管道清洁机器人的制作方法

本发明涉及清洗管道的清洗装置，具体涉及一种管道清洁机器人。

背景技术：

20世纪70年代以来，石油、化工、天然气及核工业等产业迅速发展，各种管道作为一种重要的物料输送设施，得到了广泛应用。但是它们常架设在空中或地下，形成错综复杂的管网。管道的空间、路况、光线，以及工作环境的限制，人们很难直接介入，使人工检修不仅困难，而且成本高。管道机器人由此应运而生，很好的帮助人们解决了上述问题。

在一些发达国家，中央空调清洗服务已有几十年的发展历程，针对空气质量对人身健康的危害，国外民众与比较深刻的认识，在1976年美国费城的军团菌大爆发，事后认定其传染源就是该市某会场内的中央空调。国外卫生机构相继出台了较为严密的中央空调使用及清洗法规。目前发达国家均成立有中央空调风管清洗协会，如：国际通风卫生评议会、美国风道清洗协会、欧洲风道清洗协会等，国外的集中空调的风道清洗已经形成了一个巨大的产业。目前国内中央空调清洗公司仅有几家，而且其清晰设备主要依赖进口，设备费用高昂。虽然目前人们已经逐渐意识到中央空调风管清洁的重要性，但高昂的清扫费用使人们望而却步。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的管道清洁机器人能够根据管道的直径自动调整其最大尺寸以适应于多种不同尺寸的管道。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种管道清洁机器人，其包括支撑机构、行走机构和清洗机构，支撑机构包括基座及通过至少一根支撑柱安装于基座上表面的顶撑板，行走机构包括至少两个行走轮、至少两个传动装置及设置在基座上的动力装置和至少两个位置调整装置；

动力装置的输出轴一端穿过顶撑板与设置于顶撑板上的传动装置连接，行走轮安装在传动装置上；位置调整装置包括安装于基座上的支撑杆，支撑杆由下至上依次活动套设有伸缩簧和滑套，支撑杆端部设置有限制滑套滑离的限位件；滑套上转动连接的连杆与安装行走轮的传动杆旋转连接；

清洗机构包括安装在基座下表面的动力部，动力部的输出轴与一清洗轴连接，清洗轴上固定连接有轴套；轴套上转动连接有至少一根活动杆，活动杆的自由端连接有清洗刷；清洗轴与活动杆之间设置有调整活动杆与清洗杆间间距的间距调节装置。

进一步地，传动装置包括至少两块支撑板和安装于输出轴端部的主动锥齿轮，支撑板等间距地安装在顶撑板上，支撑板上设置有相对其旋转的传动轴，每个支撑板上活动安装有两块倾斜向下的连接块；

主动锥齿轮与传动轴上的从动锥齿轮配合，配对的两块连接块上转动连接有多根具有传动齿轮的传动杆，相邻两个传动齿轮相互啮合；邻近支撑板的传动杆上设置有与传动轴上的从动锥齿轮啮合的传动锥齿轮，行走轮安装于远离支撑板的传动杆上。

进一步地，间距调节装置包括清洗轴下端固定的呈长条形的限位部，限位部上套设有滑动套及分别与滑动套和清洗轴连接的限位弹簧。

进一步地，限位件包括设置于远离基座的支撑杆端部的螺纹和与螺纹配合限制滑套滑离的螺母。

进一步地，管道清洁机器人还包括至少两个等间距设置在基座外表面的辅助行走装置，辅助行走装置包括连接杆，连接杆上套设有相对连接杆滑动的滑动轴套和弹簧；连接杆上的弹簧两端分别与基座和滑动轴套连接，滑动轴套上转动连接有转动轮。

进一步地，基座的下表面设置有支撑架，动力部的输出轴穿过支撑架与清洗轴连接。

进一步地，管道清洁机器人还包括机器人控制端，机器人控制端包括控制模块及分别与控制模块连接的压力传感器和电源模块；压力传感器设置于清洗刷上，动力装置和动力部均通过电源模块与控制模块连接。

进一步地，管道清洁机器人还包括手持控制端，手持控制端包括主控制芯片及与主控制芯片连接的电源模块、输入模块、显示屏、无线收发模块；

机器人控制端还包括与控制模块连接的照明灯、图像采集模块和无线通信模块；图像采集模块和照明灯均设置于管道清洁机器人的前端；主控制芯片通过无线收发模块、无线通信模块与控制模块进行通信。

