對(duì)牽引式排水管道清淤機(jī)器人的研究

吳立新

（淮北市園林管理局，安徽 淮北 235000）

隨著人工智能的發(fā)展，人們開(kāi)始將人工智能運(yùn)用在清淤工作上，完成人類清淤的任務(wù)，減少人類在清污過(guò)程中傷害的同時(shí)，提升清淤的效率。筆者引入牽引式排水管道清淤機(jī)器人，充分運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建智能化的清淤設(shè)備，解決人工清淤的眾多難題，并進(jìn)行相應(yīng)的管道檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并維修管道中的問(wèn)題，提升排污水的效率，為增強(qiáng)城市的服務(wù)能力添磚加瓦。

一、牽引式排水管道清淤機(jī)器人的研究背景

“雨后看?！背蔀榫W(wǎng)絡(luò)中熱議的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的背后顯示出我國(guó)地下管網(wǎng)建設(shè)的不健全，這也造成了嚴(yán)重的安全隱患，人們字雨后墜入排水井蓋下水道的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。針對(duì)這種狀況，各級(jí)政府十分關(guān)注城市排數(shù)系統(tǒng)的建設(shè)，并向此環(huán)節(jié)進(jìn)行投資，完善國(guó)家的地下管道建設(shè)。通過(guò)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)我國(guó)將近有80%的排水管道中有沉積物，其中60%以上的排水管道沉積物厚度是管道直徑的40%，這也嚴(yán)重影響了城市排水功能。由此可見(jiàn)，當(dāng)前清淤工作成為排水建設(shè)的重中之重。筆者注重將一種新型的牽引式排水管道清淤機(jī)器人引入日常的清淤工作中，為提升城市的服務(wù)能力帶來(lái)新的可能。

二、清淤機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

我國(guó)排水管道直徑大小不一，最小的為300mm，最大的為2000mm。與地面垂直的排水管道直徑為680mm。由于排水管道的直徑大小不同，對(duì)清淤機(jī)器人的尺寸、行走方式等等提出較高的要求。與此同時(shí)，在設(shè)置清淤機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，相關(guān)設(shè)計(jì)者可以采用組合式結(jié)構(gòu)，即將清淤裝置與清淤機(jī)器人車體進(jìn)行分離，在保證機(jī)器人獲得足夠動(dòng)力的同時(shí)，利于機(jī)器人的安裝。此外，設(shè)計(jì)者需要考慮清淤機(jī)器人的內(nèi)部電機(jī)尺寸以及電機(jī)所能提供的電流。更為重要的是，設(shè)計(jì)者可以關(guān)注清淤機(jī)器人的控制系統(tǒng)，要結(jié)合管道的客觀狀況進(jìn)行相應(yīng)的指令的設(shè)計(jì)以及行走速度的控制等等。為了增強(qiáng)清淤工作的平順性，設(shè)計(jì)者應(yīng)該設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔助設(shè)備，比如監(jiān)控設(shè)備，提升清淤效率。密封性也是清淤機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性技術(shù)。假如污水滲入機(jī)器人的內(nèi)部，不僅會(huì)造成控制電路的短路，甚至?xí)又厍逵俟ぷ髁俊榇?，設(shè)計(jì)者需對(duì)清淤機(jī)器人的關(guān)鍵部件進(jìn)行密封，比如，對(duì)一些活動(dòng)關(guān)節(jié)，設(shè)計(jì)者可以采用動(dòng)靜結(jié)合的密封方式。此外，筆者注重構(gòu)建出兩種牽引形式：形式一，自主式牽引形式。形式二，被動(dòng)式牽引形式。

三、本文清淤機(jī)器人研究的主要結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)者注重從水下機(jī)器人的清淤結(jié)構(gòu)、機(jī)器人的主體以及機(jī)器人操作系統(tǒng)三個(gè)方面入手，進(jìn)行此部分內(nèi)容的介紹。

