南疆地區(qū)防滲渠清淤機器人的設(shè)計

趙 輝，李進韜，王 飛，黃 勇，王 鵬，劉 焱，陳雁忠，謝凱靜

（新疆工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830023）

0 引言

新疆地區(qū)特別是在南疆地區(qū)擁有我國最長的防滲渠道，但在較長時期內(nèi)并沒有做好渠道的防滲，要想做到節(jié)約用水，不僅要重視渠道防滲，提高施工質(zhì)量，更要提高防滲渠的后期治理和維護，尤其是防滲渠中淤泥和雜物的清理，防止因渠道堵塞造成水資源的浪費。新疆農(nóng)田屬于綠洲農(nóng)田，四周一般環(huán)繞著沙漠與戈壁灘，防滲渠水源多夾雜著大量泥土，導(dǎo)致防滲渠中易出現(xiàn)淤泥堆積，淤泥的堆積會影響整個防滲渠水網(wǎng)水的流暢度，影響防滲渠水網(wǎng)的整體通水能力。渠道清理不干凈還會影響農(nóng)田的灌溉和農(nóng)作物的生長。若渠道堆積物處理不及時，水渠底部會積累大量的泥沙，隨水流動對水泵等設(shè)施產(chǎn)生不利影響，在冬季停水期，渠底水流被排干，會使渠道受到的凍害程度加劇，故對防滲渠的清淤和雜物的清理顯得尤為重要。

為了實現(xiàn)清淤目的，本文主要做了以下研究。首先，通過采樣南疆不同地區(qū)的防滲渠的淤泥樣本，分析其成分、粘結(jié)特性和動力學(xué)特性，建立淤泥模型；然后，基于淤泥模型搭建清淤裝置試驗平臺[1-2]，尋找清淤裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最佳動力學(xué)參數(shù)，為最終整機的設(shè)計提供理論依據(jù)；最后，結(jié)合實際工況，建立整機方案，對其多關(guān)節(jié)機械臂的動力學(xué)和運動學(xué)進行分析，建立整機的動力學(xué)模型，進行機械臂的軌跡規(guī)劃和優(yōu)化，尋找最佳的工作路徑。對LUDV負荷傳感液壓系統(tǒng)進行研究，選擇合理的傳感器并結(jié)合逆運動學(xué)的反解和軌跡規(guī)劃建立閉環(huán)反饋的電液比例閥驅(qū)動控制系統(tǒng)，建立該系統(tǒng)的連續(xù)時間狀態(tài)空間模型和離散時間狀態(tài)空間模型，結(jié)合前期的運動學(xué)和動力學(xué)模型分別對多關(guān)節(jié)機械臂裝置中2自由度的控制和3自由度的控制進行研究，建立基于模型參考的自適應(yīng)控制模型，最終建立整機的控制系統(tǒng)，設(shè)計研發(fā)自動清淤機器人的第一代樣機[3]。

1 防滲渠清淤機器人整體設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)

本機器人主要包括清淤裝置、傳感器系統(tǒng)、多關(guān)節(jié)機械臂裝置、引風(fēng)機、控制系統(tǒng)、軟膠履帶等部分，清淤裝置內(nèi)設(shè)有滾筒刷，并與多關(guān)節(jié)機械臂裝置固定連接，多關(guān)節(jié)機械臂裝置下端設(shè)有絲桿滑臺，絲桿滑臺安裝在機器人上，引風(fēng)機通過支撐架固定在機器人中部，控制系統(tǒng)固定在機器人后部，機器人安裝軟膠履帶更方便于水渠內(nèi)行走，且不易破壞水渠，較輪胎式、金屬履帶有一定的優(yōu)勢，機器人裝載絲桿滑臺，使機械臂在水渠內(nèi)運行自如，徹底摒棄了傳統(tǒng)挖掘機清淤時機械臂在水渠內(nèi)的操作困難，避免了對水渠造成的破壞，解決了轉(zhuǎn)角位置淤泥難以清理的問題[4]。

