管道内壁清扫机器人的制作方法

本发明属于管道清洁设备技术领域，更具体地说，是涉及一种管道内壁清扫机器人。

背景技术：

管道是用于输送气体、液体或带固体颗粒的流体的装置，用途很广泛，主要用在给水、排水、供热、供煤气、长距离输送石油和天然气、农业灌溉、水力工程和各种工业装置中。

管道存放一段时间后内壁会附着灰尘，对于较短的管道，工作人员可直接手持带有毛刷的长杆对管道内壁进行清扫；对于较长的管道或弯曲管道，手持式毛刷清洁的方式难以实现，通常在管道端部放置吸尘器吸出灰尘，或在管道端部放置风机吹出灰尘，但对于较长管道和弯曲管道内壁的顽固灰尘均不能彻底清除。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种管道内壁清扫机器人，旨在解决较长管道或弯曲管道内壁顽固灰尘难以清除的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种管道内壁清扫机器人，包括：

风机，外侧罩设有防护壳；

两个连接块，分别通过第一弹簧安装于所述防护壳的两侧，所述连接块周向均匀安装有多个弹性支腿，所述弹性支腿的末端设有由第一电机驱动的滚轮，多个所述滚轮分别通过多个弹性支腿用于抵靠在所述管道内壁上；

两个清洁头，分别设置在两个所述连接块远离所述风机的一侧，所述清洁头周向安装有多个用于清扫管道内壁毛刷；

两个驱动机构，分别安装于所述防护壳的两侧，且分别位于两个所述第一弹簧内，两个所述驱动机构分别用于驱动所述清洁头旋转。

进一步地，所述管道内壁清扫机器人还包括：

两个端盖，分别设置在所述清洁头的末端，所述端盖上用于安装摄像头。

进一步地，所述清洁头包括：

第一连接部，转动设置所述连接块远离所述第一弹簧的一端；

第二连接部，插接于所述第一连接部远离所述连接块的一端；

第三连接部，插接于所述第二连接部远离所述第一连接部的一端，所述端盖设置在所述第三连接部远离所述第二连接部的一端；

多个连接弹簧，分别用于连接所述第一连接部和所述连接块，用于连接所述第一连接部和所述第二连接部；

所述第一连接部、所述第二连接部和所述第三连接部的周向开设有多个用于安装毛刷的安装孔。

进一步地，所述弹性支腿包括：

套管，固定设置在所述连接块的侧壁上；

支撑杆，穿设于所述套管内，所述滚轮安装在所述支撑杆远离所述套管的一端；

第二弹簧，设置在所述套管内，靠近所述连接块的一侧，用于顶靠所述支撑杆。

进一步地，所述弹性支腿还包括：

滑块，设置在所述支撑杆穿入所述套管的一端，滑动设置于所述套管内；

挡环，设置在所述套管靠近所述支撑杆的一端，用于阻挡所述滑块滑出所述套管。

进一步地，所述套管为矩形管，所述滑块为与所述套管内腔匹配的矩形块。

进一步地，所述驱动机构包括：

控制箱，固定设置在所述防护壳的一侧；

第二电机，安装于所述控制箱内；

传动组件，连接所述第二电机的驱动端与所述清洁头，用于驱动所述清洁头旋转。

进一步地，所述传动组件包括：

多个传动节，轴向串联，位于两端的所述传动节分别连接所述第二电机的驱动端和所述清洁头；

所述传动节的两端均设有十字梁，轴向设有多个用于连接两端的所述十字梁末端连杆，所述传动节的一个所述十字梁位于相邻所述传动节的两个所述十字梁之间，且所述传动节的一个所述连杆位于相邻所述传动节的相邻两个所述连杆之间。

进一步地，所述控制箱内还设有：

第一绕线轮，转动设置在所述控制箱内；

多个第一牵引线，一端固定绕设于所述第一绕线轮的中轴上，另一端分别贯穿同一所述连接块的多个所述套管，并连接在所述支撑杆靠近所述连接块的一端，用于带动所述支撑杆压缩所述第二弹簧；

