CN114833151A - 一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法，仿造蚯蚓纵、环肌的交互舒缩以及体表的刚毛配合进行运动，搭载切割机构可以实现清除管道内残留固体沉淀物。其特征在于，包括行走支撑装置、齿轮传动结构、清洗装置、筒体结构、动力系统和控制系统；所述的行走支撑装置包括三角凸轮机构、支撑腿和半球碗，共有两组；所述的齿轮传动结构包括齿轮和齿条；清洗装置包括转轴、轴承、圆盘型切割毛刷，共有两组；所述筒体结构包括上下筒体和前后筒体；所述的动力系统包括电机和电机控制系统；所述的控制系统包括方向控制系统、运动控制系统、转盘；前后筒体均配有三条支撑腿以及一部可拆卸红外摄像机；本发明能在管道内稳定运行，不会发生侧滑、卡住等情况。

Description

一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法

技术领域

本发明涉及仿生机械用于管道清理，特别涉及一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法。

背景技术

由于我国工业技术日益发达，化学化工管道成为运输工业化学品最常见的容器，但大多数化学品易被空气氧化为固体沉淀物附着在管壁上，从而影响了管道的运输效率，更严重的则会导致一些重大事故的发生。

蚯蚓之所以能在狭长的土缝中运动，是因为其具有特殊的身体结构，将狭长的管道类比为狭长的土缝、支撑腿类比刚毛部分，为其仿造其身体构造、运动方式可以制作出一种机械装置，用于清理化工管道内因氧化而残余的固体沉淀。切割刀片距管壁0.5mm，防止刀片误触管壁，导致管壁损坏，更严重则会导致有毒化学气体的泄漏。

针对化学化工管道的固体沉淀的清理，到目前为止有两种方案：第一种是通过高压清洗剂清洗，即通过高压水射流在强冲击力作用下，清除管道内表面的污垢。但其局限于短距离管道，且对管道尺寸大小要求过高、成本高。第二种是通过管道机器人清洗，但经查阅资料，发现目前的管道机器人基本上是使用轮式或履带式驱动（如专利号202080001663.2 以及 201610511231.0），对于倾斜角较大的管道，轮式或履带式驱动的清洗机器人很难保持平衡，容易出现侧翻、打滑等现象，因此这类机器人只能局限于水平管道的清洗，实用性大打折扣。因此，创新一种能耗低，成本低，并且还能实现对化学化工管道的清洗，尤为重要，且还要创新在竖直管道内运行的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明参考蚯蚓的运动方式以及身体结构，提供一种既实现低成本、方便拆装、有效清理化工管道内沉淀物，也能在竖直化工管道平稳运行的仿生蚯蚓管道清理机器人。一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法，仿造蚯蚓纵、环肌的交互舒缩以及体表的刚毛配合进行运动，搭载切割机构可以实现清除化工管道内残留固体沉淀物，包括行走支撑装置、齿轮传动结构、清洗装置、筒体结构、动力系统和控制系统；所述的行走支撑装置包括三角凸轮机构、支撑腿和半球碗，共有两组；所述的齿轮传动结构包括齿轮和齿条，实现运动控制及方向控制；清洗装置包括转轴、轴承、圆盘型切割毛刷，共有两组；所述筒体结构包括上下筒体和前后筒体；所述的动力系统包括电机和电机控制系统；所述的控制系统包括方向控制系统、运动控制系统、转盘；前后筒体均配有三条支撑腿以及一部可拆卸红外摄像机；本发明能在管道内稳定运行，不会发生侧滑、卡住等情况。

所述前后筒体均设有三个支撑腿，支撑腿与凸轮进行配合，外端安装半球碗；上下筒体通过螺纹孔连接，且均装有空心圆筒，内部装饰螺纹线，用于与清洗装置连接，齿轮传动结构中的齿条与前后筒体连接，电机控制系统与蓄电池相连，连接电机以及上下筒体的清洗装置。所述三角凸轮机构中支撑腿与凸轮进行配合，分别安装在前、后筒体，根据凸轮的旋转控制支撑腿的伸缩；所述清洗装置安装在上下筒体；

上述的一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法中，所述前后筒体均匀设有三个支撑腿，并与齿轮传动结构中的齿条连接。

上述的一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法中，所述三角凸轮机构中支撑腿与凸轮进行配合，分别安装在前、后筒体，根据凸轮的旋转控制支撑腿的伸缩。

上述的一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法中，所述齿轮传动结构包括齿轮和齿条，齿条与前/后筒体相连，依靠齿轮的转动来控制前/后筒体的伸缩，齿轮正反转控制齿条前后运动。

上述的一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法中，所述上筒体与下筒体相配合；上筒体顶部安装清洗装置；下筒体底部安装控制系统中的方向控制系统。

上述的一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法中，所述控制系统使用两组齿轮与齿条控制方向控制系统的伸缩，方向控制系统通过电机驱动。