在水下機(jī)器人的清淤結(jié)構(gòu)方面，筆者將其設(shè)計(jì)成四大部分。第一部分，前鏟主體。前鏟體有兩個(gè)功用。功用一，起到固定清淤結(jié)構(gòu)的作用。功用二，提高吸附沉積物量的功用。這個(gè)部分是一個(gè)不規(guī)則的容器。第二部分，水槍。此水槍的高度可調(diào)節(jié)，將淤泥沖散到水中，減少淤泥阻塞排水管的作用。第三部分，攔污柵。攔污柵的作用是將一些直徑過(guò)大的物體過(guò)濾在外邊。值得注意的是在攔污柵的下端有一個(gè)尖角形狀的舞臺(tái)，其可以吸起板結(jié)沉積物，并在水槍的輔助作用下，將沉積物打散，并吸出。第四部分，吸污口。此部件的功能是將溺水混合物吸出。

在機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)部分，筆者結(jié)合實(shí)際工作需要，以及個(gè)人掌握的技術(shù)，從設(shè)計(jì)出九大部分。第一部分，機(jī)體主體。機(jī)器主體是有結(jié)構(gòu)框架與底盤焊接而成。結(jié)構(gòu)框架主要是為機(jī)器人中的相關(guān)部分提供必要的支撐。底盤主要是為機(jī)器人提供行走動(dòng)力，該底盤采用液壓馬達(dá)，最大可以進(jìn)行40 度的爬坡，行進(jìn)速度在每分鐘4 米到6 米之間。第二部分，渣漿泵。此泵的作用是提供攪碎污物的動(dòng)力。它的功率是18.5 千瓦，揚(yáng)程是20 米，并帶有鉸刀裝置。第三部分，高壓水泵。高壓水泵的作用是利用水體，形成高壓區(qū)域。它的功率為11 千瓦，揚(yáng)程為40 米。第四部分為接線盒。接線盒主要是梳理各個(gè)線路的電線，并將這些電線接到對(duì)應(yīng)的裝置上。第五部分，液壓動(dòng)力站。此部分主要適用于提供動(dòng)力。提供動(dòng)力的對(duì)象為前鏟油泵和履帶。第六部分，機(jī)器人控制箱。它主要起到控制以及傳輸?shù)淖饔茫梢钥刂茩C(jī)器人的動(dòng)作，傳輸機(jī)器人傳感器上的數(shù)據(jù)。第七部分，高清水下攝像頭。此攝像頭可以輔助工作人員看清機(jī)器人的工作環(huán)境。第八部分，LED 照明燈。此照明燈具有較強(qiáng)的防水性和穿透性，可以為水下錄像提供相應(yīng)的光源，提升清淤的效率。第九部分，聲吶。聲吶的作用主要是判斷機(jī)器人與障礙物之間的距離，提升施工的效率，保證施工的安全。

