一种用于压力管道的自发电消毒机器人

摘要

一种用于压力管道的自发电消毒机器人，电动机驱动机械爪装置使机器人在管道内自由移动，并通过远程操控机器人牵引曝气管、纳米曝气盘、紫外光灯环在管道内精准移动和锁定。本发明利用透气井的长距离压力管道作为处理反应池增加消毒接触时间，通过臭氧紫外光组合消毒技术对压力管道内污水和气溶胶内的细菌和病毒完成高效灭活。同时，通过螺旋桨发电装置将压力管道内水流的动能转化为电能，节省管道机器人能耗并生产清洁能源。本发明可通过机械爪的长度和支撑臂角度进入不同管径的管道，具有很强的适应性。同时，本发明操作灵活，通过远程控制完成污水消毒，从而避免人员在污水管道内消毒的风险。

权利要求

1.一种用于压力管道的自发电消毒机器人，包括管道机器人主机身，其特征在于所述管道机器人包括密封舱体，舱体内层设蓄电池，所述管道机器人主机身尾部通过曝气管连接到设置在井外的臭氧发生器，所述管道机器人主机身上设置有机械爪模块，用于牵引机器人主机身沿管道运动；管道机器人主机身上或曝气管上设置有若干个消毒模块，所述消毒模块包括间隔设置的臭氧曝气装置和紫外光装置，所述管道机器人主机身沿管道运动过程中，利用所述臭氧曝气装置和紫外光装置对管道内污水消毒；所述管道机器人主机身和曝气管上还设有可折叠式水平螺旋桨发电装置，可折叠式水平螺旋桨发电装置可将水流动能转化为电能，为蓄电池供电；管道机器人的消毒模块包括安装在曝气管上的若干个纳米曝气盘，每两个纳米曝气盘中间安装有一个紫外光灯环；纳米曝气盘通过纳米曝气盘支架与臭氧气管相连，同时纳米曝气盘内设有布气管球阀，通过纳米曝气盘上纳米曝气孔向管道内污水曝臭氧气体分子；紫外光装置包括紫外光灯环，所述紫外光灯环通固定在曝气管上，紫外光灯环两侧安装有反光镜片，反光镜片呈对称的外扩的锥面，反光镜片和紫外光灯环的夹角为50 70度，利用反光镜片折射紫外光，提高紫外光灯环辐射面积；

~

管道机器人主机身上设有若干个机械爪装置，所述机械爪装置包括固定在管道机器人主机身上的机械爪固定底座，机械爪固定底座上焊接有第一支撑臂壳，第一支撑臂壳内设有第一电动机，第一电动机驱动轴通过第一电动机连杆轴与第二支撑臂壳连接，通过第一电动机上驱动轴旋转第一连杆从而使第二支撑臂在设定角度内旋转，第二支撑臂壳内设有第二电动机，第二电动机驱动轴通过第二电动机连杆与第三支撑臂壳连接，通过第二电动机连杆带动第三支撑臂在设定角度内旋转，第三支撑臂壳内安装有第三电动机，第三电动机驱动轴通过齿轮与机械臂从动齿轮连接，机械臂从动齿轮与转子轴承通过齿轮连接，第三电动机驱动轴使转子轴承在其水平方向上完成360度旋转；转子轴承与2自由度球关节固定壳相连，使其与转子轴承保持同样的旋转角度；机械臂球关节嵌套在2自由度球关节固定壳内，并与机械爪相连，机械臂球关节与机械爪中间连接部分安装有压力传感器，所述机械爪由3自由度球关节固定壳、机械爪球关节、机械爪关节和机械爪指组成，机械爪球关节嵌套在3自由度球关节固定壳内，机械爪关节固定在机械爪球关节上，机械爪指与机械爪关节相连。

2.根据权利要求1所述的用于压力管道的自发电消毒机器人，其特征在于：机械爪指的指节材料为可更换耐腐性橡胶，以防止污水管道被金属材质机械爪指破坏；第一支撑臂壳、第二支撑臂壳、第三支撑臂壳和机械爪关节均采用耐腐蚀不锈钢444L，同时对金属材料外层进行镀膜。

3.根据权利要求1所述的用于压力管道的自发电消毒机器人，其特征在于：管道机器人主机身上和曝气管上设有若干个对称设置的可折叠式水平螺旋桨发电装置，螺旋桨发电装置通过螺栓固定在螺旋桨固定支架上，螺旋桨固定支架固定在折叠支撑臂上，折叠支撑臂焊接在主机身或曝气管上，螺旋桨桨叶为若干组不锈钢刀刃，通过螺旋桨桨毂安装在螺旋桨框架内，与发电机相连。

