鏟泥板，鏟泥板截面示意圖如圖4 所示。清淤裝置通過鏟泥板刮下附著在管道內壁的淤泥，并通過清淤盤中內置電機帶動的4 個攪泥刀片，將大塊的淤泥攪碎，并運至運泥筒中。

圖4 鏟泥板截面示意圖

5 結語

通過將行走裝置、攝像頭、大容量電池、單片機等部件組成機器人，在內部軟件的支持下實現管道清淤的機械化、智能化。雖然只能完成管道清淤，但是有效降低了管道清掏的人工與時間成本。