姚丹1 彭瑶2
1.上海慧沣智能科技有限公司 上海 201612
2.华电通用轻型燃机设备有限公司 上海 201108
摘要：电缆顶管施工为非开挖施工工程，在电力电缆敷设工程领域中普遍适用。但是当前在电缆保护管敷设作业过程中和电缆敷设作业前往往会出现诸多问题，如堵塞、错位、破损等，严重影响施工进度和验收质量。电缆管道疏通及清理机器人适用于在电缆管道内做疏通清理工作，是一款可实现电缆敷设管道疏通的装置，具备电缆护管疏通、护管内环境视频监测、数据处理、文档生成等功能，可以对电缆护管的疏通工作进行监测和控制，对电缆护管内的环境进行视频监测。电缆管道疏通及清理机器人也可以用于城市管网、石油、化工、海工领域内的管道疏通检修工程。本文主要介绍电缆管道疏通及清理机器人的主要功能，总体结构，并论述动力系统部件如行进电机、减速器的设计计算和选型和电控系统的设计。
关键词：电缆管道；疏通；机器人；行进电机；视频监测
1 概述
电缆顶管施工为非开挖施工工程，在电力电缆敷设工程领域中普遍适用。其主要过程有地下电缆路径规划，顶管导通，电缆保护管敷设，电缆敷设等共4个过程。但是当前在电缆保护管敷设作业过程中和电缆敷设作业前往往会出现诸多问题，如堵塞、错位、破损等，严重影响施工进度和验收质量.
2 管道机器人
管道机器人结构包括盾头、盾构电机舱室、行进电机舱室、电子舱、支撑支架和轮组、行进支架和轮组、连接件、传动机构和牵引机构，如图1所示。各功能部件均独立设计，可快速拆装。
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图1 管道机器人总体结构
3.1 盾头
盾头按功能划分，可分为挖掘盾头和清理盾头。挖掘盾头主要功能是钻松泥土或沉积泥砂阻塞结构，然后更换成清理盾头进行清理、收集、推出。
清理盾头由旋转刀体，螺旋刀体，和储污舱结构组成，旋转刀体主要是收集污物，螺旋刀体将小颗粒污物输送至储污舱，大颗粒污物直接由盾头推出管外。储污舱部件可以采用较轻质的铝合金材质。微型摄像头集成在储污舱内，主要用于管道检测作业，辅助盾头作业。不同规格的盾头设计成相同的连接机构，满足通用性要求，以便快速与主机装配。
3.2 功能舱室
功能舱室分别为电子舱、盾构电机舱、行进电机舱。
电子舱主要安装有主控电路板，通讯模块、供电单元。舱盖端部安装有水密接插件与外部设备连接。
盾构电机舱安装有盾构电机，电机采用低速，大扭矩的减速电机，电机自带有控制板和编码器。舱盖端部安装有水密接插件与电子舱连接。
3.3 支架和轮组
支架均采用双叉臂结构形式，铰链连接。考虑到结构部件的互换性和通用性，多副支架应设计成相同的结构形式，结构部件均采用铝合金材质。
轮组应考虑到防滑，减震的作用。但轮组属于易损耗部件。轮组金属部件采用铝合金材质，加工后表面本色硬质氧化处理。
4 动力系统设计
4.1 机器人动力系统设计校核
经过行进电机和减速器传动比设计计算后，必须进行动力系统的校核，以确保机器人有足够的驱动力，并且能保持足够的行进速度。
4.2.1 驱动力校核
电机的额定转矩，设计传动比，机器人的驱动力矩为：
机器人的驱动力矩大于受到的总阻力矩，足够驱动机器人在管道内行进，并有一定的动力裕量，以应对突发情况。
5.1.1 机器人供电系统
通过地面终端和复合电缆向机器人供电模块提供110V电力，机器人供电模块再将其转化为24V、12V和5V，分别供给盾头电机、行进电机、控制系统以及摄像头和探照灯。
复合缆为机器人提供100VDC电源和通讯功能，一端通过电滑环接入地面终端供电输出端，另一端通电水密接插件接入电子舱。子舱内安装有100VDC/24VDC供电单元，分别为电机、主控电路版供电。
5.1.2 辅助设备供电系统
辅助设备用电均由岸电或汽油发电机供电。绞车用电:220VAC,1.5Kw,地面终端：输入220VAC,输出100VDC。
5.2.1 控制系统主要功能和特点
1）为了保证长距离通信，在长电缆的两端设置了一对电力载波模块，通过电力载波模块，有效保证了信号的远距离传输，就算设备深入地下，依然可以将信号毫无损耗的传送到地面。
2）通信协议采用TCP协议，成熟稳定，通信效率高，使用简单方便。
3）设备中采用了一款嵌入式模块，搭建linux系统，实现对整个系统的控制。
4）监控系统不仅可以本地通过工程电脑来实现，也可以通过4G模块进行通讯，从而实现远程控制。
5.2.2 控制系统设计
当使用动力舱跟盾头舱时：Pi采用MJPG-Streamer把USB摄像头的图像通过软件编码的方式映射在Pi的端口上。上位机可以通过访问IP地址加端口的方式获取视频图像。上位机通过网络（TCP/IP）方式发送命令至Pi。Pi通过对I/O端口的控制实现步进电机和盾构电机的正反转以及转速，同时使用限流保护模块监测步进电机电流，防止电机堵转，损坏电机。5.2.3 控制系统软件界面
软件界面如图2所示，主要包括系统信息、工程系统、参数设置、数据处理、系统操作、视频监控、姿态检测、电机信息等几部分。
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图2 软件操作界面
工程系统显示的是当前的工程信息，包括工程的名字、编号等。参数设置可以对设备运行参数进行设置。数据处理可以进行报告处理，包括生成报告、进行报告模板的选择和打开报告。系统操作主要是对设备的操作，包括开始工作、停止工作和系统关闭。
6 结束语
根据国家电网关于建设“泛在电力物联网”的建设目标，地下电力电缆已成为城市配电主网建设的第一选择，北上广深等一线城市纷纷进行架空线入地工作，成都、杭州、合肥等一线二线大城市电缆网络发展迅速，河北雄安等新兴城市全部使用电缆作为配电主网。
电缆管道的敷设呈逐年增长的趋势。电缆管道清理作业中消缺难的弊端逐渐显现，本产品开发成功，并在浙江省桐乡市供电局低压配电工程中进行试用，试用时间达到200小时以上，基本可以将系统各组成部分运作趋于稳定，可以满足现场极端的施工条件，一般不会被破坏，安全可靠，可以有效地解决电缆管道疏通难的问题，而且市场前景广阔，将会在电缆管道敷设工程中得到广泛的应用。
参考文献
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