4.根据权利要求1所述的用于压力管道的自发电消毒机器人，其特征在于：当管道机器人通过管径小于螺旋桨直径的管道时，折叠支撑臂将螺旋桨发电装置折叠，当管径符合展开要求后，螺旋桨发电装置被展开。

5.根据权利要求1所述的用于压力管道的自发电消毒机器人，其特征在于：本发明的管道机器人还包括检测模块，所述检测模块包括固定在管道机器人主机身上的沉积物探测器，用以实时检测管道内沉积物厚度；安装在机械爪上的压力传感器，在行驶过程中实时检测管道内壁对管道机器人机械爪的压力影响；固定在管道机器人主机身上的ORP探头，对污水管道内的水质的氧化还原电位进行间歇性监测；以及焊接在管道机器人主机身上的红外CCTV，在运行过程中完成影像采集。

6.根据权利要求1所述的一种用于压力管道的自发电消毒机器人的运行方法，其特征在于所述运行方法包括以下步骤：

步骤1，将管道机器人主机身和相连曝气管从地面降至污水检查井内，在管道机器人主机身和相连曝气管上均匀布置若干个纳米曝气盘、紫外光灯环和螺旋桨发电装置，安装检查井临时密封井盖，并在井盖下部安装臭氧尾气消除装置，控制管道机器人从污水透气井移动至污水管道中；

步骤2，打开伸管道机器人主机身上的沉积物探测器，对污水管道内的沉积物厚度，并将监测数据上传至信息收集控制服务器终端，开启管道移动设备红外CCTV，采集管道内实时图像；

步骤3，根据测得管道内沉积物的厚度和分布规划管道机器人的移动路径，管道机器人携带曝气管、纳米曝气盘、紫外光灯环和发电机在管道内移动；

步骤4，利用管道机器人牵引纳米曝气盘、紫外光灯环和螺旋桨发电装置至指定位置，打开纳米曝气盘阀门和紫外光灯环，使水中的ORP≥650mV，展开螺旋桨框架，螺旋桨发电装置开始工作，整流器将交流电转换为直流电，监控蓄电池电量；

步骤5，对污水完成消毒后，管道机器人移动至初始位置，并将所有设备从透气井内取出。

7.根据权利要求6所述的用于压力管道的自发电消毒机器人的运行方法，其特征在于，紫外灯环的紫外线波长设定范围是100 300nm，所述紫外灯环的辐照剂量范围是80 160mJ/~ ~

cm2，所述纳米曝气盘上的曝气孔孔径为80 200nm，纳米曝气盘的材料可用陶瓷、钛板或~

EPDM。

说明书

一种用于压力管道的自发电消毒机器人

技术领域

[0001] 本发明属城镇污水消毒及能源利用领域，涉及一种用于压力管道的自发电消毒机器人。具体地涉及一种同时利用臭氧紫外光组合技术实现透气井内污水及气溶胶消毒和利
用螺旋桨发电装置将压力管道内水流的动能转化为电能的管道机器人。

背景技术

[0002] 紫外线消毒是目前城市污水处理设施、医院污水处理设施及给水系统常用的处理工艺。紫外线是一种肉眼不可见的光线，通常我们将波长在200nm以上的光都称为紫外线，
根据不同的波长还可细分为UVA(315～400nm)，UVB(280～315nm)，UVC(200～280nm)。在这
之中，UVC最易被DNA(核糖核酸)吸收。紫外线消毒使用的就是UVC。当病毒细胞经紫外线照
射后，波长254nm的紫外线被DNA吸收。细胞在DNA链上的相邻的胸腺嘧啶将相互纠缠，新的
二聚物会阻碍RNA(核糖核酸)链上正确的DNA遗传代码复制,RNA是信息的传递者，其功能是
传递DNA码至细胞的不同部分。由于RNA传递功能丧失,最终导致细胞功能衰退而死亡,从而
达到消毒杀菌的目的。而冠状病毒是具有外套膜的正链单股RNA病毒。冠状病毒对紫外线的
敏感性是基于其内部的RNA对紫外UVC波段紫外能量的吸收而引起的冠状病毒内部RNA的损
毁。紫外线消毒作为一种物理消毒方式，其消毒过程中不会涉及化学试剂，除了灭活微生物
以外，不改变水物理和化学性质。其消毒过程中即保障了水质生物安全性，又避免了其它化
学消毒方式所带来的消毒副产物，也可以避免其过量投加而对后续水体产生的安全影响和
次生危害。是一种真正的环境友好型消毒方式。