进一步地，机器人控制端还包括与控制模块连接的温度传感器和湿度传感器。

进一步地，当间距调节装置包括限位部时，限位部为与控制模块连接的电动伸缩杆。

本方案提供的管道清洁机器人的有益效果为：

(1)管道清洁机器人在进入管道作业时先调整自身姿态，使行走轮牢牢贴附在管壁上，当管道直径增大或缩小时，可以通过位置调整装置的弹簧和滑套的相互配合，通过管壁压缩弹簧或弹簧恢复形变，再次使行走轮牢牢贴附在管壁上，位置调整装置的设置，可以使管道清洁机器人过弯或是遇到变径管道时能无干涉地调整驱动轮的位置通过弯道和自主变径，并拥有良好的驱动性能。

(2)清洗机构的清洗刷通过设置的间距调节装置，能够适应不同的管径变化，间距调节装置使清洗机构形成伞状张合机构，在动力部的输出轴旋转时，能够完成对管道的一次性360°清扫；

当在清洗刷上设置压力传感器后，能够实时感知清洗刷与管壁之间的压力，并将压力反馈给控制模块，控制清洗刷的旋转速度，确保管壁能够彻底清洗；压力传感器结合电动伸缩杆，可以使清洗刷始终与管壁紧密贴合，确保旋转一周即可对相应管壁所有部位一次清洁。

(3)设置图像采集模块后，可以通过反馈的管道内的图像信息估算机器人相对于管道的坐标及管道半径，再将管道内部环境进行多参数、高仿真度的现实模拟，在显示屏上显示管道灰层堆积情况和破损情况，操作者依据相关的信息，进行管道内作业的进度安排及机器人的操控。

(4)手持控制端能够通过采集的管道中图像监测机器人的工作环境，并通过显示屏进行显示，操作人员可以根据接收的图像采用手持控制端控制机器人的前进、后退和转弯等操作。

附图说明

图1为管道清洁机器人的立体图。

图2为管道清洁机器人的侧视图。

图3为管道清洁机器人的主视图。

图4为管道清洁机器人的俯视图。

其中，1、清洗机构；11、动力部；12、支撑架；13、清洗轴；14、轴套；15、活动杆；16、清洗刷；17、间距调节装置；171、限位部；172、滑动套；173、限位弹簧；2、辅助行走装置；21、连接杆；22、滑动轴套；23、弹簧；24、转动轮；3、支撑机构；31、基座；311、基底；312、机盖；32、支撑柱；33、顶撑板；

4、位置调整装置；41、支撑杆；42、伸缩簧；43、滑套；44、限位件；441、螺纹；442、螺母；45、连杆；451、连接架；5、传动装置；51、支撑板；52、主动锥齿轮；53、传动轴；54、连接块；55、从动锥齿轮；56、传动杆；57、传动锥齿轮；58、传动齿轮；6、行走轮；7、动力装置。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1，图1示出了管道清洁机器人的立体图；如图1所示，该管道清洁机器人包括支撑机构3、行走机构和清洗机构1。

其中，支撑机构3包括基座31及通过至少一根支撑柱32安装于基座31上表面的顶撑板33，基座31由连接为一体的基底311和机盖312组成，基底311的直径小于机盖312的直径。

为了保证安装在顶撑板33上的部件的稳定性，本方案优选在基座31的同一圆周面上至少等间距安装有两根支撑柱32，不过支撑柱32的数量越多，稳定性就越好。

如图1至图4所示，行走机构包括至少两个行走轮6、至少两个传动装置5及设置在基座31上的动力装置7和至少两个位置调整装置4。动力装置7为电动机，其也可以选用变频电机。

如图1至图3所示，动力装置7的输出轴一端穿过顶撑板33与设置于顶撑板33上的传动装置5连接，行走轮6安装在传动装置5上；机器人在行走时，将动力装置7输出的动力传递给传动装置5，传动装置5再带动行走轮6旋转，以实现机器人的运动。

如图1、图3和图4所示，在本发明的一个实施例中，传动装置5包括至少两块支撑板51和安装于输出轴端部的主动锥齿轮52，支撑板51等间距地安装在顶撑板33上，支撑板51上设置有相对其旋转的传动轴53，每个支撑板51上活动安装有两块倾斜向下的连接块54；

