水下管道清淤疏浚機(jī)器人研究綜述

郭昆鵬,趙銀江,湯家源,尹新彥

（1.中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213；2.北京理工大學(xué)珠海學(xué)院,廣東 珠海 519088）

近年環(huán)境惡化以及持續(xù)強(qiáng)降雨是導(dǎo)致城市內(nèi)澇的一個(gè)方面,因此迫切需要增加城市排水管道容量；另外城市居民生活水平提高,城市工業(yè)園區(qū)發(fā)展迅速,生活及工業(yè)廢液排放量增大,多年來管道內(nèi)的淤泥聚集以及泥沙沉降使得主要排水干道的排水能力明顯下降,是導(dǎo)致城市排水管道堵塞的一個(gè)重要方面[1]。但是從根本上講是因?yàn)槌鞘信潘艿琅盼勰芰τ邢蕖榱私鉀Q快速的城市發(fā)展與滯后的基礎(chǔ)建設(shè)之間的矛盾,我們國家已經(jīng)開始啟動(dòng)排水管道整改項(xiàng)目的試點(diǎn)。為了解決這一問題,根本舉措是改造城市排水管道,但是我國城市人均占有排水管道長(zhǎng)度0.55米,遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家人均4米的水平,采取這種措施需要大量資金以及建設(shè)周期冗長(zhǎng),難于即刻緩解大量城市雨季看海的窘態(tài)。因此排水管道的清理工作對(duì)緩解目前狀態(tài)非常重要[2]。

目前我國管道及暗涵清理工作依舊以人工清理為主要的清理方式,即人工下井穿纜或疏通。而城市排水管道和暗涵大多數(shù)位于人口以及建筑物密集區(qū)域,傳統(tǒng)人工清理作業(yè)占地面積大,容易造成污泥灑落地面,污染環(huán)境,臭味飄散,給周邊居民生活帶來不便,同時(shí)影響市容風(fēng)貌；再者傳統(tǒng)人工清淤效率低下,而且城市排水管道和涵道的內(nèi)部環(huán)境相當(dāng)惡劣,氣味難聞,可能存在大量甲烷等有毒氣體,嚴(yán)重影響一線作業(yè)人員的生命安全。水下管道清淤機(jī)器人的研究具有重要的意義,所以水下管道清淤機(jī)器人的研究工作已經(jīng)開始受到研究機(jī)構(gòu)及部分高校的重視[3]。

1 城市排水管道清淤機(jī)器人研究現(xiàn)狀及分析

管道清淤疏浚機(jī)器人工作環(huán)境比較惡劣,按其作業(yè)方式可分為遙控清淤機(jī)器人和自主清淤機(jī)器人。其中自主清淤機(jī)器人智能化程度高,作業(yè)精準(zhǔn)度高,作業(yè)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),代表了未來管道清淤機(jī)器人的發(fā)展方向。

1.1 清淤機(jī)器人作業(yè)通信方式

目前的大多數(shù)清淤機(jī)器人是遙控作業(yè)的,其通信方式一般分為無線通信和有纜通信兩種方式。無線通信方式有ZigBee,無線通信模塊等方式。

在文獻(xiàn)[4]的控制系統(tǒng)采用了3個(gè)S7-200 PLC,機(jī)器人內(nèi)部的兩個(gè)PLC之間利用電纜通過專用的通信協(xié)議PPI實(shí)現(xiàn)通信,通過主-從協(xié)議實(shí)現(xiàn)內(nèi)部控制。地面控制柜中的PLC與機(jī)器人內(nèi)部PLC之間通過無線通信模塊TWH9236/TWH9238經(jīng)過編碼和譯碼擴(kuò)展后進(jìn)行無線控制通訊。這種無線通訊方式能夠解決機(jī)器人PLC之間的數(shù)據(jù)傳遞,完成地面操作人員與機(jī)器人之間的信息交互。這種通訊方式?jīng)]有讓地面操作人員獲取管道內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)。

由于城市地下管道內(nèi)部環(huán)境惡劣,管壁對(duì)信號(hào)具有一定的屏蔽效果,在文獻(xiàn)[5]中設(shè)計(jì)了一種ZigBee網(wǎng)絡(luò)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在井口放置一個(gè)路由器節(jié)點(diǎn),確保無線數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定,這種通信網(wǎng)絡(luò)由于信道容量比較低,所以只能傳輸控制指令等數(shù)據(jù)。其監(jiān)控視頻信號(hào)由于傳輸數(shù)據(jù)量大,視頻信號(hào)傳輸穩(wěn)定性難以保障因此選用了無線視頻信號(hào)收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)視頻傳輸功能。

