一种基于蚯蚓仿生机械的家用地暖水垢清理装置及清理方法

1.本发明涉及地暖清洁技术领域，具体涉及一种基于蚯蚓仿生机械的家用地暖水垢清理装置及清理方法。


背景技术：

2.地面辐射采暖是世界公认的一种先进采暖方式，其具有供热效率高、热循环效果好、不占用室内有效空间、蓄热性能强等多种优点。在我国，随着人们对地面辐射采暖认识的提高，地热铺装量正已几何方式逐年递增。然而，由于供水温度的变化会产生钙镁离子长期附着在管路内壁上，如果不定期处理，会导致温度下降，直接影响散热效果。而地暖盘管内积存的水锈、生物粘泥、污染物、残留物等杂质长时间未清洗将会形成水垢，严重者将导致造成管路栓塞。
3.水垢的导热系数比钢铁的导热系数小几十倍甚至几百倍，使受热面的传热性能大幅降低，热水中携带的热量不能迅速地传递到室内，使大量的热量被保留在热水中被带走，造成排水温度升高，使地暖的热效率降低。一般的，在散热采暖过程中，地热管内壁污垢每增加1mm，就会使室内温度降低3
‑
5℃。长此以往，地热的采暖效果会逐年下降。因各个地段水质不同，地暖管道的建议清洗周期不同，通常地热管路每两到三年就应进行一次清洗，以保证其供暖效率。
4.现有技术中，通常采用机械清除法、化学清除法和热爆裂清除法，机械清除法将燃气热水器中的热交换器拆下，然后再将各个阀门依次拆下，利用刮刀，钢锯等机械设备对管道水垢进行拆除，但是在进行水垢刮除的过程中容易对管道造成损伤；化学清除法是目前较为常用的除垢方法，但用户往往难以将化学除垢剂均匀的加入管道中，而且清理后的排污对环境也存在一定的危害；热爆裂清除法对家用设备而言，其不足点较多，如易损坏热水器、难于将水垢除尽，且若不拆解热水器，很难将其中的块状水垢从容器中清出；其他技术虽然先进，但需采用专业设备并有专业人员操作，目前主要用于工业水预处理，对于家用热水器而言，显然并不实用。


技术实现要素：

5.根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于蚯蚓仿生机械的家用地暖水垢清理装置及清理方法，为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.一种基于蚯蚓仿生机械的家用地暖水垢清理装置，包括依次相连的脱垢模块、破碎模块、第一移动模块和第二移动模块；
7.所述脱垢模块包括振动块和驱动振动块振动的振动电机；
8.所述破碎模块包括破碎刀体和驱动破碎刀体转动的破碎电机，所述破碎模块和所述脱垢模块通过第一转动关节相连；
9.所述第一移动模块和所述破碎模块通过第二转动关节相连，所述第一移动模块包括第一移动杆、第一移动推杆和第一压头，所述第一移动杆的一端和所述第一移动推杆的
推头相连，另一端环向分布有多个所述第一压头，所述第一压头上设有摩擦面，所述第一移动杆上设有第一卡扣，所述第一卡扣用于限制所述第一移动杆的运动；
10.所述第二移动模块和所述第一移动模块通过第三转动关节相连，所述第二移动模块包括第二移动杆、第二移动推杆和第二压头，所述第二移动杆的一端和所述第二移动推杆的推头相连，另一端环向分布有多个所述第二压头，所述第二压头上设有摩擦面，所述第二移动杆上设有第二卡扣，所述第二卡扣用于限制所述第二移动杆的运动。
11.进一步地，所述第一转动关节为万向节。
12.进一步地，所述脱垢模块还包括振动电机安装座，所述振动电机安装在所述振动电机安装座上，所述振动电机的输出轴上设有振动凸块，所述振动块卡嵌在所述振动电机安装座上，所述振动块内侧设有振动槽，所述振动凸块设在所述振动槽内。
13.进一步地，所述振动块的外表面呈梭形。
14.进一步地，所述振动块外侧包覆有聚氨基甲酸酯塑料层。
