CN112871904B - 一种管道清淤机器人 - Google Patents

Abstract

一种管道清淤机器人，包括行走机构、识别机构、供电机构和清淤机构，行走机构环绕机身周围设置履带轮用于行走，缓冲带与转向执行机构实现转向功能。识别机构包括居中控制系统、刀盘控制系统、压力控制系统和红外测距控制系统，实现整体控制。供电机构提供多种形式的供电电能，能够输出可调节的直流电和交流电，满足多种负载的要求。清淤机构包括刀盘切割机构，储淤过滤机构，旋转传动机构和识别传感机构，能适应不同管径的排水管道清淤，适用性强、作业效率高。本机器人综合了行走、识别、供电、清淤四大方面的技术，能够有效应对管道清淤工作中的各种情况。

Description

一种管道清淤机器人

技术领域

本发明涉及机械技术领域，尤其是一种管道清淤机器人。

背景技术

作为公共道路和各类输送管道的重要连接通道，隧道工程在社会发展中扮演了极其重要的角色。我国隧道及地下工程事业自20世纪80年代以来，特别是进入21世纪以来，发展迅猛。随着经济的持续发展，综合国力的不断提升及高新技术的不断应用，目前，我们已成为了世界上隧道工程数量最多、规模最大的国家。

近年来，在已经建成运营的隧道中，排水管和排水盲沟等排水设施常出现堵塞现象。受自然条件以及设计、施工、运营和管理等诸多环节中各种不利因素及隧道工程隐蔽性等影响，隧道的排水系统易出现排水不畅、局部管道堵塞等问题，隧道排水管道堵塞且不及时清理、疏通机的清理方法不合理而没有采取相应的修整措施而导致结构安全事故频发，给社会产生了巨大的影响。因此，如何快速及时和准确处理隧道管道堵塞问题，确保隧道结构服役期的安全，设计一种全新的、自动化式“隧道管道清肠者”来解决隧道排水系统的管道疏通问题，是目前亟待的一项发明。

目前清淤技术主要有人工疏通清掏技术、高压水射流清淤泥疏通技术和切削式排水管道疏通技术等多种方式，但我国目前仍以人工疏通为主，工作强度高，效率低，且存在安全隐患。供电机构，中国专利CN 210201522 U公布了一种电池供电电路和中国专利CN206422596U公布了一种动态路径控制的机器人供电电路，识别机构，中国专利CN209821378 U公布了一种红外线测距装置、中国专利CN 209140503 U公布了一种小型电子走刀器的控制系统和中国专利CN 206178729 U公布了一种用于人机交互系统的压力传感器，行走机构，借鉴THES系列管道爬行机器人和“月球车”并联机器人等管道智能行走机器人，采用管道内履带行走的暗访时，设计能运用到管径较小的管道上的智能行走机器人。

发明内容

本发明的目的在于提供一种管道清淤机器人，能够应付人力劳动无法处理的管道等情况，比人工操作更加安全高效。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种管道清淤机器人，组成机构包括行走机构、识别机构、供电机构和清淤机构，组成机构的具体结构和连接关系是：

所述行走机构的组成构件包括履带、轮毂电机、支架、支座、支撑机构、主动轮、从动轮、辅助从动轮、传动轴、液压杆、金属舵盘以及舵机，所述履带一端与主动轮连接，另一端与从动轮连接，主动轮通过螺钉与轮毂电机相连，轮毂电机内置于主动轮，传动装置和制动装置整合在轮毂中，轮毂电机通过平头柳钉安装在支撑机构上，从动轮通过传动轴安装在支撑机构上，支架通过平头柳钉安装在支撑机构上，支架通过柳钉安装在支座上，液压杆一端通过平头柳钉与支撑机构连接，另一端通过金属舵盘与舵机连接，金属舵盘通过防松螺栓与液压杆连接，辅助从动轮通过传动轴安装在支撑机构中间；

所述识别机构的组成构件包括红外测距控制系统、压力控制系统、刀盘控制系统以及居中控制系统，所述的红外测距控制系统是将红外线发射与接收单元均匀的分布在前端圆盘型传感器上，红外测距传感器实时检测距离，处理器实时对高精度红外测距传感器所接收到的数据进行实时比较，当距离小于1m时，将会发送相关信号给所述的红外测距系统，同时设置有人工反馈系统，能够能识别前方状况是堵塞还是拐弯，所述压力控制系统是将压力传感器安装在轮子中心压力轴处，压力传感电阻实时测量轮子受到管道内壁的压力，所述刀盘控制系统是将转速传感器读取刀盘速度来判断刀盘是否已经接触到堵塞物，接触到堵塞物之后，进行PID控制，使得刀盘能够匀速的切割物体，同时设置有保护电路，当刀盘电机在遇到强阻力时，电路中的电流将会过载，保护电阻将会熔断，确保电机不会烧坏，所述居中控制系统为检测管道清淤机器人在管道中是否处于居中的位置，当每个轮子上的红外测距仪所检测到的距离不一样时，将会启动居中控制系统，随后，数据处理的控制信号发送给压力控制系统，使得整个机器能够处于管道中间；

