CN100427226C - 一种通风管道清污机器人 - Google Patents

Abstract

一种多功能集成的通风管道清污机器人，属于管道清洁设备技术领域。为了解决现有解决清扫机械功能单一，成本高的问题，本发明公开了一种多功能集成的通风管道清污机器人，以轮式移动机器人为载体、具有微型摄像头和机械操作臂，并携带工具头，其特征在于：所述机器人一侧的前端和后端分别设有与机器人侧壁垂直的红外测距传感器，机器人的车体内部安装有倾斜计，倾斜计的安装平面与机器人的车座底面平行；所述机器人的机械操作臂的自由度为3个，所述机器人通过快换接口换接清扫工具头、吸尘工具头和喷雾工具头。本发明比人工清污的效率高，成本低，能够解决我国在这方面长期依赖国外设备的局面，并比国外同类产品便宜和具有更多的功能。

Description

一种通风管道清污机器人

技术领域

本发明涉及清污机器人，尤其涉及适用于建筑工程内通风管道的清污机器人，属于管道清洁设备技术领域。

背景技术

密布在建筑工程内部的大量通风、空调管道经过常年运行，聚集了大量的室内环境污染物以及病菌、尘土、纤维等杂物，长期下来室内人员会产生偏头痛、易于疲劳、口干、烦躁等空调病症状，并使呼吸道疾病的发病率提高了3倍。若不定期及时对管道进行清理将造成吸入的清洁空气在管道内与残留污物形成混浊气体，造成再次污染。对于通风管道的清扫与除尘，国内一些单位采用人工清扫的办法，更多的是没有进行清扫。国外欧美等发达国家由专门的清扫公司负责清扫，公司拥有成熟的清污机器人产品，例如，丹麦的Danduct公司和瑞典的Wintclean Air公司的清污机器人。但这些清污机器人结构比较简单，不能同时配备清洁刷，吸尘头和喷雾/清洗。本发明除具有CCD摄像头，清扫工具头外，还有吸尘工具头，喷雾工具头。

国外的一篇巴西专利(申请日为2000年2月9日，专利号为：BR200000339-A)介绍的清洁系统，与本发明相似。该专利采用的是履带式结构，只具有CCD摄像头和清扫工具头。采用履带式的结构的缺点就是不适合在圆形管道中行走。本发明采用轮式结构，适用于圆形管道和矩形管道工作，而且本发明安装有红外测距传感器和倾斜计，确保在圆形管道和矩形管道中的机器人保持正确的运行状态。

国内有一个实用新型专利“全自动清扫机器人”，申请日为1999年9月15日，专利申请号为99234964.8，它包括一个吸尘器，以及用于驱动该吸尘器移动的行走装置，和电控部分组成，和本专利相差甚远，没有清扫工具头和喷雾工具头，也不具有和机器人本体之间的快换接口。

发明内容

为了解决现有解决清扫机械功能单一，成本高的问题，本发明提供了一种通风管道清污机器人，以轮式移动机器人为载体、具有微型摄像头和机械操作臂，并携带工具头，其特征在于：所述机器人一侧的前端和后端分别设有与机器人侧壁垂直的红外测距传感器，机器人的车体内部安装有倾斜计，倾斜计的安装平面与机器人的车座底面平行；所述机器人的机械操作臂的自由度为3个，所述机器人配有清扫工具头、吸尘工具头和喷雾工具头；所述机械操作臂臂杆的前端通过能手动紧定的铰链结构与托架连接，下端通过蜗轮蜗杆传动机构与步进电机输出轴相连接；所述清扫工具头和喷雾工具头通过快换接口与所述托架相连接，吸尘工具头通过快换接口与机器人尾部相连接。

本发明所述的清扫工具头与机器人连接的第一快换接口设置在所述机械操作臂前端的下侧，所述第一快换接口采用正方形对称设计，在正方形每边处采用弹性卡口连接，在正方形中心处采用销轴-销孔连接。

本发明所述喷雾工具头与机器人连接的第二快换接口设置在所述机械操作臂前端的上侧，所述第二快换接口在两侧分别采用弹性卡口连接，中部采用销轴-销孔连接。

本发明所述吸尘工具头与机器人的第三快换接口由设置在机器人上的带铆钉头的挂钉和设置在吸尘工具头上的三角形孔组成。

本发明所述的机器人通过快换接口同时安装清扫工具头、吸尘工具头和喷雾工具头。

本发明所述的机器人通过快换接口同时安装清扫工具头和吸尘工具头。

本发明所述的机械操作臂的臂杆由可相对轴向运动的内外两节圆管套接而成的，外管端部设有手动的紧定开关，内管外表面设有三根筋条，外管内表面设有相配合的防转动的三个凹槽。

