一种管道机器人破碎抽吸清淤装置及工况自适应控制方法

本发明涉及管道清淤机器人，尤其是涉及一种管道机器人破碎抽吸清淤装置及工况自适应控制方法。

背景技术：

1、随着城市管网与水利输运管道的长期运行，管道内部易沉积松散泥沙、黏性淤泥并形成板结淤积层，导致管道过流断面减小、输送能力下降，甚至引发堵塞与结构损坏。管道清淤机器人因可进入受限管内空间、替代人工完成高危作业，已成为管道维护的核心装备。现有管道清淤机器人通常搭载破碎机构与抽吸机构，通过机械破碎、高压冲释或负压抽吸完成清淤作业，但在实际应用中仍存在诸多不足。

2、其一，破碎机构与抽吸入口分离布置，泥浆过流路径不紧凑。现有方案多将刀盘、铰刀等破碎部件与吸污口分开设置，动力传动结构易遮挡泥浆吸入通道，需额外增设导流罩、螺旋聚拢组件以引导泥浆流向，导致前端清淤机构轴向尺寸过大，难以适配小管径、高淤积厚度的作业场景。

3、其二，破碎机构与泥浆泵多采用同轴驱动或单一动力源传动，两者运行参数相互制约。由于板结泥沙破碎需要低速大扭矩，而泥浆抽吸需要高转速大流量，绑定式驱动无法同时满足两类工况的最优运行需求，导致清淤效率低、能耗高。

4、其三，控制系统感知维度单一，缺乏主动防堵与工况自适应能力。现有控制系统多仅实现行走调速、淤积厚度测量等基础功能，未综合前端切削负载与后端抽吸状态进行多参数融合的工况识别；发生堵塞时通常直接停机等待人工处理，缺乏可自动恢复的防堵策略，频繁堵转易加剧设备磨损，大幅降低连续作业能力。

5、因此，亟需一种结构紧凑、驱动独立、具备工况自适应与主动防堵能力的管道机器人清淤装置及控制方法，以提升复杂淤积场景下的清淤效率与设备可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种管道机器人破碎抽吸清淤装置及工况自适应控制方法，在有限管内空间内实现板结泥沙破碎、泥浆导流与连续抽吸的一体化集成，通过独立双驱动架构实现破碎与抽吸的分别调控，并基于多参数融合识别实现工况自适应调节与主动防堵恢复。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种管道机器人破碎抽吸清淤装置，包括管道机器人本体、安装机架、行走机构、螺旋离心式泥浆泵、排泥接口、复合清淤抽吸头、铰刀驱动组件、泵驱动组件、工作状态检测单元和机载控制单元；所述安装机架设置于管道机器人本体前端，螺旋离心式泥浆泵安装于安装机架且与泵驱动组件传动连接，螺旋离心式泥浆泵的出口与排泥接口连通；复合清淤抽吸头设置于螺旋离心式泥浆泵的吸入口前方，包括铰刀破碎组件和空心中心轮毂，铰刀破碎组件与铰刀驱动组件传动连接，空心中心轮毂的轴向通孔构成中心吸入口，所述中心吸入口的后端与螺旋离心式泥浆泵的吸入口对应连通；工作状态检测单元用于采集轴向推力、铰刀转速、泥浆泵入口负压绝对值、排泥流量和泥浆浓度五类运行参数；机载控制单元设置于管道机器人本体。

3、优选的，铰刀驱动组件包括铰刀驱动电机、蜗杆、中空蜗轮和铰刀独立轴；所述铰刀驱动电机布置于螺旋离心式泥浆泵的侧部，铰刀驱动电机的输出端与蜗杆传动连接，蜗杆与中空蜗轮相啮合且蜗杆与中空蜗轮的外侧罩设有密封防护罩，中空蜗轮与铰刀独立轴固定连接并带动铰刀破碎组件旋转；所述中空蜗轮开设有与中心吸入口同轴对应的中心通孔，铰刀独立轴穿设于所述中心通孔内部，中空蜗轮的中心通孔内壁与铰刀独立轴的外周面之间形成供泥浆通过的环形过流区域；所述环形过流区域的有效过流面积不小于排泥接口的过流面积，所述环形过流区域允许通过的颗粒尺寸不大于8mm。

4、优选的，所述铰刀破碎组件包括空心中心轮毂及沿空心中心轮毂周向均匀间隔布置的多个弧形刀臂，每个弧形刀臂上设置有若干可拆卸刀齿，相邻弧形刀臂之间形成开放过流间隙；弧形刀臂相对于旋转方向呈弯曲倾斜设置，用于在旋转切削过程中对泥浆产生朝向中心吸入口的向心导流作用。

5、优选的，所述泵驱动组件包括泵驱动电机和泵轴，泵轴与螺旋离心式泥浆泵的叶轮传动连接；所述铰刀独立轴与泵轴相互断开，二者之间无转矩传递。

6、优选的，所述工作状态检测单元包括轴向力检测元件、转速检测元件、负压检测元件、流量检测元件和泥浆浓度检测元件；轴向力检测元件设置于复合清淤抽吸头及泥浆泵总成与安装机架之间，转速检测元件布置于铰刀的传动路径上，负压检测元件通过中心吸入口与泥浆泵吸入口之间的测压口采集负压数据，流量检测元件与泥浆浓度检测元件均布置于泥浆泵出口或排泥接口处。