15.进一步地，所述第一移动模块还包括第一移动外壳，所述第一移动推杆的底座固定在所述第一移动外壳内，所述第一移动杆包括第一移动内杆和第一移动外杆，所述第一移动内杆设在所述第一移动外壳内且固定在所述第一移动推杆的推头上，所述第一压头通过第一连杆和所述第一移动内杆铰接，所述第一卡扣设在第一移动内杆上，所述第一移动外杆设在所述第一移动内杆和所述第一移动外壳之间，所述第一移动外杆的一端设有第一压紧盘，每一所述第一压头和所述第一压紧盘通过第一弹性件相连，所述第一移动外杆上设有能够容纳所述第一卡扣的所述第一槽口。
16.进一步地，所述第二移动模块还包括第二移动外壳，所述第二移动推杆的底座固定在所述第二移动外壳内，所述第二移动杆包括第二移动内杆和第二移动外杆，所述第二移动内杆设在所述第二移动外壳内且固定在所述第二移动推杆的推头上，所述第二压头通过第二连杆和所述第二移动内杆铰接，所述第二卡扣设在第二移动内杆上，所述第二移动外杆设在所述第二移动内杆和所述第二移动外壳之间，所述第二移动外杆的一端设有第二压紧盘，每一所述第二压头和所述第二压紧盘通过第二弹性件相连，所述第二移动外杆上设有能够容纳所述第一卡扣的所述第一槽口。
17.进一步地，所述第二转动关节和所述第三转动关节均包括多个依次相连的连接件，所述连接件一端设有球头，另一端设有铰接座，所述铰接座上设有容纳球头的凹槽。
18.进一步地，所述破碎刀体包括多个间隔一定距离的破碎刀，每个破碎刀包括多个呈中心对称分布的刀片。
19.一种水垢清理方法，包括：
20.步骤1、初始状态，第二移动杆为伸长状态，第二压头压紧管壁，第二卡扣卡紧第二移动杆进而限制第二移动杆和第二压头的运动，第一移动杆为缩短状态，第一压头脱离管壁，第一卡扣失去作用；
21.步骤2、第一运动状态，第一移动推杆驱动第一移动杆向前伸长，第一压头压紧管壁，第一卡扣卡紧第一移动杆进而限制第一移动杆和第一压头的运动，第一移动杆为伸长状态，第二移动杆为伸长状态；
22.步骤3、第二运动状态，第二移动推杆驱动第二移动杆向前缩短，使第二移动杆成缩短状态，第二压头脱离管壁，第二卡扣失去作用，第二移动杆为缩短状态，第一移动杆为
伸长状态；
23.步骤4、第三运动状态，由于第一卡扣卡紧了第一移动杆，限制了第一移动杆和第一压头的运动，第一移动推杆向前运动，进而带动第二移动推杆向前运动，当第二移动推杆向前运动到一定程度，第二压头压紧管壁，第二卡扣卡紧第二移动杆进而限制第二移动杆和第二压头的运动，第二移动杆为伸长状态，第一卡扣失去作用，第一压头脱离管壁，第一移动杆为缩短状态，跳转步骤1，重复以上运动，直至完成清理。
24.与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
25.1.本发明所述的一种基于蚯蚓仿生机械的家用地暖水垢清理装置及清理方法，基于对蚯蚓运动的仿生学应用，使装置可以自动在狭窄弯曲的地暖管道中正常工作，降低了对管道内壁的伤害，从而使家用地暖管道保持清洁，以维持家用地暖管道良好的传热性，对降低供暖能耗有较大意义。
26.2.本发明所述的一种基于蚯蚓仿生机械的家用地暖水垢清理装置及清理方法，设计了基于蚯蚓仿生的运动结构，运动结构包括第一移动模块和第二移动模块，通过特殊的机械结构对蚯蚓的运动方式进行模仿，使装置可以在狭长弯曲的管道中正常运动。
27.3.本发明所述的一种基于蚯蚓仿生机械的家用地暖水垢清理装置及清理方法，脱垢模块为偏心振动机构，消除了传统机械切削除垢方式对地暖管道内壁的伤害，同时提升装置的水垢清理效果和运动能力。
附图说明
28.图1为本发明的整体结构示意图。
29.图2为本发明的破碎模块的结构示意图。
30.图3为本发明的第一移动模块的结构示意图。
31.图4为本发明的第二移动模块的结构示意图。
