CN110925521B - 一种管道清灰机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道清灰机器人，属于清灰管道机器人技术领域。其技术方案要点是：包括用于移动的移动载体、用于收集粉尘的集尘机构、清灰机构、用于探测管道内部的探测机构以及控制机构；驱动件、集尘机构、清灰机构以及探测机构均与控制机构电性连接；清灰机构通过升降台设置在移动载体上。本发明能够实现实时传送管道内部结垢及损坏状况图像，利用超声波测距传感器实现管道清灰机器人的弯道识别功能和壁障功能，具有较强的清洁力度且运行稳定性。

Description

一种管道清灰机器人

技术领域

本发明涉及管道清灰机器人技术领域，特别是一种管道清灰机器人。

背景技术

机器人是一种可以重复执行某种动作或某种行为的自动化机器。自动化机器的出现，解放了人类的双手，尤其在传统工业生产上，减少了大量劳动力，产生了根本性的变化，促使人类的生活、生产方式进入了智能化时代。机器人广泛应用于各行各业中，工业机器人在工业领域中被大量采用，由于生产环境和作业要求的局限性，需要具有强适应力、不同工作种类的工业机器人来进行生产作业，而高度自动化的机器人成为人类社会生产活动的主要劳动力。特种机器人在第三服务业、地下矿藏开采、海洋资源开发、医疗、农业等领域发展迅速，且具有独立形成体系的趋势。机器人逐渐丰富和拓展了人类的生活空间和工作环境，极大提高了人类探求新事物积极性、主动性和创造性。

管道作为一种物料输送的重要运输工具，在工农业生产中发挥重要作用，如在农业上作为灌溉工具，西气东输工程中的能源输送管道，生活中使用的自来水管道等，由于使用过程中管道受到输送介质的化学性腐蚀、人力不可抗拒的自然灾害以及管道自身存在缺陷的影响，发生输送物泄露导致的，如环境污染、易燃物爆炸、管道结垢等严重事故的可能性极高，为了避免这些事故的发生，需要及时对管道进行检测、维修和清洗保养，而由于管道本身所存在的局限性，传统人工维护方式无法有效进行。

特别是金属冶炼厂中烟灰输送管内自然沉淀的烟灰堆积层，必须定期进行清灰，由于普通机械除灰方式无法实现有效清灰，工厂必须停产后采用人工方式进行清灰，但管道直径过小，人无法直立，检修难度大且管道内毒性及辐射物质过多,工作环境危险性极大,金属冶炼厂每年在清灰上造成巨大经济损失。

发明内容

针对现有的技术问题，本发明的目的在于提供一种管道清灰机器人，以解决上述问题，其能够利用履带式的移动装置结合具有可伸缩清洁叶片，使其在管道内进行实现有效旋转除灰的同时能平稳移动，通过USB摄像头和Wi-Fi模块，实现实时传送管道内部结垢及损坏状况图像，利用超声波测距传感器实现管道清灰机器人的弯道识别功能和壁障功能。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种管道清灰机器人，其特征在于，包括用于移动的移动载体、用于收集粉尘的集尘机构、清灰机构、用于探测管道内部的探测机构以及控制机构；所述驱动件、集尘机构、清灰机构以及探测机构均与所述控制机构电性连接；

所述清灰机构通过升降台设置在移动载体上，所述清灰机构包括第一驱动件、齿轮件、清洁刷、第二驱动件、多组清灰铲以及转动杆、偏心轴，所述齿轮件外周侧设有齿纹且其与第一驱动件的驱动轴连接，所述清洁刷设置有两组，两组所述清洁刷呈相互平行式固定连接在齿轮件的外侧，在所述第一驱动件的驱动下使两组清洁刷发生旋转；所述清灰铲安装在车架结构的前端，多组所述清灰铲沿直线排布连接在转动杆上；所述转动杆沿其长度方向的两端通过腰型片和第二驱动件连接在移动载体两侧，所述第二驱动件通过偏心轴固定在转动杆之间，在所述第二驱动件的驱动下清灰铲能够沿转动杆轴线做圆周运动。

