CN106862195A - 一种可变结构的通风管道清扫机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变结构的通风管道清扫机器人，包括车体、行走驱动装置、管径自适应调整装置、清扫装置、检测装置、助行装置、主控盒，主控盒与行走驱动装置、管径自适应调整装置、清扫装置、检测装置和助行装置均线路连接并控制其运动。本发明的有益效果是：多自由度的清扫臂增加了清洁范围；云台有利于摄像头的转动，增加了视角范围；麦克纳姆轮均独立驱动，可实现任意方向的移动，提高了机器人的灵活性和避障能力；自适应调整机构的设置，提高了机器人适应管径变化的能力，而且配合安装在车体之上的助行装置，更有效的保证了行进的稳定性；通过视觉传感器和测距传感器引导机器人完成检测和清扫任务，智能化程度较高。

Description

一种可变结构的通风管道清扫机器人

技术领域

本发明涉及一种可变结构的通风管道清扫机器人。

背景技术

密布在大型商场、地铁、楼宇等大量通风、空调管道，经过长年使用，聚集了大量的细菌、尘土、纤维等污染物，长期下来会对室内人员造成严重的身体危害。由于管道的尺寸限制，人工清扫需要对管道进行拆卸，不仅效率低，而且也会造成严重污染，重者损害人身健康。随着经济的发展和科技的进步，管道清扫机器人作为一种特殊的服务性移动机器人已进入人们的视线，得到了越来越多的重视和应用。

目前，大多数管道清扫机器人只能在特定管径的直管中使用，而现实中除了直管，还有T形管，弯管等管径不一的管道。因此大多数管道机器人存在以下问题：1.管径适应性较差；2.针对T型管，弯管等复杂的管道，机器人避障能力较差，灵活性不突出；3.行进不平稳，容易发生翻车。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：基于上述问题，本发明提供一种可变结构的通风管道清扫机器人。

本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是：一种可变结构的通风管道清扫机器人，包括车体、用于行走的行走驱动装置、管径自适应调整装置、清扫装置、检测装置、助行装置、主控盒，行走驱动装置安装于车体下方，管径自适应调整装置安装于车体和行走驱动装置之间，清扫装置安装于车体前进方向的前端上，检测装置安装于车体前进方向的前端上和车体四周，助行装置安装于车体前进方向的后端上，主控盒与行走驱动装置、管径自适应调整装置、清扫装置、检测装置和助行装置均线路连接并控制其运动。

进一步地，行走驱动装置包括行走轮、行走轮驱动电机，各个行走轮由行走轮驱动电机独立驱动以实现转向，行走轮为麦克纳姆轮，四个行走轮分布于车体下方的四个角。

进一步地，管径自适应调整装置包括滑动丝杆、滑块、第一连杆和第二连杆，滑动丝杆安装于车体的底表面，滑动丝杆两端与车体下方两端的挡板固定，滑动丝杆表面对称设置有螺旋方向相反的第一螺纹段和第二螺纹段，第一螺纹段和第二螺纹段上分别安装有一个滑块，行走轮与相邻滑块通过第一连杆铰接，第二连杆位于第一连杆的外侧，第二连杆的上下端分别与挡板、第一连杆中部铰接，滑动丝杆的端部设有调距电机，滑动丝杆与调距电机传动连接，转动滑动丝杆能使左右两个滑块相互靠近或者远离，从而带动车体上升或者下降。

进一步地，清扫装置包括设于车体上的支撑座、端部铰接于支撑座上的清扫臂、安装于清扫臂顶部的柔性清扫毛刷，清扫臂的顶端设有驱动柔性清扫毛刷转动的双轴驱动电机，清扫臂的下方设有支撑组件，支撑组件包括丝杆、螺母和支撑杆，丝杆平行设置于清扫臂的下方，螺母套设于丝杆上，支撑杆的上下端分别铰接于螺母外侧和支撑座下侧面，丝杆的两端分别设有连接于清扫臂下表面两端的升降电机和轴承。