所述供电机构的组成构件包括刀盘供电模块电路、驱动供电模块电路、刹车供电模块电路以及小功率元器件供电模块电路，所述刀盘供电模块电路、驱动供电模块电路、刹车供电模块电路以及小功率元器件供电模块电路并联连接于直流电源上；所述刀盘供电模块电路由直流电源、三相电压桥式逆变电路、三相自耦变压器、温度报警器和熔断器构成，其中直流电源与三相电压桥式逆变电路、三相自耦变压器和熔断器串联连接，与温度报警器并联连接；所述驱动供电模块电路分为检测驱动供电模块电路和清淤驱动供电模块电路，包含三相电压桥式逆变电路、直流电源、三相自耦变压器、单项相全桥逆变电路、单项自耦变压器、电压关断器、限制开关和可远程操控的单刀双掷开关，检测驱动供电模块电路主体由直流电源串联连接单项相全桥逆变电路和单项自耦变压器，清淤驱动供电模块电路主体由直流电源与三相电压桥式逆变电路、三相自耦变压器串联连接构成，可远程操控的单刀双掷开关连接于检测驱动供电模块电路和清淤驱动供电模块电路之间，所述刹车供电模块电路包含直流电源、升降压斩波电路、电压关断器和限制开关，直流电源串联连接升降压斩波电路，电压关断器、限制开关连接于驱动供电模块电路和刹车供电模块电路之间，所述小功率元器件供电模块电路由降压斩波电路构成；

所述清淤机构的组成构件包括刀盘切割机构，储淤过滤机构，旋转传动机构以及识别传感机构，所述刀盘切割机构包括滚刀、喷水孔、刀盘、刮刀、传动轴、输水孔、滑动杆以及连接直槽，所述滚刀外接在刀盘上，刮刀固定在刀盘的刀槽中，在刀盘中央置有喷水孔，刀盘内侧布有输水孔，刀盘通过滑动杆与连接直槽内切，连接直槽固定在传动轴上；所述储淤过滤机构包括过滤外板、滚动球、滚动球座以及过滤缓冲带，所述过滤外板与过滤缓冲带相互连接，滚动球座固定在过滤外板上，滚动球内嵌在滚动球座上；所述旋转传动机构包括滑动杆、电机、主动齿轮、从动齿轮、曲槽卡盘、卡盘套、传动仓以及电机固定板，所述滑动杆与曲槽卡盘内切并与所述刀盘连接，电机固定在电机固定板上并与主动齿轮相连，主动齿轮和从动齿轮相配合，从动齿轮固定在传动轴上，卡盘套与曲槽卡盘相固定，卡盘套与传动轴同轴配合，曲槽卡盘与卡盘套共同构成卡盘组，传动仓将曲槽卡盘、卡盘套保护在内并与传动轴同轴配合，电机固定板与电机外壳板之间通过电机缓冲带相连，电机外壳板与过滤外板固定；所述识别传感机构包括传感器、输水管、分流管以及连接直槽，传感器安装在输水管头部且相互独立，分流管与输水管相连，输水管套在所述传动轴内部，连接直槽固定在传动轴上；所述刮刀包括刮刀刀粒、刮刀刀刃、刮刀座以及刮刀刃座，刮刀座固定在刀槽中，刮刀刃座与刮刀座配合，刮刀刀粒和刮刀刀刃嵌在刮刀刃座上。

行走机构、识别机构、供电机构和清淤机构四个机构相互联系，形成整体。

履带轮内置有供电机构和识别机构，并配有清淤装置，完成管道清理工作。

储淤仓一周密集布有直径1mm小孔，用于过滤存储在头部的淤泥中的水及细小颗粒。

本发明的突出优点在于：

一、整体机构

1.管道清淤机器人作为特种机器人的分支，灵巧的体型使其能在复杂的排水管道系统中自由活动，能够应付大多数人力劳动无法处理的管道等情况，比起人工操作也更加安全高效。

2.缓冲带对转向执行机构的保护使其不被管道内淤泥、流水等干扰，更为安全。

二、行走机构

1.本发明的管道清淤机器人的行走机构每处的三个各间隔120°的履带轮可贴合管道形状，顶住管壁进行行走。本管道清淤机器人的履带轮式结构使爬坡能力较强，动力足够，在清淤状态下，通过履带卡住管壁，进而更好地克服反作用力；在行走状态时，履带式移动载体具有牵引力大、支撑面积大和触地压小的优势，能在管道中完成直线和各种曲线移动，另外，履带的结构使得该类机器人具有非常好的附着性，对于泥泞或有较厚油污的管道也能够进行可靠地行进。