32.图5为本发明第二转动关节的结构示意图。
33.图6为本发明破碎模块的结构示意图。
34.图7为本发明第二转动关节的结构示意图。
35.图8为本发明的电路原理图。
36.其中：1、脱垢模块；11、振动块；12、振动电机；13、振动电机安装座；14、振动凸块；2、破碎模块；21、破碎刀体；22、破碎电机；23、破碎电机安装座；24、保护环；
37.3、第一移动模块；31、第一移动杆；311、第一移动内杆；312、第一移动外杆；32、第一移动推杆；33、第一压头；34、第一卡扣；35、第一弹性件；36、第一移动外壳；37、第一压紧盘；38、第一连杆；
38.4、第二移动模块；41、第二移动杆；411、第二移动内杆；412、第二移动外杆；42、第二移动推杆；43、第二压头；44、第二卡扣；45、第二弹性件；46、第二移动外壳；47、第二压紧盘；48、第二连杆；
39.5、第一转动关节；
40.6、第二转动关节；61、连接件；611、球头；612、铰接座；
41.7、第三转动关节。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
43.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
44.一种基于蚯蚓仿生机械的家用地暖水垢清理装置，参照图1
‑
图6所示，包括依次相连的脱垢模块1、破碎模块2、第一移动模块3和第二移动模块4。其中，脱垢模块1使附着于地暖管壁上的水垢成块脱落，破碎模块2对水垢进一步破碎且将水垢打成微粒状，第一移动模块3和第二移动模块4模拟蚯蚓等环节动物的环状肌蠕动，带动整个装置向前运动。
45.脱垢模块1包括振动块11和驱动振动块11振动的振动电机12，通过振动电机12驱动振动块11振动，可以使地暖管壁发生振动，对管壁上附着的水垢进行击打使其松动并脱落。
46.破碎模块2包括破碎刀体21和驱动破碎刀体21转动的破碎电机22，破碎模块2和脱垢模块1通过第一转动关节5相连，破碎电机22带动破碎刀体21高速转动，可以将水垢进一步破碎且将水垢打成微粒状，进而方便水将微粒状的水垢冲出来，且成块的水垢会堆积在装置前端导致装置无法继续向前移动，造成工作异常，通过将水垢进一步破碎成微粒状可以方便整个装置向前移动。
47.第一移动模块3和破碎模块2通过第二转动关节6相连，第一移动模块3包括第一移动杆31、第一移动推杆32和第一压头33，第一移动杆31的一端和第一移动推杆32的推头相连，另一端环向分布有多个第一压头33，第一压头33上设有摩擦面，第一移动杆31上设有第一卡扣34，第一卡扣34用于限制第一移动杆31的运动；
48.第二移动模块4和第一移动模块3通过第三转动关节7相连，第二移动模块4包括第二移动杆41、第二移动推杆42和第二压头43，第二移动杆41的一端和第二移动推杆42的推头相连，另一端环向分布有多个第二压头43，第二压头43上设有摩擦面，第二移动杆41上设有第二卡扣44，第二卡扣44用于限制第二移动杆41的运动。
49.本发明中，破碎模块2和脱垢模块1通过第一转动关节5相连，第一移动模块3和破碎模块2通过第二转动关节6相连，第二移动模块4和第一移动模块3通过第三转动关节7相连，通过设置第一转动关节5、第二转动关节6和第三转动关节7，方便装置转向，使整个装置更加灵活的在弯曲的地暖管壁中工作。
50.在使用过程中，初始状态，第二移动杆41为伸长状态，第二压头43压紧管壁，第二卡扣44卡紧第二移动杆41进而限制第二移动杆41和第二压头43的运动，第一移动杆31为缩短状态，第一压头33脱离管壁，第一卡扣34失去作用；第一运动状态，第一移动推杆32驱动第一移动杆31向前伸长，第一压头33压紧管壁，第一卡扣34卡紧第一移动杆31进而限制第