进一步地，检测装置包括设于车体前进方向前端的云台、安装在云台上的摄像头、设于摄像头两侧的照明灯以及安装于车体四周的红外线传感器和超声波传感器。

进一步地，助行装置包括固定座、安装于固定座上表面的电动推杆、固定在电动推杆顶端的支座、均匀固定在支座上表面的四根竖直的滑轨、活动套设于滑轨顶端的支座滑块、安装在支座滑块顶部的万向轮，固定座安装在车体前进方向的后端上，支座滑块底表面开设有四个供滑轨顶端穿进的通孔，支座滑块与支座之间的滑轨外表面套设有弹簧，弹簧的上下端部分别抵接支座滑块下表面和支座上表面。

进一步地，主控盒包括内置的传感器控制板、运动控制板、清扫臂位姿控制板，主控盒有线或无线连接有远程监控装置，传感器控制板能够采集摄像头提供的视觉信息及红外/超声波传感器提供的测距信息，并处理后发送至远程监控装置，清扫臂位姿控制板能对清扫臂的位姿进行控制，传感器控制板、运动控制板和清扫臂位姿控制板通过CAN总线相连接。

本发明的有益效果是：多自由度的清扫臂增加了清洁范围；云台的设置有利于摄像头的转动，增加了视角范围；车体四角的麦克纳姆轮均独立驱动，通过转速和转向的相互配合可实现任意方向的移动，提高了机器人的灵活性和避障能力；自适应调整机构的设置，提高了机器人适应管径变化的能力，而且配合安装在车体之上的助行装置，更有效的保证了行进的稳定性；另外，通过视觉传感器和测距传感器引导机器人完成检测和清扫任务，智能化程度较高。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是机器人的结构示意图一；

图2是机器人的结构示意图二；

图3是机器人的结构示意图三；

图4是助行装置结构示意图；

图5是车轮的结构示意图；

图6是车轮的运动状态图；

图7是机器人控制系统结构图；

图8是机器人避障系统控制流程图；

图9是机器人运动方向判断流程图；

其中：1.车体，2.行走轮，4.支撑座，5.清扫臂，6.柔性清扫毛刷，7.云台，8.摄像头，9.照明灯，10.滑动丝杆，11.第一连杆，12.第二连杆，13.滑块，14.调距电机，15.行走轮驱动电机，17.丝杆，18.螺母，19.支撑杆，21.棍子，22.中心连接件，31.固定座，32.电动推杆，33.支座，34.滑轨，35.弹簧，36.支座滑块，37.万向轮。

具体实施方式

现在结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。

如图1-3所示的一种可变结构的通风管道清扫机器人，包括车体1、用于行走的行走驱动装置、管径自适应调整装置、清扫装置、检测装置、助行装置、主控盒，行走驱动装置安装于车体1下方，管径自适应调整装置安装于车体1和行走驱动装置之间，清扫装置安装于车体1前进方向的前端上，检测装置安装于车体1前进方向的前端上和车体1四周，助行装置安装于车体1前进方向的后端上，主控盒与行走驱动装置、管径自适应调整装置、清扫装置、检测装置和助行装置均线路连接并控制其运动。

行走驱动装置包括行走轮2、行走轮驱动电机15，各个行走轮2由行走轮驱动电机15独立驱动以实现转向，行走轮2为麦克纳姆轮，四个行走轮2分布于车体1下方的四个角。每个麦克纳姆轮均包括中心连接件22、多个棍子21。利用行走轮之间转速和转向的相互配合就可实现车体在前行、横移、斜行、旋转等多方向上的运动，如图5示。棍子材料采用橡胶，不仅能增加与管壁的摩擦力，而且还能保证行走轮与管道充分接触，提升运动平稳性和控制精度。

管径自适应调整装置包括滑动丝杆10、滑块13、第一连杆11和第二连杆12，滑动丝杆10安装于车体1的底表面，滑动丝杆10两端与车体1下方两端的挡板固定，滑动丝杆10表面对称设置有螺旋方向相反的第一螺纹段和第二螺纹段，第一螺纹段和第二螺纹段上分别安装有一个滑块13，行走轮2与相邻滑块13通过第一连杆11铰接，第二连杆12位于第一连杆11的外侧，第二连杆12的上下端分别与挡板、第一连杆11中部铰接，滑动丝杆10的端部设有调距电机14，滑动丝杆10与调距电机14传动连接，转动滑动丝杆10能使左右两个滑块13相互靠近或者远离，从而带动车体上升或者下降。