2.通过管道清淤机器人主体和履带轮之间的伸缩杆来适应不同管径的管道，当管径变大时，连接的伸缩液压杆伸长，使履带轮顶住管壁行走。

3.轨道结构采用橡胶轨道，具有体积小、重量轻的特点，可增加负重，携带更多设备；攀爬能力强，动力充足，管壁在清淤状态下可通过轨道，以更好地克服反应力；履带式移动载波具有牵引力大、支撑面积大、地面压力小等优点，可以在管道中完成直线和各种曲线运动，采取绕组运动、伸缩运动、横向运动、直线运动、冲刺、推进运动和跳跃、攀岩等运动，可以在草地上、在沙地上、树上、水中、废墟中的崎岖和岩石峭壁中；履带的结构使得该类机器人具有非常好的附着性，对于泥泞或有较厚油污的管道也能够进行可靠的行进。

4.轮毂电机具有较大的驱动力，适用于重载，直接驱动履带运动，从而驱动整体结构的向前、向后和转弯。驱动橡胶履带运动，通过控制轮毂电机的运动速度大小和方向，可以自由控制主动轮的速度，速度控制范围广，速度控制方法多种多样。

5.伸缩装置的液压棒具有自润滑、自冷、寿命长等特点，能克服管道清淤机器人在恶劣环境下的磨损，利用机器人的一系列结构支持机器人的稳步进步。

管道清淤机器人比确定空间位置和姿势所需的自由性更大，具有更大的灵活性和实用性。它可以基于障碍物的特征：通过压缩身体，避免更大、更高的障碍物，通过接近管壁来跨越更小、更低的障碍物，借助身体和障碍物时，反应力改变方向，继续移动。

伸缩结构具有缓冲效果，比较稳定。管道清淤机器人可以通过在不同宽度的狭窄车道和不同直径的管道中稳定收缩液压棒进行爬行，并可以在斜坡上和墙壁根部攀爬时，分别控制一侧移动结构的高度，以向前移动。当受到约束时，可以通过控制机械结构部分的运动方向来避开移动障碍物。

三、识别机构

1.对于红外测距控制系统，是实现机器对前方状况的检测(障碍或转弯)并且对各种机器将会在管道中面对的问题，提供了解决方案。具体实施为将6个高精度红外线发射与接收单元均匀的分布在管道清淤机器人前端圆形外围，使得检测范围十分全面，并且针对机器在管道中可能遇到的情况，设置了对各种情况的应对方法，使得机器在运行过程中畅通无阻。

2.对于刀盘控制系统通过测速编码器与刀盘控制器的负反馈调节，实现了刀盘切割的自动化控制，减少人工操作，避免了人可能存在的误操作，提高可靠性，并且提高了工作效率，实现了堵塞物的快速清理。并且在遇到坚硬的物体时，会触发保护电路，防止刀盘控制电机烧坏。

3.居中控制系统采用一个轮带一个传感器的方式，对本系统检测出的各种情况进行分析，使机器的整体处于管道的中央，防止机器撞坏管壁。

4.压力控制系统采用独特的电路，将压力电阻巧妙的安装于轮承轴处，使得机器能够实时感知每个轮子与管壁的压力，从而使每个轮子都能更紧密地贴于管壁上。当机器在运动状态下，压力控制系统为各种机器轮子是否贴紧管壁，刀盘动作状态的检测，机身居中状态的各种情况提供了解决方案。在机器进行转弯的时候，压力控制系统还能自适应地改变设定值，使机器人顺利完成转弯操作。

5.识别机构整体通过四个控制系统对本机器在管道中面对的各种问题提供了解决方案。本识别机构巧妙的安装了传感器，创新性的对各个系统面对的情况进行分析，并且做出响应的控制。传感器收集信号进入中央处理器，之后通过居中控制系统、刀盘控制系统、压力控制系统、红外测距控制系统等模块，汇总各种信号于整体控制系统，整体控制系统将对整个机器的每一个细节进行控制，进而完成清淤、转弯还有传输数据等工作。

四、供电机构

1.供电机构提供多种形式的供电电能，可以输出可调节的直流电和交流电，满足多种负载的要求，特别是可以带动大功率高电压的交流电机，同时还兼顾了小功率电子设备的低直流电压需求。利用逆变电路解决了直流电压不能直接升压太高的问题，同时交流电机的性能优于直流电机，使得机器人的动力更强，能耗更小，效率更高。各模块之间即有独立部分又有通过控制电路互相联系部分。独立部分不受其他模块的影响，保证可靠的持续供电；控制电路将一些供电模块联系起来，可以保证机器人的正常运行。保护电路可以防止电机因过热而烧毁，进一步确保机器人的安全。