通过采用上述技术方案，履带式移动载体具有大抓地力，牵引力大，支撑面积大和触地压小的优势，能在管道中完成直线及各种曲线移动；利用履带式的移动载体结合具有清洁功能的清灰机构，清灰机构通过升降台设置在移动载体上，能够根据管道的高度进行调整其位置，清洁刷在第一驱动件的驱动下在管道内能够进行有效旋转实现除灰，清洁铲在第二驱动件的作用下强力清除残留在管道内壁上的难以扫落的烟灰层，从内壁上脱落的粉尘，通过集尘机构进行收集灰尘，同时在履带式移动载体的作用下能够保持平稳移动，并配合控制机构、探测机构能够使得操作人员实时观测到管道内部结垢及损坏状况图像，实现管道清灰机器人的弯道识别功能和壁障功能，提高机器人的工作效果以及耐用性。

作为优选，所述移动载体包括车架结构、两组履带式车轮以及直流减速电机，所述车架结构采用铝型制板材搭建而成，两组所述履带式车轮分别设置在车架结构的两侧，两组所述直流减速电机分别连接在两组履带式车轮上，每组所述履带式车轮包括有主动轮和两个从动轮以及套接在主动轮和从动块外周侧的履带，所述履带采用双销式的金属橡胶履带。

作为优选，所述清灰刷与第一驱动件之间设置有伸缩结构，伸缩结构包括第三驱动件、支架以及齿条，所述第三驱动件通过固定架与第一驱动件连接，通过所述第三驱动件驱动齿轮件配合齿条进行传动改变所述清灰刷的长度。

通过采用上述技术方案，利用齿轮齿条传动实现旋转变直线的方式，使清洁刷长度可以伸缩，齿轮齿条传动时传动力大，具有稳固性和可用性高的优点，适合短距离传动，适用于在管道这类内径变化不大的管道环境，能够根据管道内部情况，配合升降台调节清灰机构的整体高度，实现调节清洁刷长度与管道内径相适应的功能，实现高效率清灰。

作为优选，所述集尘机构包括有设置在移动载体底部前端和后端的第一集尘机构和第二集尘机构，用于分别清理清灰铲和清灰刷扫落的灰尘；

所述第一集尘机构包括第一集尘机构包括吸尘管、通过吸尘头与吸尘管连接的吸尘器；所述吸尘头为圆盘结构，且其圆周面上设有三个吸尘口，三个所述吸尘口分别朝向移动载体的底部及其两侧；靠近所述移动载体两侧的两所述吸尘口上连接有延长管，用于处理移动载体上方的灰尘；所述吸尘器安装在所述移动载体底部且受所述控制机构控制。

通过采用上述技术方案，清洁刷清灰作业时粉尘从管道内壁上落下而漂在空中会形成二次扬尘，第一集尘机构用于处理清灰铲铲落的灰尘，利用延长管处理移动载体上方的灰尘，避免灰尘飘散在探测机构的前侧，影响机器的数据传送以及机器移动；两侧的延长管用于配合清灰刷处理管道内侧壁的灰尘，增强其清洁力度；第二集尘机构主要安装在移动载体的底部，对清灰刷刷落的灰尘进行收集。第一集尘机构和第二集尘机构相互配合能够较好的吸收空中的粉尘，达到较好的清洁效果，且能保持机器的稳定前进以及运行。

作为优选，所述集尘机构还包括有用于实时显示吸尘器所吸入的灰尘重量的称重结构，所述称重结构包括称重传感器以及显示屏，所述称重传感器安装在所述吸尘器内，所述显示屏安装在车架结构的侧部上。

通过采用上述技术方案，集尘机构的吸尘器内的收集粉尘的容量有限，当容量过载时，能会造成清灰工作中扬尘和吸尘器工作过载问题，称重组件能够较好监控吸尘器粉尘收集情况，能够较好的保护吸尘器，避免出现机器过载而出现故障；利用称重传感器对吸尘器装置内部灰尘重量进行测量，显示屏实时显示其重量，当达到最大限重时，将信息反馈至控制机构，停止吸尘，起到保护机器以及方便人观察灰尘量，研究管道灰尘聚集的情况。