第二绕线轮，转动设置在所述控制箱内；

第二牵引线，一端固定绕设于所述第二绕线轮的中轴上，另一端依次贯穿所述连接块同侧的多个所述传动节和所述清洁头连接所述端盖，用于带动所述端盖压缩多个所述连接弹簧。

进一步地，所述弹性支腿的末端安装有与所述弹性支腿长度方向垂直的支架，所述滚轮可转动的设置在所述支架的中部，所述支架的两端设有向所述连接块的一侧弯折的弯折部，两个所述弯折部上转动设有辅助轮。

本发明提供的管道内壁清扫机器人的有益效果在于：与现有技术相比，本发明管道内壁清扫机器人，本装置在多个滚轮的带动下移动，在管道内部行进，无需人工手持，本装置在弯曲管道内行进时，两个第一弹簧可依照管道的走向自身弯折，使本装置能够顺利的弯曲管道内行进，利用旋转的多个毛刷清除管道内壁顽固的灰尘，同时配合风机将清除后遗留在管道内壁的灰尘吹出管道。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的管道内壁清扫机器人的结构示意图；

图2为图1的爆炸图；

图3为本发明实施例提供的管道内壁清扫机器人的弹性支腿的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的管道内壁清扫机器人的连接块、弹性支腿及清洁头部分的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的管道内壁清扫机器人的风机及驱动机构的结构示意图一；

图6为本发明实施例提供的管道内壁清扫机器人的风机及驱动机构的结构示意图二；

图7为本发明实施例提供的管道内壁清扫机器人的控制器的控制图；

图8为本发明实施例提供的管道内壁清扫机器人的工作流程图。

图中：1、风机；2、防护壳；3、连接块；4、第一弹簧；5、弹性支腿；501、套管；502、支撑杆；503、第二弹簧；504、滑块；505、挡环；6、第一电机；7、滚轮；8、清洁头；801、第一连接部；802、第二连接部；803、第三连接部；804、连接弹簧；805、安装孔；9、驱动机构；901、控制箱；9011、第一绕线轮；9012、第二绕线轮；902、第二电机；903、传动组件；9031、传动节；10、端盖；11、支架；12、辅助轮。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现对本发明提供的管道内壁清扫机器人进行说明。请参阅图1和图2，管道内壁清扫机器人，包括风机1、防护壳2、连接块3、第一弹簧4、弹性支腿5、滚轮7、清洁头8和驱动机构9。

风机1外侧罩设有防护壳2；两个连接块3分别通过第一弹簧4安装于防护壳2的两侧，连接块3周向均匀安装有多个弹性支腿5，弹性支腿5的末端设有由第一电机6驱动的滚轮7，多个滚轮7分别通过多个弹性支腿5用于抵靠在管道内壁上；两个清洁头8分别设置在两个连接块3远离风机1的一侧，清洁头8周向安装有多个用于清扫管道内壁毛刷；两个驱动机构9分别安装于防护壳2的两侧，且分别位于两个第一弹簧4内，两个驱动机构9分别用于驱动清洁头8旋转。

防护壳2为圆筒状，风机1通过风扇电机安装在防护壳2内，风扇电机可带动风机1正反转，风机1位于防护壳2中心位置，防护壳2的周向壳体内安装蓄电池，与驱动风机1转动风扇电机连接，用于为该风扇电机提供电能，防护壳2的两端还设有防护网，用于保护风机1，防止杂物进入防护壳2影响风机1转动。

连接块3为多面体棱柱，内部中空且远离第一弹簧4的一端开放，第一弹簧4的一端焊接固定在防护壳2的一端，另一端焊接于连接块3的端面上，弹性支腿5共八个，每个连接块3上均匀分布有四个，分为四个前段电机和四个后段电机分别安装在连接块3的周向，均穿入连接块3内并与连接块3固定。

