趙 輝，李進(jìn)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(hù)，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(fèi)。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(jī)的設(shè)計提供理論依據(jù)；最后，結(jié)合實際工況，建立整機(jī)方案，對其多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)進(jìn)行分析，建立整機(jī)的動力學(xué)模型，進(jìn)行機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃和優(yōu)化，尋找最佳的工作路徑。對LUDV負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究，選擇合理的傳感器并結(jié)合逆運(yùn)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(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型分別對多關(guān)節(jié)機(jī)械臂裝置中2自由度的控制和3自由度的控制進(jìn)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(jī)的控制系統(tǒng)，設(shè)計研發(fā)自動清淤機(jī)器人的第一代樣機(jī)[3]。

1 防滲渠清淤機(jī)器人整體設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)

本機(jī)器人主要包括清淤裝置、傳感器系統(tǒng)、多關(guān)節(jié)機(jī)械臂裝置、引風(fēng)機(jī)、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(jī)械臂裝置固定連接，多關(guān)節(jié)機(jī)械臂裝置下端設(shè)有絲桿滑臺，絲桿滑臺安裝在機(jī)器人上，引風(fēng)機(jī)通過支撐架固定在機(jī)器人中部，控制系統(tǒng)固定在機(jī)器人后部，機(jī)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(jī)器人裝載絲桿滑臺，使機(jī)械臂在水渠內(nèi)運(yùn)行自如，徹底摒棄了傳統(tǒng)挖掘機(jī)清淤時機(jī)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(jī)器人機(jī)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(jī)6.多關(guān)節(jié)機(jī)械臂裝置

1.2 工作原理

該機(jī)器人由控制系統(tǒng)控制在水渠內(nèi)進(jìn)行自主清淤，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)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(jī)器人的運(yùn)動路線，然后機(jī)器人的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂裝置帶動清淤裝置開始工作，機(jī)器人同步前進(jìn)，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(jìn)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(jìn)行清刷，然后通過引風(fēng)機(jī)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(jìn)行清理，然后通過引風(fēng)機(jī)抽出。清淤裝置包括擺線液壓馬達(dá)、擺線液壓馬達(dá)支撐件、滾動軸、保護(hù)裝置、螺栓和螺母。擺線液壓馬達(dá)與滾動軸固定連接，實現(xiàn)馬達(dá)帶動軸轉(zhuǎn)動的功能，擺線液壓馬達(dá)支撐件與保護(hù)裝置固定連接，實現(xiàn)固定馬達(dá)支撐件的作用，擺線液壓馬達(dá)與擺線液壓馬達(dá)支撐件螺栓連接，實現(xiàn)固定馬達(dá)的作用，使馬達(dá)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(dá)2.擺線液壓馬達(dá)支撐件3.保護(hù)裝置4.滾動軸

2.2 多關(guān)節(jié)機(jī)械臂裝置

多關(guān)節(jié)機(jī)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(dá)合適的清淤位置進(jìn)行清淤工作。常見的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂有桁架結(jié)構(gòu)機(jī)械臂和液壓結(jié)構(gòu)機(jī)械臂。由于在本設(shè)計中清淤機(jī)器人是在現(xiàn)實環(huán)境中進(jìn)行清淤，機(jī)械臂具有一定的重量，且要求機(jī)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(jī)械臂。這種機(jī)械臂通常由液動機(jī)、伺服閥、油泵、油箱等部分組成驅(qū)動系統(tǒng)，由驅(qū)動機(jī)械臂的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作，通常具有很大的抓舉能力，其特點(diǎn)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(jī)械臂裝置通過絲桿滑臺實現(xiàn)整體的左右移動，達(dá)到機(jī)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(dá)需要清淤的豎直位置。

圖3 多關(guān)節(jié)機(jī)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(jī)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(jī)器人或行走式機(jī)器人，如在日常生活中常見的服務(wù)型機(jī)器人[7]。在地面環(huán)境比較復(fù)雜或者需要較強(qiáng)的平穩(wěn)性要求時，一般會采用履帶式機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)可以使機(jī)器人在水渠中平穩(wěn)行走，該機(jī)構(gòu)自適應(yīng)強(qiáng)、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(jī)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(qiáng)履帶銷，用來增強(qiáng)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(jī)器人的整體設(shè)計后，制作出模型機(jī)，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(jī)開始工作，清淤裝置中的滾筒刷對仿真水渠內(nèi)的淤泥進(jìn)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(jī)器人。該清淤機(jī)器人具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

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

（2）滾筒刷與引風(fēng)機(jī)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(jìn)行清理，然后及時通過引風(fēng)機(jī)抽出。

（3）軟膠履帶的設(shè)計使機(jī)器人可在行走自如的前提下保護(hù)水渠不被破壞。軟膠履帶自適應(yīng)強(qiáng)、受力面積大、摩擦力大材質(zhì)柔軟，可以使機(jī)器人在水渠中平穩(wěn)行走，達(dá)到保護(hù)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(jìn)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(jī)器人只是用于功能演示，屬于模擬原理樣機(jī)，結(jié)構(gòu)設(shè)計上進(jìn)行了許多簡化且不作過多要求，如多關(guān)節(jié)機(jī)械臂裝置連接部分采用舵機(jī)連接，電路控制器沒有進(jìn)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(jìn)行改進(jìn)。

（2）測試試驗方面，由于本文中防滲渠清淤機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制系統(tǒng)均在很多地方進(jìn)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(jī)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)。