作为优选，所述探测机构包括有安装在车架结构前端的测距传感器以及USB摄像头，用以对管道内环境情况进行检测；所述车架结构上设置有水银倾斜开关传感器，用以检测车架结构在运行过程中是否发生倾倒。

通过采用上述技术方案，USB摄像头与测距传感器对管道内部环境情况进行检测，通过控制机构，操作人员在上位机视频监控界面实时得知管道清灰机器人的移动是否稳定、清灰工作是否正常进行及检测管道内部积灰情况，整体提高机器的可操作性和工作效率；配合水银倾斜开关传感器，实时监测管道清灰机器人在管道内运行情况，为了避免车体发生倾倒，为此需要不间断检测管道清灰机器人的平衡状态，水银倾斜开关传感器与其他机械倾斜开关各方面的对比下，更适合在有油、灰尘或腐蚀性气体等恶劣环境中使用，且价格低廉，可长期稳定工作，保证移动载体的运行稳定。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1.通过移动载体、集尘机构、清灰机构、探测机构以及控制系统的设置，履带式移动载体具有大抓地力，牵引力大，支撑面积大和触地压小的优势，能在管道中完成直线及各种曲线移动；利用履带式的移动载体结合具有清洁功能的清灰机构，清灰机构通过升降台设置在移动载体上，能够根据管道的高度进行调整其位置，清洁刷在第一驱动件的驱动下在管道内能够进行有效旋转实现除灰，清洁铲在第二驱动件的作用下强力清除残留在管道内壁上的难以扫落的烟灰层，从内壁上脱落的粉尘，通过集尘机构进行收集灰尘，同时在履带式移动载体的作用下能够保持平稳移动，并配合控制机构、探测机构能够使得操作人员实时观测到管道内部结垢及损坏状况图像，实现管道清灰机器人的弯道识别功能和壁障功能，提高机器人的工作效果以及耐用性。

2.通过吸尘管、通过连接件与吸尘管连接的吸尘器、称重组件的设置，清洁刷清灰作业时粉尘从管道内壁上落下而漂在空中会形成二次扬尘，采用吸管式的吸尘结构能够吸收空中的粉尘，达到较好的清洁效果；当容量过载时，能会造成清灰工作中扬尘和吸尘器工作过载问题，称重组件能够较好监控吸尘器粉尘收集情况，能够较好的保护吸尘器，避免出现机器过载而出现故障。

3.通过清洁刷的可伸缩结构的设置，利用齿轮齿条传动实现旋转变直线的方式，使清洁刷长度可以伸缩，齿轮齿条传动时传动力大，具有稳固性和可用性高的优点，适合短距离传动，适用于在管道这类内径变化不大的管道环境，能够根据管道内部情况，实现调节清洁刷长度与管道内径相适应的功能，实现高效率清灰。

附图说明

图1是本发明管道清灰机器人的整体结构示意图；

图2是本发明管道清灰机器人另一角度的整体结构示意图；

图3是本发明管道清灰机器人整体系统的框图；

图4是本发明管道清灰机器人整体系统工作的流程图；

图5是本发明管道清灰机器人系统电机驱动程序的流程图；

图6是本发明管道清灰机器人的超声波传感器触发程序的流程图；

图7是本发明管道清灰机器人集尘机构的设计框图。

附图标记：1、移动载体；101、车架结构；102、履带式车轮；103、直流减速电机；2、清灰机构；201、第一驱动件；202、齿轮件；203、清洁刷；204、清灰铲；205、转动杆；206、腰型片；207、第二驱动件；208、支架；209、齿条；210、第三驱动件；3、集尘机构；301、吸尘管；302、吸尘头；303、吸尘器；304、称重传感器；305、显示屏；4、USB摄像头；5、测距传感器；6、单片机；7、WIFI模块；8、升降台。

