摘 要

城市排水系统作为城市最重要的基础设施之一犹如城市的动脉，其良好稳定地运行是城市居民享受健康生活的必要条件。然而随着经济的快速发展，城市排水系统的堵塞问题日益严重，以往的解决堵塞问题的方法是人工下井清淤，但井下有害气体充斥，环境恶劣，有害工作人员的身体健康。随着我国人工成本的日益提高和生态环境建设的提出，传统的使用人工清淤的方法显得越来越不合时宜。随着科技的发展尤其是机器人技术的发展，设计出一种集检测、清淤于一体的管道清淤机器人显得越来越重要。

本文针对市政排水管道的拥堵问题设计了一款具有清淤、检测功能的机器人。该机器人具有轮式行走机构和绞盘式清淤机构以及保证了与地面联系的通信系统。主要工作内容如下:

对轮式行进系统的结构和原理进行作图并阐述，通过与其他系统相比较确定其具有稳定和越障能力较强的优点。

对绞盘式清淤机构的结构和原理进行作图分析，并说明其清淤原理。确定其绞削力足以在实际工况下稳定工作。

采用星型网络拓扑结构对机器人的通讯系统进行设计，保证了机器人的通信稳定和高效的通信效率，确保机器人与地面能够在40米的距离内有效沟通。

关键词：管道清淤机器人、轮式行走机构、星型网络拓扑结构、绞盘式

Abstract

As one of the city's most important infrastructures, the urban drainage system is like the arteries of the city. Its good and stable operation is a necessary condition for urban residents to enjoy a healthy life. However, with the rapid development of the economy, the blockage problem of urban drainage systems is becoming increasingly serious. In the past, the method to solve the blockage problem was manual downhole dredging, but the underground was filled with harmful gases, the environment was bad, and the health of workers was harmful. With the increasing labor cost in our country and the proposal of ecological environment construction, the traditional method of using artificial dredging is becoming more and more untimely. With the development of science and technology, especially the development of robot technology, it becomes more and more important to design a pipeline dredging robot that integrates detection and dredging.

In this paper, a robot with dredging and detection functions is designed for the congestion of municipal drainage pipes. The robot has a wheeled walking mechanism, a winch dredging mechanism, and a communication system that guarantees contact with the ground. The main tasks are as follows:

1. Map and explain the structure and principle of the wheeled travel system, and compare it with other systems to determine that it has the advantages of stability and strong ability to overcome obstacles.

2. Make a drawing analysis of the structure and principle of the winch dredging mechanism, and explain its dredging principle. Make sure that its cutting force is sufficient to work stably under actual conditions.

3. The star-shaped network topology is used to design the robot's communication system, which guarantees the robot's communication stability and efficient communication efficiency, and ensures that the robot can effectively communicate with the ground within a distance of 40 meters.

Keywords: pipeline dredging robot, wheeled walking mechanism, star network topology, winch

目录

第一章 绪论 1

1.1选题的背景及意义 1

1.1.1选题的背景 1

1.1.2课题研究的意义 2

1.2国内外的研究现状 2

1.2.1国外研究现状 3

1.2.2国内研究现状 3

1.3研究的主要内容和方法 4

第二章 清淤机器人外形尺寸及功能设计 5

2.1 城市排水管道直径 5

2.2 满足排水管道自如收放的机器人极限尺寸 5

2.3 清淤机器人性能参数的计算 7

2.3.1 排水管道水流速度假设 7

2.3.2 排水管道淤泥厚度假设 8

2.4 本章小结 8

第三章 清淤机器人清淤模块设计 10

3.1 管道清淤机器人各个模块尺寸 10

3.1.1 清淤机构尺寸 10

3.1.2 变径机构尺寸 11

3.1.3 整体箱的尺寸 12

3.2 清淤机器人清淤能力的估算 12

3.2.1 污水粘度 13

3.2.2 固体颗粒物沉降速度 13

3.2.3 清淤机器人行进速度 14

3.3 本章小结 14

第四章 清淤机器人行走机构的设计 15

4.1 行走方式的选择 15

4.2 轮腿式行走机构模型 15

4.3 轮腿式行走机构的性能参数及器材的选择 16

4.3.1 轮腿式行走机构的性能参数 16

4.3.2 管道清淤机器人的电源型号选择 21

4.4 本章小结 21

第五章 清淤机器人通讯及控制系统的设计 22

5.1 管道清淤机器人工作环境 22

5.2 管道清淤机器人通讯系统设计 22

5.3 管道清淤机器人控制系统的设计 23

5.3.1 管道清淤机器人进行清淤工作时可能遇到的问题 24

5.3.2 管道清淤机器人控制系统及硬件选择简介 24

5.4 本章小结 29

第六章 总结与展望 30

6.1 全文总结 30

6.2 本文展望 31

参考文献 32

致谢 34

第一章 绪论

1.1选题的背景及意义

1.1.1选题的背景

管道清淤机器人是指在管道中进行清洁作业的特种机器人^[1]，并具备一定的检测维护功能，用于管道的检查、维护、保养工作。

当前，随着我国经济的快速发展，城市化进程也在不断加速，大量人口涌入城市，新建建筑不断增多，产生了大量的生活垃圾以及建筑泥浆^[2]。这些固体废物经雨水冲刷或人为倾倒等方式进入到排水管道系统中并沉积下来。逐渐减小管道流通截面积，造成排水管道堵塞，严重影响人们的生活环境；遇到雨雪天气，更是会造成路面大量积水，影响到城市道路畅通，给人们的生活带来极大不便^[3]。

图1.1 内涝的城市

在这种情况下排水管道的清淤工作便显得尤为重要。目前，城市排水系统的清淤工作主要有两种方式^[4]，一种是绞车清淤，这种方式需人工下井穿揽，由于井下长期密闭，生活垃圾充斥，环境十分恶劣，严重影响工作人员的身体健康。另一种方式是高压水清淤，但该方式仅适用于口径较小的管道，且需要大量的清水，对水资源造成了极大的浪费，尤其是在我国北方缺水地区更是难以接受。

随着科技的发展，尤其是机器人技术的兴起，设计出一款可以代替人工进入排水管道中进行清淤作业的机器人不但成为可能更是具有非常重要的实际意义^[5]。

1.1.2课题研究的意义

虽然目前世界各国对管道机器人的研究已经达到一个较高的水平，取得了非常显著的成绩，但所设计出的管道机器人大多数只适用于石油管道、燃气管道或是管径较小的排水管道，更为重要的是这些技术较为成熟的管道机器人只具备管道检测和探测功能。它们设计用来检测管道的破损情况、管道堵塞的位置、有些管道清淤机器人可以代替人工到管道内完成穿揽作业，但是目前研制出的可以自主完成管道内清淤工作的机器人寥寥无几，而且这些可以自主地完成水下清淤作业的机器人要么存在清淤效率低下，要么存在结构复杂的问题，大多数管道清淤机器人的实用性和可靠性堪忧。因此，自主式管道清淤机器人的研制工作还需进一步加深，研究人员仍要继续努力进一步提高机器人的自动化水平并尽可能地降低清淤机器人的结构复杂程度，解决工作人员需要下井穿揽的难题。