CN109985865A - 一种管道清洗机器人的清洗作业装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于特种机器人应用技术领域，具体涉及一种管道清洗机器人的清洗作业装置，包括：旋转基座和若干毛刷清洗式机械臂，所述毛刷清洗式机械臂周向安装在旋转基座上。本发明提出的一种管道清洗机器人清洗作业装置可以方便的集成安装到管道机器人上，其多条清洗臂同时工作的设计方法，以及不同清洗臂的单独驱动，可以保证对管道内径、弯度的适应性，以及较高的清洗作业效率。

Description

一种管道清洗机器人的清洗作业装置

技术领域

本发明属于特种机器人应用技术领域，具体涉及一种管道清洗机器人的清洗作业装置。

背景技术

管道机器人主要用于管道内的检测、内壁清洗、异物清理等作业。对于管道内壁的清洗，需要将清洗作业工具附着于管道上，并提供一定的预压力。同时，还要兼顾清洗作业与机器人在管道内的移动之间的功能设计。对于管道直径过大或过小的工况，机器人的清洗作业难度均较大；同时，在管道转弯部位，管道内壁距离管道中轴线的距离实时性变化，也需要清洗式机械臂具有相应的适应功能。已有同类先进技术存在的缺点或待解决的问题:

文献1“中央空调管道式通风***清洁机器人”(期刊，《机械科学与技术》，2011，刘莹，申超等)提出了一种针对中央空调通风管道的清洁机器人，该机器人针对现有的空调管道清洗机器人不能有效清洗截面高度在300mm以下的管道以及竖直管道，同时存在的越障困难和管道变截面难以适应等问题进行研究。机器人的清洗作业模块采用在一个圆盘上安装双滑槽摆动机构，并配合摆动机构末端安装的毛刷进行清洗作业。该机器人可以清洗的管道高度在160mm～1000mm之间。然而，由于其依靠腿足式吸附行走机构进行管道内的行走和固定，因此，对于圆形管道并不适用。同时，其双滑槽摆动机构的最大展开长度也有一定限制，对于超大内径的管道清洗作业不太适用。

文献2“Robotic systems for cleaning and inspection of large concretepipes”(会议论文，“2010 1st International Conference on Applied Robotics forthe Power Industry”，2010，作者JoséSaenz,Norbert Elkmann,Thomas Stuerze,SvenKutzner,Heiko Althoff)提出了一种清洗和检查大直径混凝土管道的机器人***，采用高压水喷嘴的精确定位结合非破坏性的传感技术进行导航和检查。该机器人***主要包括机器人***本体(用于承载功能和运动功能的实现)、清洗作业模块、水上/水下的传感检测模块、远程图像传输和通讯、控制***和人机交互***。其中，清洗作业模块由一个三自由度机械臂和末端的高压喷水头组成。该机器人及其清洗作业模块可以适应直径Φ1.6m～Φ2.6m之间。其缺点在于机器人本体和三自由度机械臂都过于笨重；采用高压水喷洗的方法与其他物理接触式清洗相比，需要独立的高压源，并且压力大小的实时可控性差。

传统的单臂操作类清洗方式，在机械臂的末端配置一个毛刷进行清洗作业，难以保证机器人在管道内的受力均衡性，同时也对大直径管道的清洗作业，尤其是转弯等部位有较多的限制因素。因此需要针对以上现有技术中的缺陷进行研究，提出一种可行的管道清洗机器人清洗作业装置。

发明内容

本发明目的在于提出一种管道清洗机器人的清洗作业装置，用于解决现有清洗机器人技术中大直径管道清洗作业时尤其是转弯等部位有较多限制因素的技术问题。

本发明的技术方案是：

一种管道清洗机器人清洗作业装置，包括：旋转基座和若干毛刷清洗式机械臂，所述毛刷清洗式机械臂周向安装在旋转基座上。

如上所述旋转基座还包括：安装基座、安装板，摆杆、舵机A、电机和舵机A安装板；

所述旋转基座整体为圆柱型结构，旋转基座中央设置有圆形中空凸台，用于放置安装基座的旋转轴；旋转基座一侧还设置有半圆凸台；

所述旋转基座上表面均布有三组安装板，每组安装板为两个；所述舵机A间隔设置在每组安装板的一侧，每个舵机A上还设置有舵机A安装板；电机固定安装在旋转基座的半圆凸台上；