具体实施方式

以下结合附图对发明的具体实施进一步说明。

如图1-图4所示，本申请的一种典型的实施例，提供了一种管道清灰机器人，其包括移动载体1、用于处理管壁上粉尘的清灰机构2、用于收集粉尘的集尘机构3、用于探测管道内部的探测机构以及控制机构，清灰机构2、集尘机构3以及探测机构均与控制机构电性连接。移动载体1包括车架结构101、履带式车轮102以及直流减速电机103，车架结构101采用铝型制板材搭建而成，两组履带式车轮102分别设置在车架结构101的两侧，两组直流减速电机103分别连接在两组履带式车轮102上，每组履带式车轮102包括有主动轮和两个从动轮以及套接在主动轮和从动块外周侧的履带，履带采用双销式的金属橡胶履带，能够使履带的受力良好，方便拆卸便于清洗。主动轮和两个从动轮依次沿直线排布设置，直流减速电机103的驱动轴与主动轮固定连接，直流减速电机103由控制机构进行控制，能够驱动车架结构101运动。为了避免机器倾倒的状况发生，车架结构101上配置有采用电性连接的水银倾斜开关传感器、报警器以及LED显示灯，水银倾斜开关传感器用于在车架工作过程中不间断检测机器人的平衡状态，并及时作出相对命令，一旦车体左右任意一侧倾斜至45°，报警器的警报声响起，LED灯显示，避免作业时因车体倾倒而影响管道清灰机器人正常作业效率。

控制系统包括单片机6、数据传输模块，单片机6采用Arduino MEGA2560，使用Arduino IDE进行编程后可以直接通过USB接口把程序下载至Arduino MEGA2560中。数据传输模块选择使用Wi-Fi模块7，其优点为无线电波覆盖范围广，速度快可靠性高，可不受布线条件的影响，无线通信解决有线电缆通信导致增加管道清灰机器人的负重和有限移动空间。数据传输模块采用的是XRbot-Link V5.0 Wi-Fi模块7，该模块采用MTK7620N主芯片是一个高度集成的WLAN解决方案，可满足管道清灰机器人的数据传输要求。

在机器运行过程中可以利用探测机构进行探测管道内部结垢及损坏状况图像，以及观测机器的运行状况，具体的，探测机构包括安装在车架结构101前端的测距传感器5以及USB 摄像头4，用以对管道内环境情况进行检测，测距传感器5以及USB摄像头4得到的信息发送到控制机构，由控制机构实现上位机(PC端)与下位机的连接。具体的，测距传感器5采用的是超声波测距传感器5HC-SR04。USB摄像头4主要用于采集管道内部图像，该USB摄像头4携带红外夜视功能，模拟在实际管道内部无光环境下，USB摄像头4可正常工作，采集得到的图像通过Wi-Fi模块7发送至PC端。USB摄像头4随管道清灰机器人移动，与舵机配合实现360°旋转摄像或拍照；使用超声波传感器检测到前方的障碍物或弯道距离，数据实时上传至PC端显示。

如图3所示，上位机(PC端)软件主要实现实时视频监控、调试程序、机器人移动和控制清灰装置作业等一系列功能，程序调试完成后，PC端上位机连接Wi-Fi模块7，开启摄像头 4，判断是否打开雷达装置。打开雷达装置后检测前方是否存在障碍物，配合摄像头4通过远程控制避开障碍物，由操作人员在上位机视频监控界面实时控制管道清灰机器人的移动、清灰工作及检测管道内部积灰情况等，在遥控过程中，可同时开启清灰工作的动作。

其中，如图4所示，第一部分子程序是电机驱动子程序，该子程序解析上位机发送的移动指令，电机根据指令进行正反的转动方向以及转速调节，让管道清灰机器人能在管道内部正常移动。如图5所示，第二部分子程序是超声波传感器检测前方是否有障碍物并显示在上位机的雷达界面，判断上位机是否发送开启或关闭雷达指令，下位机收到指令后超声波传感器执行命令。

