CN110496836A - 仿壁虎通风管道清扫机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿壁虎通风管道清扫机器人，包括四足行走单元及吸附单元、具有适应圆形和方形管道的清扫装置及作为壁虎躯干的主体单元，行走单元采用对称式结构，吸附单元主要包括微型泵和电磁换向阀；主体单元包括躯干部；清扫装置包括伸缩杆、清扫刷与旋转套。为实现清扫机器人在封闭管道里自主运动和避障，所设计的清扫机器人还配置了测距传感器和单目视觉摄像机以获取管道内部环境信息，利用计算机对采集的图像进行分析处理，进而依据图像处理获得的信息结合测距信息来实现清扫机器人的自主避障，并依据图像检测结果确定机器人清扫方式。本发明除能完成对水平通风管道清扫外，还可以完成对竖直通风管道的清扫。

Description

仿壁虎通风管道清扫机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是一种应用于石油化工、动力工程、民用建筑等行业的仿壁虎通风管道清扫机器人。

背景技术

石化工业、动力工程等领域中使用的通风管道较多而且比较集中，众所周知的是，经长时间使用后的通风管道内部会集聚大量的灰尘、污垢等，进而衍生大量的细菌，这会极大地影响通风管道的通风性能，更严重的是细菌随送风系统吹进室内，污染室内的空气、传播疾病，严重影响人们身心健康。人群长期处于这样的环境空间里，易患呼吸道疾病，出现头晕、乏力，免疫力下降等状况，还容易感染皮肤病。因此，对通风管道的定期清扫是非常必要的。

早期大多采用机械、人工和机器人三种方式进行通风管道清洗和清扫，但由于通风管道的结构复杂，大小不一，若采用人工清洗，不仅效率低、成本高，还存在一定的安全隐患。所以对其进行清扫非人力所能及的。

在通风管道机器人清扫领域，对移动机器人研究已经较多，但结合仿生学研究来设计能够实现水平和垂直通风管道及复杂通风管道自主运动的仿壁虎通风管道清扫机器人的研究目前还未见报道，壁虎具有灵活性强、能够适应各种粗糙壁面三维运动的特点，也具有能够适应复杂多变的风管环境的重要特点。尤其是在管径较小或者垂直通风管道工作环境下，常用的管道清扫机器人很难完成清扫任务，而仿壁虎清扫机器人能够完成此类复杂的任务。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种结构简单、运动灵活、控制容易、适应能力强的仿壁虎通风管道清扫机器人，不仅能完成对水平管道的清扫，还能完成一般清扫机器人无法实现的对竖直管道的清扫作业。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种仿壁虎通风管道清扫机器人，具有主体单元、行走单元、吸附单元、清扫单元以及监控单元，其中：

主体单元：具有采用柔性杆件制作的躯干部；

行走单元：包括对称设在躯干部四角端并与躯干部活动连接的支腿，所述支腿底部铰接有脚掌；

吸附单元：具有与脚掌连接可吸附或脱离管道内壁的吸盘；

清扫单元：通过固定套安装在所述躯干部前端，包括旋转套，旋转套内设有可沿旋转套轴向移动的底盘，旋转套前方设有通过旋转实现清扫管道的清扫刷，底盘上连接有曲柄，清扫刷后端铰接有伸缩杆，旋转套与伸缩杆之间设有摇杆，摇杆后端与曲柄铰接，伸缩杆可调节与摇杆内孔配合连接，摇杆中部与旋转套前端活动连接；

监控单元：包括用于检测管道内障碍物的测距传感器、用于识别管道环境状况的单目视觉摄像机以及设在脚掌上防止机器人碰撞后在管道中卡死或损伤的触觉传感器。

对于圆形管道的清扫，所述的清扫单元包括设在固定套内驱动旋转套转动的第一电机，旋转套内安装有驱动底盘沿旋转套轴线移动的第二电机，旋转套前端具有周向均布的三个外凸夹板，所述外凸夹板通过销轴活动连接三个摇杆，三个摇杆分别通过伸缩杆轴向铰接有三个由旋转套带动旋转的清扫刷。

对于矩形管道的清扫，所述的清扫单元包括安装在旋转套内驱动底盘沿旋转套轴线移动的第二电机，位于旋转套前端具有周向均布的四个外凸夹板，所述外凸夹板通过销轴活动连接四个摇杆，所述摇杆上分别通过伸缩杆连接有电机座，电机座上安装有第三电机，第三电机两端的输出轴分别传动连接有清扫刷，所述的清扫刷呈矩形分布。

