CN112916532A - 一种管道清洗机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道清洗机器人，包括万向连接机构，所述万向连接机构的前方设置有清洗机构，所述万向连接机构的后方设置有吸尘机构，所述清洗机构与所述万向连接机构之间以及所述吸尘机构与所述万向连接机构之间均设置有驱动机构，所述驱动机构包括支架，所述支架上设置有多个支撑臂，所述支撑臂远离所述支架的一端设置有驱动轮组，所述万向连接机构包括连接座，所述连接座与所述支架之间设置有多个柔性连接件，所述连接座与所述支架均通过万向节连接所述柔性连接件。其拥有万向连接，具有自动变径功能，同时机器人搭载有摄像头和吸尘机构，可实现管道清洗过程的自动化和一体化。

Description

一种管道清洗机器人

技术领域

本发明涉及清洗机器人的技术领域，具体来说，涉及一种管道清洗机器人。

背景技术

管道作为一种用于输送气体、液体或带固体颗粒的流体的装置，在核电、石油、天然气、水利工程和各种工业装置中应用广泛。目前在管道清洗领域里，清洗设备绝大部分是采用无动力缆绳拖拉行走方式来进行清洗，该种清洗方法低效且自动化程度低，无法根据管径的大小进行设备清洁姿态调整，远远不能满足现代社会日益增长的要求。

目前对于管道清洗机器人的研究已有一些成果如“一种用于管道清洗的机器人”（发明专利：CN201410123349.4）提出通过设有水平旋转装置与竖直旋转装置使清洗刷实现上下左右四个方位的移动，该机器人需要不断变换清洗刷头的位置来清洗，因此清洗效率较低且可能存在清洗死角；该机器人通过带有车轮的平板车体搭载清洗刷头，其本身车体体积较大，对适应清洗的管径规格有特定要求且机器人在弯管处的通过性较差。“一种具有自适应功能的管道机器人支撑臂同步驱动装置”（发明专利：CN201711471796.9）提出一种具有自适应功能的管道机器人支撑臂同步驱动装置，其搭载的电机、齿轮等数量较多，结构复杂，而在管道清洗时所处的周围环境较差，结构过于复杂的变径机构易积累灰尘、夹渣等导致机构卡死，不能正常运行。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种管道清洗机器人，拥有万向连接，具有自动变径功能，同时机器人搭载有摄像头和吸尘机构，可实现管道清洗过程的自动化和一体化。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种管道清洗机器人，包括万向连接机构，所述万向连接机构的前方设置有清洗机构，所述万向连接机构的后方设置有吸尘机构，所述清洗机构与所述万向连接机构之间以及所述吸尘机构与所述万向连接机构之间均设置有驱动机构，所述驱动机构包括支架，所述支架上设置有多个支撑臂，所述支撑臂远离所述支架的一端设置有驱动轮组，所述万向连接机构包括连接座，所述连接座与所述支架之间设置有多个柔性连接件，所述连接座与所述支架均通过万向节连接所述柔性连接件。

进一步地，所述支架包括中部夹板以及至少一块底板，所述中部夹板与所述底板间隔设置并彼此固定连接，所述中部夹板与所述底板之间分别设置有可绕自身轴线转动的传动齿轮以及若干可沿所述传动齿轮径向滑动的棘齿条，所述传动齿轮与所述棘齿条相啮合，所述传动齿轮连接有支架驱动电机，所述棘齿条固定连接连接套筒的一端，所述连接套筒的另一端与所述支撑臂滑动连接，所述支撑臂远离所述驱动轮组的一端伸入至所述中部夹板与所述底板之间并与所述中部夹板铰接。

进一步地，所述支架包括前后两块所述底板，所述中部夹板位于两块所述底板之间，其中，靠近所述万向连接机构的所述底板固定连接所述万向节。

进一步地，所述驱动轮组包括驱动轮支座，所述驱动轮支座固定连接所述支撑臂远离所述支架的一端，所述驱动轮支座上转动连接有若干驱动轮轴，所述驱动轮轴上固定连接有若干驱动轮，所有的所述驱动轮轴通过传动机构连接驱动轮电机，所述传动机构包括同步带以及若干同步轮，所述同步轮固定连接在所述驱动轮轴上或所述驱动轮电机的电机轴上。

进一步地，所述清洗机构包括刷头底座，所述刷头底座的后侧固定连接距离其最近的所述底板，所述刷头底座的前侧通过可拆装连接的固定轴可拆装连接有刷头顶盖，所述固定轴的外部套设有清洗刷头，所述清洗刷头的后端固定连接轴承的外圈，所述轴承的内圈固定连接在所述固定轴的外部，所述轴承的外圈还固定连接有从动齿轮，所述从动齿轮啮合连接有刷头驱动齿轮，所述刷头驱动齿轮连接有刷头驱动电机。

进一步地，所述吸尘机构包括吸尘风扇，所述吸尘风扇包括风扇筒和扇叶，所述扇叶连接有风扇电机，所述风扇筒的一端密封固定连接有整流罩，所述风扇筒的另一端密封固定连接有贮尘槽，所述风扇电机位于所述贮尘槽内，所述整流罩或所述贮尘槽固定连接距离其最近的所述底板。