弹性支腿5远离连接块3的一端焊接固定有第一电机6，第一电机6的驱动端连接有滚轮7，滚轮7为麦克纳姆轮，能够实现全方位移动，类似万向轮的功能，是由许多位于机轮周边轮轴与中心轮组成，这些成角度的周边轮轴把一部分的机轮转向力转化到一个机轮法向力上面。依靠各自机轮的方向和速度，这些力的最终合成在任何要求的方向上产生一个合力矢量从而保证了这个平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不改变机轮自身的方向。在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑移。当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，是很成功的一种全方位轮。弹性支腿5利用自身的弹性将滚轮7抵靠在管道内部上，第一电机6驱动滚轮7转动，多个滚轮7可以更灵活方便的实现全方位移动功能，从而本装置在管道内可实现各个方向的移动。

清洁头8插接在连接块3上，可根据管道内径的大小在清洁头8的周向安装多个适合长度的毛刷，使毛刷抵靠在管道内部上，安装在防护壳2两侧的驱动机构9分别驱动清洁头8转动，从而带动安装多个毛刷转动。

本发明提供的管道内壁清扫机器人，与现有技术相比，本发明管道内壁清扫机器人，本装置在多个滚轮7的带动下移动，在管道内部行进，无需人工手持，本装置在弯曲管道内行进时，两个第一弹簧4可依照管道的走向自身弯折，使本装置能够顺利的弯曲管道内行进，利用旋转的多个毛刷清除管道内壁顽固的灰尘，同时配合风机1将清除后遗留在管道内壁的灰尘吹出管道。

作为本发明的一种具体实施方式，请参阅图1和图2，管道内壁清扫机器人还包括端盖10。

两个端盖10分别设置在清洁头8的末端，端盖10上用于安装摄像头。本实施例中，端盖10为棱锥壳体结构，与清洁头8安装的一端设有连接杆，连接杆插接于清洁头8内，端盖10的外侧安装有摄像头，用于观测管道内的情况，及时发现管道内影响本装置行进的异物，如小动物、石块或粘稠杂物等，避免本装置难以清除的异物损坏本装置或影响本装置正常运行，同样的，端盖10的外侧还可以安装照明灯，用于照亮管内空间，保证摄像头的清晰度。

作为本发明的一种具体实施方式，请参阅图4，清洁头8包括第一连接部801、第二连接部802、第三连接部803、连接弹簧804和安装孔805。

第一连接部801转动设置在连接块3远离第一弹簧4的一端；第二连接部802插接于第一连接部801远离连接块3的一端；第三连接部803插接于第二连接部802远离第一连接部801的一端，端盖10设置在第三连接部803远离第二连接部802的一端；多个连接弹簧804分别用于连接第一连接部801和连接块3，用于连接第一连接部801和第二连接部802；第一连接部801、第二连接部802和第三连接部803的周向开设有多个用于安装毛刷的安装孔805。本实施例中，连接块3为多节结构，包括一个与连接块3的开口端可转动配合的第一连接部801，第一连接部801与连接块3之间由深沟滚珠轴承连接,保证了第一连接部801在进行旋转工作时不影响连接块3的工作姿态。深沟滚珠轴承内环固定于连接块3，外环与第一连接部801。多个相互插接配合的第二连接部802，和一个距第一连接部801最远的第二连接部802插接配合的第三连接部803，端盖10插接安装在第三连接部803上，多个连接部自连接块3的一端尺寸逐渐减小，均为一端开放另一端封闭的棱柱结构，相互插接配合，多个连接部可实现沿中轴长度方向移动，但棱面结构会限制相邻连接部轴向转动，实现多个连接部可在驱动机构9的带动下同步转动，从而带动多个连接部上的毛刷同步转动，与管道内部不断摩擦，去除管道内壁的灰尘，相邻连接部之间通过连接弹簧804连接，可实现整个清洁头8长度方向的变化。同样的，连接部的封闭面上还开设有多个通孔，用于使风机1吹出的风通过，使风从清洁头8内部吹向外部，清除灰尘的效果更好。