[0003] 臭氧在用于饮用水消毒时具有极高的杀菌效率，但在污水消毒时往往需要较大的臭氧投加量和较长的接触时间。一般认为，臭氧在水中灭菌有两种方式：一种是臭氧直接作
用于细菌的细胞壁，将其破坏并导致细胞的死亡；另一种是臭氧在水中分解时释放出自由
基态氧，自由基态氧具有强氧化能力，可以穿透细胞壁，氧化分解细菌内部氧化葡萄糖所必
须的葡萄糖氧化酶，也可以直接与细菌、病毒发生作用，破坏其细胞器和核糖核酸，分解
DNA、RNA、蛋白质、脂质类和多糖等大分子聚合物，使细菌的物质代谢和繁殖过程遭到破坏；
还可以渗透细胞膜组织，侵入细胞膜内作用于外膜脂蛋白和内部的脂多糖，促进细菌和病
毒的溶解死亡。光催化臭氧氧化技术主要是以紫外光为能源、臭氧为氧化剂。O3在紫外光作
用下产生具有强氧化性的羟基自由基，利用其强氧化性来破坏微生物的细胞膜结构继而达
到灭菌的效果。UV/O3在完成复合时，第一步产生H2O2，所产生H2O2在紫外光辐射下进一步产
生羟基自由基，机理如式(1.1～1.3)：

[0004]

[0005]

[0006]

[0007] 臭氧在水中半衰期较短，由于其消毒持久性相对较差，因此提高臭氧气体分子在水中的停留时间是臭氧消毒的关键。通过纳米曝气盘减小臭氧气体分子的气泡直径，从而
增加臭氧气体分子在水中的扩散效率和停留时间，能够有效提高臭氧氧化效率。

[0008] 由于地面高程限制，污水提升泵站及污水压力管道是城市排水系统重要组成部分。在大型污水压力管道中除了污水外，还存在着大量的气体，这些气体的产生来自几个方
面：泵吸入、压力降低气体释放、污水自身产气。污水泵站发生非正常运行时，气体的存在会
加重水锤现象的危害，导致污水管道破裂。一般实际工程中采用设置透气井来解决这个问
题。但病毒和致病菌存在于污水管道和透气井中的气溶胶内，对环境和市民生活产生威胁。
目前可放置在透气井压力管道内的小型高效消毒的装置暂无，相关领域的发明主要围绕管
道内沉积物的清除，而没有针对杀死排水管道病毒和致病菌的发明。

发明内容

[0009] 本发明针对现有管道内污水和气溶胶消毒技术的不足，提供了一种用于压力管道的自发电消毒机器人，利用臭氧紫外光组合技术实现压力管道透气井内致病菌和病毒去
除，减少它们进入排水设施和污水处理设施的可能性，保护小区居民、城镇污水处理设施运
行人员、环保从业人员的生命安全，减少病毒大范围传播的概率。

[0010] 本发明的技术方案如下：一种用于压力管道的自发电消毒机器人，包括管道机器人主机身，其特征在于所述管道机器人包括密封舱体，舱体内层设蓄电池，所述管道机器人
主机身尾部通过曝气管连接到设置在井外的臭氧发生器，所述管道机器人主机身上设置有
机械爪模块，用于牵引机器人主机身沿管道运动；管道机器人主机身上或曝气管上设置有
若干个消毒模块，所述消毒模块包括间隔设置的臭氧曝气装置和紫外光装置，所述管道机
器人主机身沿管道运动过程中，利用所述臭氧曝气装置和紫外光装置对管道内污水消毒；
所述管道机器人主机身和曝气管上还设有可折叠式水平螺旋桨发电装置，可折叠式水平螺
旋桨发电装置可将水流动能转化为电能，为蓄电池供电。

[0011] 进一步地，管道机器人主机身上设有若干个机械爪装置，所述机械爪装置包括固定在管道机器人主机身上的机械爪固定底座，机械爪固定底座上焊接有第一支撑臂壳，第
一支撑臂壳内设有第一电动机，第一电动机驱动轴通过第一电动机连杆轴与第二支撑臂壳
连接，通过第一电动机上驱动轴旋转第一连杆从而使第二支撑臂在设定角度内旋转，第二
支撑臂壳内设有第二电动机，第二电动机驱动轴通过第二电动机连杆与第三支撑臂壳连
接，通过第二电动机连杆带动第三支撑臂在设定角度内旋转，第三支撑臂壳内安装有第三
电动机，第三电动机驱动轴通过齿轮与机械臂从动齿轮连接，机械臂从动齿轮与转子轴承
通过齿轮连接，第三电动机驱动轴使转子轴承在其水平方向上完成360度旋转；转子轴承与
2自由度球关节固定壳相连，使其与转子轴承保持同样的旋转角度；机械臂球关节嵌套在2
自由度球关节固定壳内，并与机械爪相连，机械臂球关节与机械爪中间连接部分安装有压
力传感器，所述机械爪由3-自由度球关节固定壳、机械爪球关节、机械爪关节和机械爪指组
成，机械爪球关节嵌套在3-自由度球关节固定壳内，机械爪关节固定在机械爪球关节上，机
械爪指与机械爪关节相连。