进一步地，所述刷头顶盖的前侧固定连接有朝向前方的第一摄像头，所述吸尘机构上固定连接有朝向后方的第二摄像头。

进一步地，所述支架驱动电机、所述驱动轮电机、所述刷头驱动电机、所述风扇电机、所述第一摄像头以及所述第二摄像头均连接有线缆，所述底板以及所述连接座上均开设有与所述线缆相对应的过线孔，所述连接座通过中部软管连接所述底板，所述中部软管位于所述线缆的外部。

进一步地，所述万向节包括十字转轴和两个端头，所述十字转轴分别转动连接两个所述端头。

进一步地，所述底板上固定连接有若干分别与所述棘齿条一一滑动配合的限位板，所述棘齿条位于所述限位板与所述传动齿轮之间。

本发明的有益效果：1) 驱动机构具有自适应管径功能，能够根据所要清洗的管径大小进行支撑臂的展开和回收，保证机器人始终位于管道的中心位置且驱动轮组与管道内壁的接触，实现机器人在不同管径下的驱动行进，且本驱动机构结构紧凑，易于保养清洁，有利于机器人在恶劣的管道清洗工况下依然保证机构运行稳定；

2)具有万向连接机构，可使机器人能够灵活地通过弯曲角度90°以内的管道并进行清洗作业，使机器人可清洗的管道类型更加广泛；

3) 吸尘机构具有吸尘和贮尘功能，能够将清洗刷头清洗掉落的灰尘、污渍及时收集，避免了管道清洗的二次污染，实现了管道高效清洗一体化；

4) 清洗刷头可更换可根据不同管径清洗要求更换不同大小的清洗刷头，由于机器人始终保持在管道内中心位置行进，在机器人行进时，清洗刷头的清洗范围可实现管道内壁全覆盖，区别于传统管道清洗机器人在清洗过程中不断变换刷头位置，使清洗过程更加高效；

5)通过驱动轮组与管道内壁顶紧接触的方式，可使机器人在管道内行进时始终位于管道的中心位置，从而使机器人清洗姿态更加稳定，具有防侧翻的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的管道清洗机器人的轴视图；

图2是根据本发明实施例所述的管道清洗机器人的后视图；

图3是根据本发明实施例所述的第一摄像头的示意图；

图4是根据本发明实施例所述的第二摄像头的示意图；

图5是根据本发明实施例所述的清洗机构的分解图；

图6是根据本发明实施例所述的驱动机构的分解图；

图7是根据本发明实施例所述的底板的示意图；

图8是根据本发明实施例所述的支撑臂回收时驱动机构的示意图；

图9是根据本发明实施例所述的支撑臂展开时驱动机构的示意图；

图10是根据本发明实施例所述的驱动轮组的示意图；

图11是根据本发明实施例所述的万向连接机构的示意图；

图12是根据本发明实施例所述的万向节的示意图；

图13是根据本发明实施例所述的吸尘机构的分解图。

图中：

1、第一摄像头；2、清洗机构；21、刷头顶盖；22、清洗刷头；23、刷头驱动齿轮；24、从动齿轮；25、轴承；26、固定轴；27、刷头底座；3、驱动机构；31、驱动轮组；311、驱动轮支座；312、驱动轮电机；313、驱动轮；314、驱动轮轴承；315、驱动轮轴；316、同步轮；317、同步带；32、支撑臂；33、连接套筒；34、棘齿条；35、底板；351、限位板；36、传动齿轮；37、中部夹板；38、螺钉销；4、万向连接机构；41、万向节；42、连接弹簧；43、中部软管；44、连接座；5、吸尘机构；51、整流罩；52、吸尘风扇；53、风扇电机；54、贮尘槽；6、第二摄像头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-13所示，根据本发明实施例所述的一种管道清洗机器人，包括万向连接机构4，所述万向连接机构4的前方设置有清洗机构2，所述万向连接机构4的后方设置有吸尘机构5，所述清洗机构2与所述万向连接机构4之间以及所述吸尘机构5与所述万向连接机构4之间均设置有驱动机构3，所述驱动机构3包括支架，所述支架上设置有多个支撑臂32，所述支撑臂32远离所述支架的一端设置有驱动轮组31，所述万向连接机构4包括连接座44，所述连接座44与所述支架之间设置有多个柔性连接件，所述连接座44与所述支架均通过万向节41连接所述柔性连接件。

在本发明的一个具体实施例中，所述支架包括中部夹板37以及至少一块底板35，所述中部夹板37与所述底板35间隔设置并彼此固定连接，所述中部夹板37与所述底板35之间分别设置有可绕自身轴线转动的传动齿轮36以及若干可沿所述传动齿轮36径向滑动的棘齿条34，所述传动齿轮36与所述棘齿条34相啮合，所述传动齿轮36连接有支架驱动电机，所述棘齿条34固定连接连接套筒33的一端，所述连接套筒33的另一端与所述支撑臂32滑动连接，所述支撑臂32远离所述驱动轮组31的一端伸入至所述中部夹板37与所述底板35之间并与所述中部夹板37铰接。

