安海濤 唐杰 雷虎城

摘 要：針對城市管道清淤危險性高、勞動強度大、效率低等問題，設(shè)計了一款管道清淤機器人，包括可以在管道行走的遙控車主體、清淤裝置以及遠(yuǎn)程控制等功能模塊，完成了樣機制作并在模擬淤泥管道中進行了清淤工作，通過測試表明，這一機器人性能穩(wěn)定可靠，清淤能力強，可以降低工作人員的勞動強度和難度。

關(guān)鍵詞：管道清淤;機器人;ps2手柄;藍(lán)牙控制

隨著城市化進程越來越快，用水量和排水量也越來越大，其管道清淤的任務(wù)也越來越重。管道清淤是將管道進行疏通，清理管道里面的淤泥，保持長期暢通，以防止城市發(fā)生內(nèi)澇。城市排水管道網(wǎng)絡(luò)中存在大量直徑偏小的管道，工人進入比較困難，再加上管道內(nèi)部還有很多沼氣，易燃、易中毒，不利于開展人工清理作業(yè)，導(dǎo)致了管道不同程度的堵塞。所以采用機器人清淤更加安全、有效。

本文提出了基于四輪底盤，采用機械手臂和彈簧平衡裝置相結(jié)合的結(jié)構(gòu)構(gòu)成的清淤機器人。該管道清淤機器人主要由驅(qū)動行走、沖刷淤泥及控制等模塊組成，基于大扭矩電機及標(biāo)準(zhǔn)型STC15單片機為控制核心，采用具有自動平衡、遠(yuǎn)程監(jiān)控導(dǎo)航、清淤等功能。

1 管道清淤機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 機械總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

管道清淤機器人的主要結(jié)構(gòu)由一個主體底盤、四條機械腿、彈簧平衡裝置、機械臂和遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置組成，如圖1所示。主體底盤對稱連接四條機械腿，中間固定一個靈活度高的機械臂。機械腿與主體底盤通過彈簧平衡裝置實現(xiàn)機器人的自動平衡，大部分關(guān)節(jié)由電機驅(qū)動，實現(xiàn)整體機身的行走和機械臂的空間作業(yè)。

1.2 各部分組成及功能

每個機械腿由伸臂、展臂、電機、車輪構(gòu)成。展臂上固定車輪，通過伸臂實現(xiàn)展臂與機器主體底盤的連接。展臂與伸臂實現(xiàn)了驅(qū)動裝置與機械主體的連接;通過三個六角開關(guān)分別控制四個電機行進與轉(zhuǎn)向，當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時，控制機器人的兩側(cè)車輪分別正反轉(zhuǎn)，那么由于摩擦力，可以讓機器人整體繞著底盤中軸做圓周運動，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

為了使機器人在管道內(nèi)能平穩(wěn)工作，在機器人底盤加入彈簧平衡裝置。彈簧平衡裝置主要是通過彈簧鉤在伸臂連桿上從而保證整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及車輪摩擦力，彈簧的初始狀態(tài)由彈簧架確定，彈簧平衡裝置通過彈簧的拉力控制機構(gòu)的擺動。假設(shè)管道直徑變大時，伸臂向上運動，此時彈簧被拉伸，產(chǎn)生的彈簧力傳遞到伸臂，與管壁給的支持力所平衡，進而使機構(gòu)穩(wěn)定;當(dāng)伸臂向另一方向擺動時，彈簧也會拉動伸臂，使伸臂緊貼管壁，保證穩(wěn)定和足夠的摩擦力[1]

為了完成空間作業(yè)，機械手臂由機械臂底座、機械主臂、機械連臂、舵機和機械手構(gòu)成。機械臂具有6個自由度，關(guān)節(jié)動作由舵機的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)。機械底盤實現(xiàn)主體底盤與機械主臂的連接，機械連臂分別連接機械主臂和機械手。所有舵機都由單片機控制，6個自由度也給予機器人足夠的靈活性。

由于管道內(nèi)工作環(huán)境惡劣，為了在地面上能夠了解管道內(nèi)的環(huán)境，管道內(nèi)的淤泥狀態(tài)，以便對機器人進行遠(yuǎn)程操控。在機器人的機械臂上裝上了小型攝像頭，在地上可利用顯示屏進行實時了解，實現(xiàn)對機器人進行遠(yuǎn)程操控。

2 控制設(shè)計

2.1 機器人驅(qū)動模塊

機器人驅(qū)動模塊是其系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，包括驅(qū)動電機的選擇、控制系統(tǒng)的設(shè)計。由于管道清淤機器人對電機扭矩要求很高、而轉(zhuǎn)速要求不高，因此可以采用大的減速比，靠犧牲電機的轉(zhuǎn)速來獲得較大的扭矩。本文采用XD-37GB555直流減速電機，是在普通直流電機的基礎(chǔ)上，加上配套齒輪減速箱。該電機的優(yōu)點是簡化設(shè)計快速響應(yīng)、寬廣的調(diào)速范圍、線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性。

管道清淤機器人采用四輪獨立驅(qū)動，考慮到驅(qū)動電路的驅(qū)動電壓為 12 V、電流為1A及尺寸等因素，本文采用18650充電電池進行供電，電池座位3串聯(lián)座，用兩個電池座為四個電機供電。開關(guān)、電源、電機連線如圖2所示，開關(guān)控制電機的正反轉(zhuǎn)，一個開關(guān)控制兩個行進的主輪，另外兩個開關(guān)分別控制電機，以便實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向和行進中轉(zhuǎn)向。

2.2 機械手臂控制模塊

本設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)型STC15單片機作為主控，這是個低功耗、高性能的單片機。[2]舵機采用TBSN-2701型號，控制周期為20ms，轉(zhuǎn)動角度為270°，舵機用PWM脈沖控制，占空比0.5ms-2.5ms的脈寬電平對應(yīng)舵機0-180度角度范圍，控制板采用0-1500數(shù)值對應(yīng)控制輸出角。[2]因此，只要調(diào)節(jié)控制器的值，舵機就會有對應(yīng)的角度，進而通過傳動機構(gòu)引起機器模型的相應(yīng)動作。將控制器編入ps2手柄中，配合無線模塊可以進行無線控制，還可以配合app和藍(lán)牙模塊進行手機控制。

3 結(jié)語

本文針對城市管道清淤出現(xiàn)的難題，提出了一款管道清淤機器人。機器人具有驅(qū)動行走、沖刷淤泥及遠(yuǎn)程控制的功能。驅(qū)動控制系統(tǒng)采用六角開關(guān)構(gòu)成驅(qū)動電路，機械臂采用標(biāo)準(zhǔn)型STC15單片機作為主控，實現(xiàn)了機器人在管道內(nèi)的行走和沖刷淤泥，且結(jié)構(gòu)輕巧，操作方便，清淤效率高。實踐證明機器人可以對管道進行疏通，清理管道里面的淤泥，保持長期暢通，對于城市管道清淤具有重要意義。

參考文獻：

[1]侯純軍.彈簧平衡裝置的控制范圍與調(diào)整[J].輕金屬，2006：85-87.

[2]方龍，陳丹，肖獻保.基于單片機的機械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計.廣西輕工業(yè)，2018-8：89-90.

作者簡介：安海濤，山西孝義人，機械電子工程專業(yè)，從事機電一體化技術(shù)研究。