[0012] 进一步地，机械爪指的指节材料为可更换耐腐性橡胶，以防止污水管道被金属材质机械爪指破坏；第一支撑臂壳、第二支撑臂壳、第三支撑臂壳和机械爪关节均采用耐腐蚀
不锈钢444L，同时对金属材料外层进行镀膜。

[0013] 进一步地，管道机器人主机身上和曝气管上设有若干个对称设置的可折叠式水平螺旋桨发电装置，螺旋桨发电装置通过螺栓固定在螺旋桨固定支架上，螺旋桨固定支架固
定在折叠支撑臂上，折叠支撑臂焊接在主机身或曝气管上，螺旋桨桨叶为若干组不锈钢刀
刃，通过螺旋桨桨毂安装在螺旋桨框架内，与发电机相连。

[0014] 进一步地，当管道机器人通过管径小于螺旋桨直径的管道时，折叠支撑臂将螺旋桨折叠，当管径符合展开要求后，螺旋桨被展开。

[0015] 进一步地，管道机器人的消毒模块包括安装在曝气管上的若干个纳米曝气盘，每两个纳米曝气盘中间安装有一个紫外光灯环；纳米曝气盘通过纳米曝气盘支架与臭氧气管
相连，同时纳米曝气盘内设有布气管球阀，通过纳米曝气盘上纳米曝气孔向管道内污水曝
臭氧气体分子；紫外光装置包括紫外光灯环，所述紫外光灯环通固定在曝气管上，紫外光灯
环两侧安装有反光镜片，反光镜片呈对称的外扩的锥面，反光镜片和紫外光灯环的夹角为
50～70度，利用反光镜片折射紫外光，提高紫外光灯环辐射面积。

[0016] 进一步地，本发明的管道机器人还包括检测模块，所所述检测模块包括固定在管道机器人主机身上的沉积物探测器，用以实时检测管道内沉积物厚度；安装在机械爪上的
压力传感器，在行驶过程中实时检测管道内壁对管道机器人机械爪的压力影响；固定在管
道机器人主机身上的ORP探头，对污水管道内的水质的氧化还原电位进行间歇性监测；以及
焊接在管道机器人主机身上的红外CCTV，在运行过程中完成影像采集。

[0017] 一种用于压力管道的自发电消毒机器人的运行方法，其特征在于所述运行方法包括以下步骤：

[0018] 步骤1，将管道机器人主机身和相连曝气管从地面降至污水检查井内，在管道机器人主机身和相连曝气管上均匀布置若干个纳米曝气盘、紫外光灯环和螺旋桨发电装置，安
装检查井临时密封井盖，并在井盖下部安装臭氧尾气消除装置，控制管道机器人从污水透
气井移动至污水管道中；

[0019] 步骤2，打开伸管道机器人主机身上的沉积物探测器，对污水管道内的沉积物厚度，并将监测数据上传至信息收集控制服务器终端，开启管道移动设备红外CCTV，采集管道
内实时图像；

[0020] 步骤3，根据测得管道内沉积物的厚度和分布规划管道机器人的移动路径，管道机器人携带曝气管、纳米曝气盘、紫外光灯环和发电机在管道内移动；

[0021] 步骤4，利用管道机器人牵引纳米曝气盘、紫外光灯环和螺旋桨发电装置至指定位置，打开纳米曝气盘阀门和紫外光灯环，使水中的ORP≥650mV，展开螺旋桨框架，螺旋桨发
电装置开始工作，整流器将交流电转换为直流电，监控蓄电池电量；

[0022] 步骤5，对污水完成消毒后，管道机器人移动至初始位置，并将所有设备从透气井内取出。

[0023] 目前，用于压力管道透气井内消毒和发电的管道机器人暂无，在压力管道中，污水的流速最高可达5m/s左右,在高效消毒的同时，本发明可将水流动能转化为电能，减少了管
道机器人的能耗。相比传统污水厂消毒处理设施，本发明首次利用长距离管道提高了臭氧
和紫外的消毒接触距离，而螺旋桨发电机在局部减小了污水流速，增加了消毒接触时间，使
消毒效率进一步提高，最终使致病菌和冠状病毒在污水中扩散这一问题得到解决。