作为本发明的一种具体实施方式，请参阅图3，弹性支腿5包括套管501、支撑杆502和第二弹簧503。

套管501固定设置在连接块3的侧壁上；支撑杆502穿设于套管501内，滚轮7安装在支撑杆502远离套管501的一端；第二弹簧503设置在套管501内，靠近连接块3的一侧，用于顶靠支撑杆502。本实施例中，多个套管501均匀分布在两个连接块3的外壁上，位于一个连接块3上的套管501至少有三个，保证连接块3的稳定性，多个套管501分别焊接固定并穿入连接块3内，向套管501内按压多个支撑杆502，第二弹簧503压缩，第二弹簧503可根据管道内径的大小受到的压缩不同程度而变化，使多个支撑杆502末端的滚轮7形成的外轮廓小于管道内径，同时收缩多个弹性支腿5放置于管道内，进入管道后，多个弹性支腿5在自身弹力的作用下回弹，通过弹性支腿5末端的滚轮7抵靠在管道内壁上，从而使本装置在管道内保持稳定。

作为本发明的一种具体实施方式，请参阅图3，弹性支腿5还包括滑块504和挡环505。

滑块504设置在支撑杆502穿入套管501的一端，滑动设置于套管501内；挡环505设置在套管501靠近支撑杆502的一端，用于阻挡滑块504滑出套管501。本实施例中，滑块504只能沿套管501的长度方向滑动，且滑块504不可相对于套管501转动，为多棱面滑动配合，滑块504与支撑杆502一体成型，且支撑杆502的横截面小于滑块504的横截面，能够确保滑块504沿套管501滑动时，支撑杆502不会与套管501发生干涉。此外，套管501远离连接块3的一端开口处焊接有挡环505，挡环505内孔小于滑块504外轮廓且大于支撑杆502横截面，从而保证穿入套管501内的滑块504不会从套管501内脱落。

作为本发明的一种具体实施方式，请参阅图3，套管501为矩形管，滑块504为与套管501内腔匹配的矩形块。本实施例中，滑块504与套管501相互配合，滑块504沿套管501长度方向滑动且滑块504相对于套管501轴向不会发生转动，避免本装置在管道内行走时，因支撑杆502相对于套管501转动而影响本装置在管道内的行走。

作为本发明的一种具体实施方式，请参阅图5和图6，驱动机构9包括控制箱901、第二电机902和传动组件903。

控制箱901固定设置在防护壳2的一侧；第二电机902安装于控制箱901内；传动组件903连接第二电机902的驱动端与清洁头8，用于驱动清洁头8旋转。本实施例中，控制箱901包括箱体和扣合在箱体开放端的盖体，控制箱901通过螺栓安装在防护壳2的一侧，箱体的开放端位于远离防护壳2的一侧，第二电机902通过螺栓固定在盖体内侧面，第二电机902为两个，分别为用于驱动清洁头8旋转的清扫电机，盖体内侧面的中部还安装有转动轮，第二电机902的驱动端安装有与该转动轮啮合的驱动轮，用于驱动转动轮转动，传动组件903安装在盖体的外侧面，一端连接清洁头8，另一端通过连接轴连接转动轮，驱动轮在第二电机902的驱动下转动，带动转动轮转动，从而使传动组件903转动，带动清洁头8沿连接块3周向旋转。

