CN114101237A - 一种自来水管道水下探测及清理机器人 - Google Patents

一种自来水管道水下探测及清理机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了管道水下探测及清理技术领域的一种自来水管道水下探测及清理机器人，包括可防水的机器人壳体，所述机器人壳体处设置有：动力系统，用于为所述机器人提供动力输出；智能运动系统，包括由智能控制系统控制的运动系统，所述运动系统包括设置于机器人壳体底部的四轮运动系统和悬浮系统以及设置于机器人壳体侧部的悬浮进退系统；水下导航系统，用于为所述机器人进行惯性导航；防撞系统，用于检测管道前侧垃圾情况，并将检测数据传递至智能控制系统进行运动修正。本发明实现了管道水下探测及清理机器人自主运行与稳定的工作，能够在无信号的自来水管道中进行垃圾清理。

Description

一种自来水管道水下探测及清理机器人
技术领域
本发明涉及一种自来水管道水下探测及清理机器人，属于管道水下探测及清理技术领域。
背景技术
自来水管道包括给水管道、排水管道、水利管道等。自来水的源水管道内都会遇到水源地滋养并在源水自流推力或进水泵吸引下进入到管道内重叠吸附在管道壁上的螺类动物，时间长久后自来水管道堵塞会比较严重，进水量严重减少，降低了自来水厂生产效率。自来水对于城市居民及企事业单位不能断供，因此管道要在不停水的情况下对管道进行清理。常见的自来水管道多年无法清理，在堵塞一定程度后只能废除重建，成本极高，也影响了居民生活。管道清理常见的有水力疏通、人工铲挖、推杆疏通、拖拉清理等，这些传统的清理方法消耗大量的人力财力，清理过程很麻烦，效果也很不好。
针对这些问题，诸多管道清理机器人营运而生。然而，现有的管道清理机器人结构复杂、维护成本较高。尤其针对满管水或垃圾或淤泥的管道，长距离管道内无信号，线控距离有限；不能水下清淤或清除垃圾；清理的垃圾或淤泥无法收集并输送出去；大多停在理论上，实际应用比较少，现有管道清理机器人无自我学习及智能控制功能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种自来水管道水下探测及清理机器人，能够达到在自来水管道中进行垃圾清理的效果。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
本发明提供了一种自来水管道水下探测及清理机器人，包括可防水的机器人壳体，所述机器人壳体处设置有：
动力系统，用于为所述机器人提供动力输出；
智能运动系统，包括由智能控制系统控制的运动系统，所述运动系统包括设置于机器人壳体底部的四轮运动系统和悬浮系统以及设置于机器人壳体侧部的悬浮进退系统；
水下导航系统，用于为所述机器人进行惯性导航；
防撞系统，用于检测管道前侧垃圾情况，并将检测数据传递至智能控制系统进行运动修正；
垃圾探测系统，用于探测管道前侧垃圾厚度，并将探测数据传送至智能控制系统中进行数据的计算修正以及储存；
垃圾收集清运系统，用于对管道前侧垃圾进行清理并存储。
进一步的，所述动力系统包括设置在机器人壳体内的蓄电池、用于给各部件供电的配电柜和设置在机器人壳体外部的水轮发电机。
进一步的，所述四轮运动系统包括一组主动轮及一组从动轮，所述悬浮系统包括四个立式螺旋桨，所述悬浮进退系统包括两组水平安装的轴向螺旋桨，且轴向螺旋桨位于机器人壳体的侧壁前后端设置。
进一步的，所述垃圾探测系统包括设置在机器人壳体前端的声呐及超声波系统，所述机器人通过声呐及超声波系统测量数据探测垃圾厚度后，将数据传送至智能控制系统中进行数据的计算修正以及储存。
进一步的，所述水下导航系统包括安装于机器人壳体上的陀螺仪以及加速度计，所述机器人通过陀螺仪及加速度计为敏感器件的导航解算系统进行惯性导航。
进一步的，所述防撞系统包括声呐装置，所述声呐装置接收声呐信号并反馈到机器人壳体内的智能控制系统中，所述智能控制系统基于声呐信号进行计算并对行走智能控制系统进行修正。