2.当管道清淤机器人的驱动供电模块电路处于工作状态时在，如果当刹车后，轮子还在转动，极易造成轮子驱动电机的烧毁以及对管壁造成二次损害，本供电机构解决了这个问题，通过电压关断器将驱动供电模块电路和刹车供电模块电路联系在了一起，只有当驱动供电模块电路的电压降到一定值以下时才会使位于刹车供电模块电路上的开关打开(即只有轮子驱动电路断电才能给卡爪电路供电)，使机器能够安全稳定的运行的同时保证了不损坏管壁。

3.①考虑到清淤时如果驱动履带提供的前进速度较快，极易造成刀盘停止转动，需要人为操控管道清淤机器人后退重新开始定位、清淤，致使工作效率低下，②且因为在检测状态下驱使电机行走的单项电机转速较快，力量较小，难以在刀盘工作清淤时起到良好的向前推进作用，③如果清障完毕后，机器人的驱动速度档调得较高，极有可能因为其突然失去阻力机器人速度猛然升高向前猛冲，这种情况下极易对管道，对机器人造成损坏。本发明解决了上述的问题，通过远程双控开关操控行走驱动使用检测驱动模式和清淤驱动模式，在检测时采用可调电压的单相交流电为转速较快，功率较小，调节转速较为快速单项交流电机供电来为前行履带驱动；在清淤时采用可调电压的三相交流电为功率较大、转速较慢，力量较大以及调速较慢的三相交流电机供电来为清淤时的履带驱动。

五、清淤机构

1.刀盘可喷水：水管从外部接入刀盘中心部位，再通向刀盘上四周的喷水孔，既可软化泥块等障碍物，也可防止堵塞刀盘。

2.刀盘可伸展：刀盘遇到管径较大的管道时,刀盘可沿刀盘半径伸展0-4cm,以适应大小不同的管径。

3.刀盘可收纳障碍物：刀盘后接一个圆柱体储淤仓,用来存放清理后的淤泥及其他障碍物。

4.刀盘可极大程度磨碎障碍物：刀盘有精密程度不同的两种刀，滚刀和刮刀，可将大小、强度不同的障碍物粉碎成细小颗粒物，便于储淤。

5.刀盘可尽可能节省储淤空间：储淤仓一周密集布有直径1mm小孔，可过滤存储在头部的淤泥中的水及细小颗粒，直到过滤出的水流出排水管变清澈，标志此处已清淤完成。

附图说明

图1是本发明所述的管道清淤机器人的供电电路整体结构示意图。

图2是本发明所述的管道清淤机器人的整体形态结构示意图。

图3是本发明所述的管道清淤机器人的行走机构的整体结构示意图。

图4是本发明所述的管道清淤机器人的识别机构的整体结构示意图。

图4-1是本发明所述的管道清淤机器人的红外测距系统的电路示意图。

图4-2是本发明所述的管道清淤机器人的压力控制系统的电路示意图。

图4-3是本发明所述的管道清淤机器人的居中控制系统的电路示意图。

图4-4是本发明所述的管道清淤机器人的刀盘控制系统的电路示意图。

图5是本发明所述的管道清淤机器人的供电系统的整体结构示意图。

图6是本发明所述的管道清淤机器人的可适应不同管径的排水管道刀盘清淤部件的展开形态的结构示意图。

图7是本发明所述的管道清淤机器人的可适应不同管径的排水管道刀盘清淤部件的闭合形态的结构示意图。

图中标记为:箱体部分1、行走机构2、缓冲带3、凹槽4、转向执行机构5、隔离板6、刀盘部分7、卡扣8、舵机固定板9、橡胶履带10、公制螺钉11、轮毂电机12、平头柳钉13、

支架14、柳钉15、支座16、支撑机构17、辅助从动轮18、从动轮19、传动轴20、液压杆21、金属舵盘22、舵机23、防松螺栓24、防松螺栓25、十字槽螺钉26、滚刀27、喷水孔28、刀盘29、传动仓30、传感器31、输水管32、刮刀33、分流管34、过滤外板35、滚动球36、滚动球座37、传动轴38、过滤缓冲带39、电机仓40。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

首先需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至图7所示，本发明所述的管道清淤机器人，组成机构包括行走机构、识别机构、供电机构和清淤机构四个主要机构，机器人主体设计为多面柱体的“蛇形”结构，环绕机身周围每间隔120°设置一个履带轮用于行走。整体机构的缓冲带与转向执行机构使机器人实现了转向功能。组成机构的具体结构和连接关系是：

如图1所示，所述的行走机构的组成构件包括橡胶履带10、轮毂电机12、支架14、支座16、主动轮17、辅助从动轮18、支撑机构19、从动轮22、传动轴20、液压杆21以及金属舵盘23以及舵机24。具体结构和连接关系为：