在文獻(xiàn)[6]中采用DTD433MA通訊模塊,該模塊支持RS-485通信方式,實(shí)現(xiàn)通訊模塊與PLC信號(hào)對(duì)接。上位機(jī)采用WINCC組態(tài)軟件,DTD433MA通訊模塊通過MODBUS協(xié)議與組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。MODBUS協(xié)議通信過程可以通過ASCII、TCP、RTU三種方式進(jìn)行,這里采用RTU協(xié)議進(jìn)行視頻信號(hào)傳輸。清淤機(jī)器人控制系統(tǒng)的無線通訊系統(tǒng)采用DTD433MA無線收發(fā)模塊,模塊通過RS232/RS485接口與PLC和上位機(jī)傳輸通信數(shù)據(jù),通信協(xié)議采用MODBUS協(xié)議。PLC通過接收上位機(jī)的操作碼和操作數(shù)指令控制相應(yīng)元件動(dòng)作,其中操作碼代表需要?jiǎng)幼鞯膶?duì)象（步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)或者電動(dòng)缸）,操作數(shù)代表被控制對(duì)象的動(dòng)作方式。當(dāng)PLC接收到數(shù)據(jù)后先將指令轉(zhuǎn)存至內(nèi)存指定區(qū)域,然后截取操作碼部分確定被控制對(duì)象,再讀取操作數(shù)確定動(dòng)作方式。

對(duì)比以上兩種通訊方式,在城市排水管道中,由于涵道淤泥聚集,清淤機(jī)器人在狹窄的排水管道內(nèi)部作業(yè)時(shí),如果采用有纜作業(yè),機(jī)器人就需要拖帶動(dòng)力電纜和信號(hào)電纜進(jìn)行作業(yè),一般兩個(gè)工作豎井之間的管道長(zhǎng)度為60~100米左右,因此需要清淤機(jī)器人完成30~50米以上管道內(nèi)的行走。隨著機(jī)器人行走距離的增加,電纜也隨之變長(zhǎng),此時(shí)電纜與涵道管壁產(chǎn)生很大的摩擦力,會(huì)影響清淤機(jī)器人的正常工作,嚴(yán)重影響清淤作業(yè)效率。相比之下,采用無線通信的清淤機(jī)器人一般工作時(shí)所需的能量由自攜式蓄電池提供,省去了沉重的線纜,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),提高了機(jī)器人的作業(yè)行程及運(yùn)動(dòng)靈活性。

1.2 清淤機(jī)器人作業(yè)方式

在暗涵清淤工程中,人工清淤的難度大,效率低,存在一定的人身安全危險(xiǎn)隱患。在清淤的過程中還容易造成二次污染,難于滿足現(xiàn)代工程中要求的安全文明施工的要求。引入清淤機(jī)器人后在很大程度上解決了這個(gè)問題。與人工清淤作業(yè)方式不同,當(dāng)前機(jī)器人清淤的作業(yè)方式一般分為絞吸式[7]、耙吸式[8]、泵吸式、鏟挖式等。

在文獻(xiàn)[9]中,管道清淤機(jī)器人采用耙吸式清淤作業(yè),在清淤機(jī)器人行進(jìn)過程中,通過前耙吸螺旋槳,把淤泥匯集到集污罩中,耙吸作業(yè)單元的正反螺旋把淤泥輸送到泥漿泵進(jìn)口,經(jīng)格柵過濾掉大塊磚石瓦礫后,吸入的樹枝等雜物被粉碎刀齒絞碎,然后進(jìn)入淤泥輸送系統(tǒng)。這種方式通過管道疏通污泥到地面處理工作站,全程淤泥不落地,滿足安全文明施工的要求。

鏟挖式作業(yè)與人工清理方式比較相像,在文獻(xiàn)[7]中采用鏟斗式清理,清淤斗每次完成清理10kg淤泥的任務(wù),同時(shí)需要舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)將裝有淤泥的清淤斗舉起,翻轉(zhuǎn)。這種清理作業(yè)方式需要管道具有一定的高度空間,比較適合于具備有提升裝置的開放式清淤環(huán)境。鏟挖式作業(yè)在進(jìn)行地下管道內(nèi)的淤泥清理時(shí)往往不具備空間上的優(yōu)勢(shì)和將淤泥運(yùn)送出管道的優(yōu)勢(shì),往往需要將水排放干凈,難以在深水下作業(yè)。

1.3 機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)方式

管道清淤疏浚機(jī)器人在作業(yè)時(shí),需要克服管道內(nèi)淤泥對(duì)機(jī)體運(yùn)動(dòng)的阻礙,如果有纜工作的話,還要拖動(dòng)通訊、動(dòng)力源線纜在管井中運(yùn)動(dòng),因此清淤機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)管道清淤根據(jù)清淤機(jī)器人的行走方式不同分為蠕動(dòng)式、足式、輪式、履帶式等。

