可适径调整的并联式管道清淤机器人的制作方法

本发明涉及清淤机器人领域，特别涉及一种可适径调整的并联式管道清淤机器人。

背景技术：

现有清淤技术主要采用传统清淤方案和管道清淤机器人方案。

传统清淤方案主要包括绞车清淤、通沟机清淤和冲刷清淤。

绞车清淤的方法适用各种直径的管道，但在清淤过程中需人工下井完成，容易引发安全事故；通沟机清淤的方法用于刚性密封的清淤管道，但这种方法要求管壁光滑规则，淤积物不能太多；高压水射流的方法可以适用各种形状和规格的管道，但是清洗用水成本相对较高。

管道清淤机器人方案主要利用轮式管道清淤机器人、履带式管道清淤机器人或蠕动式管道清淤机器人完成清淤工作。相较于传统清淤方案，管道清淤机器人方案有效的节省了人力物力，并保护了工作人员的安全。

现阶段，为进一步提高管道清淤机器人环境适应能力与工作能力，学者主要针对提高管道清淤机器人的适径调整性能、扩大清淤工作范围等方面开展研究。

技术实现要素：

针对传统清淤方案存在的问题以及管道清淤机器人方案的研究重点，本发明提供一种可适径调整的并联式管道清淤机器人，通过具有可折展式履带底盘使其整个发明装置可以纵向横向伸展，适应不同的横向管道直径；通过增加高速旋转机头，可在最大的空间范围内搅碎不同的阻塞物；增加具有沿纵向、横向折展以及沿轴向伸展的行走组件，可节省本发明在纵向、横向和轴向上的占用空间。

本发明提供了一种可适径调整的并联式管道清淤机器人，其包括车体组件、行走组件、辅助导向组件、驱动组件和工作组件。所述车体组件，其包括前车体、后车体和车体对位板，所述前车体的前车体对位侧板和所述车体对位板的第一端固定连接，所述车体对位板的第二端和所述后车体的后车体对位侧板固定连接。所述行走组件，其包括履带、定位安装板、第四驱动连接轴、第三驱动连接轴、连杆驱动电缸、第一连接轴、动臂、动臂驱动电机、动臂减速器、第一驱动连接轴、动臂驱动电缸、第二驱动连接轴和连杆；所述动臂减速器的外壳和所述前车体的行走组件安装台固定连接，所述动臂减速器的输入端和所述动臂驱动电机的输出端连接，所述动臂减速器的输出端和所述动臂的驱动电机连接孔固定连接，所述动臂驱动电缸的第一端通过所述第一驱动连接轴和所述动臂的动臂电缸安装孔连接，所述动臂驱动电缸的第二端通过所述第二驱动连接轴和所述连杆的动臂电缸连接孔连接，所述连杆的动臂连接孔通过第一连接轴和所述动臂的连杆安装孔连接，所述连杆驱动电缸的第一端通过第三驱动连接轴和所述连杆的连杆驱动电缸安装孔连接，所述连杆驱动电缸的第二端通过第四驱动连接轴和所述定位安装板的连杆驱动电缸连接孔连接，所述连杆的履带安装球铰和所述定位安装板的连杆连接球铰连接，所述履带位于所述履带安放槽的内部，并和所述定位安装板的履带安装孔连接。所述辅助导向组件，其包括辅助导向伺服电缸、导向轮安装槽和导向轮，所述辅助导向伺服电缸的第一端和所述前车体的辅助导向组件安装位连接，所述辅助导向伺服电缸的第二端和所述导向轮安装槽的伺服电缸配合孔连接，所述导向轮安装槽的导向轮安装孔和所述导向轮连接；所述驱动组件，其包括滑动辊和滑动模组，所述滑动辊的第一端穿过所述静平台的滑动辊配合孔和所述前车体的前滑动辊安装孔连接，所述滑动辊的第二端和所述后车体的后滑动辊安装孔连接，所述滑动模组的滑轨分别与所述前车体的滑动模组安装位和所述后车体的滑动模组配位槽固定连接。所述工作组件，其包括并联机构驱动装配体、静平台、u副、刚性连杆、机头、球副、机头驱动电机、机头减速器和动平台，所述动平台的中心设有机头驱动电机安装孔，所述静平台的滑动模组安装孔和所述滑动模组的滑块固定连接，所述并联机构驱动装配体位于所述并联机构驱动配位槽的内部，并穿过所述静平台的并联机构驱动安装孔和所述u副的第一端连接，所述u副的第二端和所述刚性连杆的第一端连接，所述刚性连杆的第二端和所述球副的第一端连接，所述球副的第二端和所述动平台的球副安装孔连接，所述机头驱动电机的输出端和所述机头减速器的输入端连接，所述机头减速器的输出端穿过所述动平台的机头驱动电机安装孔和所述机头的机头减速器配合孔连接。

