嵇鹏程，嵇鑫宇

（1.常州市河道湖泊管理处，江苏 常州213022；2.中国矿业大学，江苏 徐州221116）

我国地下排水管道的清淤工作仍普遍采用人工作业的落后方式［1］，这种清淤作业方式整体效率低［2］。近年来，水下机器人技术的快速发展为水下机器人在各行各业中的应用提供了条件，本文研制的城市排水管道清淤机器人，采用PID控制技术，使得机器人具有实用性、可靠性、智能性和可操行，可完全代替人工下井作业，使工人完全脱离了恶劣的作业环境。

1 机器人机构系统建模

本文研究的机器人机构由机器人本体、管径适应机构、行走机构、绞刀机构等组成［3］，见图1。

1.1 管径适应机构系统的数学建模

以管径适应机构后面的摇杆与机架的铰链点A为坐标系原点，建立如图2所示的坐标系XOY。

图1 管道清淤机器人结构模型

图2 铰链四杆力封闭机构调节方式示意图

图中：Νo为管道内壁作用在适径机构顶轮上的压力，F是螺母受到的水平拉力，Tm1是适径机构驱动电机轴上的输出扭矩。

通过对铰链四杆机构几何尺寸关系式求导和做功守恒原理得出螺母的轴向力F：

通过对滚珠丝杠移动距离求导和做功守恒原理得出滚珠丝杠扭矩与机器人对管壁压力关系：

机器人输出的牵引力F牵按600 N计算，驱动轮和管道内壁之间的摩擦系数μ取0.5，则管道内壁作用在车轮上的压力N=1200 N。所以选取滚珠丝杠公称直径为20 mm，选用的型号为FC1B20×4-5-E2，其额定负载是5393 N，摩擦角为φ=10′；螺旋升角γ=3°25′，则其传动效率：

当机器人行走在φ400 mm的管道中时，α=28.7°、β=10.6°，代入式（1）得出F=4895 N；……