为实现支腿动作，所述的行走单元的每条支腿上均安装三个直流伺服电机，其中，安装在躯干部的直流伺服电机控制支腿的下落或抬起，安装在支腿上的两个直流伺服电机控制支腿的伸腿或收腿动作。

进一步地，所述的吸附单元包括安装在躯干部后端的微型泵，微型泵通过导气管连接有电磁换向阀，电磁换向阀通过导气管连接吸盘。

具体说，所述的测距传感器包括若干超声波传感器和若干红外线传感器，所述的超声波传感器安装于清扫单元的旋转套前端，所述红外传感器安装于所述躯干部的两侧及前端。

所述的躯干部后端固定有保持机器人行走平衡的尾翼。

本发明的有益效果是：

1、本发明基于仿生学原理，采用四足壁虎的机械结构，通过控制十二个直流伺服电机，采用对角步态，实现仿壁虎机器人的动作控制，实现仿生清扫机器人在管道内的灵活行走。

2、本发明采用的清扫单元，既能清扫圆形管道，也能清扫矩形管道；无论对圆形还是方形管道，通过相关调整机构，可以使该仿生机器人来适应不同管径管道的清扫，实现适应不同管径的、可变清扫机构的功能。

3、本发明可通过单目视觉摄像机，实现对管道环境的识别和管道内污染物及污染程度的检测，以实现机器人的自主避障和自主清扫。

4、本发明通过测距传感器完成机器人前方的测距，采用触觉传感器可以防止机器人在管道中卡死或碰撞损伤，以保护机器人的工作安全可靠。

5、本发明的清扫单元设计及仿生清扫机器人可改善传统管道清理工人的工作环境，提高管道清扫的自动化和智能化程度，降低成本，也能清扫管道的污染死角，大大降低由于管道污染而带来的危害。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明所述主体单元躯干部的结构示意图。

图3是本发明所述清扫单元中圆形清扫装置的结构示意图。

图4是圆形清扫装置的前视图。

图5是本发明所述清扫单元中方形清扫装置的结构示意图。

图6是本发明所述吸附单元的结构示意图。

图7是本发明所述监控单元的结构示意图。

图8是本发明的步态运动示意图。

图中：1.躯干部，2.尾翼，3.支腿，4.脚掌，5.直流伺服电机，6.吸盘，7.微型泵，8.电磁换向阀，9.导气管，10.固定套，11.旋转套，12.底盘，13.清扫刷，14.曲柄，15.伸缩杆，16.摇杆，17.第二电机，18.第一电机，19.外凸夹板，20.电机座，21.第三电机，22.超声波传感器，23.红外线传感器，24.单目视觉摄像机，25.照明灯，26.触觉传感器。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1～图8所示，一种仿壁虎通风管道清扫机器人，包括主体单元、行走单元、吸附单元、清扫单元以及监控单元。

主体单元：具有躯干部1，所述躯干部1采用柔性杆件制作，材料为铝合金，以利于机器人在运动中扭动，比较容易控制，可减轻机器人自身重量，更有助于清扫机器人在垂直通风管道内的清扫，位于的躯干部1后端固定有保持机器人行走平衡的尾翼2。

行走单元：包括分设在躯干部1四角端的四条支腿3，所述支腿3与躯干部1活动连接，所述支腿3构成对称式布置的四足行走机构，位于支腿3底部铰接有脚掌4；每条支腿3上均配备有三个直流伺服电机5而使支腿3具有三个自由度，通过控制直流伺服电机5来实现支腿3的步态运动，结合吸附单元完成清扫机器人仿壁虎的爬行运动。

其中一个直流伺服电机5安装在靠近支腿3内侧的躯干部1上，负责实现支腿3在垂直平面内的旋转，从而控制支腿3腿关节的下落与抬起功能；另外两个直流伺服电机5安装在支腿3上组成一个二连杆机构，实现支腿3在水平面内的运动，控制支腿3的伸腿或收腿动作，从而控制清扫机器人在管道内向前移动。

吸附单元：具有与脚掌4连接可吸附或脱离管道内壁的吸盘6、微型泵7以及电磁换向阀8，微型泵7安装在躯干部1后端，微型泵7通过导气管9连接电电磁换向阀8，电磁换向阀8通过导气管9连接吸盘6。