一移动杆31和第一压头33的运动，第一移动杆31为伸长状态，第二移动杆41为伸长状态；第二运动状态，第二移动推杆42驱动第二移动杆41向前缩短，使第二移动杆41成缩短状态，第二压头43脱离管壁，第二卡扣44失去作用，第二移动杆41为缩短状态，第一移动杆31为伸长状态；第三运动状态，由于第一卡扣34卡紧了第一移动杆31，限制了第一移动杆31和第一压头33的运动，第一移动推杆32向前运动，进而带动第二移动推杆42向前运动，当第二移动推杆42向前运动到一定程度，第二压头43压紧管壁，第二卡扣44卡紧第二移动杆41进而限制第二移动杆41和第二压头43的运动，第二移动杆41为伸长状态，第一卡扣34失去作用，第一压头33脱离管壁，第一移动杆31为缩短状态，跳转初始状态，重复以上运动，直至完成清理。
51.在本发明中，第一移动模块3和第二移动模块4共同作用下可使装置同时在轴向与径向运动，可以有效地模仿蚯蚓环状肌的运动方式。本发明通过反向设置的第二移动推杆42和第一移动推杆32，转动形成波动的传导，模拟生物身体运动波的方式，从而获得运动能力，使装置可以在狭长弯曲的管道中正常运动。
52.为了方便装置在狭长且弯曲的地暖管壁内工作，第一转动关节5为万向节。
53.下面对脱垢模块1进行详细地描述。
54.参照图1和图2所示，脱垢模块1还包括振动电机安装座13，振动电机12安装在振动电机安装座13上，振动电机12的输出轴上设有振动凸块14，振动块11的一端卡嵌在振动电机安装座13上，另一端悬空设置，振动块11内侧设有振动槽，振动凸块14设在振动槽内。使用过程中，振动电机12驱动振动凸块14振动，进而带动振动块11振动。偏心的振动凸块14带动振动块11进行振动，对管壁上附着的水垢进行击打使其松动并脱落。
55.振动块11的外表面呈梭形，可以在振动脱垢的同时对装置的运动起一定的导向作用。
56.振动块11主要由防锈金属制成，振动块11外侧包覆有聚氨基甲酸酯塑料层，可以在增大振动块11质量，提高其对管壁附着水垢的冲击力的同时减少硬质外壳对管道的伤害。
57.偏心的振动凸块14带动振动块11进行振动可以更好的在不伤害管壁的同时达到良好的脱垢效果，并提升装置的运动能力。
58.下面对第一移动模块3和第二移动模块4进行详细地描述。
59.参照图1和图3所示，第一移动模块3还包括第一移动外壳36，第一移动推杆32的底座固定在第一移动外壳36内，第一移动杆31包括第一移动内杆311和第一移动外杆312，第一移动内杆311设在第一移动外壳36内且固定在第一移动推杆32的推头上，第一压头33通过第一连杆38和第一移动内杆311铰接，第一卡扣34设在第一移动内杆311上，第一移动外杆312设在第一移动内杆311和第一移动外壳36之间，第一移动外杆312的一端设有第一压紧盘37，每一第一压头33和第一压紧盘37通过第一弹性件35相连，第一弹性件35具有使第一压头33向内微收的趋势，第一移动外杆312上设有能够容纳第一卡扣34的第一槽口。
60.第一移动推杆32推动第一移动内杆311相对于第一移动外壳36向前伸长，由于第一压头33通过第一连杆38和第一移动内杆311铰接，第一移动内杆311向前伸长的过程中，可以将第一压头33推开，使第一压头33向外顶进而使第一压头33压紧管壁，且第一移动外杆312与第一压紧盘37固定，第一压头33向外顶的过程中会带动第一压紧盘37移动，进而带动第一移动外杆312移动，另外，由于第一卡扣34设在第一移动内杆311上，第一移动外杆
312上设有能够容纳第一卡扣34的第一槽口，第一移动内杆311向前伸长的过程中，第一卡扣34会滑出第一槽口，进而卡紧第一移动内杆311和第一移动外杆312，限制第一移动内杆311和第一移动内杆311的运动。