在機(jī)器人操作系統(tǒng)方面，筆者設(shè)計(jì)八大部分。第一部分，聲吶系統(tǒng)。聲吶系統(tǒng)的作用是測(cè)量機(jī)器人與障礙物之間的距離，并搜集機(jī)器人各個(gè)方位之間的距離信息，將其傳到機(jī)器的操作系統(tǒng)中，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，向執(zhí)行裝置發(fā)射相應(yīng)的信息，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。本文中機(jī)器人的反應(yīng)時(shí)間不能超過(guò)1 秒。第二部分，液壓系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要是向CPU 傳遞液壓運(yùn)動(dòng)以及壓力差數(shù)據(jù)，進(jìn)而判斷機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀況。第三部分，三維姿態(tài)系統(tǒng)。三維姿態(tài)系統(tǒng)像是機(jī)器人的眼睛，有利于施工者觀看機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀況，比如翻滾、傾斜等等，及時(shí)調(diào)整機(jī)器人的狀態(tài)。第四部分，工作狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)以搖桿動(dòng)作以及液壓壓力大小以及變化為依據(jù)，判斷機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。第五部分，氣體檢測(cè)系統(tǒng)。氣體檢測(cè)系統(tǒng)的作用是檢測(cè)下水管道中是否含有有毒氣體、管道中的氣體濃度，增強(qiáng)清淤工作的安全性。第六部分，超聲波測(cè)距系統(tǒng)。此系統(tǒng)的作用是在排水管中沒(méi)有液體的狀況下，測(cè)量機(jī)器與障礙物之間的距離，其測(cè)量的速度快，精度高。第七部分，深水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)進(jìn)行工作的主要設(shè)備是水深傳感器。此傳感器的作用是檢測(cè)機(jī)器人在排水管中所處的位置，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳到CPU中，顯示在界面上。第八部分，操作箱溫度檢測(cè)系統(tǒng)。為了讓機(jī)箱可以在適宜的溫度下工作，清淤機(jī)器人需要配有專門的溫度檢測(cè)系統(tǒng)。本文中的溫度檢測(cè)系統(tǒng)名稱為操作箱溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

值得注意的是：在實(shí)際的運(yùn)用鋼絲繩遷移過(guò)程中，筆者根據(jù)實(shí)際的工作狀況，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析，設(shè)計(jì)出鋼絲繩牽引裝置，從而減少機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的阻力，提升機(jī)器人的有載清淤動(dòng)力。

四、清淤機(jī)器人的工作流程

（一）排查

排查的作用是匯總與清淤相關(guān)的數(shù)據(jù)，為后續(xù)清淤規(guī)劃工作的制定提供相應(yīng)的依據(jù)。本文中的數(shù)據(jù)包括以下幾點(diǎn)。第一，沉積物。相關(guān)工作人員需要判斷沉積物的種類、所在位置以及厚度。第二，箱涵。工作人員需要得到箱涵的位置、走向以及實(shí)際尺寸信息。第三，氣體、液體。相關(guān)人員需要知曉下排水管中的是否含有氣體（氣體成分以及濃度）、液體（液體的成分以及濃度）。第四，水電配套。相關(guān)工作人員需要了解下排水管附近的水電配套設(shè)施。

（二）規(guī)劃

本文中的規(guī)劃注重從影響相應(yīng)的因素、時(shí)空的選擇以及設(shè)備的運(yùn)用三方面介紹。在影響因素方面，施工者需要考慮清運(yùn)的條件、當(dāng)?shù)氐慕煌碍h(huán)保、城市管理狀況等等。在時(shí)空的選擇方面，施工者需要明確施工的具體位置，減少施工位置變化的次數(shù)，從而減少相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本。在設(shè)備運(yùn)用方面，施工者需要合理布置相應(yīng)的設(shè)備，比如動(dòng)力線纜、脫水及接收設(shè)備、清水回流管路、排污水管以及控制箱。

（三）清淤

在安裝上述設(shè)備后，相關(guān)工作人員可以進(jìn)行如下的操作。首先，判斷氣體。工作人員將設(shè)備放到下排水管中，并打開(kāi)相應(yīng)的視覺(jué)設(shè)備，比如LED 燈、高清水下攝像頭以及工控機(jī)，測(cè)量下水管中的氣體成分。假如，氣體中含有有毒氣體，則需要運(yùn)用強(qiáng)行通風(fēng)設(shè)備，清除下水管中的有毒氣體，進(jìn)而將相關(guān)工作人員的身體危害降到最低。其次，開(kāi)展清淤。在實(shí)施清淤中，機(jī)器人通過(guò)前鏟將沉積物打散，并在渣漿泵的作用下，將這些沉積物輸送到地面。在地面操作過(guò)程中，相關(guān)工作人可以進(jìn)行單人操控，即運(yùn)用機(jī)器人的報(bào)警、監(jiān)控以及動(dòng)作功能，進(jìn)行地面清淤工作。值得注意的是，在機(jī)器人進(jìn)行前進(jìn)的過(guò)程中，相關(guān)人員需要事先對(duì)在排泥管以及電纜上安裝相應(yīng)的管道附體，從而減少這些管道在運(yùn)行過(guò)程中的阻力，提升清淤的效率。

