CN104912186A - 自适应排水管道清淤机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了自适应排水管道清淤机器人，其能解决现有排水管道清淤机器人存在的结构复杂、无法自适应管道结构的缺陷。其包括前端铰刀机构和后端行走机构，其特征在于：其还包括自适应机构，自适应机构的前端与铰刀机构通过万向节活动连接，自适应机构的后端安装后端行走机构。

Description

自适应排水管道清淤机器人

技术领域

本发明涉及机器人科学技术领域，尤其是涉及管道清淤机器人领域，具体为一种排水管道清淤机器人。

背景技术

在现代城市中排水设施必不可少，甚至成为保障城市稳定发展，人民生命财产安全的重要防线，是城市居民赖以生存的基础。因此管道堵塞、排水不畅等问题极有可能导致城市内涝进而危及居民安全。管道在使用过程中，由于各种因素的影响，会产生各种各样的管道堵塞与管道故障和损伤。如果不及时对管道进行检测、维修及清理就可能产生事故，造成不必要的损失。然而，管道所处的环境往往是不易直接达到或不允许人们直接进入的，检测及清洗难度很大。因此最有效的方法之一就是利用管道机器人来实现管道内的在线检测、维修和清理，但是现有的管道清淤机器人多存在结构复杂、无法根据管道结构进行自适应行走等问题，如公告号为CN201644462U的发明专利，其公开了一种“新型管道清淤机器人”，其结构复杂；又如公告号为CN203795580U的发明专利公开的一种排水管道清淤机器人，其只能对直径大小不变的管道进行清淤处理，适用范围小。

发明内容

本发明提供了自适应排水管道清淤机器人，其能解决现有排水管道清淤机器人存在的结构复杂、无法自适应管道结构的缺陷。

其技术方案是这样的，其包括前端铰刀机构和后端行走机构，其特征在于：其还包括自适应机构，所述自适应机构的前端与所述铰刀机构通过万向节活动连接，所述自适应机构的后端安装所述后端行走机构。

进一步的，所述自适应机构包括中间轴和三个自适应轮，所述中间轴上套装有前套筒和后套筒，并且所述前套筒与所述中间轴之间通过紧定螺钉锁紧，所述后套筒能沿所述中间轴轴向平移，所述前套筒、后套筒的外周面均径向均布设置有三个耳板，所述前套筒的三个耳板与后套筒的三个耳板位置一一对应，所述三个自适应轮分别通过各自的连杆机构与所述前套筒、后套筒的对应的耳板活动连接；

进一步的，所述连杆机构包括长连杆与短连杆，所述长连杆一端与所述自适应轮的轮轴连接，所述长连杆另一端与所述后套筒上的一个耳板可转动连接，所述短连杆的一端与所述前套筒上对应的耳板可转动连接，所述短连杆的另一端与所述长连杆的中部可转动连接；

所述中间轴的后端设有电机安装座，所述电机安装座前侧设置有壳板，所述中间轴位于所述壳板与所述后套筒之间的部分上套装有弹簧。

进一步的，所述后端行走机构包括驱动电机和三组行走轮组，所述驱动电机同轴安装于所述中间轴的电机安装座上，所述驱动电机的驱动轴上安装有驱动齿轮，所述三组行走轮组分别通过三级减速机构与所述驱动齿轮传动连接，并且所述三组行走轮组呈周向120度分布布置；

所述三级减速机构包括直齿圆柱轮齿轮、第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮，所述直齿圆柱齿轮与所述驱动齿轮啮合连接，所述第一锥齿轮安装于第一传动轴上，所述第一锥齿轮、第二锥齿轮分别安装于第二传动轴的两端，所述行走轮组的轮轴上安装有所述第三锥齿轮，所述第一锥齿轮与所述直齿圆柱齿轮啮合连接，所述第二锥齿轮与所述第三锥齿轮啮合连接；

所述三组行走机构的三级减速机构中的直齿圆柱齿轮呈周向120度分布并同时与所述驱动齿轮啮合连接；

所述第二传动轴包括轴套部与轴芯部，所述轴芯部套装于所述轴套部内，所述轴套部一端安装有所述第二锥齿轮，所述轴套部的另一端设置有挡板，所述轴套部的挡板一侧开有轴向的盲孔,所述轴芯部的一端安装所述第一锥齿轮，所述第一锥齿轮通过所述轴芯部上的台阶面轴向限位,所述轴芯部的另一端插装于所述轴套部的盲孔内并能在所述盲孔内平移，所述轴芯部外周套装有大力矩弹簧，并且所述大力矩弹簧的两端分别与所述挡板、所述轴芯部上的台阶面连接。