圖1 清淤機器人機械系統(tǒng)1.清淤裝置2.傳感器系統(tǒng)3.軟膠履帶4.控制系統(tǒng)5.引風(fēng)機6.多關(guān)節(jié)機械臂裝置

1.2 工作原理

該機器人由控制系統(tǒng)控制在水渠內(nèi)進行自主清淤，當(dāng)機器人進入水渠內(nèi)，控制系統(tǒng)內(nèi)的GPS定位系統(tǒng)開始工作，規(guī)劃機器人的運動路線，然后機器人的多關(guān)節(jié)機械臂裝置帶動清淤裝置開始工作，機器人同步前進，傳感器系統(tǒng)中的超聲波傳感器同時感知與水渠兩側(cè)的距離，從而進行避障，避免與水渠的碰撞，清淤裝置中的滾筒刷對水渠內(nèi)的淤泥進行清刷，然后通過引風(fēng)機將淤泥抽到水渠兩側(cè)[5]。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 清淤裝置

清淤裝置結(jié)構(gòu)如圖2，主要作用是通過傳感器系統(tǒng)中的壓力傳感器、濕度傳感器檢測淤泥的特性，清淤裝置內(nèi)的滾筒刷對淤泥使用特定速度、力度進行清理，然后通過引風(fēng)機抽出。清淤裝置包括擺線液壓馬達、擺線液壓馬達支撐件、滾動軸、保護裝置、螺栓和螺母。擺線液壓馬達與滾動軸固定連接，實現(xiàn)馬達帶動軸轉(zhuǎn)動的功能，擺線液壓馬達支撐件與保護裝置固定連接，實現(xiàn)固定馬達支撐件的作用，擺線液壓馬達與擺線液壓馬達支撐件螺栓連接，實現(xiàn)固定馬達的作用，使馬達在工作時不會出現(xiàn)晃動和摩擦等問題[6]。

圖2 清淤裝置結(jié)構(gòu)1.擺線液壓馬達2.擺線液壓馬達支撐件3.保護裝置4.滾動軸

2.2 多關(guān)節(jié)機械臂裝置

多關(guān)節(jié)機械臂結(jié)構(gòu)的主要作用是通過調(diào)節(jié)絲桿滑臺的位置以及液壓桿的伸縮長度使清淤裝置可以到達合適的清淤位置進行清淤工作。常見的多關(guān)節(jié)機械臂有桁架結(jié)構(gòu)機械臂和液壓結(jié)構(gòu)機械臂。由于在本設(shè)計中清淤機器人是在現(xiàn)實環(huán)境中進行清淤，機械臂具有一定的重量，且要求機械臂可靈活、穩(wěn)定移動到需要清淤的位置，所以采用液壓結(jié)構(gòu)機械臂。這種機械臂通常由液動機、伺服閥、油泵、油箱等部分組成驅(qū)動系統(tǒng)，由驅(qū)動機械臂的執(zhí)行機構(gòu)進行工作，通常具有很大的抓舉能力，其特點是結(jié)構(gòu)緊湊，動作平穩(wěn)，耐沖擊，耐振動，防爆性好，可無級變速、定位精度高，可實現(xiàn)任意中間位置的停止，系統(tǒng)的固有振動頻率高，壓力、容量調(diào)節(jié)容易，重量小、慣性小，可做到經(jīng)?？焖偾覠o沖擊的變速和換向，容易控制，動作平穩(wěn)，遲滯小。

在本設(shè)計中，該多關(guān)節(jié)機械臂裝置通過絲桿滑臺實現(xiàn)整體的左右移動，達到機械臂在水渠全方位移動的功能，通過液壓桿的伸縮帶動活動臂的升降，從而靈活、穩(wěn)定到達需要清淤的豎直位置。