PC端与Wi-Fi模块7连接后，由Socket向Wi-Fi模块7发送相关指令，Wi-Fi模块7接收到指令后通过串口发送至Arduino MEGA2560主控板，Arduino MEGA2560主控板根据指令执行相对应的动作。

如图1-图2所示，清灰机构2通过升降台8设置在车架结构101上，清灰机构2包括第一驱动件201、齿轮件202、清洁刷203、第二驱动件207以及清灰铲204、转动杆205、，齿轮件202外周侧设有齿纹且其与第一驱动件201的驱动轴连接，第一驱动件201采用舵机，清洁刷203呈长条状，清洁刷203设置有两组，两组清洁刷203呈相互平行式固定连接在齿轮件202的外侧，在第一驱动件201的驱动下使两组清洁刷203发生旋转与管壁发生摩擦，实现清灰功能。清灰铲204安装在车架结构101的前端，清灰铲204呈L型，多个清灰铲204 沿直线排布连接在转动杆205上，转动杆205沿其长度方向的两端通过腰型片206连接在车架结构101两侧，腰型片206与转动杆205之间安装第二驱动件207，第二驱动件207采用舵机以及偏心轴，舵机固定在腰型片206上且其输出端与偏心轴的一端连接，偏心轴的另一端与转动杆205连接，从而在舵机的转动下使得转动杆205做周向转动，使得清灰铲204能够在平行于转动杆205长度方向的平面内做周向运动，从而控制清灰铲204的上下运动，使其清理管道底部沉积的大块烟灰堆积层，保证管道清灰机器人清灰模块正常作业。

如图1和图6所示，清洁刷203清灰作业时粉尘从管道内壁上落下而漂在空中会形成二次扬尘，为了利于机器人的工作，采用集尘机构3进行处理粉尘，集尘机构3可设置两组，分别为第一集尘机构和第二集尘机构，第一集尘机构靠近清灰铲204设置，第二集尘机构靠近清灰刷设置，两组集尘机构3均在车架结构上，用于处理灰尘。具体的，第一集尘机构包括吸尘管301、通过吸尘头302与吸尘管301连接的吸尘器303，吸尘头302为圆盘结构，其圆周面上设有三个吸尘口，分别朝向车架结构101底部及其两侧，能够对管道的四周侧进行吸尘，其中，靠近清灰铲204一端的吸尘头302的两个吸尘口上连接有延长管，延长管的管口分别朝向清灰刷设置，能够处理车架结构101上方漂散的灰尘，与清灰机构配合增强清理力度，对管道内各个位置的灰尘进行全面处理。其中，吸尘器303的结构为现有技术中的吸尘器303结构，在此不再赘述。第二集尘机构结构与第一集尘机构的区别在于，其吸尘头采用圆盘式，其圆盘面上设有多个沿圆周开设的吸尘口。用吸尘器303安装在车架中部且受控制机构控制。集尘机构3还包括有用于实时显示吸尘器303所吸入的灰尘重量的称重组件，称重组件包括称重传感器304HX711和LCD1602显示屏305,称重传感器304安装在吸尘器303内，显示屏305安装在车架结构101的侧部上，称重传感器304对吸尘器303内部灰尘重量进行测量，LCD1602显示屏305实时显示其重量，达到最大限重时，停止吸尘。

在一种优选的实施例中，为了适应不同的管道环境，清灰刷与第一驱动件201之间设置有伸缩结构，伸缩结构包括第三驱动件210、支架208以及齿条209，第三驱动件210采用舵机，第三驱动件210通过固定架与第一驱动件201连接，通过第三驱动件210驱动齿轮件202 配合齿条209进行传动，使其圆周运动改变为直线运动，上位机控制舵机的运动角度，从而控制齿条209的正反方向移动以及移动长度。利用齿轮齿条209传动实现旋转变直线的方式，使清洁刷203长度可以伸缩，齿轮齿条209传动时传动力大，具有稳固性和可用性高的优点，适合短距离传动，适用于在管道这类内径变化不大的管道环境，能够根据管道内部情况，实现调节清洁刷203长度与管道内径相适应的功能，实现高效率清灰。

