新型排水管道清淤機器人的結構設計與分析

嵇鵬程 韓紅波 計玉根 沈惠平

（1.常州市河道湖泊管理處，江蘇常州 213016；2.常州市水利局，江蘇常州 213001；3.常州大學，江蘇常州 213102）

1 總體方案

1.1 清淤機器人的總體概述

筆者研究的清淤機器人主要由機器人本體、管徑適應機構、行走機構、絞刀機構、控制系統(tǒng)等組成。機器人結構示意圖如圖1所示。

圖1 管道清淤機器人結構示意圖

1.2 清淤機器人的實物模型

清淤機器人主要由控制柜和機器人機構組成，如圖2所示。

2 機器人的結構設計與分析

2.1 機器人的本體設計

機器人本體主要包含車體、光源和攝像頭等，由于受到管道和檢查井口形狀及尺寸的限制，機器人的本體應盡可能小，且用厚度約為5 mm的鋼板做成長方形結構。

圖2 管道清淤機器人實物模型圖

2.2 機器人的適徑機構設計

2.2.1 適徑機構的工作原理

適徑機構的具體結構和工作原理如下：用螺栓把滾珠絲杠螺母13、壓力傳感器12以及軸套11固定在一起，拉桿16的一端和軸套11鉸接在一起，另一端鉸接在搖桿6上，搖桿6的一端鉸接連桿8的一端，搖桿6的另一端鉸接在機器人的車體17上，滾珠絲杠14的轉動將帶動絲杠螺母13在滾珠絲杠上來回滑動，從而帶動拉桿16運動，進而拉動搖桿6繞支點左右轉動，使鉸鏈四桿力封閉機構撐開或者緊縮，以達到適應不同管徑的目的，壓力傳感器12可以檢測適徑機構上頂輪與管道內壁之間的壓力，保證管道機器人以穩(wěn)定的壓緊力撐緊在管道內壁上，并使機器人具有充足且穩(wěn)定的牽引力。

2.2.2 適徑機構的動力學分析

分析鉸鏈四桿力封閉機構調節(jié)方式的力學特性，對適徑機構的設計具有重要意義，也為適徑機構PID控制器的設計提供重要的理論條件?，F以機器人適徑機構后面的搖桿與機架的鉸鏈點A為坐標系原點，建立如圖3所示的坐標系XOY。

圖3 鉸鏈四桿機構調節(jié)方式示意圖

在圖3中，Νo為管道內壁作用在適徑機構頂輪上的壓力，F是螺母受到的水平拉力，Tm1是適徑機構驅動電機軸上的輸出扭矩。

根據鉸鏈四桿機構幾何尺寸的關系可列出方程組為：

對方程組（1）兩邊求導并化簡得：

根據做功守恒原理得：

由式（2）、式（3）可求得螺母的軸向力F為：

如果滾珠絲杠相對于螺母轉過的角度為φ，滾珠絲杠的螺距記為Ph，則絲杠螺母移動的距離為：

對式（5）等號兩邊分別求導得：

式中：

η—滾珠絲杠螺母的傳動效率；

Tn1—滾珠絲杠上的扭矩。

合并整理式（4）、（6）、（7）可得滾珠絲杠扭矩與機器人對管壁的壓力關系為：

式（8）即為鉸鏈四桿力封閉機構調節(jié)方式的力學特性。

機器人輸出的牽引力F牽按600N計算，驅動輪和管道內壁之間的摩擦系數μ取0.5，則管道內壁作用在車輪上的壓力為：

因此，選取滾珠絲杠公稱直徑為Φ20，選用的型號為 FC1B20×4-5-E2，其額定負載是5393 N，摩擦角為φ=10′，螺旋升角 γ=3°25′，則其傳動效率為：

圖4 適徑機構閉環(huán)系統(tǒng)的PID控制函數框圖

圖5 適徑系統(tǒng)的Simulink仿真模型

圖6 管壁對頂輪的壓力變化曲線

當機器人行走在Φ400 mm的管道中時，α=28.7°、β=10.6°，代入式（4）得出F=4895 N。

根據以上分析建立適徑機構PID控制的傳遞函數框圖，如圖4所示。

壓力自適應控制戰(zhàn)略使得管道清淤機器人能根據管子直徑的變化自動地通過滾珠絲杠調整鉸鏈四桿機構的伸張與收縮，從而使得淤機器人在管道里面移動時，能根據一個期望的壓力值提供穩(wěn)定和充足的牽引力［1］，其 Simulink仿真模型如圖5所示。

