专利名称：利用机器人实现排水管道内光缆敷设的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用机器人实现排水管道内光缆敷设的方法，采用视频监视和机、电、气集成控制技术，实现在200～800毫米地下排水管道内光纤电缆的自动敷设，属于特种机器人作业领域。
背景技术：
随着信息技术的发展，利用光纤进行信息交换已经不再是人们的奢求，大容量高速光纤技术的开发，使人们能够尽情享受信息技术带来的变革。但是随着光纤技术的日益成熟，如何实现城域网内主干线至楼宇之间(也称“最后一英里”)的连接，是必须解决的关键问题之一。
为铺设“最后一英里”光缆，目前人们广泛采用开挖路面的方法进行作业，这种方法具有高造价、低回报、施工周期长，严重干扰人们的生活等缺点，如何克服开挖路面所造成的不便，实现高效低成本的光缆敷设作业成为人们关注的焦点。目前国内已有人开始利用钻孔的方式进行光缆铺设作业的研究，但这种方式仍属于开挖技术领域，不能根本解决由开挖造成的敷设成本过高等问题。
另一方面，现有的绝大多数城市存在大量的管道网络，如排水管道等，它们基本不能达到能力极限，有部分管道甚至废弃不用。如果能利用现有管道网络，实现基本的光纤电缆敷设作业，将能有效地降低生产成本。通过对国外专利的检索发现已有使用特种机器人进行光缆敷设的实例。如美国专利“Methodand apparatus for laying cable in a pipe”(管道内敷设电缆的方法，专利号4,822,211)发明了用箱式驱动机构进行光缆铺设的方法，它通过在管道内壁钻孔打销实现光缆挂装；日本专利“安装光纤的排水管道”(专利号10-110464)，对可用于光缆敷设的排水管道进行了研究；美国专利“Communication cable networkin a duct or tube system used primarily for other purposes”(主要用于其它目的的污水管线内使用的通信光缆，专利号6,301,414)对可用于排水管道的通信光缆进行了研究，提出一种可用于排水管道的通信光缆。总体来讲，对于光缆敷设方法的专利较少，而“Method and apparatus for laying cable in a pipe”光缆敷设方法由于要在管壁上打孔，对管道的要求较高，这对于中国这种发展水平较不均衡，管道质量参差不齐的实际情况，形成较大的制约；加上该设备费用昂贵，也使得它不能广泛应用。国内尚没有这方面的产品与专利问世。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种利用机器人实现排水管道内光缆敷设的方法，针对操作人员难以进入的排水管道(直径200至800mm)进行低成本的光缆敷设作业，对管道的排水性能影响较小，不损伤排水管线，具有成本低，工期短，操作方便，对环境干扰小等特点，能够满足迅速发展的信息技术需要。
为实现这样的目的，本发明采用的管道机器人包括主驱动体、检测体、卡圈定位胀紧体以及挂装体。首先由主驱动体带动检测体实现对管壁情况的检测和对管道直径的测量，进行管道的检测作业，然后利用主驱动体和卡圈定位胀紧体实现对卡圈的定位和安装作业，最后由主驱动体和挂装体配合实现对光缆套的挂装。在检测、定位、挂装的过程中，利用设置在机器人前部、顶部的CCD摄像头对排水管道和作业情况进行观测，通过地面控制部分判断机器人状态并发出相应动作指令，控制机器人完成预定的作业任务。
本发明的方法主要包括管道检测、卡圈定位安装和光缆套挂装三个过程，具体步骤如下1、将主驱动体与检测体分别通过窨井放入排水管道，实现机、电、气连接。