所述摆杆一端安装在舵机A的输出轴上，摆杆的另一端安装在清洁机械臂上；

所述安装基座设置在旋转基座下方。

如上所述安装基座为圆柱形结构，安装基座上表面中央设置有旋转轴；所述安装基座上还包括:同步带轮、同步带、轴承、轴套、外端盖、内端盖和销钉；

所述安装基座的旋转轴由下至上依次设置有同步带轮、轴承和内端盖；

所述轴承为两个，上下设置在安装基座的旋转轴上；所述两轴承中间安装有轴套，用于顶紧轴承的内圈；

所述旋转轴上安装有销钉，用于同步带轮与旋转轴之间旋转固定；

所述同步带轮上安装有同步带，所述同步带与电机输出端连接；

所述内端盖安装在旋转轴的上端面，用于轴承内圈固定；所述外端盖设置在旋转基座圆形凸台的上方，用于顶紧轴承的外圈。

如上所述毛刷清洗式机械臂包括：第一级套管、第二级套管、毛刷、舵机B和钢丝绳；所述第一级套管内部设置有第二级套管，所述第二级套管的一端安装有毛刷；第一级套管下端设置有舵机B，所述钢丝绳设置在毛刷清洗式机械臂一侧，依次连接舵机B、第一级套管、第二级套管和毛刷。

如上所述舵机B上的输出轴上设置有钢丝绳的卷筒，所述钢丝绳用于控制第一级套管和第二级套管的伸缩。

如上所述第一级套管的一端安装在旋转基座的安装板上。

如上所述毛刷清洗式机械臂数量至少为三个。

本发明的有益效果是：

在需要大直径管道清洗的工业领域，尤其是核电领域，其工作环境的限制，工作时间窗口的制约等因素，都对管道清洗作业模块的设计、清洗能力及清洗效率提出了较大的挑战。本发明提出的一种管道清洗机器人清洗作业装置可以方便的集成安装到管道机器人上，其多条清洗臂同时工作的设计方法，以及不同清洗臂的单独驱动，可以保证对管道内径、弯度的适应性，以及较高的清洗作业效率。

本发明还具有如下主要特点和效果：

1)本发明单独设计的毛刷式管道清洗机器人清洗作业装置，由一个旋转式基座和三条周向分布的毛刷清洗式机械臂组成，方便安装于管道机器人本体上，在工作过程中只需控制清洗作业装置的周向转动，而机器人本体只需控制沿管道的前后移动；

2)毛刷清洗式机械臂的自由度设计：每条毛刷清洗式机械臂在空间上拥有四个自由度，可以实现绕基座的旋转、与管道轴线夹角的变换、长度伸缩，以及毛刷的自转，能够以不同的方位夹角接触管道内壁，从而适应不同的管道内径以及管道的转弯部位；

3)驱动方案设计：旋转式基座和毛刷清洗式机械臂之间的旋转自由度通过电机带动同步带传递动力；毛刷清洗式机械臂与管道轴线夹角的控制通过舵机带动摆动连杆实现，其夹角的变化范围是0～180°；毛刷清洗式机械臂的伸出调节功能通过电机和钢丝绳拉动，而回缩功能有相应的弹簧保证；毛刷的高速自转由位于机械臂末端的电机经过锥齿轮换向驱动；

4)安全限位设计：毛刷清洗式机械臂与管道轴线夹角的变化范围是0～180°，在旋转式基座上设有限位保护；对于机械臂，其内外套筒的伸缩，以及毛刷传动中的万向铰转向等，均设计了限位保护结构。

附图说明

图1为本发明所述一种管道清洗机器人清洗作业装置结构示意图。

图2为本发明所述一种管道清洗机器人清洗作业装置的三条清洗作业臂旋转基座结构示意图；

图3为本发明所述一种管道清洗机器人清洗作业装置的作业臂旋转基座的半剖视图；

图4为本发明所述一种管道清洗机器人清洗作业装置的作业臂旋转基座的驱动结构示意图；

图5为本发明所述一种管道清洗机器人清洗作业装置的三条清洗作业臂的周向均匀布置示意图

图6为本发明所述一种管道清洗机器人清洗作业装置的清洗作业机械臂的整体模型及其钢丝绳驱动结构示意图。

其中，1-旋转基座，2-安装板，3-摆杆、4-舵机A，5-电机，6-舵机A安装板，7-安装基座，8-同步带轮，9-同步带，10-轴承，11-轴套，12-外端盖，13-内端盖，14-销钉、15-第一级套管，16-第二级套管，17-毛刷，18-钢丝绳；19-舵机B。