进一步的，所述垃圾收集清运系统包括位于机器人壳体的前端安装的机械臂，所述机械臂的前端相应安装有垃圾清理机构，位于机器人壳体内安装有垃圾输送管道，所述垃圾输送管道通过软管与垃圾清理机构相连接，且垃圾输送管道内设置有垃圾推流器，所述垃圾输送管道另一端通过连接管连接有垃圾收集装置。
进一步的，所述垃圾清理机构包括皮带轮电机、皮带轮、皮带和旋转清理头，所述皮带轮与旋转清理头通过皮带传动连接，所述皮带轮电机通过驱动皮带轮，进而带动旋转清理头转动进行旋转清理。
进一步的，所述垃圾收集装置包括垃圾收集网兜、自动开合机构和压力传感器，所述自动开合机构于机器人启动时打开供垃圾收集网兜装载垃圾，所述机器人壳体后端固定设置有一组滑轮，所述滑轮上套有可沿滑轮循环绕动的绳子，且绳子上固定多个垃圾收集网兜，多个所述垃圾收集网兜随绳子绕动到机器人位置时张开收集，所述压力传感器于垃圾收集网兜收集到指定量时反馈给机器人，所述机器人通过自动开合机构控制垃圾收集网兜自动扎口并放开，所述垃圾收集网兜在水流作用下向后移动，所述机器人于移动到设定距离或计算垃圾收集网兜使用结束时自动返回。
进一步的，所述机器人壳体顶壁还安装有机器人工作时固定支撑用的支撑机械臂及潜水电机，所述支撑机械臂通过铰接于机器人壳体顶壁，其顶端为橡胶止滑轮且壁身铰接有驱动壁，所述潜水电机的输出端同轴连接有丝杆，且丝杆上螺旋套设有螺母，所述螺母与驱动壁铰接，所述潜水电机通过驱动丝杆转动，带动螺母沿丝杆移动，使得驱动壁随之带动支撑机械臂转动起落。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
(1)本发明实现了管道水下探测及清理机器人自主运行与稳定的工作，本发明中设置有智能控制系统，该智能控制系统由工控机、两组单片机及相关元器件组成，智能控制系统中一组单片机用于机器人的智能行走控制；另一组单片机则用于管道探测及清理工作控制；水下机器人的智能行走、垃圾探测及清理工作的软件均集成开发成自身独特系统并相应安装于智能控制系统，无论是整体机器人的动力行走，精确定位、路线修正、垃圾检测，清理作业、还是垃圾外运等所有的工作均可相应通过智能控制系统来自我控制操作，真正实现了机器人在无信号的管道中的自主运行与稳定的工作。
(2)本发明的机器人动力稳定，行走方便，实现了精准定位。本发明中动力系统由蓄电池供电，同时利用自来水管道里自来水冲力对水轮发电机发电并存于蓄电池中，保障系统源源不断的动力供应，实现了动力稳定；机器人在进出管道时利用立式螺旋桨提供悬浮动力，利用轴向螺旋桨提供进退动力，进入管道后利用四轮行走，垃圾多的地方采用轴向螺旋桨提供进退动力，行走方便；本发明中在机器人壳体上安装有陀螺仪、加速度计以及声呐及超声波等装置，利用卫星地图及编制的惯性导航软件及运动计算软件控制机器人运行轨迹，另外，利用声呐及超声波对运行轨迹进行修正，做到机器人在管道里自主导航运行；机器人可以进行各种角度的旋转并且能正常工作。
(3)本发明实现了垃圾探测、清理及运输智能化，本发明中利用声呐及超声波等传感器对管道内垃圾进行探测，解决了目前自来水管道只能依靠水量反推管道内垃圾堵塞预测的不准确的手段；机器人清理系统完全依靠机器人自身识别系统反馈信息给控制系统，闭环反馈，自动进行垃圾清理；垃圾清运系统利用时间及压力传感器指挥清运系统将垃圾外运，垃圾收集装置有着自动开启及闭合垃圾收集网兜装置，对于十几公里甚至更长距离的自来水管道清理工作来说，极大提高了工作效率。
(4)本发明实现了清理稳定，本发明机器人设置有与轴向成一定角度的支撑机械臂，机械臂顶部安装有止滑橡胶轮，保证机器人工作时不受自来水水力冲击的影响，运行工况稳定。
附图说明
图1是本发明实施例提供的结构图；
图2是本发明实施例提供的侧视图；
图3是本发明实施例提供的俯视图；
图4是本发明实施例提供的垃圾收集装置示意图；
图5是本发明实施例提供的垃圾清理机构示意图。