為了檢驗管道壁對頂輪的壓力發(fā)生改變時，驅動電機軸轉速的變化情況，可設定最大壓力值為1200 N。

管壁對頂輪的壓力值變化曲線可模仿運行情況設置為梯形，如圖6所示。加了負載力后對模型進行仿真得到的結果如圖7所示。從圖中看出，0 s～1 s時，由于適徑機構的頂輪未碰到管壁，故電機的角速度在不斷地增加；1 s～2 s時，頂輪已碰到管壁，且頂輪對管壁的壓力值逐漸增大，導致電機的角速度逐漸減少；2 s時，由于電機慣性的作用，角速度沒有立即停止到零；4 s～8 s時，由于管壁對頂輪的壓力值等于設定值，電機的角速度接近于零；8 s～10 s時，隨著管壁對頂輪的壓力值逐漸減少，電機的角速度在不斷地增加。

圖7 壓力變化情況下電機角速度變化曲線

表1 淤積較硬的泥沙層材料屬性

2.3 機器人的絞刀機構設計

2.3.1 絞刀的結構設計

由于排水管道內環(huán)境特殊，絞刀的選材、設計的形狀和尺寸都有特定的要求。筆者設計的管道清淤機器人絞刀兩端扭成90°，便于絞刀頂端能夠更大程度地絞淤，同時還可將絞碎的淤泥向后拋出；絞刀的兩側磨出刀鋒，便于絞碎管道內的樹枝、樹葉和廢紙等雜質。

2.3.2 有限元法模擬絞淤

絞刀機構用在排水管道中作業(yè)，雖然環(huán)境復雜而多變，但對于排水管道內存在的各種各樣的雜質，實際粉碎它們所需絞刀的剪切力并不大，所以，筆者主要按管道內的結固泥漿塊進行分析。

（1）排水管道沉積的泥沙擊碎力分析

由于絞刀機構在管道內作業(yè)時所需的力和力矩受到多方面的影響，在進行有限元分析時應取影響力較大的主要因素，并且按最大負載進行分析。

①分析建模

擬定排水管道內徑D=400 mm，不考慮流體力學影響的情況下，選取淤積較硬的淤泥層，且完全充滿管道，其材料屬性如表1所示。

對沉積泥沙層建立幾何模型，以圓柱的軸方向為Z方向，以圓柱圓周的徑向方向為X方向，以圓柱圓周方向為Y方向。

②網格劃分

為了保證分析模型的合理、計算精度和內存空間的有效利用，網格劃分時需要對淤泥塊各部分的網格密度和網格尺寸進行合理控制和過渡，所得到的有限元模型共有23120個節(jié)點、13420個單元。

③載荷模型

根據有限元分析，對淤泥塊施加作用力，淤泥塊將受到兩個力的作用，分別是機器人機身的沖擊力F沖和絞刀的切削力F削，如圖8所示。圖8標的是集中力，實際加載的都是均布載荷，加載切削力F削時，由于絞刀在絞淤時絞刀上各點的切削力不同，所以加載時把F削按OA的長度比例均分成幾個力，然后，再把這幾個力均布在各自長度域的節(jié)點上，此時的加載接近于實際去淤時的情況。

圖8 載荷模型圖

再分析當F沖=600 N時載荷模型的情況，即分別考察當F削=60 N、80 N、100 N、120 N時模型的應變分布結果，最后結合實際情況選擇一個相對最優(yōu)的F削。

④邊界條件

模型底部的節(jié)點，使Z方向的自由度被約束住，模型側面上的節(jié)點使Y圓周方向上受到約束。

⑤計算結果及其分析

機器人在清淤時，將會經歷動、靜載碎泥兩個過程。首先進行動載碎泥，即絞刀頭與淤泥塊相碰時，由于作用時間短，會產生較大的沖擊力，在沖擊中將發(fā)生能量轉移，使機器人的能量受到損失，損失的能量主要消耗在淤泥塊的不可逆變形上，沖擊力的大小與機器人碰撞前后的速度變化和碰撞持續(xù)時間所決定，可根據沖量定理計算：

接著進行靜載碎泥，即在一個變化率不大的沖擊力（牽引力）下，利用絞刀切削力逐漸絞碎管內淤泥。

進行有限元分析時，在選取沖擊力F沖=F牽=600 N的情況下，再選擇不同的切削力進行加載。通過對不同的切削力情況下切淤泥的效果進行比對，最終選擇絞刀的切削力F削=100 N時，絞淤效果較好且電機無需太大的功率。絞刀清淤時，固結淤泥塊各方向上的等效應變圖如圖9所示。