所述电磁换向阀8为二位四通结构，微型泵7的抽气口连接电磁换向阀8的进气口，而微型泵7的排气口则与电磁换向阀8的出气口相连，接着从电磁换向阀8的另一端出来分成两路，两路的连接方式是一样的，以其中一路为例进行说明：该路导气管9与一个三通气管连接头相连，再分成两路通过导气管9与躯干部1对角线上的吸盘6相连，从而控制对角线方向脚掌4的吸附与脱离功能，当微型泵7进行抽气时，此时电磁换向阀8的阀芯处于左线圈得电状态，电磁换向阀8下方的左端口为进气，右端口为出气口，使得躯干部1右上方与左下方脚掌4下的两个吸盘6牢固吸附在管道内壁上，而躯干部1右下方与左上方脚掌4下的两个吸盘6则处于脱离状态，进行机器人向前运动的一系列动作；当电磁换向阀8的阀芯右线圈得电时，则与上一个状态相反，微型泵7控制躯干部1右下方与左上方脚掌4下的两个吸盘6处于吸附状态，另外两只脚掌4的吸盘6在充气，从而脱离管道内壁进行向前的运动，如此往复，最终实现机器人的吸附运动行走功能。

清扫单元：通过固定套10安装在所述躯干部1前端，包括旋转套11，旋转套11内设有可沿旋转套11轴向移动的底盘12，旋转套11前方设有通过旋转实现清扫管道的清扫刷13，底盘12上连接有曲柄14，清扫刷13后端铰接有伸缩杆15，旋转套11与伸缩杆15之间设有摇杆16，摇杆16后端与曲柄14铰接，伸缩杆15可调节与摇杆16内孔配合连接，摇杆16中部与旋转套11前端活动连接。旋转套11内安装有驱动底盘12沿旋转套11轴线移动的第二电机17，底盘12的轴向移动，通过曲柄14带动摇杆16摆动，进而实现清扫刷13作直径方向的张开或收拢，通过第二电机17控制清扫刷13的伸缩，从而满足了清扫不同管径内壁的要求。

所述清扫单元可分为圆形管道的圆形清扫装置和清扫矩形管道的方形清扫装置。

其中圆形清扫装置，包括设在固定套10内设有驱动旋转套11转动的第一电机18，第一电机18是通过齿轮啮合传动实现旋转套11的旋转运动；在旋转套11前端具有周向均布的三个轴向槽口，所述轴向槽口两侧分别外凸板，所述外凸板构成一个外凸夹板19，每个外凸夹板19的两块外凸板之间通过销轴活动连接一个摇杆16，摇杆16连接伸缩杆15，伸缩杆15伸入摇杆16内孔内，摇杆16上开有若干轴向间距分布的销孔，可以选择不同的销孔位置安装伸缩杆15，以调节伸缩杆15长短，适应不同的管路，清扫刷13与伸缩杆15之间通过球铰链相连，利用球铰链的灵活转动，以满足清扫管道时清扫刷13能够完全贴附在管道上，提高清扫效率，更适合机器人在圆形管道中行走。

清扫时，第一电机18带动旋转套11作旋转运动，使得周向均布的三个清扫刷13处于旋转状态而清扫管道内壁，第二电机17使得清扫刷13作直径方向的张开或收拢，第一电机18和第二电机17互相配合，实现了对不同管径管道内壁的清扫，适应性强且清扫效率高。

方形清扫装置：与上述圆形清扫装置不同之处在于旋转套11是固定不动的，而清扫刷13部分的结构为：位于旋转套11前端具有周向均布的四个外凸夹板19，每个外凸夹板19通过销轴活动连接一个摇杆16，所述摇杆16上分别通过伸缩杆15连接有电机座20，电机座20上安装有第三电机21，第三电机21两端的输出轴分别传动连接清扫刷13，清扫刷13呈上下左右的矩形分布状。

清扫时，同样由第二电机17带动清扫刷13作直径方向的张开或收拢，使清扫刷13与管道内壁贴合，再由第三电机21驱动清扫刷13旋转来实现对管道内壁的清扫。

监控单元：包括用于检测管道内障碍物的测距传感器，所述的测距传感器包括若干超声波传感器22和若干红外线传感器23，所述的超声波传感器22安装于清扫单元的旋转套11前端，与安装在躯干部1前端的红外线传感器23相互配合完成机器人前方的测距；安装于所述躯干部1两侧的红外传感器23用于测量躯干部1与两侧管壁的距离。

用于识别管道环境状况的单目视觉摄像机24安装在躯干部1前端，单目视觉摄像机24旁还设有照明灯25，清扫机器人在管道内行走且遇到前方有障碍物时，单目视觉摄像机24与照明灯25可观察到障碍物，并将信息传送至计算机，从而实现及时的避障，以保证清理工作的正常进行。