图中：1、支撑机械臂；2、丝杆；3、潜水电机；4、机器人壳体； 5、轴向螺旋桨；6、绳子；7、滑轮；8、垃圾收集装置；9、连接管； 10、从动轮；11、吊环；12、机械臂；13、垃圾清理机构；14、软管； 15、水轮发电机；16、主动轮；17、照明灯；18、摄像机；19、声呐及超声波系统；20、支脚；21、智能控制系统；22、垃圾推流器；23、垃圾输送管道；24、配电柜；25、蓄电池；26、橡胶止滑轮；501、立式螺旋桨；801、垃圾收集网兜；802、自动开合机构；1301、皮带轮电机；1302、皮带轮；1303、皮带；1304、旋转清理头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例：
一种自来水管道水下探测及清理机器人，如图1-5所示，包括可防水的机器人壳体4，且机器人壳体4处设置有动力系统、水下导航系统、防撞系统、智能运动系统、垃圾探测系统和垃圾收集清运系统，其中：
动力系统用于为自来水管道探测及清理机器人提供动力输出，包括设置在机器人壳体4内的蓄电池25和用于给各部件供电的配电柜 24，设置在机器人壳体4外部的水轮发电机15，水轮发电机15利用自来水管道内水流冲力进行发电给机器人充电。
智能运动系统包括智能控制系统21和运动系统，运动系统包括由主动轮16及从动轮10组成的四轮运动系统、四个立式螺旋桨501 组成的悬浮系统，二者位于机器人壳体4底部，运动系统还包括两组水平安装的轴向螺旋桨5组成的悬浮进退系统。其中，从动轮10安装于机器人壳体4的底端的支脚20处，轴向螺旋桨5位于机器人壳体4的侧壁前后端设置；智能控制系统21设置于机器人壳体4内，包括工控机以及两组单片机，其中一组单片机用于机器人的智能行走控制；另一组单片机则用于管道垃圾探测及清理外运工作控制；水下机器人的智能行走、垃圾探测及清理外运工作软件均集成开发成自身独特系统并相应安装于智能控制系统21的工控机及单片机中。
垃圾探测系统包括设置在机器人壳体4前端的声呐及超声波系统19，通过声呐及超声波系统19测量数据探测垃圾厚度，并且可将数据传送至智能控制系统21中进行数据的计算修正以及储存。该机器人壳体4的前端还安装有照明灯17和摄像机18，便于工作人员远程观测管道垃圾情况。
水下导航系统包括安装于机器人壳体4上的陀螺仪以及加速度计，利用陀螺仪及加速度计为敏感器件的导航解算系统进行惯性导航；防撞系统包括声呐装置，声呐装置接收声呐信号并反馈到机器人壳体内的智能控制系统21中，由智能控制系统21自动进行计算并对行走智能控制系统21进行修正，适用于各种不同地理条件下自来水管道探测及清理机器人自动行走。
垃圾收集清运系统包括位于机器人壳体4的前端安装的机械臂 12，该机械臂12的前端相应安装有垃圾清理机构13，垃圾清理机构13包括皮带轮电机1301、皮带轮1302、皮带1303和旋转清理头1304，其中皮带轮1302与旋转清理头1304通过皮带1303传动连接，皮带轮电机1301通过驱动皮带轮1302，进而带动旋转清理头1304转动进行旋转清理，位于机器人壳体4内安装有垃圾输送管道23，其通过软管14与垃圾清理机构13相连接，垃圾输送管道23内设置有垃圾推流器22，垃圾输送管道23另一端通过连接管9连接有垃圾收集装置8，其中垃圾收集装置8包括垃圾收集网兜801、自动开合机构 802和压力传感器，机器人启动时自动开合机构802打开便于垃圾收集网兜801装载垃圾，机器人壳体4后端固定设置有一组滑轮7，且滑轮7上套有绳子6，绳子6可沿滑轮7循环绕动，且绳子6上固定有多个垃圾收集网兜801(图中仅示出一个)，多个垃圾收集网兜801 随绳子绕动到机器人位置时张开收集，当该垃圾收集网兜801收集到一定量时，垃圾收集网兜801连接处设置的压力传感器反馈给机器人，所述机器人通过自动开合机构802控制垃圾收集网兜801自动扎口并放开，垃圾收集网兜801在水流作用下向后移动，到设定距离或计算垃圾收集网兜801用结束时，机器人自动返回。
机器人壳体4顶壁还安装有机器人工作时固定支撑用的支撑机械臂1及潜水电机3，支撑机械臂1通过铰接于机器人壳体4顶壁，其壁身铰接有驱动壁，潜水电机3的输出端同轴连接有丝杆2，且丝杆2上螺旋套设有螺母，螺母与驱动壁铰接，潜水电机3通过驱动丝杆2转动，带动螺母沿丝杆2移动，使得驱动壁随之带动支撑机械臂 1转动起落；支撑机械臂1顶端为橡胶止滑轮26；潜水电机3通过试验设定支撑保护值，从而限制支撑机械臂1的最大转动顶力。机器人壳体4顶壁还安装有吊环11，用于作业起吊和放机器人。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自来水管道水下探测及清理机器人，其特征是，包括可防水的机器人壳体，所述机器人壳体处设置有：
