湖北工業(yè)大學機械工程學院 劉嘉誠 陳濤 朱鄖濤 吳瀟

城市地下管道機器人

湖北工業(yè)大學機械工程學院 劉嘉誠 陳濤 朱鄖濤 吳瀟

我國華中和華南地區(qū)夏季雨水越來越集中，強降水給城市地下管道的排水帶來了相當大的壓力，在此壓力下，老城市舊的排水管道系統(tǒng)逐漸暴露越來越多的問題。又由于城市地下管線數(shù)量巨大、種類繁多、新舊層次突出，使得對缺陷檢測、定位以及維修等工作的難度極大，嚴重制約了我國“十三五”城市地下綜合管廊建設(shè)和城鎮(zhèn)化發(fā)展的進程。因此，研發(fā)一套可以遠程檢測的城市地下管道機器人來替代人工作業(yè)，降低工人的勞動強度，提高工作效率，在管道的疏通和維護方面具有廣闊的應(yīng)用前景和十分重要的意義。

地下管道；缺陷檢測；管道疏通；城市地下管道機器人

1 背景

在城市地下，埋藏著無數(shù)錯綜復(fù)雜的各種管道，這些管道保障著我們的生活，更關(guān)乎著城市運行的質(zhì)量。如果把城市比作人體，四通八達的地下管網(wǎng)如同身體內(nèi)“血管”，為城市的生存、發(fā)展輸送養(yǎng)料，排出污物，完成循環(huán)。隨著管道使用年限的增加，難免會出現(xiàn)老化、變形、破損的現(xiàn)象，對城市排水系統(tǒng)造成隱患。通過人工下管道檢修，不僅效率低下，而且對人體有害。如2008年7月31日，安徽淮北市7名民工在檢查污水管道時中毒。2009年5月26日蕭山靖江鎮(zhèn)機場2期安置區(qū)，1名工人下到井里作業(yè)時發(fā)生意外。2011年6月9日，溫州扶貧開發(fā)區(qū)中興路發(fā)生一起檢查下水管道雨水的工人中毒的事故。據(jù)統(tǒng)計，近幾年國內(nèi)每年城市排水管道檢修、疏通事故千余起，造成了很多人員傷亡，同時間接經(jīng)濟損失達百億元之多[1]。

管道作為一種方便、有效的物料輸送工具，在日常生活中應(yīng)用非常地廣泛。

但由于有些特殊的管道輸送一些化學物質(zhì)或者長時間腐蝕，難免出現(xiàn)泄漏、裂紋等現(xiàn)象，這些問題靠人通常很難解決，有些管道的口徑非常小，對管道的檢測維護是一件非常困難的事情，起初，如果管道出現(xiàn)了問題，人們通過把整個管道挖出來，進行檢查維護，這樣耗費大量的人力物力，效率極低[2]。現(xiàn)在大多采用管道機器人來檢測，通過其攜帶的高靈敏傳感器、高清攝像頭、傾斜角傳感器、多自由度機械臂、高壓清洗設(shè)備、焊接裝置、圖層裝置等設(shè)備來完成管道內(nèi)特定的工作[3]。

為了提高管道的可靠性，防止泄漏、堵塞等事故的發(fā)生，每年針對管道進行維護檢測，傳統(tǒng)的檢測方式多采用管道機器人來代替人工檢測。由于輪式機器人具有驅(qū)動方式簡單、容易控制、運行效果好等特點，輪式管道機器人作為管道檢測設(shè)備的使用越來越廣泛[4]。然而，國內(nèi)管道機器人品種較少，且對于管道的適應(yīng)性較差，功能不足，國外設(shè)備非常昂貴，因此開發(fā)出一套經(jīng)濟可靠的管道機器人很有意義。

2 城市管道機器人功能模塊介紹

管道機器人功能包括底盤爬行模塊，云臺升降模塊，相機旋轉(zhuǎn)模塊，燈光亮度調(diào)節(jié)模塊，姿態(tài)顯示模塊，氣壓顯示模塊，溫度顯示模塊，激光測量模塊，機器人測速模塊，纜線車模塊，如下圖1所示。控制面板或者PC上位機控制端通過TCP/IP協(xié)議與管道機器人主控制通信。機械面板控制主要通過搖桿、按鈕、旋鈕等對管道機器人進行控制，如下圖2所示。而用PC上位機來操控，只需要用鼠標點擊上位機上的虛擬按鈕來控制，如下圖3所示。

圖1 管道機器人的控制系統(tǒng)模塊圖

圖2 機械控制面板

圖3 PC上位機控制端

3 管道機器人在管道行走實驗

管道機器人在水泥管道測試，如圖4所示。通過電腦上的上位機或者機械控制面板遠程操控機器人，在管道里對機器人功能上做了一些測試，包括視頻采集的實時性（包括視頻有無卡頓現(xiàn)象）、鏡頭參數(shù)的調(diào)節(jié)、燈光亮度的調(diào)節(jié)、前后燈的切換、攝像頭的旋轉(zhuǎn)測試、云臺和攝像頭復(fù)位測試、纜車收放線測試，都能夠滿足功能要求。通過在管道內(nèi)部對機器人攝像頭的控制，機器人在管道內(nèi)部進行視頻采集，視頻效果良好，能夠清晰地看到管道內(nèi)部的情況,如圖5所示。

圖4 機器人下管道測試圖

圖5 遠程監(jiān)控圖像

4 總結(jié)

城市地下管道機器人研制的意義在于改善了當前疏通管道時工人惡劣的工作環(huán)境、降低工人的勞動強度、保障工人的人身安全、提高排水管道清理的效率，也加快了城市地下綜合管廊建設(shè)和城鎮(zhèn)化發(fā)展的進程。此外，還可應(yīng)用于檢測管道的破裂、腐蝕和焊縫質(zhì)量情況；在惡劣環(huán)境下管道的清掃、焊接、內(nèi)部拋光等維護工作；應(yīng)用于核反應(yīng)堆的管道方面，減少對工作人員的傷害；應(yīng)用于海洋油氣輸送管道方面等。

[1]蔡輝.排水管道檢測機器人的設(shè)計及應(yīng)用[d].湖南大學，2012.

[2]甘小明，徐濱士，董世運等.管道機器人的發(fā)展狀況.機器人技術(shù)與應(yīng)用[J].2003，6：5-10.

[3]小云，顏國正，鄢波.一種新型管道檢測機器人系統(tǒng).上海交通大學學報，2004，38(8)：13-24.

[4]申立琴，宋章軍.排水管道檢測機器人控制系統(tǒng)研究[J].先進技術(shù)研究通報，2009，3（7）：38-41.

2017-09-11）