作为本发明的一种具体实施方式，请参阅图5，传动组件903包括多个传动节9031。

多个传动节9031轴向串联，位于两端的传动节9031分别连接第二电机902的驱动端和清洁头8；传动节9031的两端均设有十字梁，轴向设有多个用于连接两端的十字梁末端连杆，传动节9031的一个十字梁位于相邻传动节9031的两个十字梁之间，且传动节9031的一个连杆位于相邻传动节9031的相邻两个连杆之间。本实施例中，传动节9031为封闭的框架结构，相邻的传动节9031相互贯穿，传动节9031转动一定角度后，连杆抵靠在相邻传动节9031的十字梁上，从而带动相邻的传动节9031转动，多个传动节9031依次连接，可实现传动节9031轴向的转动力柔性传动。同时，相邻且相互贯穿的传动节9031内部安装有弹簧，可调节相邻传动节9031相互穿入的深度，从而带动清洁头8伸缩或伸长，多级清洁头8上的各个连接部之间连接弹簧804用于限定各相邻连接部伸缩长度，避免相邻连接部出现脱出的情况。

作为本发明的一种具体实施方式，请参阅图5，控制箱901内还设有第一绕线轮9011和第二绕线轮9012。

第一绕线轮9011转动设置在控制箱901内；多个第一牵引线的一端固定绕设于第一绕线轮9011的中轴上，另一端分别贯穿同一连接块3的多个套管501，并连接在支撑杆502靠近连接块3的一端，用于带动支撑杆502压缩第二弹簧503；第二绕线轮9012转动设置在控制箱901内；第二牵引线的一端固定绕设于第二绕线轮9012的中轴上，另一端依次贯穿连接块3同侧的多个传动节9031和清洁头8连接端盖10，用于带动端盖10压缩多个连接弹簧804。本实施例中，第一绕线轮9011和第二绕线轮9012分别转动安装于控制箱901的箱体内，位于箱体的两侧，分别通过两个横向控制电机驱动转动，在端盖10的内侧安装有十字梁，十字梁上安装深沟滚珠轴承，深沟滚珠轴承内环固定于十字梁中心上，外环上连接固定有第一牵引线的一端，第一牵引线的另一端连接第一绕线轮9011，套管501的底部开设有通孔，第一牵引线的另一端贯穿一侧的第一弹簧4、一侧的连接块3，并分成多个分线，分别贯穿套管501底部的通孔连接支撑杆502靠近连接块3的一端，分别通过两个横向控制电机驱动第一绕线轮9011转动，带动多个支撑杆502同时向套管501内压缩第一弹簧4，或沿套管501向外移动，使第一弹簧4伸长，无需同时手动向套管501内压缩支撑，杆操作方便。通过横向控制电机转动拉动第一牵引线，在第一牵引线的带动下支撑杆502同步收入套管501内，进入管道内壁后，横向控制电机反向转动，支撑杆502在第一弹簧4的弹力下，顶靠在管道内部上，从而完成本装置在管道内的安装，不必手动同时按压多个弹性支腿5，操作更加方便。第二牵引线的一端连接第二绕线轮9012，多个传动节9031的轴向开设有通孔，设有多级连接部的清洁头8轴向开设有通孔，第二牵引线的另一端贯穿多个传动节9031和多级连接部连接在端盖10的连接杆上，第二绕线轮9012分别通过两个纵向控制电机的驱动下转动，带动两端的第二牵引线回收，拉动端盖10，端盖10不断压缩多级的连接部之间的连接弹簧804，可根据管道内部灰尘和杂物的具体情况调节清洁头8长度。

作为本发明的一种具体实施方式，请参阅图1至图4，弹性支腿5的末端安装有与弹性支腿5长度方向垂直的支架11，滚轮7可转动的设置在支架11的中部，支架11的两端设有向连接块3的一侧弯折的弯折部，两个弯折部上转动设有辅助轮12。本实施例中，支架11焊接固定在弹性支腿5末端的侧壁上，用于驱动滚轮7转动的第一电机6焊接在弹性支腿5的末端，第一电机6的驱动端贯穿支架11，连接滚轮7的中轴，支架11的两个弯折部分别转动安装有辅助轮12，当管道内出现凸起或变径跳崖式变化时，滚轮7可借助两侧的辅助轮12通过。