圖3 多關(guān)節(jié)機械臂結(jié)構(gòu)1.液壓桿2.活動臂3.底座4.絲桿滑臺

3 行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

常見的機器人行走方式有履帶式、輪式以及仿生步行式。在光滑的地面上可以采用輪式機器人或行走式機器人，如在日常生活中常見的服務(wù)型機器人[7]。在地面環(huán)境比較復(fù)雜或者需要較強的平穩(wěn)性要求時，一般會采用履帶式機器人。

由于南疆地區(qū)水渠內(nèi)粘稠的淤泥以及水渠底部、側(cè)部都是由水泥堆砌而成，為了防止機器人陷入淤泥中無法行走以及破壞水渠結(jié)構(gòu)，選擇軟膠履帶。軟膠履帶行走機構(gòu)可以使機器人在水渠中平穩(wěn)行走，該機構(gòu)自適應(yīng)強、受力面積大、摩擦力大。在履帶板的兩端設(shè)孔，與主動輪嚙合，中部有誘導(dǎo)齒，用來規(guī)正軟膠履帶，實現(xiàn)防止機器人轉(zhuǎn)向或側(cè)傾行駛時履帶脫落的功能，在與地面接觸的一面有加強履帶銷，用來增強履帶板的堅固性和軟膠履帶與水渠的附著力[8]。

圖4 行走系統(tǒng)1.軟膠履帶2.主動輪3.托帶輪4.履帶銷

4 試驗情況

完成該機器人的整體設(shè)計后，制作出模型機，將其放入仿真水渠內(nèi)，仿真水渠內(nèi)放入適量泥土，模型機開始工作，清淤裝置中的滾筒刷對仿真水渠內(nèi)的淤泥進行清刷，然后通過隔膜泵將淤泥抽到仿真水渠旁的水桶內(nèi)。

圖5 試驗過程

5 結(jié)論

本文為解決現(xiàn)有的南疆地區(qū)防滲渠清淤效率低下的現(xiàn)狀設(shè)計的一款全自動的防滲渠清淤機器人。該清淤機器人具有以下創(chuàng)新點：

（1）GPS定位系統(tǒng)與超聲波傳感器結(jié)合，使機器人運行更精準(zhǔn)。GPS提前規(guī)劃機器人運行路線，輸入至機器人控制系統(tǒng)使機器人按既定線路運行，然后配合超聲波實時發(fā)送脈波，得到機器人在水渠內(nèi)精準(zhǔn)運行的結(jié)果。

（2）滾筒刷與引風(fēng)機的合理配合使清淤效果更好。通過壓力傳感器、濕度傳感器檢測淤泥的特性，滾筒刷對淤泥使用特定速度和力度進行清理，然后及時通過引風(fēng)機抽出。

（3）軟膠履帶的設(shè)計使機器人可在行走自如的前提下保護水渠不被破壞。軟膠履帶自適應(yīng)強、受力面積大、摩擦力大材質(zhì)柔軟，可以使機器人在水渠中平穩(wěn)行走，達到保護水渠不被破壞的效果。

6 展望

因為時間精力有限，本文雖然完成了預(yù)期的大部分工作，但在很多方面仍然存在有待完善的地方，后續(xù)還可以進行以下幾個方面的工作：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，本文研究的防滲渠清淤機器人只是用于功能演示，屬于模擬原理樣機，結(jié)構(gòu)設(shè)計上進行了許多簡化且不作過多要求，如多關(guān)節(jié)機械臂裝置連接部分采用舵機連接，電路控制器沒有進行很好的防水措施，故后續(xù)在這些地方的結(jié)構(gòu)設(shè)計上可以進行改進。

（2）測試試驗方面，由于本文中防滲渠清淤機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制系統(tǒng)均在很多地方進行了簡化，而且只是原理性功能演示，所以在測試試驗方面也只是驗證相關(guān)設(shè)計的底層硬件是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期動作，如清淤功能演示時只需驗證滾筒刷是否正常轉(zhuǎn)動以及隔膜泵是否可將淤泥抽出等，故對于實際應(yīng)用的南疆地區(qū)水渠清淤機器人而言，則可加入相關(guān)的清淤試驗，以便能夠用于實際的清淤作業(yè)。