进一步的，所述前端铰刀机构包括铰刀驱动电机和气缸, 所述气缸安装于所述铰刀驱动电机的输出轴上,所述气缸的推杆端部安装于连杆支架,所述铰刀头机构包括铰刀支架,所述铰刀支架呈圆环状,所述铰刀支架前端沿周向均匀铰接安装有四个铰刀片,所述四个铰刀片上分别安装有一根连杆,所述连杆穿过所述呈圆环状的铰刀支架后与所述连杆支架连接；

所述铰刀支架的后端面安装于前端法兰,所述铰刀驱动电机安装于后端法兰，所述前端法兰与后端法兰之间通过外部罩壳连接，所述铰刀驱动电机、气缸位于所述罩壳内；

所述中间轴上设置有钢丝固定法兰，所述后端法兰与钢丝固定法兰之间通过斜拉钢丝连接。

与现有的清淤机器人相比较,本发明的有益效果在于：其设置的自适应机构能够自适应管道内径变化，从而保证对管道进行可靠、有效的清淤作业，同时通过自适应机构与铰刀机构活动连接，能够保证清淤机器人在管道转弯处的自动转弯行走，更加确保对管道的可靠、全面的清淤处理；另外，后端行走机构的驱动电机直接安装于自适应机构的中间轴上，使得整个清淤机器人的重心后移，保证了后端行走机构的稳定行走，进一步确保在管道内的可靠、有效清淤。

附图说明

图1为本发明自适应排水管道清淤机器人的整体示意图；

图2为本发明自适应排水管道清淤机器人的装配结构示意图；

图3为本发明自适应排水管道清淤机器人中的自适应机构的结构示意图；

图4为本发明中的自适应机构中自适应轮221的连杆机构261与前套筒23、后套筒24之间的连接传动结构示意图；

图5为本发明自适应排水管道清淤机器人中的自适应机构的中间轴示意图；

图6为本发明自适应排水管道清淤机器人中的后端行走机构的结构示意图；

图7为本发明自适应排水管道清淤机器人中的前端铰刀机构示意图。

具体实施方式

见图1，本发明自适应排水管道清淤机器人包括前端铰刀机构10、自适应机构20和后端行走机构30，自适应机构20的前端通过万向节211与铰刀机构10活动连接，自适应机构20的后端安装后端行走机构30。本申请中所说的前端是指清淤机器人在排水管道内前进方向的一侧端，后端即与前端相反方向的一侧端。

见图3，自适应机构20包括中间轴21和三个自适应轮221、222、223，中间轴21上套装有前套筒23和后套筒24，并且前套筒23与中间轴21之间通过紧定螺钉25锁紧从而保证前套筒23与紧定螺钉25之间既不会发生相对转动又不会发生轴向的相对移动，后套筒24能沿中间轴21轴向平移，前套筒23均布设置有三个耳板、分别为231、232、233，后套筒24的外周面径向均布设置有三个耳板、分别为241、242、243，前套筒23的三个耳板231、232、233与后套筒的三个耳板位置241、242、243一一对应，三个自适应轮221、222、223分别通过各自的连杆机构261、262、263与前套筒、后套筒的对应的耳板活动连接；

下面以自适应轮221为例具体描述一下自适应轮221的连杆机构261与前套筒23、后套筒24之间的连接传动结构，见图4，连杆机构261包括长连杆2611与短连杆2612，长连杆2611一端与自适应轮221的轮轴连接，长连杆2611另一端与后套筒24上的耳板241可转动连接，短连杆2612的一端与前套筒23上对应的耳板231可转动连接，短连杆2612的另一端与长连杆2611的中部可转动连接；中间轴21的后端设有电机安装座27，电机27安装座前侧设置有壳板28，中间轴21位于壳板28与后套筒24之间的部分上套装有弹簧29；中间轴21的前端通过万向节211与前端铰刀机构10活动连接。

见图2和图6，后端行走机构30包括驱动电机31和三组行走轮组321、322、323（图2中，由于视角原因行走轮组323未标注），驱动电机31同轴安装于中间轴21的电机安装座27上，驱动电机31的驱动轴311上安装有驱动齿轮33，三组行走轮组分别321、322、323通过三级减速机构与驱动齿轮33传动连接，并且三组行走轮组321、322、323呈周向120度分布布置；图1中，19为驱动电机外罩，驱动电机31安装于驱动电机外罩19内；每一组行走轮组分别包含两个行走轮，两个行走轮之间通过轮轴35同轴连接，见图6；