作为本发明的一种具体实施方式，请参阅图7，为了提供本装置自动控制的功能，可选用控制器实现多个电机运行启闭和多个电机先后运行关系的控制，控制器可安装于设备本体上，分别与各个电机电连接，如风机1、防护壳2或连接块3上；也可采用无线方式连接的控制器，实现各个电机与进步电机控制器的无线连接，方便操作人员操作。

控制器选用avr中的atmega128型号单片机做为主控处理器，fpga以从处理器的模式配合主控处理器运行，fpga选用altera公司的cyclone系列ep1c6q240芯片，同时增设lcd显示屏和操作控制面板，lcd显示屏选用三菱公司10.4寸工控模组at104xh11型号显示屏，通过lcd显示屏可以随时观察管道中的实景情况，通过控制面板可以启动装置、控制机器人在管道中前进后退，以及遇到障碍时的调整等。

请参阅图8，本发明的具体运行过程，在使用本装置进行管道清扫前，测量待清扫管道的内径，根据管道内径的尺寸利用控制器控制横向调节电机，横向调节电机转动分别带动两个连接块3内的第一牵引线回收，第一牵引线向连接块3内同时拉入多个弹性支腿5，两个连接块3上的八个弹性支腿5分别收入对应的连接块3内，使多个弹性支腿5的末端轮廓小于管道内径，将本装置沿管道轴向放入管道的一端。

本装置进入管道一端的内部后，通过控制器控制横向调节电机带动第一牵引线回收放线，多个弹性支腿5在第一弹簧4的弹力作用下同时顶靠在管道内壁上，即弹性支腿5末端的滚轮7顶靠在管道内壁上，保证本装在管道内的稳定。

本装置在管道内稳定后，通过控制器控制纵向调节电机带动第二牵引线回收，第二牵引线带动端盖10压缩多级的连接部之间的连接弹簧804，从而清洁头8的整体长度变短，同样的，如果第二牵引线继续回收，第一弹簧4在清洁头8部分的压力下收缩，进一步的减少本装置的长度，通过控制器控制纵向调节电机带动第二牵引线放线，端盖10受到连接弹簧804的弹力，使端盖10向外移动，从而清洁头8的整体长度变长，纵向调节电机调节本装置的长度，本装置长度的调节可视管道内灰尘和杂物的具体情况而定，当管道内的灰尘和杂质较多时，通过纵向调节电机使清洁头8收缩，将清洁头8上的毛刷集中清扫，清扫效果更佳；当管道内的灰尘和杂质较少时，通过纵向调节电机使清洁头8伸长，将清洁头8上的毛刷分散清扫，清扫效率更高。

本装置调节合适后，通过控制器控制风扇电机先于启动，利用风机产生的风将管道内的浮尘或杂物现行吹出，避免杂物过多影响本装置的行进，同时，也可以利用风惊吓管内可能存在的小动物。之后通过控制器控制清扫电机和多个第一电机6(前段电机和后段电机)同时启动，清洁头8在清扫电机的带动下沿管道内壁转动，使毛刷不断旋转清除管道内壁的灰尘和杂物；多个第一电机6(前段电机和后段电机)启动，多个第一电机6同时带动对应的滚轮7转动，多个滚轮7转动带动本装在管道内行进，通过控制器控制第一电机6的转速实现滚轮7的转速的变化，从而实现整个装置在管道内的行进速度。

本装置在管道内行进时，两个清洁头8末端的摄像后实现传输管道内的画面，方便操作本装置的人员了解管道内的情况及时做出相应的调整。

本装置完成管道清扫到达管道另一端时，控制器控制横向调节电机，横向调节电机转动分别带动两个连接块3内的第一牵引线回收，第一牵引线向连接块3内同时拉入多个弹性支腿5，两个连接块3上的八个弹性支腿5分别收入对应的连接块3内，并与管道内壁脱离，使多个弹性支腿5的末端轮廓小于管道内径，将本装置从管道的另一端取出，从而完成整个管道的清扫作业。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。