滑动丝杆上的螺纹段分别与滑块配合，转动滑动丝杆能使左右两个滑块相互靠近或者远离，从而带动车体上升或者下降。当管道的内径变大时，调距电机带动滑动丝杆转动，左右两个滑块相互远离而带动车体上升。当管道的内径变小时，调距电机带动滑动丝杆转动，左右两个滑块相互靠近而带动车体下降。由此，管径自适应调整装置能够很好的适应管道内径的变化。

清扫装置包括设于车体1上的支撑座4、端部铰接于支撑座4上的清扫臂5、安装于清扫臂5顶部的柔性清扫毛刷6，清扫臂5的顶端设有驱动柔性清扫毛刷6转动的双轴驱动电机，清扫臂5的下方设有支撑组件，支撑组件包括丝杆17、螺母18和支撑杆19，丝杆17平行设置于清扫臂5的下方，螺母18套设于丝杆17上，支撑杆19的上下端分别铰接于螺母18外侧和支撑座4下侧面，丝杆17的两端分别设有连接于清扫臂5下表面两端的升降电机和轴承。当升降电机驱动丝杆17转动时，螺母18沿丝杆17轴线前后移动。螺母18的移动从而带动支撑杆19上下摆动，以此来调整清扫臂5的高度。

检测装置包括设于车体前进方向前端的云台7、安装在云台7上的摄像头8、设于摄像头8两侧的照明灯9以及安装于车体四周的红外线传感器和超声波传感器。云台可水平转动355°，垂直转动10°，摄像头8为防尘摄像头，照明灯9为防尘照明灯，照明灯可随摄像头转动，一则为摄像机提供光源，二则避免出现盲区。通过设置可水平、垂直移动的防尘摄像头，可实现对管道内部环境全方位的检测。防尘摄像头设于车体前端边缘，避免干扰到清扫装置，也防止清扫臂等遮挡。所述的红外传感器安装在车体的四周，两侧及尾部的红外传感器用于检测车体与管壁的安全距离。超声波传感器设于车体前端，结合前端的红外传感器用于检测前方弯道和障碍物的距离。

如图4示，助行装置包括固定座31、安装于固定座31上表面的电动推杆32、固定在电动推杆32顶端的支座33、均匀固定在支座33上表面的四根竖直的滑轨34、活动套设于滑轨34顶端的支座滑块36、安装在支座滑块36顶部的万向轮37，固定座31安装在车体1前进方向的后端上，支座滑块36底表面开设有四个供滑轨34顶端穿进的通孔，支座滑块36与支座33之间的滑轨34外表面套设有弹簧35，弹簧35的上下端部分别抵接支座滑块36下表面和支座33上表面。助行装置能够与管壁的上表面进行支撑，可辅助车体在弯道、倾斜管道等复杂环境中平稳行走。

如图7示，主控盒包括内置的传感器控制板、运动控制板、清扫臂位姿控制板，主控盒有线或无线连接有远程监控装置，传感器控制板能够采集摄像头8提供的视觉信息及红外/超声波传感器提供的测距信息，并处理后发送至远程监控装置，清扫臂位姿控制板能对清扫臂的位姿进行控制，传感器控制板、运动控制板和清扫臂位姿控制板通过CAN总线相连接。运动控制板能实时采集行走轮驱动电机反馈的转速信号和电流信号，实现双闭环控制，从而对车体四角的麦克纳姆轮进行转速和转向的协同控制，使车体能够完成全方位移动。因此机器人能够灵活的在复杂的管道内行走。

摄像头获取的图片信息经过处理后可得到障碍物的长度和高度，最后结合测距传感器获取障碍物的第三维信息。红外/超声波传感器能够实时地检测车体四周与管壁的距离，当距离小于安全距离时，控制系统自动对车体位姿进行调整，防止车体与管壁碰撞。当检测到前方有T型管、弯管等障碍物时，控制系统自动对车体四角的麦克纳姆轮进行差速控制，利用行走轮之间转速和转向的相互配合就可实现车体全方位转向，从而灵活的避开障碍物。由此，针对复杂的管道具有良好的灵活转向能力和避障能力。