[0024] 本发明提供的管道机器人具有以下优点：

[0025] (1)将臭氧消毒技术和紫外光消毒技术组合，并利用纳米曝气技术和光催化臭氧氧化技术，消毒能力强，弥补了单纯紫外光消毒光复活的漏洞，同时消毒副产物较少。

[0026] (2)使用柔性曝气管在压力管道透气井内曝气，利用长距离管道作为反应池体，增加了消毒接触时间，污水管道内消毒效率优异，并且对管道中的气溶胶内的病毒、臭气和有
机物也能进行部分去除。

[0027] (3)本发明可将压力管道内水流动能转化为电能，生产清洁能源。螺旋桨发电机在局部减小了污水流速，增加了消毒接触时间，使消毒效率进一步提高。

[0028] (4)无需对现有管道进行改造，操作简单，能够适应不同管径大小的管道，具有很高的灵活性和机动性，方法应用面广。

[0029] (5)无需人员井下作业，同时利用信息收集控制服务器远程对设备进行控制，具有很高的安全性。

附图说明

[0030] 图1为本发明中管道机器人主机身、曝气管、纳米曝气盘和紫外光灯环的结构示意图。

[0031] 图2为本发明用于压力管道透气井的消毒的运行示意图。

[0032] 图3为本发明中螺旋桨发电机进入管道后运行示意图。

[0033] 图4为本发明中螺旋桨发电机和曝气管的剖面图。

[0034] 图5为本发明中机械爪和主机身的剖面图。

[0035] 图6为本发明中机械爪局部结构示意图。

[0036] 图7为本发明中机械爪内部结构示意图。

[0037] 图8为本发明中紫外光灯环和曝气管的剖面图。

[0038] 图9为本发明中消毒模块的轴测图。

[0039] 图10为本发明中纳米曝气盘和曝气管的剖面图

[0040] 图11本发明中沉积物探测器、红外CCTV和曝气管的剖面图。

[0041] 图12为本发明中信息收集控制服务器控制电路示意图

[0042] 1-信息收集控制服务器；2-臭氧发生器；3-曝气管；4-臭氧尾气消除装置；5-紫外光装置；51-紫外光灯环；52-保护框；53-反光镜片；54-灯环固定夹；55-灯环固定支架；56-
反光镜固定支架；6-臭氧曝气装置；61-纳米曝气盘；62-纳米曝气孔；63-纳米曝气盘支架；
64-布气管球阀；7-曝气管防爆泄压阀；8-管道机器人主机身；81-机械爪装置；811-机械爪
关节；812-2自由度球关节固定壳；813-第二支撑臂壳；814-第一电动机；815-第一支撑臂
壳；816-检修门；817-机械爪固定底座；818-机械爪指；819-3自由度球关节固定壳；8111-转
子轴承；8112-第三支撑臂壳；8113-机械爪球关节；8114-压力传感器；8115-机械臂从动齿
轮；8116-机械臂球关节；8117-第二电动机驱动轴；8118-第三电动机；8119-第二电动机；
8120-第二电动机连杆；8121-第一电动机驱动轴；8122-第一电动机连杆轴；8123-备用电
池；8124-第一电机固定支架；8125-第一支撑臂壳固定底座；82-螺旋桨发电装置；821-螺旋
桨框架；822-不锈钢刀刃；823-螺旋桨固定支架；824-螺旋桨桨毂；825-发电机；826-折叠支
撑臂；827-整流器；83-沉积物探测器；84-红外CCTV；85-ORP探头；9-电缆；10-污水透气井；
11-临时法兰盖板；12-特种压力盖式人孔。

具体实施方式

[0043] 为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合以下具体实施例和附图，对发明方法作进一步的详细说明。

[0044] 一种用于压力管道的自发电消毒机器人，包括管道机器人主机身、机械爪模块、发电模块、消毒模块、检测模块和信息收集控制服务器，所述机械爪模块主要位于管道机器人
主机身上，主要起牵引作用。所述消毒模块位于管道机器人主机身后部的曝气管上，并会成
随管道机器人成绳条状布置在长距离的管道内，主要起净化污水的作用。

[0045] 管道机器人主机身包括双层密封舱体、内层蓄电池舱、电气导管。双层密封舱体为圆柱体，材料为耐腐蚀不锈钢444L材料。舱体内层设蓄电池。舱体外层用于放置电气导管和
固定支架。

[0046] 如图1所示，污水透气井10顶部设临时法兰盖板11，侧部设特种压力盖式人孔12，管道机器人主机身8尾部通过一曝气管3连接到设置在井外的臭氧发生器2，并与信息收集
控制服务器1相连，管道机器人主机身8可伸入至井底后，沿井底的管道向前运动。曝气管3
上安装有若干个臭氧曝气装置6和紫外光装置5和发电模块。