整体上，本发明通过移动载体1、集尘机构3、清灰机构2、探测机构以及控制系统的设置，利用履带式的移动载体1结合具有清洁功能的清灰机构2，清洁刷203在第一驱动件201 的驱动下在管道内能够进行有效旋转实现除灰，清洁铲在第二驱动件207的作用下强力清除残留在管道内壁上的难以扫落的烟灰层，从内壁上脱落的粉尘，通过集尘机构3进行收集，同时在履带式移动载体1的作用下能够保持平稳移动，并配合控制机构、探测机构能够使得操作人员实时观测到管道内部结垢及损坏状况图像，实现管道清灰机器人的弯道识别功能和壁障功能，提高机器人的工作效果以及耐用性

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (5)

1.一种管道清灰机器人，其特征在于，包括用于移动的移动载体、用于收集粉尘的集尘机构、清灰机构、用于探测管道内部的探测机构以及控制机构；所述集尘机构、清灰机构以及探测机构均与所述控制机构电性连接；

所述清灰机构通过升降台设置在移动载体上，所述清灰机构包括第一驱动件、齿轮件、清洁刷、第二驱动件、多组清灰铲以及转动杆、偏心轴，所述齿轮件外周侧设有齿纹且其与第一驱动件的驱动轴连接，所述清洁刷设置有两组，两组所述清洁刷呈相互平行式固定连接在齿轮件的外侧，在所述第一驱动件的驱动下使两组清洁刷发生旋转；所述清灰铲安装在车架结构的前端，多组所述清灰铲沿直线排布连接在转动杆上；所述转动杆沿其长度方向的两端通过腰型片和第二驱动件连接在移动载体两侧，所述第二驱动件通过偏心轴固定在转动杆之间，在所述第二驱动件的驱动下清灰铲能够沿转动杆轴线做圆周运动；所述清洁 刷与第一驱动件之间设置有伸缩结构，伸缩结构包括第三驱动件、支架以及齿条，所述第三驱动件通过固定架与第一驱动件连接，通过所述第三驱动件驱动齿轮件配合齿条进行传动改变所述清洁 刷的长度；

所述集尘机构包括有设置在移动载体底部前端和后端的第一集尘机构和第二集尘机构，用于分别清理清灰铲和清洁 刷扫落的灰尘。

2.根据权利要求1所述的一种管道清灰机器人,其特征在于，所述移动载体包括车架结构、两组履带式车轮以及直流减速电机，所述车架结构采用铝型制板材搭建而成，两组所述履带式车轮分别设置在车架结构的两侧，两组所述直流减速电机分别连接在两组履带式车轮上，每组所述履带式车轮包括有主动轮和两个从动轮以及套接在主动轮和从动块外周侧的履带，所述履带采用双销式的金属橡胶履带。

3.根据权利要求1所述的一种管道清灰机器人,其特征在于，所述第一集尘机构包括吸尘管、通过吸尘头与吸尘管连接的吸尘器；所述吸尘头为圆盘结构，且其圆周面上设有三个吸尘口，三个所述吸尘口分别朝向移动载体的底部及其两侧；靠近所述移动载体两侧的两所述吸尘口上连接有延长管，用于处理移动载体上方的灰尘；所述吸尘器安装在所述移动载体底部且受所述控制机构控制。

4.根据权利要求3所述的一种管道清灰机器人,其特征在于，所述第一集尘机构还包括有用于实时显示吸尘器所吸入的灰尘重量的称重结构，所述称重结构包括称重传感器以及显示屏，所述称重传感器安装在所述吸尘器内，所述显示屏安装在车架结构的侧部上。

5.根据权利要求1所述的一种管道清灰机器人,其特征在于，所述探测机构包括有安装在车架结构前端的测距传感器以及USB摄像头，用以对管道内环境情况进行检测；所述车架结构上设置有水银倾斜开关传感器，用以检测车架结构在运行过程中是否发生倾倒。

Images