主驱动体的作用是实现管内的带缆准确运动。主驱动体前面设置可以转动±180°的旋转头，通过旋转头上的止扣与其它各部件实现机械电气连接。检测体由驱动体带动一起运动，检测体的前端设置一个主摄像头，顶部设置一个副摄像头和一个超声波距离传感器。主驱动体通过混合气缆与地面控制机构连接。
2、启动机器人主驱动体带动检测体向前运动，通过检测体前端的主摄像头观察管道内壁情况，根据设定的卡圈安装距离到达第一个预定卡圈安装位时，通过检测体顶端的副摄像头观察管道是否适合卡圈安装，如不适合安装则调整机器人的位置，找到符合要求的卡圈安装位，并通过检测体上设置的超声波传感器测量机器人与管壁之间的距离，然后通过地面计算机标定卡圈安装位的相关信息。
3、由主驱动体带动检测体继续向前运动，进行下一个卡圈安装位的确定，直至完成整段管道的检测，退回出发点。
4、取出检测体，将卡圈定位胀紧体通过窨井放入排水管道，与主驱动体实现机械与电气连接，在卡圈定位胀紧体的送圈支架上放入一组卡圈。
卡圈定位胀紧体的作用是对卡圈进行定位和胀紧。卡圈定位胀紧体包括胀圈体、拖动体、送圈支架和辅助支承轮几部分。胀圈体后部与主驱动体的旋转头连接，前端与拖动体通过机械方式实现连接，胀圈体的上部有一个近距摄像头和使得卡圈胀开的拨圈机构。拖动体前端设置辅助支撑轮，送圈支架套在拖动体外并通过滑轨与之连接，拖动体前部设有观察管道用摄像头。送圈支架用来支承卡圈，通过拖动体向胀圈体输送卡圈。
5、启动机器人主驱动体带动卡圈定位胀紧体向前运动，通过拖动体上的摄像头观察管道内壁情况，到达第一个卡圈安装位时，启动拖动体上的气缸和电机动作将一个卡圈送入胀圈体的卡圈胀紧位，通过胀圈体上的拨圈机构使卡圈胀紧管道的内壁，通过胀圈体上的摄像头观察，保证卡圈安装到位。
6、主驱动体带动卡圈定位胀紧体继续向前运动，进行下一个卡圈的安装，全部完成后退回出发点。
7、取出卡圈定位胀紧体，将挂装体通过窨井放入排水管道，实现与主驱动体的机械与电气连接。
8、将光缆套放入已安装卡圈的排水管道中，并将光缆套放入挂装体上的引导槽内，使得光缆套不能自引导槽内脱出。
9、启动机器人主驱动体带动挂装体向前运动，通过挂装体上的前视摄像头观察管道情况，到达第一个卡圈位置时，操纵顶套机构将光缆套推入卡圈上的卡槽内，通过挂装体上的近距摄像头观察，保证光缆套挂装到位。
10、主驱动体带动挂装体继续向前运动，进行下一个光缆套的挂装，全部完成后退回出发点，取出机器人的主驱动体和挂装体。
11、将光缆送入光缆套，实现光缆在排水管道内的敷设作业。
本发明方法能够在人难以进入的现成排水管道内实现光缆的铺设作业，与传统的开挖方式相比具有造价低、回报高、施工周期短，几乎不对人们的正常生活秩序造成干扰等优点，同时又对排水管道的水利性能影响较小，是改善光缆敷设方法的有效途径。
本发明方法中的管道检测、卡圈安装及光缆套挂装的步骤相对独立，可以分别实现各自的子功能，方法具有灵活多变的优点，对非开挖敷设光缆技术具有重要意义。
图1为采用本发明方法敷设光缆后的排水管道截面示意图。
图1中，光缆1、光缆套2、卡圈3、排水管道4。
图2为机器人进行管道作业的示意图。
图2以检测为例。图2中，主驱动体5、旋转头6、检测体7、地面控制机构23、窨井24、混合气缆25，超声波距离传感器8、近距摄像头9、远距摄像头10。
图3为卡圈定位安装作业的示意图。
图3中，胀圈体11、拖动体12、支撑轮13、近距摄像头14、拨圈机构15、摄像头16、送圈支架26。
图4为光缆套挂装作业的示意图。