（1）蠕動(dòng)式管道清淤機(jī)器人

蠕動(dòng)式管道清淤機(jī)器人是像蛇一樣利用蠕動(dòng)的方式行進(jìn)的器人,文獻(xiàn)[10]中主要是通過機(jī)器人肢體的摩擦左右扭動(dòng)來行走,機(jī)器人先是收縮前半部分身體,而后利用腹部的摩擦力帶動(dòng)后半部分身體前進(jìn),最后再展開已經(jīng)收縮的前半部分身體,從而實(shí)現(xiàn)了蠕動(dòng)前進(jìn)的目的。蠕動(dòng)式管道清淤機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間較小,能夠在管道直徑比較小的管道內(nèi)行走,但這種行走方式為間歇性直線運(yùn)動(dòng),移動(dòng)速度緩慢,且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)難度高。這種行進(jìn)方式的牽引力較低,在進(jìn)行負(fù)載作業(yè)時(shí)比較困難,如果是有纜清淤機(jī)器人的話,會(huì)讓行進(jìn)效果再打折扣,甚至難以實(shí)現(xiàn)實(shí)際清淤需求。采用這種行進(jìn)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人多應(yīng)用于管道檢測(cè)與探測(cè)等。

（2）輪式管道清淤機(jī)器人

一般而言,輪式管道清淤機(jī)器人采用對(duì)稱分布式的行走機(jī)構(gòu),采用車輪緊貼壓緊在管道內(nèi)壁表面,以便能夠?qū)艿纼?nèi)壁產(chǎn)生較大壓力,采用輪式結(jié)構(gòu)的管道機(jī)器人具有爬坡能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),可以在傾斜的排水管道中行走,甚至可以在管道豎井里行走。文獻(xiàn)[10]中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)四足對(duì)稱結(jié)構(gòu)的輪式機(jī)器人,每個(gè)機(jī)械足由伸臂、展臂、電機(jī)、車輪構(gòu)成。展臂上固定車輪,通過伸臂實(shí)現(xiàn)展臂與機(jī)器主體底盤的連接。展臂與伸臂實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)裝置與機(jī)械主體的連接；機(jī)器人的兩側(cè)車輪分別正反轉(zhuǎn),可以讓機(jī)器人整體繞著底盤中軸做圓周運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。輪式驅(qū)動(dòng)因在直管中具有拖動(dòng)力大、效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而成為管道機(jī)器人的常見驅(qū)動(dòng)方式[4,6,11]。不足之處是,一般適應(yīng)于小型管道清淤,不適合大型管道或者涵洞（橫截面為矩形）類型的排水管道。

（3）履帶式管道清淤機(jī)器人

另一種常見的管道機(jī)器人行走方式為履帶式[3]。履帶式管道機(jī)器人包括履帶行走部分、控制器、車載傳感器和通訊系統(tǒng),其履帶裝有轉(zhuǎn)向裝置,能夠靈活前后移動(dòng)以及左右轉(zhuǎn)向。履帶式管道清淤機(jī)器人的履帶與管道的基礎(chǔ)面積大,具有較好的附著性,越障能力強(qiáng),在淤泥較多的管道內(nèi)也能正常行走,但受身體的質(zhì)量、行走速度的限制,履帶式管道清淤機(jī)器人主要應(yīng)用于大中型排水管道。

2 清淤疏浚機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)

水下管道清淤疏浚機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研究,國內(nèi)外目前尚未取得較大的進(jìn)展。我國的水下清淤疏浚機(jī)器人已經(jīng)走在世界發(fā)展的前列,但仍存在能耗高,功效低,功能單一的問題,縱觀目前水下管道清淤疏浚機(jī)器人的狀況以及市場(chǎng)需求,該類型機(jī)器人的發(fā)展存在以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）產(chǎn)品將更具有多樣性。在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下,不一樣的管道內(nèi)的淤泥類型都不一樣,因此需要將該類型產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上更專業(yè),對(duì)不同的場(chǎng)景設(shè)計(jì)不一樣的機(jī)器人。

（2）智能化程度越來越高。當(dāng)前的清淤疏浚機(jī)器人在使用過程中,人工參與的程度還是比較高的。在將來的發(fā)展中,清淤機(jī)器人將越來越智能,機(jī)器人上裝載的傳感器數(shù)量會(huì)越來越多,隨著5G技術(shù)的發(fā)展以及北斗系統(tǒng)的進(jìn)一步民用化,清淤機(jī)器人甚至可以自動(dòng)識(shí)別和記錄路徑,既可以手動(dòng)控制也可以自動(dòng)控制完成既定的任務(wù)。另外大數(shù)據(jù)和云服務(wù)技術(shù)越來越成熟,也可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向云端傳輸各種場(chǎng)景下的數(shù)據(jù),不光可以實(shí)現(xiàn)近距離下的遙控器遙控,又可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 結(jié)束語

現(xiàn)有排水管道清淤機(jī)器人的技術(shù)還不是很成熟,當(dāng)前排水管道清淤機(jī)器人都是遙控型機(jī)器人,都不具備自主行走的能力。在清淤過程中,工作人員需時(shí)刻關(guān)注機(jī)器人的狀態(tài),容易疲勞。隨著管道清淤機(jī)器人智能化技術(shù)的不斷發(fā)展,智能排水管道清淤機(jī)器人一定能夠應(yīng)用于實(shí)際。而智能管道清淤機(jī)器人的核心是智能控制算法,因此,其關(guān)鍵技術(shù)就是要選取合適的智能控制算法。智能管道清淤機(jī)器人具有自主行走能力[12],可降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高清淤效率和質(zhì)量。