61.当第一压头33压紧管壁且第一卡扣34滑出第一槽口卡紧第一移动内杆311和第一移动外杆312后，第一移动推杆32向前移动，带动第一移动外壳36向前移动，当第一移动外壳36向前移动到一定程度后，第一移动外壳36按下第一卡扣34，第一卡扣34失去作用，第一卡扣34无法限制第一移动内杆311和第一移动外杆312的运动，由于第一压头33和第一压紧盘37通过第一弹性件35相连，第一弹性件35具有使第一压头33向内收缩的趋势，第一卡扣34失去作用后，第一压头33脱离管壁，第一移动内杆311相对于第一移动外壳36缩短。
62.参照图1和图4所示，第二移动模块4还包括第二移动外壳46，第二移动推杆42的底座固定在第二移动外壳46内，第二移动杆41包括第二移动内杆411和第二移动外杆412，第二移动内杆411设在第二移动外壳46内且固定在第二移动推杆42的推头上，第二压头43通过第二连杆48和第二移动内杆411铰接，第二卡扣44设在第二移动内杆411上，第二移动外杆412设在第二移动内杆411和第二移动外壳46之间，第二移动外杆412的一端设有第二压紧盘47，每一第二压头43和第二压紧盘47通过第二弹性件45相连，第二弹性件45具有使第二压头43向内微收的趋势，第二移动外杆412上设有能够容纳第二卡扣44的第二槽口。
63.当第一移动推杆32移动，会带动第二移动推杆42移动，进而带动第二移动外壳46移动，将第二压头43推开，使第二压头43向外顶进而使第二压头43压紧管壁，当第二移动外壳46移动到一定程度后，第二移动外壳46松开第二卡扣44，第二卡扣44会滑出第二槽口，进而卡紧第二移动内杆411和第二移动外杆412，限制第二移动内杆411和第二移动内杆411的运动，第二移动内杆411相对于第二移动外壳46伸长，将第二压头43推开，使第二压头43向外顶进而使第二压头43压紧管壁。
64.参照图6所示，为了方便装置在狭长且弯曲的地暖管壁内工作，第二转动关节6和第三转动关节7均包括多个依次相连的连接件61，连接件61包括球头611和铰接座612，球头611固定在铰接座612上，铰接座612上设有容纳球头611的凹槽，使得第二转动关节6和第三转动关节7可以灵活转动。
65.本发明中，第一移动推杆32和第二移动推杆42均为电动推杆，电动推杆的直径约为10mm，长度约为40mm。第一弹性件35和第二弹性件45为弹簧。
66.下面对破碎模块2进行详细地描述。
67.参照图1和图5所示，破碎模块2还包括破碎电机安装座23，破碎电机22固定在破碎电机安装座23内，破碎刀体21与破碎电机22的输出轴相连，破碎刀体21包括多个间隔一定距离的破碎刀，每个破碎刀包括多个呈中心对称分布的刀片。
68.本发明中，破碎刀体21外侧设有保护环24，保护环24通过固定杆和破碎电机安装座23相连，通过设置保护环24，可以防止破碎刀体21破坏水暖管壁。
69.本发明还提出一种水垢清理方法，参照图1
‑
图7所示，采用上述的基于蚯蚓仿生机械的家用地暖水垢清理装置，包括：
70.步骤1、初始状态，第二移动杆41为伸长状态，第二压头43压紧管壁，第二卡扣44卡紧第二移动杆41进而限制第二移动杆41和第二压头43的运动，第一移动杆31为缩短状态，第一压头33脱离管壁，第一卡扣34失去作用；
71.步骤2、第一运动状态，第一移动推杆32驱动第一移动杆31向前伸长，第一压头33压紧管壁，第一卡扣34卡紧第一移动杆31进而限制第一移动杆31和第一压头33的运动，第一移动杆31为伸长状态，第二移动杆41为伸长状态；
72.步骤3、第二运动状态，第二移动推杆42驱动第二移动杆41向前缩短，使第二移动杆41成缩短状态，第二压头43脱离管壁，第二卡扣44失去作用，第二移动杆41为缩短状态，第一移动杆31为伸长状态；