[0047] 管道机器人的发电模块，如图3所示，包括在管道机器人主机身8上和曝气管3上若干个对称设置的可折叠式水平螺旋桨发电装置82，螺旋桨发电装置82通过螺栓固定在螺旋
桨固定支架823上。螺旋桨固定支架823通过螺栓固定在折叠支撑臂826上，折叠支撑臂焊接
在主机身和曝气管3上。螺旋桨桨叶为若干组不锈钢刀刃822，通过螺旋桨桨毂824安装在螺
旋桨框架821内，与发电机825相连。由于管道内除了沉积物还会存在一定的植物或残渣，不
锈钢刀刃822在遇到这些物体时具有切割分离作用，防止发电机在发电时螺旋桨受到管道
内杂物的缠绕。发电机825通过主机身舱体内电缆与管道机器人主机身8蓄电池、地面蓄电
池相连，压力管道内的水流带动螺旋桨内不锈钢刀刃822旋转时，发电机825将为两个蓄电
池充电。发电机825与整流器827相连，整流器827将交流电转换为直流电，为蓄电池充电。所
述蓄电池装载在管道机器人主机身8内部，当发生突发意外时，蓄电池可为管道机器人8提
供返航电源，确保无需工作人员下井操作的情况下使管道机器人8自动返回始发点。

[0048] 当管道机器人8通过管径小于两个螺旋桨发电装置82直径的管道时，折叠支撑臂826将螺旋桨发电装置82折叠，当管径符合螺旋桨发电装置82展开尺寸要求后，螺旋桨发电
装置82被展开。如图3所示，螺旋桨发电装置82位于竖井内时，由于竖井管径较小，折叠支撑
臂826折叠，发电装置82不工作，而当螺旋桨发电装置82位于压力管道内时，折叠支撑臂826
张开，水流通过螺旋桨发电装置82进行发电。

[0049] 螺旋桨形不锈钢刀刃822及螺旋桨框架821可根据管径大小更换尺寸，螺旋桨形不锈钢刀刃的直径范围为100cm～800cm，螺旋桨框架821的尺寸为150cm～1000cm。，螺旋桨框
架821外层采用耐腐蚀橡胶包裹，防止螺旋桨框架821对管道的破坏。橡胶材料的类型可为
氯丁胶、硅橡胶、氟橡胶等。发电机825壳使用耐腐蚀镀层不锈钢444L，通过污水管道内的水
温对电动机825进行水冷降温。

[0050] 如图4～图6所示，管道机器人主机身8上设有若干个机械爪装置81，所述机械爪装置81包括固定在管道机器人主机身8上的机械爪固定底座817，机械爪固定底座817上焊接
有第一支撑臂壳815，第一支撑臂壳815内设有第一电动机814，第一电动机驱动轴8121通过
第一电动机连杆轴8122与第二支撑臂壳813连接，通过第一电动机814上驱动轴旋转第一连
杆从而使第二支撑臂在设定角度内旋转，第二支撑臂壳813内设有第二电动机8119，第二电
动机驱动轴8117通过第二电动机连杆8120与第三支撑臂壳8112连接，通过第二电动机连杆
8120带动第三支撑臂在设定角度内旋转，第三支撑臂壳8112内安装有第三电动机8118，第
三电动机驱动轴通过齿轮与机械臂从动齿轮8115连接，机械臂从动齿轮8115与转子轴承
8111通过齿轮连接，第三电动机驱动轴使转子轴承8111在其水平方向上完成360度旋转。转
子轴承8111与2自由度球关节固定壳812相连，使其与转子轴承8111保持同样的旋转角度。
机械臂球关节8116嵌套在2自由度球关节固定壳812内，并与机械爪关节811相连。机械臂球
关节8116底部安装有压力传感器8114。机械爪由3-自由度球关节固定壳819、机械爪球关节
8113、机械爪关节811和机械爪指818组成，机械爪球关节8113嵌套在3-自由度球关节固定
819壳内，机械爪关节811固定在机械爪球关节8113上，机械爪指818与机械爪关节811相连。

[0051] 机械爪指818的指节材料为可更换耐腐性橡胶，橡胶种类有丁基胶、氯丁胶、氟橡胶等防止污水管道被金属材质机械爪指818破坏。在管道机器人进入管道前对污水内酸性
物质的种类进行检测，匹配相应的爪指材料。机械爪组件里的主体臂壳和机械爪关节811均
采用耐腐蚀不锈钢444L，同时对金属材料外层进行镀膜。机械爪系统通过主机身舱体内电
缆和地面电源相连，并配有备用电源，防止管道机器人在电源被切断时丢失在管道中。