可优选的是，所述动臂、所述第一驱动连接轴、所述第二驱动连接轴、所述第一连接轴、所述连杆、所述第三驱动连接轴和所述第四驱动连接轴构成折展机构；所述动臂驱动电机、所述动臂减速器、所述动臂驱动电缸和所述连杆驱动电缸构成折展机构驱动组件；所述履带和所述定位安装板构成调姿履带。

可优选的是，所述滑动模组，其包括滑块和滑轨；所述静平台、所述u副、所述刚性连杆、所述球副和所述动平台构成并联机构；所述并联机构驱动装配体为并联机构驱动组件；所述机头驱动电机、所述机头减速器和所述机头构成清淤机头。

可优选的是，所述行走组件的数量为二，两个相同的行走组件关于车体组件的中心线对称分布在车体组件的两侧，位于所述车体组件一侧的所述行走组件，其包括两组结构相同的折展机构和两组结构相同的折展机构驱动组件，位于车体组件两侧的折展机构和折展机构驱动组件沿着车体组件的中心线呈现交错布置。

可优选的是，所述并联机构驱动安装孔在所述静平台一表面的同一圆弧上均匀分布，所述球副安装孔在所述动平台一表面的同一圆弧上均匀分布。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明可以自竖直检查井深入到下方横向管道中进行清淤工作；