具体实施方式

下面对本发明技术进行进一步描述：

图1-6所示，一种管道清洗机器人清洗作业装置，包括：旋转基座1和若干毛刷清洗式机械臂，所述毛刷清洗式机械臂周向安装在旋转基座1上。

所述旋转基座1还包括：安装基座7、安装板2，摆杆3、舵机A4、电机5和舵机A安装板6；

所述旋转基座1整体为圆柱型结构，旋转基座1中央设置有圆形中空凸台，用于放置安装基座7的旋转轴；旋转基座1一侧还设置有半圆凸台；

所述旋转基座1上表面均布有三组安装板2，每组安装板2为两个；所述舵机A4间隔设置在每组安装板2的一侧，每个舵机A4上还设置有舵机A安装板6；电机5固定安装在旋转基座1的半圆凸台上；

所述摆杆3一端安装在舵机A4的输出轴上，摆杆3的另一端安装在清洁机械臂上；清洗机械臂和旋转基座1之间的转动自由度2通过舵机A4和摆杆3进行控制。

所述安装基座7设置在旋转基座1下方。安装基座7和管道机器人本体固连。旋转基座1和安装基座7之间组成旋转自由度。

所述安装基座7为圆柱形结构，安装基座7上表面中央设置有旋转轴；所述安装基座7上还包括:同步带轮8、同步带9、轴承10、轴套11、外端盖12、内端盖13和销钉14；

所述安装基座7的旋转轴由下至上依次设置有同步带轮8、轴承10和内端盖13；

所述轴承10为两个，上下设置在安装基座7的旋转轴上；所述两轴承10中间安装有轴套11，用于顶紧轴承10的内圈；

所述旋转轴上安装有销钉14，用于同步带轮8与旋转轴之间旋转固定；

所述同步带轮8上安装有同步带9，所述同步带9与电机5输出端连接；电机5通过同步带9和安装基座7上的同步带轮8连接，从而带动旋转基座1的转动。

所述内端盖13安装在旋转轴的上端面，用于轴承10内圈固定；所述外端盖12设置在旋转基座1圆形凸台的上方，用于顶紧轴承10的外圈。

所述毛刷清洗式机械臂包括：第一级套管15、第二级套管16、毛刷17、舵机B19和钢丝绳18；所述第一级套管15内部设置有第二级套管16，所述第二级套管16的一端安装有毛刷17；第一级套管15下端设置有舵机B19，所述钢丝绳18设置在毛刷清洗式机械臂一侧，依次连接舵机B19、第一级套管15、第二级套管16和毛刷17。

所述舵机B19上的输出轴上设置有钢丝绳18的卷筒，所述钢丝绳18用于控制第一级套管15和第二级套管16的伸缩。

所述第一级套管15的一端安装在旋转基座1的安装板2上。

所述毛刷清洗式机械臂数量至少为三个。

如图6所示，清洗机械臂为两级伸缩式结构。第一级套管15和第二级套管16之间的伸缩运动，以及末端毛刷17的展开运动均通过钢丝绳18的拉力实现。舵机B19带动钢丝绳卷筒转动，使连接卷筒的钢丝绳18收缩。毛刷17的转动驱动电机内置于二级套管16的末端，毛刷17的高速自转由电机输出经过锥齿轮换向驱动。

本发明管道清洗机器人清洗作业装置的工作原理：本实施例中毛刷清洗式机械臂为三条，每条毛刷清洗式机械臂在空间上拥有四个自由度，可以实现绕旋转基座1的旋转、与管道轴线夹角的转动、长度伸缩，以及毛刷17的自转，从而可以适应不同的管道内径以及管道的转弯部位。旋转基座1上包含其自身的自转驱动，以及对毛刷清洗式机械臂的收放驱动。毛刷清洗式机械臂又具有伸缩功能，以及末端的毛刷17高速转动功能。

本发明中管道清洗机器人清洗作业装置的功能及自由度制定：如图1所示，首先，自由度1为绕中心轴的旋转运动副，可以使旋转基座1具有绕管道清洗机器人本体转动的自由度，配合清洗操作臂自身的张开自由度(转动自由度2)、伸缩自由度(自由度3)，以及末端毛刷17的转动自由度(自由度4)，保证了其上安装的三条清洗操作臂末端的毛刷17可以达到管道内壁的任何位置。每条毛刷清洗式机械臂在空间上拥有四个自由度，能够以不同的方位夹角接触管道内壁，从而进行清洗作业；