7、优选的，所述机载控制单元分别与工作状态检测单元、铰刀驱动组件的调速驱动器、泵驱动组件的调速驱动器以及行走机构电连接，用于根据所述五类运行参数识别清淤工况，并分别输出指令控制铰刀转速、泥浆泵运行状态以及行走机构的行进状态。

8、本发明还公开了一种管道机器人清淤工况自适应控制方法，具体包括以下步骤：

9、s1.系统启动自检完成后，工作状态检测单元周期性采集轴向推力、铰刀转速、泥浆泵入口负压绝对值、排泥流量和泥浆浓度参数，机载控制单元对采集的参数进行滤波与滑动平均预处理；

10、s2.机载控制单元按照防堵保护工况优先级最高、破碎主导工况次之、抽吸输送主导工况最低的顺序进行工况识别判断；

11、s3.根据识别得到的当前工况，机载控制单元分别向铰刀驱动组件、泵驱动组件和行走机构输出对应控制指令，调节运行参数后重新采集参数进行下一周期判断，形成闭环控制。

12、优选的，步骤s2中，当轴向推力高于板结判定阈值，且铰刀转速相对于目标转速下降并持续第一预设确认时间时，判定进入破碎主导工况；在破碎主导工况下，降低行走机构的推进速度或控制行走机构间歇推进，调节铰刀转速以匹配板结泥沙切削负载，泵驱动电机保持正转以持续排出已破碎形成的泥浆；

13、当轴向推力低于抽吸判定阈值、铰刀转速波动处于预设波动范围、排泥流量处于有效流量范围且泥浆浓度处于预设浓度范围时，判定进入抽吸输送主导工况；在抽吸输送主导工况下，行走机构保持连续推进，铰刀以满足导流需求的转速旋转，机载控制单元根据入口负压绝对值、排泥流量和泥浆浓度实时调节泥浆泵的运行转速；

14、当泥浆泵入口负压绝对值高于预设负压阈值，且排泥流量低于预设流量阈值并持续第二预设确认时间时，判定进入防堵保护工况。

15、优选的，防堵保护工况的执行流程为：

16、t1.停止行走机构推进，降低泵驱动电机转速或暂停泥浆泵运行；

17、t2.刀驱动电机短时反转，通过铰刀反向转动松动中心吸入口附近的堵塞物，反转过程中泥浆泵保持不反转状态；

18、t3.短时反转结束后，控制行走机构后退预设距离，再控制泵驱动电机与铰刀驱动电机低速正转，重新建立抽吸流场；若入口负压绝对值与排泥流量恢复至安全范围并持续预设时长，则逐步恢复正常运行并返回工况判断流程；若多次执行后仍未恢复，则停止两套驱动与行走机构并输出堵塞报警信号。

19、优选的，机载控制单元内的各工况判定阈值均通过空载试运行、清水抽吸试验、松散泥沙抽吸试验、板结泥沙破碎试验和模拟堵塞试验标定得到；其中板结判定阈值高于抽吸判定阈值，在破碎主导工况与抽吸输送主导工况之间形成滞回区间；各工况的进入与退出均设置对应的确认时长，避免工况频繁切换。

20、因此，本发明采用上述一种管道机器人破碎抽吸清淤装置及工况自适应控制方法，具有以下技术效果：

21、（1）本发明通过弧形刀臂的开放过流间隙、空心中心轮毂与中空蜗轮的环形过流区域，构建了从前端破碎面到泥浆泵腔的直通式泥浆流道，无需额外设置导流罩、螺旋聚拢组件，大幅压缩了前端清淤机构的轴向尺寸，适配小管径管道的作业空间。

22、（2）本发明铰刀与泥浆泵采用相互断开的独立转轴与独立驱动电机，可分别根据切削负载与抽吸需求调节转速，同时满足板结破碎的低速大扭矩需求与松散抽吸的高速大流量需求，提升全工况下的清淤效率。

23、（3）本发明中空蜗轮同时承担减速传动与泥浆过流通道的双重功能，在传递铰刀动力的同时保留环形过流区域，解决了管内有限空间内动力输入与泥浆通过的空间矛盾。

24、（4）本发明通过轴向推力、铰刀转速表征前端切削负载，通过入口负压、排泥流量表征后端流道状态，辅以泥浆浓度校验，实现对板结、松散、堵塞三类工况的精准识别，控制逻辑更贴合实际作业状态。

25、（5）本发明采用铰刀单反转、泥浆泵保正转/暂停、机器人后退”的防堵恢复策略，在松动堵塞物的同时避免泥浆泵反转造成的叶轮损伤与密封失效，无需人工干预即可完成多数堵塞场景的自愈恢复，提升设备连续作业能力与可靠性。

26、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。