2、本发明的行走组件可以根据下方横向管道的不同的直径调整姿态，保证本发明在运动的过程中的稳定性；

3、本发明高速旋转的清淤机头可以搅碎管道内的多种阻塞物，能够适应管道内复杂的阻塞环境条件；

4、本发明工作组件有效工作空间远大于本发明截面尺寸，可以有效清理管道内部周围的堵塞物或者附着物；

5、本发明工作组件与行走组件可以协同运动，协同运动可以加大管道清淤机器人的有效工作空间。

附图说明

图1为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人的总装图；

图2为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人的车体组件总装图；

图3为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中前车体第一安装图；

图4为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中前车体第二安装图；

图5为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中后车体安装图；

图6为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中行走组件组装图；

图7为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中定位安装板的结构图；

图8为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中连杆的结构图；

图9为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中动臂的结构图；

图10为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中辅助导向组件的总装图；

图11为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中驱动组件的总装图；

图12为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中工作组件的总装图；

图13为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中工作组件的剖视图；

图14为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中静平台结构图；

图15为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中动平台结构图；

图16为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中机头结构图；

图17为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中折展运动下驱动力矩仿真曲线；

图18为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中管道贴合运动下驱动力矩仿真曲线；

图19为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中调姿运动下驱动力矩仿真曲线；

图20为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中工作组件沿x轴运动仿真曲线；

图21为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中工作组件沿y轴运动仿真曲线；

图22为本发明可适径调整的并联式管道清淤机器人中工作组件沿z轴运动仿真曲线。

主要附图标记：

车体组件1，前车体11，前滑动辊安装孔111，行走组件安装台112，滑动模组安装位113，履带安放槽114，辅助导向组件安装位115，前车体对位侧板116，后车体12，滑动模组配位槽121，后滑动辊安装孔122，并联机构驱动配位槽123，后车体对位侧板124，车体对位板13，行走组件2，履带21，定位安装板22，连杆连接球铰221，履带安装孔222，连杆驱动电缸连接孔223，第四驱动连接轴23，第三驱动连接轴24，连杆驱动电缸25，第一连接轴26，动臂27，连杆安装孔271，动臂电缸安装孔272，驱动电机连接孔273，动臂驱动电机28，动臂减速器29，第一驱动连接轴210，动臂驱动电缸211，第二驱动连接轴212，连杆213，动臂连接孔2131，动臂电缸连接孔2132，连杆驱动电缸安装孔2133，履带安装球铰2134，辅助导向组件3，辅助导向伺服电缸31，导向轮安装槽32，导向轮33，驱动组件4，滑动辊41，滑动模组42，工作组件5，并联机构驱动装配体51，静平台52，滑动模组安装孔521，滑动辊配合孔522，并联机构驱动安装孔523，u副53，刚性连杆56，机头57，机头减速器配合孔571，球副58，机头驱动电机510，机头减速器511，动平台512，球副安装孔5121，机头驱动电机安装孔5122。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

可适径调整的并联式管道清淤机器人，如图1所示，包括车体组件1、行走组件2、辅助导向组件3、驱动组件4和工作组件5。

车体组件1，如图2至5所示，包括前车体11、后车体12和车体对位板13，前车体11的前车体对位侧板116和车体对位板13的第一端固定连接，车体对位板13的第二端和后车体12的后车体对位侧板124固定连接。

行走组件2，如图6至图9所示，包括履带21、定位安装板22、第四驱动连接轴23、第三驱动连接轴24、连杆驱动电缸25、第一连接轴26、动臂27、动臂驱动电机28、动臂减速器29、第一驱动连接轴210、动臂驱动电缸211、第二驱动连接轴212和连杆213。

动臂减速器29的外壳和前车体11的行走组件安装台112固定连接，动臂减速器29的输入端和动臂驱动电机28的输出端连接，动臂减速器29的输出端和动臂27的驱动电机连接孔273固定连接，动臂驱动电缸211的第一端通过第一驱动连接轴210和动臂27的动臂电缸安装孔272连接，动臂驱动电缸211的第二端通过第二驱动连接轴212和连杆213的动臂电缸连接孔2132连接，连杆213的动臂连接孔2131通过第一连接轴26和动臂27的连杆安装孔271连接，连杆驱动电缸25的第一端通过第三驱动连接轴24和连杆213的连杆驱动电缸安装孔2133连接，连杆驱动电缸25的第二端通过第四驱动连接轴23和定位安装板22的连杆驱动电缸连接孔223连接，连杆213的履带安装球铰2134和定位安装板22的连杆连接球铰221连接，履带21位于履带安放槽114的内部，并和定位安装板22的履带安装孔222连接。

在本发明的一个优选实施例中，行走组件2由折展机构和调姿履带组成，动臂27、第一驱动连接轴210、第二驱动连接轴212、第一连接轴26、连杆213、第三驱动连接轴24和第四驱动连接轴23构成折展机构；动臂驱动电机28、动臂减速器29、动臂驱动电缸211和连杆驱动电缸25构成折展机构驱动组件；履带21和定位安装板22构成调姿履带。履带21在折展机构的驱动下改变与下方横向管道内壁的贴合面积，以此增加管道清淤机器人在前进或者工作状态下的稳定性。

行走组件2的数量为二，两个相同的行走组件2关于车体组件1的中心线对称分布在车体组件1的两侧，位于车体组件1一侧的行走组件2，其包括两组结构相同的折展机构和两组结构相同的折展机构驱动组件，沿着前车体11向后车体12的方向，位于车体组件1两侧的折展机构和折展机构驱动组件沿着车体组件1的中心线呈现交错布置。

行走组件2在非工作状态下折叠至管道清淤机器人的车体组件1的内部，在工作状态下伸展至车体组件1的外部，起到驱动管道清淤机器人运动与支撑车体的作用。

行走组件2的基本运动包括折展运动，管道贴合运动与位姿调整运动。在管道清淤机器人各个阶段，行走组件2不断在三种基本运动方式之间转换，同时也在不断改变行走组件2各驱动与行走组件2末端的运动学参数。