[0052] 本发明的管道机器人的消毒模块包括臭氧发生器2、曝气管3、曝气管防爆泄压阀7、纳米曝气盘61、纳米曝气盘支架63、布气管球阀64、紫外光灯环51、灯环固定夹54、灯环固
定支架55、反光镜片53、反光镜固定支架56。曝气管3为耐腐蚀不锈钢柔性波纹管，管内填充
臭氧气体，曝气管3与地面臭氧发生器2和信息收集控制服务器1连接。曝气管3与管道机器
人主机身8法兰密封连接。曝气管3上安装有若干个纳米曝气盘61，每两个纳米曝气盘61中
间安装有一个紫外光灯环51。

[0053] 如图7和图8所示，紫外光装置5包括紫外光灯环51，所述紫外光灯环51通过灯环固定夹54和灯环固定支架55固定在曝气管3上。紫外光灯环51两侧安装有反光镜片53，反光镜
片53呈对称的外扩的锥面，反光镜片53和紫外光灯环451的夹角为60度，利用反光镜片折射
紫外光，提高紫外光灯环51辐射面积。反光镜片53外侧边缘使用耐腐蚀硅胶包裹，减少反光
镜片53和紫外光环51在管道内发生碰撞的可能性。反光镜片53的两侧通过反光镜固定支架
55固定在曝气管3外，且反光镜片53的外侧边缘设保护框52。

[0054] 反光镜片53镀有氟硅纳米膜，防止污水中的颗粒物粘附在反光镜片53上，影响紫外光折射效率。紫外灯环51的紫外线波长设定范围是100～300nm，紫外灯环51的辐照剂量
范围是80～160mJ/cm2，辐照强度通过所述信息收集控制服务器1调控。

[0055] 如图9所示，纳米曝气盘61通过纳米曝气盘支架63与曝气管3相连，同时纳米曝气盘61内设有布气管球阀64。通过纳米曝气盘61上纳米曝气孔62向污水管道内曝臭氧气体分
子，纳米曝气孔62孔径为80～200nm，纳米曝气盘61的材料可用陶瓷、钛板或EPDM。

[0056] 管道机器人进入管道后，将透气井盖取下安装临时密封法兰盖，并在临时密封法兰盖下方安装臭氧尾气消除装置4，临时法兰盖和臭氧尾气消除装置中间设有曝气管端口
法兰，防止臭氧气体从端口泄漏。臭氧尾气消除装置4的形式可采用加热分解、活性炭吸附、
紫外分解等。曝气管3材质可用耐腐蚀444L不锈钢、PVDF、氟碳树脂等。曝气管3采用柔性波
纹管形式，长度根据需要净化的污水管道长度可进行调整，曝气管3每间隔相同距离设有曝
气孔或小型微纳米曝气盘61，可通过阀门控制曝气强度。臭氧发生器2在每次启动消毒模块
时都会对曝气管3的气压进行检测，避免漏气的可能性。

[0057] 本发明的管道机器人，检测模块包括沉积物探测器83、压力传感器8114、ORP探头85和红外CCTV 84。沉积物探测器83固定在管道机器人主机身8上，用以实时检测管道内沉
积物厚度。当完成沉积物厚度探测后会将数据上传至信息收集控制服务器进行计算，根据
信息收集控制服务器计算结果调整机械臂的伸展半径，完成对机器人行驶路径的规划。压
力传感器8114安装在机械爪装置81上，在行驶过程中实时检测管道内壁对管道机器人机械
爪指818的压力影响，若沉积物厚度过厚，则会调整机械爪各机械臂的倾斜角度，从而使管
道机器人平稳通过障碍物。ORP探头85对污水管道内的水质的氧化还原电位进行间歇性监
测，通过调节消毒模块使管道内污水在臭氧紫外光工作状态下ORP≥650mV。所述检测结果
将会上传至所述信息收集控制器。红外CCTV84焊接在管道机器人主机身上，在运行过程中
完成影像采集。

[0058] 本发明的管道机器人，信息收集控制服务器1通过电气收集压力传感器8114、沉积物探测器83、ORP探头85和红外CCTV84上传的数据。信息收集控制器1安装在地面移动设备
上，可以受工作人员控制。

[0059] 所述信息收集控制器1可通过Python、Java等软件进行编程和修改，实现管道机器人的自动化控制。根据压力传感器8114实时监测的压力数据与提前设定的参数比较，自动
调节机械爪的伸展。根据沉积物探测器83实时监测的数据与提前设定的参数比较，自动计
算行走路线。根据实时监测的水质数据与提前设定的参数比较，自动调整消毒模块的紫外
光强度和臭氧气体的流量。