所述行走机构的橡胶履带10一端通过螺钉11与主动轮17连接，另一端与从动轮22连接，主动轮17与轮毂电机12相连，轮毂电机12内置于主动轮17，传动装置和制动装置整合在轮毂中，轮毂电机17通过平头柳钉13安装在支撑机构19上，从动轮22通过传动轴20安装在支撑机构19上，支架14通过平头柳钉13安装在支撑机构19上，支架14通过柳钉15安装在支座16上，液压杆21一端通过平头柳钉13与支撑机构19连接，另一端通过金属舵盘23通过十字槽螺钉26与舵机24连接，金属舵盘23通过防松螺栓25与液压杆21连接，辅助从动轮18通过传动轴20安装在支撑机构19中间。

工作时，通过控制舵机24转动实现液压杆21拉伸从而通过支撑结构19带动支架14转动一定角度，让整体框架靠近管壁，使履带10贴合管道，在轮毂电机12的转动下，带动主动轮17转动，实现履带10的运动；当行走过程中管径变小时，通过控制舵机24转动一定角度可以实现液压杆21拉伸从而通过支撑结构19带动支架14伸缩，带动转动框架靠近机器人机身，从而使得机器人的整体缩紧，可实现机器人在不同管径隧道内的行走和转弯。轮毂电机12由于内置于主动轮17，将传动装置和制动装置都整合到轮毂中，使单个车轮得以独立驱动，实现复杂的驱动装置。结构紧凑，简单牢固体积较小，质量较轻，可以稳定驱动，通过带动履带10的转动进而带动小型机器人的行走。可通过控制调节轮毂电机12的转速，调节行走速度，可使整体实现移动，转弯等运动。

所述主动轮17通过轮齿与从动轮22接触带动履带10运动，通过控制轮毂电机12的运动速度大小和方向，可以实现机器人的前进后退和转弯。

所述履带10采用橡胶材料，耐磨特性优良，减少行走过程中的振动；同时，橡胶的摩擦系数大，增加了整体与管道的摩擦力，利于机构平稳行驶；通过增大受力面积来减少压强，增加了管道的粘合性和附着力，进而提高机器人的抗倾覆性和滑动稳定性。

所述从动轮22支撑机器人的重量。承受的履带10摩擦力为阻力，其方向与主动轮17车轮滚动的方向相反，分配主动轮汽车的驱动转矩,能实现基本差速功能和辅助转向功能。

所述液压杆21依靠液体介质的静压力，完成能量的积压、传递、放大，实现机械功能的轻巧化、科学化、最大化。具有支撑作用和缓冲作用，通过控制舵机转动一定角度可以实现拉伸支撑结构19从而带动支架14伸缩，带动转动框架靠近机器人机身，从而使得机器人的整体缩紧，可实现机器人在不同管径隧道内的行走和转弯，可以达到适应不同管径的管道的效果。

所述轮齿配对履带10上的类似的凸起部分接触，由此导致履带10和主动轮17以及从动轮22的持续啮合运转，结构简单，且易于装卸。

所述舵机24由电动机、传动部件和离合器组成。其中舵机中的电机可以转动0～90度来控制方向，通过带动液压杆21进行转动；舵机24有减速齿轮组，结构紧凑；舵机24通过与液压杆21相连接，带动液压杆21转动一定的角度，实现二维空间的应用。

所述支撑机构19通过在部分框架柱之间布置支撑来提高结构承载力及侧向刚度。选用材质较轻材料，进而减少重量，减少了机器人前进的阻力；对内部履带，主动轮17，从动轮22有保护作用。

所述支架14起支撑作用的构架。固定于机器人上与铰链相连，可以在一定程度上实现机器人体积的缩小。铰链连接支架和机身，可以实现支架和整体进行相对转动。

所述的识别机构的组成构件包括红外测距控制系统、压力控制系统、刀盘控制系统以及居中控制系统。识别机构的组成构件具体连接关系为：所述的红外测距控制系统是将红外线发射与接收单元均匀的分布在前端圆盘型传感器上，红外测距传感器实时检测距离，处理器实时对高精度红外传感器所接收到的数据进行实时比较，当距离小于1m时，将会发送最小位置距离给其他系统，同时设置有人工反馈系统，能够识别前方状况是堵塞还是拐弯。所述压力控制系统是将压力传感器安装在行走机构2轮子中心压力轴处，压力传感电阻实时测量轮子受到管道内壁的压力。所述刀盘控制系统是将转速传感器读取刀盘29速度来判断刀盘29是否已经接触到堵塞物，接触到堵塞物之后，进行特色的PID控制，使得刀盘29能够匀速的切割物体，同时设置有保护电路，当刀盘电机在遇到强阻力时，电路中的电流将会过载，保护电阻将会熔断，确保电机不会烧坏。所述居中控制系统包括各个红外测距控制系统，实时检测每个履带10与管壁之间的距离，当每个轮子18(19)上的红外测距仪所检测到的距离不一样时，将会启动居中控制系统，随后，数据处理的控制信号发送给压力控制系统，使得整个机器能够处于管道中间。