73.步骤4、第三运动状态，由于第一卡扣34卡紧了第一移动杆31，限制了第一移动杆31和第一压头33的运动，第一移动推杆32向前运动，进而带动第二移动推杆42向前运动，当第二移动推杆42向前运动到一定程度，第二压头43压紧管壁，第二卡扣44卡紧第二移动杆41进而限制第二移动杆41和第二压头43的运动，第二移动杆41为伸长状态，第一卡扣34失去作用，第一压头33脱离管壁，第一移动杆31为缩短状态，跳转步骤1，重复以上运动，直至完成清理。
74.在步骤1中，第二卡扣44卡紧第二移动杆41进而限制第二移动杆41和第二压头43的运动，第二压头43上设有摩擦面，使第二压头43在摩擦力的作用下固定在管壁上，给整个装置起一定的支撑作用，方便第一移动推杆32驱动第一移动杆31向前伸长。
75.在步骤4中，第一卡扣34卡紧第一移动杆31进而限制第一移动杆31和第一压头33的运动，第一压头33上设有摩擦面，使第一压头33在摩擦力的作用下固定在管壁上，给整个装置起一定的支撑作用，方便第一移动推杆32向前伸长。
76.在步骤1到步骤4中，第一移动模块3还包括第一移动外壳36，第一移动推杆32的底座固定在第一移动外壳36内，第一移动杆31包括第一移动内杆311和第一移动外杆312，第一移动内杆311设在第一移动外壳36内且固定在第一移动推杆32的推头上，第一压头33通过第一连杆38和第一移动内杆311铰接，第一卡扣34设在第一移动内杆311上，第一移动外杆312设在第一移动内杆311和第一移动外壳36之间，第一移动外杆312的一端设有第一压紧盘37，每一第一压头33和第一压紧盘37通过第一弹性件35相连，第一弹性件35具有使第一压头33向内微收的趋势，第一移动外杆312上设有能够容纳第一卡扣34的第一槽口。
77.第二移动模块4还包括第二移动外壳46，第二移动推杆42的底座固定在第二移动外壳46内，第二移动杆41包括第二移动内杆411和第二移动外杆412，第二移动内杆411设在第二移动外壳46内且固定在第二移动推杆42的推头上，第二压头43通过第二连杆48和第二移动内杆411铰接，第二卡扣44设在第二移动内杆411上，第二移动外杆412设在第二移动内杆411和第二移动外壳46之间，第二移动外杆412的一端设有第二压紧盘47，每一第二压头43和第二压紧盘47通过第二弹性件45相连，第二弹性件45具有使第二压头43向内微收的趋势，第二移动外杆412上设有能够容纳第二卡扣44的第二槽口。
78.本发明利用stm32l432kc低功耗mcu构建控制电路，参照图8所示，并通过晶体管实现各个电机的正反转控制。
79.当mcu向第一移动推杆32的电机控制电路输出低电平时，晶体管q1截止，q2导通，q3和q6导通，q4和q5截至，第一移动推杆32的电机接口1为正极，接口2为负极，第一移动推杆32的电机正转；当mcu输出高电平时，q3和q6截至，q4和q5导通，第一移动推杆32的电机负转；
80.当mcu向第二移动推杆42的电机控制电路输出低电平时，晶体管q12截止，q11导
通，q10和q9导通，q10和q9截至，第二移动推杆42的电机接口1为正极，接口2为负极，第二移动推杆42的电机正转；当mcu输出高电平时，q10和q7截至，q9和q8导通，第二移动推杆42的电机负转。。
81.如此便可实现对上述蚯蚓仿生运动模块的电机运动控制，从而实现装置的仿生学运动。同时，mcu通过晶体管控制装置前端偏心振动脱垢模块和水垢碎屑破碎模块所组成的主要工作效能模块的工作电路通断。
82.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。