见图6，三级减速机构包括直齿圆柱轮齿轮341、第一锥齿轮343、第二锥齿轮344和第三锥齿轮345，直齿圆柱齿轮341与驱动齿轮33啮合连接，第一锥齿轮343安装于第一传动轴346上，第一锥齿轮343、第二锥齿轮344分别安装于第二传动轴342的两端，行走轮组的轮轴35上安装有第三锥齿轮345，第一锥齿轮343与直齿圆柱齿轮341啮合连接，第二锥齿轮344与第三锥齿轮345啮合连接；三组行走机构的三级减速机构中的直齿圆柱齿轮呈周向120度分布并同时与驱动齿轮33啮合连接；

见图6，第二传动轴342包括轴套部3421与轴芯部3422，轴套部3421一端安装有第二锥齿轮344，轴套部3421的另一端设置有挡板3423，轴套部3421的挡板一侧开有轴向的盲孔,轴芯部3422的一端安装第一锥齿轮343，第一锥齿轮343通过轴芯部3422上的台阶面3425轴向限位, 轴芯部3422的另一端插装于轴套部3421的盲孔内并能在盲孔内平移，轴芯部3422外周套装有大力矩弹簧3424，并且大力矩弹簧3424的两端分别与挡板3423、轴芯部上的台阶面3425连接；

后端行走机构30工作时，驱动电机31启动，驱动轴311转动驱动三组行走轮组的三级减速机构运转，通过三级减速机构驱动三组驱动轮组转动行走；清淤管道内径变小时，后端行走机构30的三个行走轮组受压，可伸缩的第二传动轴342受压使得轴套部3421与轴芯部3422受压发生相向移动同时大力矩弹簧3424受压变形，使得第二传动轴342轴向长度缩小，实现后端行走机构的自适应效果；而当清淤管道内径变大时，大力矩弹簧3424回弹从而推动轴套部3421与轴芯部3422背向移动，使得第二传动轴342轴向长度伸长，亦实现了后端行走机构的自适应效果。

前端铰刀机构10包括铰刀头11、铰刀驱动电机13和气缸12, 见图7，气缸12安装于铰刀驱动电机13的输出轴上131,铰刀头11包括铰刀支架111,铰刀支架111呈圆环状,铰刀支架111前端沿周向均匀铰接安装有四个铰刀片112,四个铰刀片112上分别安装有一根连杆113,连杆113穿过呈圆环状的铰刀支架111后与连杆支架16连接；

铰刀支架111的后端面安装于前端法兰114上,铰刀驱动电机13安装于后端法兰132，前端法兰114与后端法兰132之间通过外部罩壳18连接，铰刀驱动电机13、气缸12位于外部罩壳18内；

中间轴21的前端通过万向节211与前端法兰114活动连接；中间轴21上设置有钢丝固定法兰210，后端法兰132与钢丝固定法兰210之间通过斜拉钢丝17连接；铰刀头11的四个铰刀片112在闭合状态下（即在非清淤状态下）不与排水管道内壁接触，因而铰刀头受自重影响并在万向节211的作用下整体向下垂坠而损坏，而斜拉钢丝17的设置能够有效拉紧前端铰刀头机构10防止其在非清淤状态下垂坠损坏；另外，由于斜拉钢丝17本身具有一定的抗扭性能，因此斜拉钢丝17不会影响前端铰刀头机构10与自适应机构20在万向节211的作用下发生扭转。

下面具体描述下本发明的工作的具体动作过程：将本发明清淤机器人整体放入待清淤作业管道内，启动后端行走机构30的驱动电机31以及前端铰刀机构10的铰刀驱动电机13，驱动电机31经由三组三级减速机构驱动三组行走轮组321、322、323向前滚动从而驱动清淤机器人整体在管道内前行，气缸12动作使得气缸12的推杆向前伸出从而推动连杆支架16及安装于连杆支架16上的各根连杆113向前顶出，各连杆113向前顶出的同时推动各铰刀刀片112展开，在各铰刀刀片112展开的同时铰刀驱动电机13动作带动气缸12以及铰刀头11转动，从而实现清淤机器人在管道内前行的同时铰刀头11同步转动清淤；在管道清淤过程中，当遇到管径变化时，自适应机构20通过其连杆机构与弹簧29的压缩和回弹作用配合实现自适应；由于前端铰刀机构10与自适应机构10之间是通过万向节211连接，因此在遇到管道转弯处前端铰刀机构10与自适应机构20之间在万向节211的作用下发生适应性扭转，从而带动自适应机构20和后端行走机构30顺利通过管道转弯处。