动力系统，用于为所述机器人提供动力输出；
智能运动系统，包括由智能控制系统控制的运动系统，所述运动系统包括设置于机器人壳体底部的四轮运动系统和悬浮系统以及设置于机器人壳体侧部的悬浮进退系统；
水下导航系统，用于为所述机器人进行惯性导航；
防撞系统，用于检测管道前侧垃圾情况，并将检测数据传递至智能控制系统进行运动修正；
垃圾探测系统，用于探测管道前侧垃圾厚度，并将探测数据传送至智能控制系统中进行数据的计算修正以及储存；
垃圾收集清运系统，用于对管道前侧垃圾进行清理并存储。
2.根据权利要求1所述的自来水管道水下探测及清理机器人，其特征是，所述动力系统包括设置在机器人壳体内的蓄电池、用于给各部件供电的配电柜和设置在机器人壳体外部的水轮发电机。
3.根据权利要求1所述的自来水管道水下探测及清理机器人，其特征是，所述四轮运动系统包括一组主动轮及一组从动轮，所述悬浮系统包括四个立式螺旋桨，所述悬浮进退系统包括两组水平安装的轴向螺旋桨，且轴向螺旋桨位于机器人壳体的侧壁前后端设置。
4.根据权利要求1所述的自来水管道水下探测及清理机器人，其特征是，所述垃圾探测系统包括设置在机器人壳体前端的声呐及超声波系统，所述机器人通过声呐及超声波系统测量数据探测垃圾厚度后，将数据传送至智能控制系统中进行数据的计算修正以及储存。
5.根据权利要求1所述的自来水管道水下探测及清理机器人，其特征是，所述水下导航系统包括安装于机器人壳体上的陀螺仪以及加速度计，所述机器人通过陀螺仪及加速度计为敏感器件的导航解算系统进行惯性导航。
6.根据权利要求1所述的自来水管道水下探测及清理机器人，其特征是，所述防撞系统包括声呐装置，所述声呐装置接收声呐信号并反馈到机器人壳体内的智能控制系统中，所述智能控制系统基于声呐信号进行计算并对行走智能控制系统进行修正。
7.根据权利要求1所述的自来水管道水下探测及清理机器人，其特征是，所述垃圾收集清运系统包括位于机器人壳体的前端安装的机械臂，所述机械臂的前端相应安装有垃圾清理机构，位于机器人壳体内安装有垃圾输送管道，所述垃圾输送管道通过软管与垃圾清理机构相连接，且垃圾输送管道内设置有垃圾推流器，所述垃圾输送管道另一端通过连接管连接有垃圾收集装置。
8.根据权利要求7所述的自来水管道水下探测及清理机器人，其特征是，所述垃圾清理机构包括皮带轮电机、皮带轮、皮带和旋转清理头，所述皮带轮与旋转清理头通过皮带传动连接，所述皮带轮电机通过驱动皮带轮，进而带动旋转清理头转动进行旋转清理。
9.根据权利要求7所述的自来水管道水下探测及清理机器人，其特征是，所述垃圾收集装置包括垃圾收集网兜、自动开合机构和压力传感器，所述自动开合机构于机器人启动时打开供垃圾收集网兜装载垃圾，所述机器人壳体后端固定设置有一组滑轮，所述滑轮上套有可沿滑轮循环绕动的绳子，且绳子上固定多个垃圾收集网兜，多个所述垃圾收集网兜随绳子绕动到机器人位置时张开收集，所述压力传感器于垃圾收集网兜收集到指定量时反馈给机器人，所述机器人通过自动开合机构控制垃圾收集网兜自动扎口并放开，所述垃圾收集网兜在水流作用下向后移动，所述机器人于移动到设定距离或计算垃圾收集网兜使用结束时自动返回。
10.根据权利要求1所述的自来水管道水下探测及清理机器人，其特征是，所述机器人壳体顶壁还安装有机器人工作时固定支撑用的支撑机械臂及潜水电机，所述支撑机械臂通过铰接于机器人壳体顶壁，其顶端为橡胶止滑轮且壁身铰接有驱动壁，所述潜水电机的输出端同轴连接有丝杆，且丝杆上螺旋套设有螺母，所述螺母与驱动壁铰接，所述潜水电机通过驱动丝杆转动，带动螺母沿丝杆移动，使得驱动壁随之带动支撑机械臂转动起落。
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