所述供电机构的组成构件包括刀盘供电模块电路、驱动供电模块电路、刹车供电模块电路以及小功率元器件供电模块电路，所述刀盘供电模块电路、驱动供电模块电路、刹车供电模块电路以及小功率元器件供电模块电路并联连接于直流电源上；所述刀盘供电模块电路由直流电源、三相电压桥式逆变电路、三相自耦变压器、温度报警器和熔断器构成，直流电源与三相电压桥式逆变电路、三相自耦变压器和熔断器串联连接，与温度报警器并联连接；直流电源通过三相电压桥式逆变电路和三相自耦变压器以及熔断器与待供电的三相异步电动机连接，触发电路连接到三相电压桥式逆变电路中。保护电路中的正温度系数的热敏电阻贴在三相异步电机上，热敏电阻与电阻串联分压，IGBT管与电阻相连，当三相异步电机温度上升到一定程度时，热敏电阻上的分压达到阈值电压，IGBT管导通，发送一个高温报警信号，当三相异步电机温度继续上升到更高的温度时，熔断器熔断，保护三相异步电机不被烧毁。单相全桥逆变电路连接直流电源和待供电的单相异步电机。触发电路也要连接到单相全桥逆变电路中。升降压斩波电路连接直流电源和待供电的直流电机。控制电路连接待供电的直流电机和三相异步电机，当直流电机通电时，IGBT管导通，三相异步电机才可能通电，否则，IGBT管关断，三相异步电机不通电，当三相电机通电时，连接与交直流电机供电电路间的电压关断器将会把直流电机供电模块断路，直流电机不通电。降压斩波电路与直流电源和待供电的其他小功率电子设备相连，满足小功率电子设备的供电需求。

所述驱动供电模块电路分为检测驱动供电模块电路和清淤驱动供电模块电路，包含三相电压桥式逆变电路、直流电源、三相自耦变压器、单项相全桥逆变电路、单项自耦变压器、电压关断器、限制开关和可远程操控的单刀双掷开关，检测驱动供电模块电路主体由直流电源串联连接单项相全桥逆变电路和单项自耦变压器，清淤驱动供电模块电路主体由直流电源与三相电压桥式逆变电路、三相自耦变压器串联连接构成，可远程操控的单刀双掷开关连接于检测驱动供电模块电路和清淤驱动供电模块电路之间，所述刹车供电模块电路包含直流电源、升降压斩波电路、电压关断器和限制开关，直流电源串联连接升降压斩波电路，电压关断器、限制开关连接于驱动供电模块电路和刹车供电模块电路之间，所述小功率元器件供电模块电路由降压斩波电路构成；

所述的清淤机构的组成构件包括刀盘切割机构，储淤过滤机构，旋转传动机构以及识别传感机构，所述刀盘切割机构包括滚刀27、喷水孔28、刀盘29、刮刀33以及传动轴38。所述滚刀27外接在刀盘29上，刮刀33固定在刀盘29中，在刀盘29中央置有喷水孔28，刀盘29内侧布有输水管32，刀盘29通过滑动杆与连接直槽内切，连接直槽固定在传动轴38上。所述储淤过滤机构包括过滤外板35、滚动球36、滚动球座37以及过滤缓冲带39。过滤外板25与过滤缓冲带39相互连接，滚动球座37固定在过滤外板35上，滚动球36内嵌在滚动球座37上。所述旋转传动机构包括滑动杆、电机、主动齿轮、从动齿轮、曲槽卡盘、卡盘套、传动仓以及电机固定板，所述滑动杆与曲槽卡盘内切并与所述刀盘连接，电机固定在电机固定板上并与主动齿轮相连，主动齿轮和从动齿轮相配合，从动齿轮固定在传动轴38上，卡盘套与曲槽卡盘相固定，卡盘套与传动轴38同轴配合，曲槽卡盘与卡盘套共同构成卡盘组，传动仓将曲槽卡盘、卡盘套保护在内并与传动轴同轴配合，电机固定板与电机外壳板之间通过电机缓冲带相连，电机外壳板与过滤外板固定；所述识别传感机构包括传感器31、输水管32和分流管34。传感器,31安装在输水管32头部且相互独立，分流管34与输水管34相连，输水管32套在所述传动轴38内部。连接直槽固定在传动轴上；所述刮刀包括刮刀刀粒、刮刀刀刃、刮刀座以及刮刀刃座，刮刀座固定在刀槽中，刮刀刃座与刮刀座配合，刮刀刀粒和刮刀刀刃嵌在刮刀刃座上。