图4中，挂装体17、前顶套机构18、后顶套机构19、近距摄像头20、前视摄像头21、引导槽22。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明的方法所涉及的敷设光缆管道为人不易进入，管径又不过于狭小的场合，一般来讲，其管道内径为200～800毫米之间，管道环境为IP6或IP67的湿度等级，管道内可存有积水，但不得超过管道截面的1/3。同时要求保持管道内壁一定的清洁度，不应该存有脂肪等各种附着物。如不符合要求，应该先进行杂物去除作业，以保证该方法能够有效实施。
图1为采用本发明方法敷设光缆后的排水管道截面示意图。当没有进行光缆敷设时，只有排水管道4，当敷设光缆完成时，出现了光缆1、光缆套2和卡圈3。其中卡圈3在卡圈定位安装步骤中完成，而光缆套2在光缆套挂装步骤中完成。
在一段排水管道内完成整个光缆敷设作业，具体按如下步骤进行1、将主驱动体5与检测体7分别通过窨井24放入排水管道4，实现主驱动体5与检测体7的机、电、气连接。
主驱动体5前面设置可以转动±180°的旋转头6，通过旋转头6上的止扣与检测体7实现连接。检测体7的前端设置一个主摄像头10，顶部设置一个副摄像头9和一个超声波距离传感器8。主驱动体5通过混合气缆25与地面控制机构23连接。
2、启动机器人主驱动体5带动检测体7向前运动，通过检测体7前端的主摄像头10观察管道内壁情况，根据设定的卡圈安装距离到达第一个预定卡圈安装位时，打开检测体顶端的副摄像头9，观察管道4是否适合卡圈安装，如不适合安装则调整机器人的位置，找到符合要求的卡圈安装位，并通过检测体7上设置的超声波距离传感器8测量机器人与管壁之间的距离，然后通过地面控制机构23中的计算机标定并记录卡圈安装位的相关信息。
3、由主驱动体5带动检测体7继续向前运动，进行下一个卡圈安装位的确定，直至完成整段管道的检测，退回出发点。
4、取出检测体7，将卡圈定位胀紧体通过窨井24放入排水管道4，与主驱动体5实现机械与电气连接，在卡圈定位胀紧体的送圈支架26上放入一组卡圈3。
卡圈定位胀紧体包括胀圈体11、拖动体12、送圈支架26和辅助支撑轮13几部分。胀圈体11的后部与主驱动体5的旋转头6连接，胀圈体11的前端与拖动体12通过机械方式实现连接，胀圈体11的上部有一个近距摄像头14和使得卡圈胀开的拨圈机构15。拖动体12的前端设置支撑轮13，送圈支架26套在拖动体12外并通过滑轨与之连接，拖动体12的前部设有观察管道用摄像头16。送圈支架26用来支承卡圈3，通过拖动体12向胀圈体11输送卡圈3。
5、启动机器人主驱动体5带动卡圈定位胀紧体向前运动，通过拖动体12上的摄像头16观察管道内壁情况，到达第一个卡圈安装位时，启动拖动体12上的气缸和电机动作，将一个卡圈3送入胀圈体11的卡圈胀紧位，通过胀圈体11上的拨圈机构15使卡圈胀紧管道的内壁，通过胀圈体上的摄像头14观察，保证卡圈3安装到位。
设置支撑轮13的作用是保证卡圈定位胀紧体的平稳运行，支撑轮13对应于管壁允许一定范围的转动。
6、主驱动体5带动卡圈定位胀紧体继续向前运动，进行下一个卡圈的安装，全部完成后退回出发点。
7、取出卡圈定位胀紧体，将挂装体17通过窨井24放入排水管道4，实现与主驱动体5的机械与电气连接。
挂装体17的前端设置一个前视摄像头21，顶部从后向前依次设置近距摄像头20、后顶套机构19、前顶套机构18和光缆套的引导槽22。
8、将光缆套2放入已安装卡圈的排水管道中，并将光缆套2放入挂装体17上的引导槽22内，使得光缆套2不能自引导槽22内脱出。
9、启动机器人主驱动体5带动挂装体17向前运动，通过挂装体上的前视摄像头21观察管道情况，到达第一个卡圈位置时，同时操纵前顶套机构18、后顶套机构19，将光缆套2推入卡圈上的卡槽内，通过挂装体上的近距摄像头20观察，保证光缆套2挂装到位。