辅助导向组件3，如图10所示，包括辅助导向伺服电缸31、导向轮安装槽32和导向轮33，辅助导向伺服电缸31的第一端和前车体11的辅助导向组件安装位115连接，辅助导向伺服电缸31的第二端和导向轮安装槽32的伺服电缸配合孔连接，导向轮安装槽32的导向轮安装孔和导向轮33连接。辅助导向组件3在管道清淤机器人自竖直管道下降的过程中工作，避免清淤机头与横向管道的底部发生碰撞。辅助导向组件3主要起到保护工作组件5的作用。

驱动组件4，如图11所示，其包括滑动辊41和滑动模组42，滑动辊41的第一端穿过静平台52的滑动辊配合孔522和前车体11的前滑动辊安装孔111连接，滑动辊41的第二端和后车体12的后滑动辊安装孔122连接，滑动模组42的滑轨分别与前车体11的滑动模组安装位113和后车体12的滑动模组配位槽121固定连接。

工作组件5，如图12至16所示，包括并联机构驱动装配体51、静平台52、u副53、刚性连杆56、机头57、球副58、机头驱动电机510、机头减速器511和动平台512。动平台512的中心设有机头驱动电机安装孔5122，静平台52的滑动模组安装孔521和滑动模组42的滑块固定连接，并联机构驱动装配体51位于并联机构驱动配位槽123的内部，并穿过静平台52的并联机构驱动安装孔523和u副53的第一端连接，u副53的第二端和刚性连杆56的第一端连接，刚性连杆56的第二端和球副58的第一端连接，球副58的第二端和动平台512的球副安装孔5121连接，机头驱动电机510的输出端和机头减速器511的输入端连接，机头减速器511的输出端穿过动平台512的机头驱动电机安装孔5122和机头57的机头减速器配合孔571连接。

具体而言，滑动模组42，其包括滑块和滑轨；工作组件5由并联机构和清淤机头组成。静平台52、u副53、刚性连杆56、球副58和动平台512构成并联机构；并联机构驱动装配体51为并联机构驱动组件；机头驱动电机510、机头减速器511和机头57构成清淤机头。清淤机头在并联机构的驱动下在横向管道的内部搅动碎石、淤泥等沉积物，之后通过吸污管将污水抽出，完成清淤过程。

进一步，为了保证并联机构运行顺畅，并联机构驱动安装孔523在静平台52一表面的同一圆弧上均匀分布；球副安装孔5121在动平台512一表面的同一圆弧上均匀分布。

并联机构的静平台52和动平台512之间设有三个结构相同的分支，其分别包括u副53、刚性连杆56和球副58。

本发明装置的工作原理为：

当机器人自竖直管道内向下深入时，此时处于非工作状态时，为节省本发明所占用的空间，此时，并联机构驱动装配体51驱动动平台512，使动平台512与静平台52处于平行位置，之后工作组件5在滑动模组42的驱动下沿着滑动辊41向车体组件1的内部回缩，直至并联机构驱动装配体51退回至后车体12的并联机构驱动配位槽123中；然后动臂驱动电缸211伸出，连杆驱动电缸25回缩，调姿履带在折展机构的驱动下退回至车体组件1的履带安放槽114中。

当机器人即将抵达下方横向管道时，此时处于非工作状态转化为工作状态时，本发明处于由竖直状态转化为水平状态过程中，此时辅助导向伺服电缸31驱动导向轮33向下运动，导向轮33触底之后辅助本发明进行姿态转换。

当处于工作状态时，动臂驱动电缸211缩回，连杆驱动电缸25外伸，调姿履带在折展机构的驱动下外伸至至车体组件1的外部，调姿履带在折展机构的驱动下接触横向管道底部，支撑起车体组件1；工作组件5在滑动模组42的驱动下沿着滑动辊41外伸至车体组件1的外部，直至静平台52运动到车体组件1的前端极限位置，动平台512在并联机构驱动装配体51中的伺服电机的驱动下改变姿态，机头57在机头驱动电机510的驱动下高速转动完成清淤任务。