所述导向及框架包括电机仓40。

所述刀盘29与过滤外板35连接处有凹槽，使部件在展开和闭合形态切换时过滤外板35不与刀盘29一起转动，但可改变各个过滤外板间的距离。

刀盘29为多功能清淤刀盘，工作时，水管从外部接入刀盘中心部位，再通过刀盘四周的喷水孔，喷水软化泥块等障碍物。刀盘四周还存在喷水口，喷水将底层的淤泥推举，扰动粘接的块状淤泥，此时被调节至具有合适粘稠度的流动淤泥浆，在管道的正常水流作用下被水流带走；目前大多数清淤刀盘往往无法适应多种大小不同的管道，针对这种情况，此刀盘在遇到管径较大的管道时，刀盘可沿着刀盘平面方向旋转伸出0-4cm,并顺时针展开另一部分刀盘进行清淤工作。当清淤工作完成时，电机控制刀盘反转回缩，控制绞刀头绞切并且吸入清理完成的障碍物。此刀盘配有三种不同类型和强度的刮刀，可在清除不同大小不同形状不同软硬程度的障碍物的同时保证清除产量。

工作原理及过程：

工作时，行走、供电、识别、刀盘四个机构同时运作，各机构互相配合，履带轮用于行走，缓冲带与转向执行机构实现转向功能。供电分为小功率供电模块、刀盘转动模块、刹车和驱动模块等多个部分，可同时或单模块独自供电。当供电开始，机器开始运动，此时会启动红外测距控制系统、压力控制系统，此时，红外测距控制系统的六个高精度的红外测距模块将所测的数据实时传输给控制器，而控制器将会筛选出距离最小的数据，如果最小的数据已经低于1m，那么机器将会停止，摄像头拍照，此时会转入人工判断状态，人工此时会根据摄像头传输的数据来进行判断该位置是需要转弯还是需要进行清除淤泥。如果是转弯，将会输出动力信号，并且输出最小的距离，如果为障碍，将会输出障碍信号。无论是动力信号还是障碍信号都会被压力控制系统所接受。此时，如果压力控制系统接受到的是转弯信号，将会增大压力控制系统所需要控制的履带与管壁之间的压力，这是，进入PID控速模式，车子进行过弯动作，转弯动作完成后，将会输出转弯完成信号。如果压力控制系统接受到的是障碍信号，刀盘将会进入工作模式，并且输入刀盘开启信号，这个信号将会被刀盘控制系统所接受。此时，刀盘控制系统将会控制机器进入待清淤模式，控制机车前进，此时，刀盘上的压力传感器会实时检测刀盘受到阻力的情况，如果收到阻力，那么机车将会缓慢前进，以获得更为强大的前进力量。此时，编码器会开始读取刀盘转速，电流计测量电流，前者使得刀盘转速进入PID控制，而后者是当因物体过硬，刀盘实在无法切割物体时，所启动的断电保护措施。如果断电之后，将会反馈给人工，机器将自动退回。如果没有过流，而切割至刀盘没有受到阻力的状态，此时，刀盘将会停止转动，然后收回，此时，刀盘控制系统将会向机组发射动力信号，整个机器继续前行，如此循环，完成清淤。

至此本领域技术人员应认识到虽然本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改，因此本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (3)

1.一种管道清淤机器人，组成机构包括行走机构、识别机构、供电机构和清淤机构，其特征在于，组成机构的具体结构和连接关系是：机器人主体设计为多面柱体的“蛇形”结构，环绕机身周围每间隔 120°设置一个履带轮用于行走，整体机构的缓冲带与转向执行机构使机器人实现了转向功能，

所述行走机构的组成构件包括履带、轮毂电机、支架、支座、支撑机构、主动轮、从动轮、辅助从动轮、传动轴、液压杆、金属舵盘以及舵机，所述履带一端与主动轮连接，另一端与从动轮连接，主动轮通过螺钉与轮毂电机相连，轮毂电机内置于主动轮，传动装置和制动装置整合在轮毂中，轮毂电机通过平头柳钉安装在支撑机构上，从动轮通过传动轴安装在支撑机构上，支架通过平头柳钉安装在支撑机构上，支架通过柳钉安装在支座上，液压杆一端通过平头柳钉与支撑机构连接，另一端通过金属舵盘与舵机连接，金属舵盘通过防松螺栓与液压杆连接，辅助从动轮通过传动轴安装在支撑机构中间；