（四）脫水

脫水的作用是減輕運(yùn)輸?shù)闹亓浚瑴p少不必要的能源浪費(fèi)。在現(xiàn)階段比較成熟的脫水方式有帶式脫水、真空式脫水、離心式脫水、半框式脫水。在本文的清淤機(jī)器人設(shè)計(jì)中，筆者使用離心式脫水的方式。這種方式的優(yōu)勢(shì)在于：第一，體積小。離心式脫水機(jī)的體積較小，可以安裝在管道的末端。第二，操作方便。這種機(jī)器安裝在機(jī)器的末端，可以讓清水就近流入排水區(qū)域，使得污泥進(jìn)入到運(yùn)輸車中。第三，具有較強(qiáng)的工作能力，比如，密封性好（減少臭味的溢出）、工作持續(xù)性好。

（五）清理

在沉積物清理過(guò)程中，施工人員以淤泥顆粒物的大小為標(biāo)準(zhǔn)采用不同的清淤方式。在初步過(guò)濾的過(guò)程中，施工人員根據(jù)防堵泵攔污柵孔的大小進(jìn)行沉積物的處理。假如沉積物比攔污柵孔小，則可以直接進(jìn)行處理；假如沉積物比攔污柵孔稍大，則需要運(yùn)用鉸刀，切割這些沉積物，完成預(yù)料的清理。眾所周知，在市政排水管建造過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)很多的建筑垃圾、生活垃圾以及生態(tài)垃圾（比如樹(shù)根）等，施工人員可以運(yùn)用吊車連接抓斗，將沉積物抓取到相應(yīng)的運(yùn)輸車中。由于抓斗具有伸縮的特性，所以可以更為高效和靈活地進(jìn)行相應(yīng)沉積物的抓取工作。

（六）簡(jiǎn)介整體工作流程

第一步，輸送管道內(nèi)部。施工人員操作設(shè)備，運(yùn)用牽引繩將清淤機(jī)器輸送到管道內(nèi)部。第二步，輸送到指定位置。施工人員根據(jù)清淤機(jī)器的所處設(shè)備以及周邊情況，準(zhǔn)確將清淤機(jī)器輸送到制定的位置。第三步，開(kāi)展清淤作業(yè)。施工人員進(jìn)行牽引鋼絲繩，讓清淤機(jī)器靠近沉積物，并將沉積物進(jìn)行打碎，以及脫水處理，將其放入到清淤斗中，保持清淤斗口朝上的位置。與此同時(shí)，施工人員操作牽引鋼絲繩，進(jìn)行拖拽動(dòng)作，并經(jīng)過(guò)一系列動(dòng)作，將沉積物輸送到運(yùn)輸車上，最終完成清淤作業(yè)。

總而言之，清淤機(jī)器人在下排水管的運(yùn)用過(guò)程中可以減少人工作業(yè)對(duì)工人的傷害，提升工作效率。但是，相關(guān)工作者也意識(shí)到中國(guó)下水管較為復(fù)雜的狀況，需要不斷地在清淤機(jī)器上引入新技術(shù)，進(jìn)項(xiàng)相應(yīng)設(shè)備的改造，真正增強(qiáng)清淤機(jī)器人工作的適應(yīng)性，提升清淤水平。與此同時(shí)，相關(guān)工作者應(yīng)注重提升個(gè)人的專業(yè)能力，注重學(xué)習(xí)各種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，并將其真正與清淤工作融合，提升清淤工作的效率，為城市的發(fā)展構(gòu)建美麗的“地下藍(lán)圖”！