Claims (10)

1.自适应排水管道清淤机器人，其包括前端铰刀机构和后端行走机构，其特征在于：其还包括自适应机构，所述自适应机构的前端与所述铰刀机构通过万向节活动连接，所述自适应机构的后端安装所述后端行走机构。

2.根据权利要求1所述的自适应排水管道清淤机器人，其特征在于：所述自适应机构包括中间轴和三个自适应轮，所述中间轴上套装有前套筒和后套筒，并且所述前套筒与所述中间轴之间通过紧定螺钉锁紧，所述后套筒能沿所述中间轴轴向平移，所述前套筒的外周面均径向均布设置有三个耳板，后套筒的外周面均径向均布设置有三个耳板，所述前套筒的三个耳板与后套筒的三个耳板位置一一对应，所述三个自适应轮分别通过各自的连杆机构与所述前套筒、后套筒的对应的耳板活动连接。

3.根据权利要求2所述的自适应排水管道清淤机器人，其特征在于：所述连杆机构包括长连杆与短连杆，所述长连杆一端与所述自适应轮的轮轴连接，所述长连杆另一端与所述后套筒上的一个耳板可转动连接，所述短连杆的一端与所述前套筒上对应的耳板可转动连接，所述短连杆的另一端与所述长连杆的中部可转动连接。

4.根据权利要求3所述的自适应排水管道清淤机器人，其特征在于：所述中间轴的后端设有电机安装座，所述电机安装座前侧设置有壳板，所述中间轴位于所述壳板与所述后套筒之间的部分上套装有弹簧。

5.根据权利要求2所述的自适应排水管道清淤机器人，其特征在于：所述后端行走机构包括驱动电机和三组行走轮组，所述驱动电机同轴安装于所述中间轴的电机安装座上，所述驱动电机的驱动轴上安装有驱动齿轮，所述三组行走轮组分别通过三级减速机构与所述驱动齿轮传动连接，并且所述三组行走轮组呈周向120度分布布置。

6.根据权利要求5所述的自适应排水管道清淤机器人，其特征在于：所述三级减速机构包括直齿圆柱齿轮、第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮，所述直齿圆柱齿轮与所述驱动齿轮啮合连接，所述第一锥齿轮安装于第一传动轴上，所述第一锥齿轮、第二锥齿轮分别安装于第二传动轴的两端，所述行走轮组的轮轴上安装有所述第三锥齿轮，所述第一锥齿轮与所述直齿圆柱齿轮啮合连接，所述第二锥齿轮与所述第三锥齿轮啮合连接，所述三组行走机构的三级减速机构中的直齿圆柱齿轮呈周向120度分布并同时与所述驱动齿轮啮合连接。

7.根据权利要求6所述的自适应排水管道清淤机器人，其特征在于：所述第二传动轴包括轴套部与轴芯部，所述轴芯部套装于所述轴套部内，所述轴套部一端安装有所述第二锥齿轮，所述轴套部的另一端设置有挡板，所述轴套部的挡板一侧开有轴向的盲孔,所述轴芯部的一端安装所述第一锥齿轮，所述第一锥齿轮通过所述轴芯部上的台阶面轴向限位,所述轴芯部的另一端插装于所述轴套部的盲孔内并能在所述盲孔内平移，所述轴芯部外周套装有大力矩弹簧，并且所述大力矩弹簧的两端分别与所述挡板、所述轴芯部的台阶面连接。

8.根据权利要求2所述的自适应排水管道清淤机器人，其特征在于：所述前端铰刀机构包括铰刀驱动电机和气缸, 所述气缸安装于所述铰刀驱动电机的输出轴上,所述气缸的推杆端部安装有所述万向节,所述万向节通过螺钉安装有连杆支架,所述铰刀头机构包括铰刀支架,所述铰刀支架呈圆环状,所述铰刀支架前端沿周向均匀铰接安装有四个铰刀片,所述四个铰刀片上分别安装有一根连杆,所述连杆穿过所述呈圆环状的铰刀支架后与所述连杆支架连接。

9.根据权利要求8所述的自适应排水管道清淤机器人，其特征在于：所述铰刀支架的后端面安装于前端法兰上,所述铰刀驱动电机安装于后端法兰，所述前端法兰与后端法兰之间通过外部罩壳连接，所述铰刀驱动电机、气缸位于所述罩壳内。

10.根据权利要求9所述的自适应排水管道清淤机器人，其特征在于：所述中间轴上设置有钢丝固定法兰，所述后端法兰与钢丝固定法兰之间通过斜拉钢丝连接。