以下结合实施例对本发明一种可适径调整的并联式管道清淤机器人做进一步描述：

利用adams软件对管道清淤机器人模型进行运动仿真，在运动学仿真分析中，重力加速度取9.8m/s²。

根据前述本发明装置的工作原理，当行走组件2折叠至车体组件1的内部，贴合在车体组件1的两侧。在初始阶段，折展机构的动臂27与连杆213向内折叠至车体组件1的内部，此时动臂驱动电机28向内旋转44.35°，动臂驱动电缸211外伸68.22mm，连杆驱动电缸25外伸4.98mm，履带21复位至车体组件1上履带安放槽114中，管道清淤机器人处于非工作状态。

当处于非工作状态转换为工作状态时，行走组件2的基本运动分别为折展运动与管道贴合运动；管道清淤机器人处于工作状态时，行走组件2的基本运动为位姿调整运动。各个分运动的详细运动学分析如下：

(1)行走组件2作折展运动时，履带21在折展机构的驱动下运动至车体组件1外部两侧，折展机构的动臂27与连杆213向外运动。由折展机构末端运动学分析可知，折展机构处于折展运动阶段，动臂驱动电机28向外旋转121.12°，动臂驱动电缸211内缩69.52mm，连杆驱动电缸25外伸57.65mm。折展运动下，折展机构各动臂驱动电机28力矩曲线如下图17所示，在折展机构运动到1.51s时，动臂驱动电机28驱动力矩最大值为140.75n·m。

(2)行走组件2作管道贴合运动，履带21在折展机构的驱动下运动至车体组件1外部两侧，折展机构的动臂27与连杆213向内伸展至车体组件1内。为保证行走组件2的运动学仿真具备研究和参考的作用，因此在该仿真模型下，拟定行走组件2贴合1500mm管道内壁。由折展机构末端运动学分析可知，在由初始仿真阶段转换为运动阶段时，动臂驱动电机28向外旋转118.34°，动臂驱动电缸211内缩67.71mm，连杆驱动电缸25外伸60.53mm。折展机构中连杆驱动电缸25的驱动力曲线如图18所示，在折展机构运动到4.00s时，动臂驱动电机28驱动力矩最大值为783.12n·m。

(3)行走组件2作位姿调整运动，折展机构的动臂与连杆向内伸展至车体外，拟定行走组件2贴合1000mm-1500mm管道内壁，此时行走组件2通过调整折展机构的折展程度改变履带21与管道的贴合程度。由折展机构末端运动学分析可知，在由初始仿真阶段转换为运动阶段时，在2.25s-3s之间，动臂驱动电机28向外旋转126°转化为向外旋转108°，动臂驱动电缸211内缩67.71mm转化为内缩80.12mm，连杆驱动电缸25外伸60.53mm转化为外伸79.15mm。折展机构中连杆驱动电缸25的驱动力曲线如图19所示，在折展机构运动到0.011s时，动臂驱动电机28驱动力矩最大值为323.79n·m。

工作组件5的清淤工作方式分为以下三种情况：清理横向管道内下侧沉积物、清理横向管道内上侧依附物和清理横向管道内边侧堵塞物。主要运动轨迹如下：工作组件5的由初始位置转换至向下极限位置，再由向下运动极限位置转换至边侧运动极限位置，最后由边侧运动极限位置运动到向上运动极限位置。

工作组件5在进行清淤工作时，清淤机头在空间中沿x轴方向可抵达的最大工作范围如图20所示，由图可知，机构沿x轴运动过程中，所能抵达的最大的工作范围在-0.32m至0.31m之间；工作组件5在进行清淤工作时，清淤机头质心在空间中沿y轴方向可抵达的最大工作范围如图21所示，由图可知，机构沿y轴运动过程中，所能抵达的最大的工作范围在-0.35m至0.26m之间；工作组件5在进行清淤工作时，清淤机头质心在空间中沿z轴方向可抵达的最大工作范围如图22所示，由图可知，机构沿z轴运动过程中，清淤机头质心所能抵达的最大的工作范围在-0.56m至-0.44m之间。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。