主动锥齿轮52与传动轴53上的从动锥齿轮55配合，配对的两块连接块54上转动连接有多根具有传动齿轮58的传动杆56，相邻两个传动齿轮58相互啮合；邻近支撑板51的传动杆56上设置有与传动轴53上的从动锥齿轮55啮合的传动锥齿轮57，行走轮6安装于远离支撑板51的传动杆56上。

其中，传动轴53和传动杆56均通过轴承安装在相应的支撑板51或连接块54上；当支撑板51设置有两个时，可以只设置一根传动轴53，这样设置后，与主动锥齿轮52配合的从动锥齿轮55配合设置于传动轴53的中部，与传动锥齿轮57啮合的从动锥齿轮55分别设置于传动轴53的两端。

当支撑板51至少设置三个时，传动轴53的数量与支撑板51的数量相等，此时，每根传动轴53的两端各设置一个与主动锥齿轮52和传动锥齿轮57配合的从动锥齿轮55；多个支撑板51的设置，可以设置更多的行走轮6，这样以最终确保机器人运动的稳定性。

在进行动力传递时，动力装置7将旋转力传递给主动锥齿轮52，并通过主动锥齿轮52依次传递给从动锥齿轮55、传动锥齿轮57、传动齿轮58，传动齿轮58带动位于传动杆56上的行走轮6运动。

实施时，本方案优选连接块54通过铰链活动安装在支撑板51上，这样连接块54可以相对支撑板51旋转，在管道直径变小时，活动连接的连接块54与位置调整装置4同步运动，可以大幅度增大机器人自适应于管道的直径，具体地说，可以使机器人适应于更小的直径管道。

如图1和图3所示，位置调整装置4包括安装于基座31上的支撑杆41，支撑杆41由下至上依次活动套设有伸缩簧42和滑套43，支撑杆41端部设置有限制滑套43滑离的限位件44；滑套43上转动连接的连杆45与安装行走轮6的传动杆56旋转连接。

如图2所示，为了提高连杆45与传动杆56之间连接的稳定性，可以将连杆45的端部设置呈“匚”字形的连接架451，在连接架451的侧壁上开设有供传动杆56穿过的安装孔，其中的行走轮6位于连接架451的三个侧壁形成的槽体内。

当机器人运动的管道出现直径变小时，可以通过管道壁对行走轮6的挤压，通过行走轮6将力传递给安装其的传动杆56，传动杆56再将力传递给连杆45，连杆45带动滑套43对伸缩簧42进行压缩，缩小两个行走轮6的相对距离；

当机器人运动的管道直径变大时，由于伸缩簧42恢复形变时的力能够带着滑套43、连杆45、传动杆56和行走轮6依次运动，以使行走轮6紧贴管壁，以最终使机器人自适应于不同直径的管道。

如图3所示，实施时，本方案的限位件44可以包括设置于远离基座31的支撑杆41端部的螺纹441和与螺纹441配合限制滑套43滑离的螺母42；限位件44的设置可以避免伸缩簧42恢复形变时将滑套43弹离支撑杆41。

另外，限位件44采用螺纹441和螺母42组成的结构后，在机器人进入管道工作之前，工作人员可以根据现场管道的直径通过调整螺母42，对机器人适应的管道尺寸进行调整。

如图3所示，清洗机构1包括安装在基座31下表面的动力部11(驱动电机)，动力部11的输出轴与一清洗轴13连接，清洗轴13上固定连接有轴套14；轴套14上转动连接有至少一根活动杆15(活动杆15通过铰链安装于轴套14上)，活动杆15的自由端连接有清洗刷16；清洗轴13与活动杆15之间设置有调整活动杆15与清洗杆间间距的间距调节装置17。

实施时，为了保证清洗刷16在清洗管道内壁时，清洗刷16始终与管道内壁接触，可以将清洗刷16设置呈与机器人的中轴线大致平行。

在进行管道内壁清洗时，当管道直径变小时，来自于管道壁的压力传递给清洗刷16，压力通过清洗刷16传递给活动杆15、之后传递给间距调节装置17，通过间接调节装置调整活动杆15的展开角度。

如图3所示，间距调节装置17包括清洗轴13下端固定的呈长条形的限位部171，限位部171上套设有滑动套172，限位部171上套设有分别与滑动套172和清洗轴13连接的限位弹簧173。设置限位弹簧173和滑动套172后，在管道直径发生变化时，可以通过压缩限位弹簧173或限位弹簧173恢复形变时的力，使清洗刷16自适应于不同直径的管道。