如图8示，利用视觉传感器和测距传感器信息的融合对障碍物进行检测。先通过超声波传感器和红外传感器融合实现障碍物距离的检测，然后用视觉传感器结合软件实现障碍物大小在二维尺寸上的测量，最后完成机器人避障。

如图9示，通过红外/超声波传感器测量的距离信息和视觉传感器获得的图片信息，对障碍物的距离和大小进行判断，进而控制行走轮的运动，避开障碍物，防止碰撞。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种可变结构的通风管道清扫机器人，其特征是：包括车体、用于行走的行走驱动装置、管径自适应调整装置、清扫装置、检测装置、助行装置、主控盒，行走驱动装置安装于车体下方，管径自适应调整装置安装于车体和行走驱动装置之间，清扫装置安装于车体前进方向的前端上，检测装置安装于车体前进方向的前端上和车体四周，助行装置安装于车体前进方向的后端上，主控盒与行走驱动装置、管径自适应调整装置、清扫装置、检测装置和助行装置均线路连接并控制其运动。

2.根据权利要求1所述的一种可变结构的通风管道清扫机器人，其特征是：所述的行走驱动装置包括行走轮、行走轮驱动电机，各个行走轮由行走轮驱动电机独立驱动以实现转向，行走轮为麦克纳姆轮，四个行走轮分布于车体下方的四个角。

3.根据权利要求1所述的一种可变结构的通风管道清扫机器人，其特征是：所述的管径自适应调整装置包括滑动丝杆、滑块、第一连杆和第二连杆，滑动丝杆安装于车体的底表面，滑动丝杆两端与车体下方两端的挡板固定，滑动丝杆表面对称设置有螺旋方向相反的第一螺纹段和第二螺纹段，第一螺纹段和第二螺纹段上分别安装有一个滑块，行走轮与相邻滑块通过第一连杆铰接，第二连杆位于第一连杆的外侧，第二连杆的上下端分别与挡板、第一连杆中部铰接，滑动丝杆的端部设有调距电机，滑动丝杆与调距电机传动连接，转动滑动丝杆能使左右两个滑块相互靠近或者远离，从而带动车体上升或者下降。

4.根据权利要求1所述的一种可变结构的通风管道清扫机器人，其特征是：所述的清扫装置包括设于车体上的支撑座、端部铰接于支撑座上的清扫臂、安装于清扫臂顶部的柔性清扫毛刷，清扫臂的顶端设有驱动柔性清扫毛刷转动的双轴驱动电机，清扫臂的下方设有支撑组件，支撑组件包括丝杆、螺母和支撑杆，丝杆平行设置于清扫臂的下方，螺母套设于丝杆上，支撑杆的上下端分别铰接于螺母外侧和支撑座下侧面，丝杆的两端分别设有连接于清扫臂下表面两端的升降电机和轴承。

5.根据权利要求1所述的一种可变结构的通风管道清扫机器人，其特征是：所述的检测装置包括设于车体前进方向前端的云台、安装在云台上的摄像头、设于摄像头两侧的照明灯以及安装于车体四周的红外线传感器和超声波传感器。

6.根据权利要求1所述的一种可变结构的通风管道清扫机器人，其特征是：所述的助行装置包括固定座、安装于固定座上表面的电动推杆、固定在电动推杆顶端的支座、均匀固定在支座上表面的四根竖直的滑轨、活动套设于滑轨顶端的支座滑块、安装在支座滑块顶部的万向轮，固定座安装在车体前进方向的后端上，支座滑块底表面开设有四个供滑轨顶端穿进的通孔，支座滑块与支座之间的滑轨外表面套设有弹簧，弹簧的上下端部分别抵接支座滑块下表面和支座上表面。

7.根据权利要求1所述的一种可变结构的通风管道清扫机器人，其特征是：所述的主控盒包括内置的传感器控制板、运动控制板、清扫臂位姿控制板，主控盒有线或无线连接有远程监控装置，传感器控制板能够采集摄像头提供的视觉信息及红外/超声波传感器提供的测距信息，并处理后发送至远程监控装置，清扫臂位姿控制板能对清扫臂的位姿进行控制，传感器控制板、运动控制板和清扫臂位姿控制板通过CAN总线相连接。