10、主驱动体5带动挂装体17继续向前运动，进行下一个光缆套2的挂装，全部完成后退回出发点，取出机器人的主驱动体5和挂装体17。
11、将光缆1送入光缆套2，实现光缆在排水管道内的敷设作业。
权利要求
1.一种利用机器人实现排水管道内光缆敷设的方法，其特征在于包括如下步骤1)将主驱动体(5)与检测体(7)分别放入排水管道(4)，实现主驱动体(5)与检测体(7)的机、电、气连接，主驱动体(5)通过混合气缆(25)与地面控制机构(23)连接；2)启动机器人主驱动体(5)带动检测体(7)向前运动，通过检测体(7)前端的主摄像头(10)观察管道内壁情况，根据设定的卡圈安装距离到达第一个预定卡圈安装位时，通过检测体顶端的副摄像头(9)观察管道(4)是否适合卡圈安装，如不适合安装则调整机器人的位置，找到符合要求的卡圈安装位，并通过检测体(7)上设置的超声波传感器(8)测量机器人与管壁之间的距离，然后通过地面控制机构(23)中的计算机标定并记录卡圈安装位的相关信息；3)由主驱动体(5)带动检测体(7)继续向前运动，进行下一个卡圈安装位的确定，直至完成整段管道的检测，退回出发点；4)取出检测体(7)，将卡圈定位胀紧体放入排水管道(4)，与主驱动体(5)实现机械与电气连接，在卡圈定位胀紧体的送圈支架(26)上放入一组卡圈(3)；5)启动机器人主驱动体(5)带动卡圈定位胀紧体向前运动，通过拖动体(12)上的摄像头(16)观察管道内壁情况，到达第一个卡圈安装位时，启动拖动体(12)上的气缸和电机动作，将一个卡圈(3)送入胀圈体(11)的卡圈胀紧位，通过胀圈体(11)上的拨圈机构(15)使卡圈胀紧管道的内壁，通过胀圈体上的摄像头(14)观察，保证卡圈(3)安装到位；6)主驱动体5带动卡圈定位胀紧体继续向前运动，进行下一个卡圈的安装，全部完成后退回出发点。7)取出卡圈定位胀紧体，将挂装体(17)放入排水管道(4)，实现与主驱动体(5)的机械与电气连接；8)将光缆套(2)放入已安装卡圈的排水管道中，并将光缆套(2)放入挂装体(17)上的引导槽(22)内，使得光缆套(2)不能自引导槽(22)内脱出；9)启动机器人主驱动体(5)带动挂装体(17)向前运动，通过挂装体上的前视摄像头(21)观察管道情况，到达第一个卡圈位置时，操纵顶套机构(18、19)将光缆套(2)推入卡圈上的卡槽内，通过挂装体上的近距摄像头(20)观察，保证光缆套(2)挂装到位；10)主驱动体(5)带动挂装体(17)继续向前运动，进行下一个光缆套(2)的挂装，全部完成后退回出发点，取出机器人的主驱动体(5)和挂装体(17)；11)将光缆(1)送入光缆套(2)，实现光缆在排水管道内的敷设作业。
全文摘要
一种利用机器人实现排水管道内光缆敷设的方法，采用的管道机器人包括主驱动体、检测体、卡圈定位胀紧体以及挂装体，首先由主驱动体带动检测体实现对管壁情况的检测和对管道直径的测量，进行管道的检测作业，然后利用主驱动体和卡圈定位胀紧体实现对卡圈的定位和安装作业，最后由主驱动体和挂装体配合实现对光缆套的挂装。在检测、定位、挂装的过程中，利用设置在机器人前部、顶部的CCD摄像头对排水管道和作业情况进行观测，通过地面控制部分判断机器人状态并发出相应动作指令，控制机器人完成预定的作业任务。本发明方法具有造价低、施工周期短等优点，对排水管道的水利性能影响较小，可以根据实际情况灵活组合作业方式。
文档编号G02B6/44GK1588153SQ20041005326
公开日2005年3月2日 申请日期2004年7月29日 优先权日2004年7月29日
发明者陈西平, 付庄, 赵言正, 梁旭, 芦春鸣, 王美龄 申请人:上海交通大学, 北京昊远天际互联网络服务有限公司