從圖9可知，縱向最大的深度達到0.3 mm，橫向切割的長度達到0.17 mm。

從各個方向應變圖（圖10～12）可以看出，機器人絞刀與淤泥塊接觸瞬間，絞碎泥塊的長度為0.4 mm，其中，X方向上應變尺寸最大為0.093 mm，Y方向上應變尺寸最大為0.0568 mm，Z方向上應變尺寸最大為0.387 mm。

（2）絞刀的等效應力和應變分析

為了防止管道清淤機器人在管道清淤過程中碰到管道內堅硬的石頭、樹枝時，絞刀發(fā)生彎折或斷裂，按照管道的實際情況和條件，選取的絞刀尺寸及材料性能如表2所示。

同樣，對絞刀進行建模、劃分網格、建立載荷模型、確定邊界條件。在加載時，沖擊力的反作用力仍可取600 N，但由于管道內環(huán)境未知，在絞泥過程中，絞刀也可能絞到落在井內的磚塊和石子等堅硬物質而導致折斷，故絞刀切削力的反作用力應取大些，這里取1000 N進行有限元分析，得出兩個模型如圖13、圖14所示。

從圖13中可知，絞刀葉上的最大等效應力為389 MPa，低于材料的允許值500 MPa；從圖14中可知，絞刀葉的最大變形量為2 mm，對于機器人清淤作業(yè)過程來說，不需要太高的精度，所以基本符合要求。

3 實驗測試

3.1 適徑機構測試

3.1.1 實驗條件

將清淤機器人放在Φ0.5 m的水泥管道中，啟動適徑機構電機，如圖15所示，讀取顯示器上的實際壓力值。

3.1.2 實驗方法

通過人機界面輸入壓力值為1200 N，每間隔5 s標記液晶顯示的壓力值，得到的實際壓力值曲線如圖16所示。

3.1.3 結果分析

從顯示的數據結果看，壓力變化曲線平滑，沒有突變或者爬坡現象，且壓力變化范圍合理，說明傳動系統(tǒng)工作性能可靠，各參數設計合理。實際使用時，因系統(tǒng)要長時間工作，故其可靠性還需進一步驗證。

圖9 整體應變圖

圖10 X方向應變

圖11 Y方向應變

圖12 Z方向應變

圖13 絞刀清淤時的等效應變云圖

圖14 絞刀清淤時的等效應力云圖

圖15 適徑機構壓力測試

圖16 管壁壓力測量壓力曲線

3.2 牽引力測試

3.2.1 實驗條件

可通過人機界面設定不同適徑機構的正壓力值，進行牽引力實驗測試。

表2 絞刀的性能參數

3.2.2 實驗方法

本實驗用量程為80 kg、精度為0.25 kg的彈簧秤進行測量，具體方法為：將彈簧秤秤鉤固定在機器人尾部，控制機器人前進，直到機器人輪子打滑，記錄不同適徑機構壓力下彈簧秤讀數，即可得到牽引力曲線，如圖17所示。

圖17 不同壓力下的牽引力曲線

圖18 絞刀剪切力曲線圖

3.2.3 結果分析

由測量數據可以看出，機器人在不同情況下的牽引力各不相同，原因是摩擦系數一定時，隨著機器人適徑力的增大，機器人對管道的正壓力也增大，導致其與管道壁間的摩擦力變大，故牽引力也隨之變大。機器人在管道內運行，其輪子與管道壁的接觸面積較小，所測量的牽引力對實際應用有一定的參考作用，但實際牽引力還應由管道內的實際環(huán)境決定。

3.3 絞刀剪切力的測試

3.3.1 實驗條件

將機器人放于水平面上，可通過程序中的定時器來設定絞刀不同的旋轉速度進行測試。

3.3.2 實驗方法

將繩子一端系在絞刀葉末端，另一端系在彈簧秤秤鉤上，在電機不過熱的情況下，設置不同的定時器數值，啟動管道清淤機器人絞刀機構，記下彈簧測量計的數值，得到的絞刀剪切力曲線如圖18所示。

3.3.3 結果分析

從剪切力分布來看，即使粘在管底很牢固的淤泥，也可被卷起并攪松，還能把管道內樹枝及其它雜質絞碎，證明絞刀機構設計、驅動電機的選擇是合理的。

［1］ Yunwei Zhang，Guozheng Yan．In-pipe inspection robot with active pipe -diameter adaptability and automatic tractive force adjusting［J］．Mechanism and Machine Theory，2007（42）：1618~1631．