如图1至图3所示，管道清洁机器人还包括至少两个等间距设置在基座31外表面的辅助行走装置2，辅助行走装置2包括连接杆21，连接杆21上套设有相对连接杆21滑动的滑动轴套22和弹簧23；连接杆21上的弹簧23两端分别与基座31和滑动轴套22连接，滑动轴套22上转动连接有转动轮24。

辅助行走装置2一直紧贴管道内壁行走的工作原理也主要是通过管道壁压缩弹簧23的力及弹簧23恢复形变时的力来实现的，此处就不再赘述。

基座31的基底311下表面通过4个螺栓螺母连接有支撑架12，动力部11的输出轴穿过支撑架12与清洗轴13连接。支撑架12的作用为支撑驱动电机的输出轴，保证对心稳定性，驱动电机的输出轴与清洗轴13用联轴器连接。

该管道清洁机器人还包括机器人控制端，机器人控制端包括控制模块及分别与控制模块连接的压力传感器和电源模块；压力传感器设置于清洗刷16上，动力装置7和动力部11均通过电源模块与控制模块连接。

其中，控制模块为stm32f205zet6最小系统，压力传感器的型号为HX711，电源模块的型号为明纬NES-100-24，动力装置和动力部的型号可以选用信达XD-37GB520或一帆科技37GB-545。

压力传感器能够采集清洗刷16与管道壁之间的压力，控制模块可通过反馈的压力调整动力部11输出的动力，以调整清洗刷16的旋转速度，以最终保证管道壁的清洁度。

实施时，本方案优选管道清洁机器人还包括手持控制端，手持控制端包括主控制芯片及与主控制芯片连接的电源模块、输入模块、显示屏、无线收发模块；

机器人控制端还包括与控制模块连接的照明灯、图像采集模块和无线通信模块；图像采集模块(CCD摄像机)和照明灯均设置于管道清洁机器人的前端，具体地，图像采集模块安装在动力部11所在面的基底311上，照明灯设置在清洗轴13的自由端；主控制芯片通过无线收发模块、无线通信模块与控制模块进行通信。

其中，主控制芯片为stm32f205zet6最小系统，显示屏的型号为LCD1602，图像采集模块的型号为狼蛛LZ-G2016，无线收发模块的型号为XL24L01-D01，无线通信模块的型号为泰利特GPRS无线通信模块GE864-QUAD-ATEX。

机器人控制端的电源模块、控制模块和无线传输模块均可以设置在基座31上；其中的动力装置7和动力部11优选通过驱动电路与控制模块连接。

在机器人清洗作业过程中，配合安装在驱动电机前端的清洗轴13上的照明灯，机器人通过安装在基底311上的图像采集模块，将采集的管道内的图像信息通过控制模块转换后发送主控制芯片；

主控制芯片提取图像信息进行处理，估算机器人相对于管道的坐标以及管道半径，再将管道内部环境进行多参数、高仿真度的现实模拟,在显示屏上显示管道灰层堆积情况和破损情况。

操作者依据相关的信息以及压力传感器、温度传感器和湿度传感器反馈的信息，进行管道内作业的进度安排及机器人的操控。

机器人控制端采用ROS机器人操作系统，利用RO软件平台构建机器人系统的灵活性、易用性和功能丰富等特点，使得管道清洁机器人的系统能够方便的移植到其他应用中去，扩大了本发明的使用范围和使用价值。

实施时，本方案优选机器人控制端还包括与控制模块连接的温度传感器(其型号可以选用DS18B20)和湿度传感器(其可以选用Honeywell公司的HIH-3602)，温度传感器和湿度传感器可以设置在机器人任一机械部件的外表面。

设置机器人控制端后，当间距调节装置17包括限位部171时，限位部171为与控制模块连接的电动伸缩杆。压力传感器结合电动伸缩杆，可以使清洗刷16始终与管壁紧密贴合，确保旋转一周即可对相应管壁所有部位一次清洁。

综上所述，本方案的机器人用于管道清洁时，在管道中能够无干涉地通过弯道，遇到变径管时能够自主变径，在进行清洁作业中能够旋转一周对所有部分一次性清洁，并且能够通过图像采集模块采集图像信息进行实时监控。