对应在每个脚掌4上端面外侧，均设置有防止机器人碰撞后在管道中卡死或损伤的触觉传感器26。

如图8所示，所述清扫机器人的支腿3运动是通过单片机控制的，单片机通过PWM波形来控制舵机的转角大小，实现机器人的步态控制。

以下以足A、足B、足C、足D代表清扫机器人的四条支腿3，说明清扫机器人的步态运动，图中黑点表示该支腿3吸附于管道内壁，白点表示该支腿3脱离管道内壁。

步骤如下：

(1)初始状态：机器人四足处于与管壁面吸附状态；

(2)足B、足D与管道壁面脱离，足A、足C吸附于管道内壁处于支撑状态；

(3)足B、足D抬起，然后向前摆动，同时处于支撑状态的足A、足C向后摆动，驱使机器人的躯干部1向前移动；

(4)足B、足D落下与管道壁面吸附，此时足A、足B、足C、足D均处于支撑状态；

(5)足A、足C抬起与管道壁面脱离，此时足B、足D处于支撑状态；

(6)足A、足C抬起，然后向前摆动，同时处于支撑状态的足B、足D向后摆动，驱使机器人的躯干部1向前移动；

(7)足A、足C落下吸附于管道壁面，此时足A、足B、足C、足D均处于支撑状态。

如此往复，实现了清扫机器人在管道内模仿壁虎行走的运动功能。

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)

1.一种仿壁虎通风管道清扫机器人，具有主体单元、行走单元、吸附单元、清扫单元以及监控单元，其特征是：

主体单元：具有采用柔性杆件制作的躯干部；

行走单元：包括对称设在躯干部四角端并与躯干部活动连接的支腿，所述支腿底部铰接有脚掌；

吸附单元：具有与脚掌连接可吸附或脱离管道内壁的吸盘；

清扫单元：通过固定套安装在所述躯干部前端，包括旋转套，旋转套内设有可沿旋转套轴向移动的底盘，旋转套前方设有通过旋转实现清扫管道的清扫刷，底盘上连接有曲柄，清扫刷后端铰接有伸缩杆，旋转套与伸缩杆之间设有摇杆，摇杆后端与曲柄铰接，伸缩杆可调节与摇杆内孔配合连接，摇杆中部与旋转套前端活动连接；

监控单元：包括用于检测管道内障碍物的测距传感器、用于识别管道环境状况的单目视觉摄像机以及设在脚掌上防止机器人碰撞后在管道中卡死或损伤的触觉传感器。

2.如权利要求1所述的仿壁虎通风管道清扫机器人，其特征是：所述的清扫单元包括设在固定套内驱动旋转套转动的第一电机，旋转套内安装有驱动底盘沿旋转套轴线移动的第二电机，旋转套前端具有周向均布的三个外凸夹板，所述外凸夹板通过销轴活动连接三个摇杆，三个摇杆分别通过伸缩杆轴向铰接有三个由旋转套带动旋转的清扫刷。

3.如权利要求1所述的仿壁虎通风管道清扫机器人，其特征是：所述的清扫单元包括安装在旋转套内驱动底盘沿旋转套轴线移动的第二电机，位于旋转套前端具有周向均布的四个外凸夹板，所述外凸夹板通过销轴活动连接四个摇杆，所述摇杆上分别通过伸缩杆连接有电机座，电机座上安装有第三电机，第三电机两端的输出轴分别传动连接有清扫刷，所述的清扫刷呈矩形分布。

4.如权利要求1所述的仿壁虎通风管道清扫机器人，其特征是：所述的行走单元的每条支腿上均安装三个直流伺服电机，其中，安装在躯干部的直流伺服电机控制支腿的下落或抬起，安装在支腿上的两个直流伺服电机控制支腿的伸腿或收腿动作。

5.如权利要求1所述的仿壁虎通风管道清扫机器人，其特征是：所述的吸附单元包括安装在躯干部后端的微型泵，微型泵通过导气管连接有电磁换向阀，电磁换向阀通过导气管连接吸盘。

6.如权利要求1所述的仿壁虎通风管道清扫机器人，其特征是：所述的测距传感器包括若干超声波传感器和若干红外线传感器，所述的超声波传感器安装于清扫单元的旋转套前端，所述红外传感器安装于所述躯干部的两侧及前端。

7.如权利要求1所述的仿壁虎通风管道清扫机器人，其特征是：所述的躯干部后端固定有保持机器人行走平衡的尾翼。