本发明所述步进电机输出轴的另一端设有可手动调节机械操作臂角度的手动旋钮。

本发明能够对建筑工程中的通风管道：圆形风管，直径400～1000mm；矩形风管，宽400～1000mm，高300～700mm进行清扫、吸尘、喷雾作业。本发明不仅代替人在恶劣环境下的劳动，还比人工清污的效率高，成本低，能够解决我国在这方面长期依赖国外设备的局面，并比国外同类产品便宜和具有更多的功能。

按照本发明试制的样机在现场作业表明：对于符合作业范围的通风管道清扫效果明显；清扫之后，进行了吸尘，能把落在管道内下表面的灰尘吸干净；喷雾作业时，雾化效果也特别好。

附图说明

图1是本发明通过快换接口同时安装清扫工具头、吸尘工具头和喷雾工具头的结构图。

图2是本发明通过快换接口同时安装清扫工具头和喷雾工具头的结构图。

图3是本发明中清洁工具头和机器人本体之间快换接口的正视图。

图4是本发明中清洁工具头和机器人本体之间快换接口的俯视图

图5是本发明中传感器安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明是一种多功能集成的通风管道清污机器人，以轮式移动机器人1为载体，具有对通风管道进行探测、清扫、吸尘、喷雾消毒的功能。机器人通过快换接口换接清扫工具头、吸尘工具头或喷雾工具头。清扫工具头与机器人连接的第一快换接口6设置在机械操作臂2前端的下侧，喷雾工具头与机器人连接的第二快换接口7设置在机械操作臂前端的上侧，吸尘工具头与机器人的第三快换接口8由设置在机器人上的带铆钉头的挂钉和设置在吸尘工具头上的“△”形孔组成。

在机械操作臂前端的上侧可以安装喷雾工具头3，对通风管道进行喷雾作业；在机械操作臂前端的下侧可以安装清扫工具头4，对通风管道内壁进行清扫。在机器人的尾部，可以安装吸尘工具头5，对通风管道进行吸尘作业。机器人通过快换接口可以同时安装清扫工具头、吸尘工具头和喷雾工具，如图1所示，也可以只同时安装其中的两个，如图2所示，也可以只安装其中的一个。在机器人的前面安装了两个微型CCD摄像头9和两个照明灯10，通过有线电缆和管外的彩色监视器相连接。通过彩色监视器，可以很清晰的看见管壁的污浊程度，也能监视机器人在管内的作业情况。

机器人采用遥操作的控制方式，在管道外的远程控制端，通过有线电缆把远程控制计算机和清污机器人相连接。按照国际常见的通风管道施工标准，每隔30米有一个出风口，所以本发明中的电缆线长度为40米，扣除管道出口与远程控制箱之间的距离，本发明可以连续作业30米，满足标准通风管道的清污要求。清扫作业之前，选择合适尺寸的清洁刷安装在清洁工具头上，清扫工具头安装在机械操作臂的托架的下侧，调整好工具头的高度，对于矩形管道，调整到整个管道高度的一半；对于圆形管道，调整到管道的轴线位置。然后通过操作远程计算机控制机器人进行清扫作业。吸尘作业的目的是把撒落在下壁面上的灰尘吸走。通过塑料管把吸尘工具头与管外的大功率吸尘器连接，机器人拖动电缆和塑料管在管道内进行吸尘作业。通过耐压水管把喷雾工具头和管道外的高压喷雾机相连接，机器人拖动电缆和耐压水管在管道内行进喷雾作业。

为适应狭窄管道，机器人结构紧凑，体积小、重量轻。材料选用硬铝，既减轻机器人的重量，又能保证在恶劣环境工作时不生锈。机器人本体为伺服电机和运动控制卡等电器提供一个密封仓。驱动车轮的轴承采用防水轴承，车体内和车体外所有的电气关系通过防水航空接插件连接，因此机器人具有防水功能。控制系统采用的是上下位机两层控制结构，上位机为管外远程控制端的计算机，下位机为安装在机器人上的运动控制卡。上位机与下位机之间通过RS232串口通讯。上位计算机提供图形化的人机界面，操作者通过它能够了解机器人的作业信息并发布作业命令。下位机实现PID控制和对传感器采集的数据进行虑波。

为了适应不同截面尺寸的管道，本发明具有可升降的机械操作臂2。机械操作臂采用高强度的碳纤维复合材料制造，具有手臂俯仰、伸缩和前端托架上下摆动共3个自由度。机械操作臂的臂杆由可相对轴向运动的内外两节圆管套接而成的，外管端部设有手动的紧定开关，内管外表面设有三根筋条，外管内表面设有相配合的防转动的三个凹槽，机械操作臂臂杆的前端通过铰链结构与托架连接，下端通过蜗轮蜗杆传动机构与步进电机输出轴连接。机械操作臂在垂直平面内的俯仰通过步进电机驱动蜗轮-蜗杆，带动手臂旋转，实现机械操作臂前端的上升与下降，并具有自锁功能。步进电机输出轴的另一端设有手动旋钮14，可以通过这个旋钮手动转动步进电机来调整机械操作臂在垂直平面内的俯仰。安装在机械操作臂前端的托架可以在垂直平面内转动，用于调整工具头是否水平，手动调整合适位置后右旋紧定旋钮15把托架固定。具体实施时，根据需要清扫的通风管道尺寸，首先调整机械操作臂的长度：对于矩形通风管道，机械操作臂伸长到清洁刷的刷毛不碰到照明灯10为止；对于圆形通风管道，为了增加清洁工具头的稳定性，机械操作臂尽量缩短，但是转动时，刷毛不能碰到机器人的前部，然后把工具头调整水平。