上述的一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法中，所述清洗装置搭载可换刀片，连接动力系统。

一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法，具体操作如下：

清理管道为直管时：

将装置置于狭长管道内（设装置至左向右移动），此时前后共六个支撑腿均紧密接触管道，即支撑腿内端处于凸轮的“凸面”，前后筒体均缩回。启动电机，电机驱动运动控制系统，使三角凸轮机构中前筒体内的凸轮正转60°，此时支撑腿内端从凸轮的“凸面”转到凸轮的“凹面”，外端半球碗回缩，与管道相离，此时齿轮传动结构前部的齿轮逆时针旋转，齿条向前移动，使前筒体前伸，伸到极限距离时齿轮便停止旋转，运动控制系统再控制三角凸轮机构中前筒体内的凸轮正转60°，支撑腿内端转到“凸面”，外端半球碗外伸，与管道接触，之后齿轮又逆时针旋转，将上下筒体带至前方后停止旋转，此时齿轮传动结构后部的齿条被外拉至极限距离，三角凸轮机构中后筒体内的凸轮正转60°，外端半球碗回缩，与管道相离，此时齿轮传动结构后部的齿轮旋转，齿条向前移动，使后筒体向前移动，当后筒体与下筒体的边缘接触后便停止旋转，后往复循环；整个过程中清洗装置始终运作；

当装置遇到弯管，需要转弯时：

装置转弯前，运动控制系统控制前后筒体收缩，半球碗缩回，转弯时方向控制系统控制齿轮旋转，齿条往下移动，转盘下移至将装置抬升一定高度后将装置旋转至面向直管，方向控制系统控制齿轮旋转，齿条往上移动，转盘缩回至装置重新接触管面。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）本发明将现有机械装置与蚯蚓特殊身体构造及运动方式有机结合，充分的利用了蚯蚓的横肌纵肌交替运动方式以及环节身体构造，实现了现有结构的多重利用，有效提升经济性能；

2）本发明不仅可以实现对水平化工管道内的固体沉淀物的清除，还能在竖直化工管道中进行工作，极大程度上地简化了清理过程，不需要拆除管道即可清除内部固体沉淀物；

3）本发明加工制作简单，且能有效提升化学化工管道的清洁效率，装置结构简单，且零件成本低，显著提升化工管道清洁效率的同时还能进一步提升其性价比；

4）本发明装置拆卸安装步骤简单，运输方便，装置大小也可以根据管道直径进行灵活变通，切削刀片的形状也可根据管道形状进行设计、更换；

5）本发明的筒体结构可采用3D打印技术制造，这样形成的外壳具有一定的粗糙度，且耐腐蚀，不会因为长时间在化工管道内工作而被化学品腐蚀，具有加工制造简单且结构灵活优点。

附图说明

图1为本发明的三角凸轮结构。

图2为本发明的筒体结构。

图3为本发明的运动控制结构。

图4为本发明的方向控制结构。

图5为本发明的清洗装置。

图6为本发明的整体结构示意图。

1—半球碗；2—凸轮轴；3—凸轮；4—支撑腿；5—上筒体；6—下筒体；7—前筒体；8—后筒体；9—齿条I；10—齿轮Ⅰ；11—齿轮Ⅱ；12—齿条Ⅱ；13—齿轮Ⅲ；14—齿条Ⅲ；15—齿轮Ⅳ；16—齿条Ⅳ；17—转盘；18—清洗装置筒体；19—刀片；20—轴承；21—控制系统；22—清洗装置轴。

具体实施方法

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例

图1-5所示的是本发明的一个实施例附图。

清理管道为直管时：

将装置置于狭长管道内（设装置至左向右移动），此时前后共六个支撑腿4均紧密接触管道，即支撑腿内端处于凸轮3的“凸面”，前后筒体7、8均缩回。启动控制系统21，控制系统先控制凸轮机构3中的前部转轴上的直流电机，使其正转60°，位于前部的凸轮3也跟着正转60°，此时由于支撑腿4内端从凸轮3的“凸面”转到凸轮3的“凹面”，外端1便回缩，不与管道接触，此时控制系统21再控制传动机构中前部的齿轮11逆时针旋转，齿条12由此向前移动，带动前筒体7向前伸，当前伸到极限距离时齿轮11便停止旋转，控制系统21再控制前部转轴2的直流电机，使其正转60°，支撑腿内端又回到了“凸面”，半球碗1便往外伸，重新与管道接触，之后齿轮11又逆时针旋转，将上下筒体5、6带至前方后停止旋转，此时前筒体7以及上下筒体5、6部分均往前移动了一段距离，相对地，传动机构后部的齿条17被外拉至极限距离，而后控制系统21又控制后部转轴的上的直流电机，使其正转60°，后部的凸轮正转60°，后筒体中的半球碗1回缩，不与管道接触，后控制系统21使传动机构后部的齿轮18顺时针旋转，带动后筒体8向前移动，当后筒体与8下筒体5的边缘接触后便停止旋转。至此一次移动过程结束，往后循环便能达到不断前进的效果，如需后退只需改变齿轮旋转方向即可，整个过程中切割机构处于一直运作的状态。