所述识别机构的组成构件包括红外测距控制系统、压力控制系统、刀盘控制系统以及居中控制系统，所述的红外测距控制系统是将红外线发射与接收单元均匀的分布在前端圆盘型传感器上，红外测距传感器实时检测距离，处理器实时对高精度红外测距传感器所接收到的数据进行实时比较，当距离小于1m时，将会发送相关信号给所述的红外测距系统，同时设置有人工反馈系统，能够能识别前方状况是堵塞还是拐弯，所述压力控制系统是将压力传感器安装在轮子中心压力轴处，压力传感电阻实时测量轮子受到管道内壁的压力，所述刀盘控制系统是将转速传感器读取刀盘速度来判断刀盘是否已经接触到堵塞物，接触到堵塞物之后，进行PID控制，使得刀盘能够匀速的切割物体，同时设置有保护电路，当刀盘电机在遇到强阻力时，电路中的电流将会过载，保护电阻将会熔断，确保电机不会烧坏，所述居中控制系统为检测管道清淤机器人在管道中是否处于居中的位置，当每个轮子上的红外测距仪所检测到的距离不一样时，将会启动居中控制系统，随后，数据处理的控制信号发送给压力控制系统，使得整个机器能够处于管道中间；

所述供电机构的组成构件包括刀盘供电模块电路、驱动供电模块电路、刹车供电模块电路以及小功率元器件供电模块电路，所述刀盘供电模块电路、驱动供电模块电路、刹车供电模块电路以及小功率元器件供电模块电路并联连接于直流电源上；所述刀盘供电模块电路由直流电源、三相电压桥式逆变电路、三相自耦变压器、温度报警器和熔断器构成，其中直流电源与三相电压桥式逆变电路、三相自耦变压器和熔断器串联连接，与温度报警器并联连接；所述驱动供电模块电路分为检测驱动供电模块电路和清淤驱动供电模块电路，包含三相电压桥式逆变电路、直流电源、三相自耦变压器、单项相全桥逆变电路、单项自耦变压器、电压关断器、限制开关和可远程操控的单刀双掷开关，检测驱动供电模块电路主体由直流电源串联连接单项相全桥逆变电路和单项自耦变压器，清淤驱动供电模块电路主体由直流电源与三相电压桥式逆变电路、三相自耦变压器串联连接构成，可远程操控的单刀双掷开关连接于检测驱动供电模块电路和清淤驱动供电模块电路之间，所述刹车供电模块电路包含直流电源、升降压斩波电路、电压关断器和限制开关，直流电源串联连接升降压斩波电路，电压关断器、限制开关连接于驱动供电模块电路和刹车供电模块电路之间，所述小功率元器件供电模块电路由降压斩波电路构成；

所述清淤机构的组成构件包括刀盘切割机构，储淤过滤机构，旋转传动机构以及识别传感机构，所述刀盘切割机构包括滚刀、喷水孔、刀盘、刮刀、传动轴、输水孔、滑动杆以及连接直槽，所述滚刀外接在刀盘上，刮刀固定在刀盘的刀槽中，在刀盘中央置有喷水孔，刀盘内侧布有输水孔，刀盘后接一个圆柱体储淤仓,用来存放清理后的淤泥及其他障碍物，刀盘通过滑动杆与连接直槽内切，连接直槽固定在传动轴上；所述储淤过滤机构包括过滤外板、滚动球、滚动球座以及过滤缓冲带，所述过滤外板与过滤缓冲带相互连接，滚动球座固定在过滤外板上，滚动球内嵌在滚动球座上；所述旋转传动机构包括滑动杆、电机、主动齿轮、从动齿轮、曲槽卡盘、卡盘套、传动仓以及电机固定板，所述滑动杆与曲槽卡盘内切并与所述刀盘连接，电机固定在电机固定板上并与主动齿轮相连，主动齿轮和从动齿轮相配合，从动齿轮固定在传动轴上，卡盘套与曲槽卡盘相固定，卡盘套与传动轴同轴配合，曲槽卡盘与卡盘套共同构成卡盘组，传动仓将曲槽卡盘、卡盘套保护在内并与传动轴同轴配合，电机固定板与电机外壳板之间通过电机缓冲带相连，电机外壳板与过滤外板固定；所述识别传感机构包括传感器、输水管、分流管以及连接直槽，传感器安装在输水管头部且相互独立，分流管与输水管相连，输水管套在所述传动轴内部，连接直槽固定在传动轴上；所述刮刀包括刮刀刀粒、刮刀刀刃、刮刀座以及刮刀刃座，刮刀座固定在刀槽中，刮刀刃座与刮刀座配合，刮刀刀粒和刮刀刀刃嵌在刮刀刃座上，

所述清淤机构的连接轴与行走机构的主动轮前端支座连接、识别机构的连接轴与清淤机构的连接孔连接，供电机构的外壳体与行走机构主动轮的内壳连接，行走机构、识别机构、供电机构、清淤机构四个机构相互联系，形成整体。

2.根据权利要求1所述的管道清淤机器人，其特征在于，履带轮内置有供电机构和识别机构，并配有清淤机构。

3.根据权利要求1所述的管道清淤机器人，其特征在于，储淤仓一周密集布有直径1mm小孔，用于过滤存储在头部的淤泥中的水及细小颗粒。

Images