如图3和图4所示，清扫工具头与机器人连接的第一快换接口6采用正方形对称设计，同一个清扫工具头，旋转90°安装就可以由清扫矩形管道转换成清扫圆形管道，或者由清扫圆形管道转换成清扫矩形管道。在清洁工具头上有四个插头17，在机器人的机械操作臂前端的下面有四个插槽16，都是成正方形对称分布。插头和插槽之间采用过盈配合，但插槽的两侧壁有一定的弹性，这样使插拔需要一定的力气。在接口的中心位置的圆柱插销18有两个作用：一是方便在插拨时快速对准位置，二是在清扫过程中如果碰到障碍防止清洁工具头脱落。第二快换接口在两侧分别采用弹性卡口连接，中部采用销轴-销孔连接喷雾工具头和机器人之间的快换接口7由两个弹性卡口和一个销轴组成。吸尘工具头与机器人的第三快换接口在机器人的尾部。机器人的尾部有一个铆钉式的挂钉8，吸尘工具头的接口处有一个“△”形的插孔，吸尘工具头可以很方便地挂上和卸走。

本发明能够实现基于多传感器信息的智能化控制。如图5所示，在机器人靠近前端的左侧面安装有前测距传感器11，靠近后端的左侧面安装有后测距传感器12，它们都与机器人的侧壁19垂直，根据传感器测得的机器人与通风管道侧壁的距离，计算机器人此时与矩形通风管道侧壁的偏角，根据这个偏角实时调整行驶方向使机器人尽量与侧壁保持平行。机器人的车体内部安装有倾斜计13，倾斜计的安装平面与机器人的车座底面平行。对于圆形管道，通过倾斜计感知机器人在管道中的倾斜情况，能够实时地把机器人与水平面的夹角转化成数字信号，传给机器人的控制计算机，根据这些信息实时调整行驶方向，使机器人在管道中保持水平，即保持了正确的运行姿态。

Claims (8)

1.一种通风管道清污机器人，以轮式移动机器人为载体、具有微型摄像头和机械操作臂，并携带工具头，其特征在于：所述机器人一侧的前端和后端分别设有与机器人侧壁垂直的红外测距传感器，机器人的车体内部安装有倾斜计，倾斜计的安装平面与机器人的车座底面平行；所述机器人的机械操作臂的自由度为3个，所述机器人配有清扫工具头、吸尘工具头和喷雾工具头；所述机械操作臂臂杆的前端通过能手动紧定的铰链结构与托架连接，下端通过蜗轮蜗杆传动机构与步进电机输出轴相连接；所述清扫工具头和喷雾工具头通过快换接口与所述托架相连接，吸尘工具头通过快换接口与机器人尾部相连接。

2.根据权利要求1所述的通风管道清污机器人，其特征在于：所述清扫工具头与机器人连接的第一快换接口设置在所述机械操作臂前端的下侧，所述第一快换接口采用正方形对称设计，在正方形每边处采用弹性卡口连接，在正方形中心处采用销轴-销孔连接。

3.根据权利要求1所述的通风管道清污机器人，其特征在于：所述喷雾工具头与机器人连接的第二快换接口设置在所述机械操作臂前端的上侧，所述第二快换接口在两侧分别采用弹性卡口连接，中部采用销轴-销孔连接。

4.根据权利要求1所述的通风管道清污机器人，其特征在于：所述吸尘工具头与机器人的第三快换接口由设置在机器人上的带铆钉头的挂钉和设置在吸尘工具头上的三角形孔组成。

5.根据权利要求1所述的通风管道清污机器人，其特征在于：所述机器人通过快换接口同时安装清扫工具头、吸尘工具头和喷雾工具头。

6.根据权利要求1所述的通风管道清污机器人，其特征在于：所述机器人通过快换接口同时安装清扫工具头和吸尘工具头。

7.根据权利要求1所述的通风管道清污机器人，其特征在于：所述机械操作臂的臂杆由可相对轴向运动的内外两节圆管套接而成的，外管端部设有手动的紧定开关，内管外表面设有三根筋条，外管内表面设有相配合的防转动的三个凹槽。

8.根据权利要求7所述的通风管道清污机器人，其特征在于：所述步进电机输出轴的另一端设有可手动调节机械操作臂角度的手动旋钮。

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