[0060] 本实例中干线压力管道长度2000m，初始透气竖井直径为800cm，干线管径为3000cm。管道中污水为重力流，平均流速为2.5m/s。如图1所示，本发明通过透气井进入污水
管道，管道机器人的单个螺旋桨不锈钢刀刃822直径为500cm，机械爪装置81的伸展半径范
围为300～1600cm。管道机器人主机身8与曝气管3相连，曝气管3材质为耐腐蚀444L不锈钢
波纹管，同时曝气管3末端与地面臭氧发生器2、信息收集服务器1相连。纳米曝气盘61安装
在曝气管3上，间隔50cm。纳米曝气孔41直径为100nm，单个纳米曝气盘61的充臭氧能力为
0.24Kg-O3/m3·h，纳米曝气托盘61使用陶瓷制成。紫外光灯环51通过灯环固定夹54固定在
曝气管3上，每两个纳米曝气盘61中间安装一个紫外灯环5。紫外光灯环51夹在两个反光镜
片53中间，两个反光镜片53与紫外光灯环51夹角为60度，反光镜片53通过反光镜片固定支
架56固定在曝气管3上。单个紫外光灯环51的功率为100W，设定波长为253.7nm，紫外光辐照
剂量为100mJ/cm2。

[0061] 上述实施例中的一种管道机器人实现压力管道消毒和发电的实施过程包括以下步骤：

[0062] 步骤一：将管道机器人主机身8和相连曝气管3从地面降至污水检查井内，安装检查井临时密封井盖，并在井盖下部安装臭氧尾气消除装置4。启动管道机器人自检系统，对
ORP探头85、压力传感器8114、沉积物探测仪83、红外CCTV84、布气管球阀64和紫外光灯环51
进行检查。

[0063] 步骤二：使用信息收集控制服务器远程操控管道机器人根据管径调整第二支撑臂和第三支撑臂张开角度，令管道机器人进入管道内，利用机械爪与管壁之间摩擦力带动机
器人在管道内移动，使其携带曝气管3、纳米曝气盘4、紫外光灯环5缓慢驶入污水管道内。

[0064] 步骤三：打开伸缩臂机器人上的沉积物探测器86，对污水管道内的沉积物厚度进行检测，并将监测数据上传至信息收集控制服务器1终端，开启管道移动设备红外CCTV84，
采集管道内实时图像，以便服务器和管理人员根据监测数据对管道机器人的移动路线进行
设定。

[0065] 步骤四：配置紫外光灯环51辐照剂量，使机器人移动至距离管道起点2000m的位置，装有紫外光灯环51的曝气管3的长度为1998m，遥控打开紫外光灯环51和纳米曝气盘61
的布气管球阀64进行消毒，并使水中的ORP≥650mV。本实例中开启紫外光灯51和臭氧曝气3
小时。展开螺旋桨框架821，发电机825受压力管道内水流冲击开始工作，整流器827将交流
电转换为直流电，监控蓄电池电量；

[0066] 步骤五，对污水完成消毒后，关闭纳米曝气盘布气管球阀64和紫外光灯环51，闭合螺旋桨发框架821。通过信息收集控制服务器1远程操作管道机器人移动至初始位置，并将
所有设备从透气井内取出，拆除臭氧尾气消除装置4。

[0067] 其中根据污水管道内的沉积物厚度规划机器人的移动路径为本领域的常规知识，在此不再赘述。

[0068] 数据显示，根据污水平均流速测算下，污水从管道机器人布置的紫外光和曝气消毒模块的起点到终点为平均13.3分钟，即管道内的污水消毒接触时间为平均13.3分钟，透
气井顶部的污水和臭气消毒接触时间为3小时。对消毒后污水和气体进行采样，根据分子生
物学的荧光定量PCR和测序结果，在监测时间段3小时内2000m管道内污水中粪大肠群数≤
20MPN/L，肠道病毒和HCoV-OC43冠状病毒的平均失活率为94.1％，污水中肠道病毒和HCoV-
OC43冠状病毒数量均低于检测限。同时通过纳米曝气盘4产生的富余臭氧气泡对管道内的
硫化氢和氨气去除率也达到了47.9％。管道机器人上的发电机在3小时消毒过程中共产生
约22度电.

[0069] 本发明方法无需对管道和检查井进行改造和施工，通过管道机器人和臭氧紫外光催化组合技术对任意位置的透气井内的污水和气溶胶进行消毒和产电，尤其对长距离管道
内的污水具有优异的消毒效率。

[0070] 尽管本发明内容已经通过上述优选实施做了详细阐述，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制，本领域技术人员在查阅了上述内容后能够想到的变化和修
改都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。