当装置遇到弯管，需要转弯时：

装置转弯前，运动控制系统控制前后筒体7、8收缩，半球碗缩回，转弯时方向控制系统控制齿轮13、15旋转，齿条14、16往下移动，转盘17下移至将装置抬升一定高度后将装置旋转至面向直管，方向控制系统控制齿轮13、15旋转，齿条14、16往上移动，转盘17缩回至装置重新接触管面。

Claims (8)

1.一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法，其特征是：包括行走支撑装置、齿轮传动结构、清洗装置、筒体结构、动力系统和控制系统；所述的行走支撑装置包括三角凸轮机构、支撑腿和半球碗，共有两组；所述的齿轮传动结构包括齿轮和齿条，实现运动控制及方向控制；清洗装置包括转轴、轴承、圆盘型切割毛刷，共有两组；所述筒体结构包括上下筒体和前后筒体；所述的动力系统包括电机和电机控制系统；所述的控制系统包括方向控制系统、运动控制系统、转盘；前后筒体均配有三条支撑腿以及一部可拆卸红外摄像机；所述前后筒体均设有三个支撑腿，支撑腿与凸轮进行配合，外端安装半球碗；上下筒体通过螺纹孔连接，且均装有空心圆筒，内部装饰螺纹线，用于与清洗装置连接，齿轮传动结构中的齿条与前后筒体连接，电机控制系统与蓄电池相连，连接电机以及上下筒体的清洗装置；所述三角凸轮机构中支撑腿与凸轮进行配合，分别安装在前、后筒体，根据凸轮的旋转控制支撑腿的伸缩；所述清洗装置安装在上下筒体；本发明能在管道内稳定运行，不会发生侧滑、卡住等情况。

2.根据权利要求1所述的一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法，其特征是：所述前后筒体均匀设有三个支撑腿，并与齿轮传动结构中的齿条连接。

3.根据权利要求1所述的一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法，其特征是：所述三角凸轮机构中支撑腿与凸轮进行配合，分别安装在前、后筒体，根据凸轮的旋转控制支撑腿的伸缩。

4.根据权利要求1所述的一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法，其特征是：所述齿轮传动结构包括齿轮和齿条，齿条与前/后筒体相连，依靠齿轮的转动来控制前/后筒体的伸缩，齿轮正反转控制齿条前后运动。

5.根据权利要求1所述的一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法，其特征是：所述上筒体与下筒体相配合；上筒体顶部安装清洗装置；下筒体底部安装控制系统中的方向控制系统。

6.根据权利要求1所述的一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法，其特征是：所述控制系统使用两组齿轮与齿条控制方向控制系统的伸缩，方向控制系统通过电机驱动。

7.根据权利要求1所述的一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法，其特征是：所述清洗装置搭载可换刀片，连接动力系统。

8.一种根据权利要求1-7中任一权利要求所述的一种仿生蚯蚓的智能管道清理机器人及其工作方法，具体操作如下：

清理管道为直管时：

将装置置于狭长管道内（设装置至左向右移动），此时前后共六个支撑腿均紧密接触管道，即支撑腿内端处于凸轮的“凸面”，前后筒体均缩回；启动电机，电机驱动运动控制系统，使三角凸轮机构中前筒体内的凸轮正转60°，此时支撑腿内端从凸轮的“凸面”转到凸轮的“凹面”，外端半球碗回缩，与管道相离，此时齿轮传动结构前部的齿轮逆时针旋转，齿条向前移动，使前筒体前伸，伸到极限距离时齿轮便停止旋转，运动控制系统再控制三角凸轮机构中前筒体内的凸轮正转60°，支撑腿内端转到“凸面”，外端半球碗外伸，与管道接触，之后齿轮又逆时针旋转，将上下筒体带至前方后停止旋转，此时齿轮传动结构后部的齿条被外拉至极限距离，三角凸轮机构中后筒体内的凸轮正转60°，外端半球碗回缩，与管道相离，此时齿轮传动结构后部的齿轮旋转，齿条向前移动，使后筒体向前移动，当后筒体与下筒体的边缘接触后便停止旋转，后往复循环；整个过程中清洗装置始终运作；

当装置遇到弯管，需要转弯时：

装置转弯前，运动控制系统控制前后筒体收缩，半球碗缩回，转弯时方向控制系统控制齿轮旋转，齿条往下移动，转盘下移至将装置抬升一定高度后将装置旋转至面向直管，方向控制系统控制齿轮旋转，齿条往上移动，转盘缩回至装置重新接触管面。

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