本实施例中管道清洗机器人清洗作业装置对不同管道内径的适应方式：本发明提出的管道清洗机器人清洗作业装置具有四个自由度，其中第2转动自由度和第3伸缩自由度的运动均可以改变末端毛刷17相对于管道轴线的距离，从而适应不同的管道内径。但不同点在于：随着第2转动自由度的转动角度增加，可以使清洗作业臂向前伸出，从而使毛刷17相对于机器人本体的距离增加，有利于增加机器人在管道中的稳定性；对于第3伸缩自由度，其伸出的长度用以改变清洗式机械臂的长度，需要配合第2转动自由度的转动角度共同确定最终毛刷在管道内壁的位置。

本发明中管道清洗机器人清洗作业装置的驱动方案制定：旋转基座1和安装基座7之间的运动通过电机5和同步带9实现；

清洗机械臂自身的张开运动由自由度2上设置的舵机A4实现；

清洗机械臂的伸出调节功能通过舵机B19和钢丝绳18拉动；

毛刷17的高速自转由位于机械臂第二级套管16内放置的电机经过锥齿轮换向驱动。

转动自由度2和伸缩自由度3的运动范围均设计有机械限位保护装置。

上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (7)

1.一种管道清洗机器人清洗作业装置，其特征在于：包括：旋转基座(1)和若干毛刷清洗式机械臂，所述毛刷清洗式机械臂周向安装在旋转基座(1)上。

2.如权利要求1所述的一种管道清洗机器人清洗作业装置，其特征在于：所述旋转基座(1)还包括：安装基座(7)、安装板(2)，摆杆(3)、舵机A(4)、电机(5)和舵机A安装板(6)；

所述旋转基座(1)整体为圆柱型结构，旋转基座(1)中央设置有圆形中空凸台，用于放置安装基座(7)的旋转轴；旋转基座(1)一侧还设置有半圆凸台；

所述旋转基座(1)上表面均布有三组安装板(2)，每组安装板(2)为两个；所述舵机A(4)间隔设置在每组安装板(2)的一侧，每个舵机A(4)上还设置有舵机A安装板(6)；电机(5)固定安装在旋转基座(1)的半圆凸台上；

所述摆杆(3)一端安装在舵机A(4)的输出轴上，摆杆(3)的另一端安装在清洁机械臂上；

所述安装基座(7)设置在旋转基座(1)下方。

3.如权利要求1所述的一种管道清洗机器人清洗作业装置，其特征在于：所述安装基座(7)为圆柱形结构，安装基座(7)上表面中央设置有旋转轴；所述安装基座(7)上还包括:同步带轮(8)、同步带(9)、轴承(10)、轴套(11)、外端盖(12)、内端盖(13)和销钉(14)；

所述安装基座(7)的旋转轴由下至上依次设置有同步带轮(8)、轴承(10)和内端盖(13)；

所述轴承(10)为两个，上下设置在安装基座(7)的旋转轴上；所述两轴承(10)中间安装有轴套(11)，用于顶紧轴承(10)的内圈；

所述旋转轴上安装有销钉(14)，用于同步带轮(8)与旋转轴之间旋转固定；

所述同步带轮(8)上安装有同步带(9)，所述同步带(9)与电机(5)输出端连接；

所述内端盖(13)安装在旋转轴的上端面，用于轴承(10)内圈固定；所述外端盖(12)设置在旋转基座(1)圆形凸台的上方，用于顶紧轴承(10)的外圈。

4.如权利要求1所述的一种管道清洗机器人清洗作业装置，其特征在于：所述毛刷清洗式机械臂包括：第一级套管(15)、第二级套管(16)、毛刷(17)、舵机B(19)和钢丝绳(18)；所述第一级套管(15)内部设置有第二级套管(16)，所述第二级套管(16)的一端安装有毛刷(17)；第一级套管(15)下端设置有舵机B(19)，所述钢丝绳(18)设置在毛刷清洗式机械臂一侧，依次连接舵机B(19)、第一级套管(15)、第二级套管(16)和毛刷(17)。

5.如权利要求4所述的一种管道清洗机器人清洗作业装置，其特征在于：所述舵机B(19)上的输出轴上设置有钢丝绳(18)的卷筒，所述钢丝绳(18)用于控制第一级套管(15)和第二级套管(16)的伸缩。

6.如权利要求4所述的一种管道清洗机器人清洗作业装置，其特征在于：所述第一级套管(15)的一端安装在旋转基座(1)的安装板(2)上。

7.如权利要求1所述的一种管道清洗机器人清洗作业装置，其特征在于：所述毛刷清洗式机械臂数量至少为三个。