在本发明的一个具体实施例中，所述支架包括前后两块所述底板35，所述中部夹板37位于两块所述底板35之间，其中，靠近所述万向连接机构4的所述底板35固定连接所述万向节41。

在本发明的一个具体实施例中，所述驱动轮组31包括驱动轮支座311，所述驱动轮支座311固定连接所述支撑臂32远离所述支架的一端，所述驱动轮支座311上转动连接有若干驱动轮轴315，所述驱动轮轴315上固定连接有若干驱动轮313，所有的所述驱动轮轴315通过传动机构连接驱动轮电机312，所述传动机构包括同步带317以及若干同步轮316，所述同步轮316固定连接在所述驱动轮轴315上或所述驱动轮电机312的电机轴上。

在本发明的一个具体实施例中，所述清洗机构2包括刷头底座27，所述刷头底座27的后侧固定连接距离其最近的所述底板35，所述刷头底座27的前侧通过可拆装连接的固定轴26可拆装连接有刷头顶盖21，所述固定轴26的外部套设有清洗刷头22，所述清洗刷头22的后端固定连接轴承25的外圈，所述轴承25的内圈固定连接在所述固定轴26的外部，所述轴承25的外圈还固定连接有从动齿轮24，所述从动齿轮24啮合连接有刷头驱动齿轮23，所述刷头驱动齿轮23连接有刷头驱动电机。

在本发明的一个具体实施例中，所述吸尘机构5包括吸尘风扇52，所述吸尘风扇52包括风扇筒和扇叶，所述扇叶连接有风扇电机53，所述风扇筒的一端密封固定连接有整流罩51，所述风扇筒的另一端密封固定连接有贮尘槽54，所述风扇电机53位于所述贮尘槽54内，所述整流罩51或所述贮尘槽54固定连接距离其最近的所述底板35。

在本发明的一个具体实施例中，所述刷头顶盖21的前侧固定连接有朝向前方的第一摄像头1，所述吸尘机构5上固定连接有朝向后方的第二摄像头6。

在本发明的一个具体实施例中，所述支架驱动电机、所述驱动轮电机312、所述刷头驱动电机、所述风扇电机53、所述第一摄像头1以及所述第二摄像头6均连接有线缆，所述底板35以及所述连接座44上均开设有与所述线缆相对应的过线孔，所述连接座44通过中部软管43连接所述底板35，所述中部软管43位于所述线缆的外部。

在本发明的一个具体实施例中，所述万向节41包括十字转轴和两个端头，所述十字转轴分别转动连接两个所述端头。

在本发明的一个具体实施例中，所述底板35上固定连接有若干分别与所述棘齿条34一一滑动配合的限位板351，所述棘齿条34位于所述限位板351与所述传动齿轮36之间。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式对本发明的上述技术方案进行详细说明。

本发明所述的管道清洗机器人，与可更换的清洗刷头22配合使用，机器人主要由清洗机构2、摄像监测模块、驱动机构3、万向连接机构4、吸尘机构5组成；机器人工作时，机器人根据所要清洗的管道内径，支架驱动电机驱动支撑臂32展开，使得驱动轮组31紧贴管道内壁，驱动轮电机312通过同步带317带动驱动轮313旋转，使得机器人在管道内完成前进、后退的动作。在机器人行进过程中，由于万向连接机构4串接在前后两个驱动机构3之间，因此可使机器人主体结构弯曲但始终保证机器人的中心与管道轴线重合，保证了机器人清洗姿态始终居中且稳定。摄像检测模块包括第一摄像头1和第二摄像头6，第一摄像头1和第二摄像头6均为可变焦摄像头，第一摄像头1设置在清洗机构2前端，第二摄像头6设置在吸尘机构5后端。在清洗工作前，位于机器人前端的第一摄像头1传输管道内正前方影像，实时反馈管道内部情况，也可通过变焦功能发现管道内壁的局部污渍、锈蚀等，为管道清洗开展做好准备；位于机器人后部的第二摄像头6传输管道内正后方影像，可实时监测管道经清洗后的情况，同样具有变焦功能，可供操纵者判断管道清洗是否达到要求的洁净程度。清洗机构2可根据所要清洗的管道内径大小配装相应大小的清洗刷头22，清洗时由刷头驱动电机驱动清洗刷头22旋转，利用高速离心原理对管道内壁污渍、浮锈进行清洗，清洗掉落的粉尘、污渍由于重力作用将集中在管道内底部位置，通过机器人后端搭载的吸尘机构5对污渍、锈蚀进行吸附和暂时储存。

如图5所示，清洗机构2的固定轴26通过螺纹连接在刷头底座27中部，刷头驱动齿轮23与刷头驱动电机连接，从动齿轮24与轴承25外圈焊接固定，可更换的清洗刷头22也与轴承25外圈焊接固定，因此从动齿轮24、轴承25、清洗刷头22能组成一个整体进行更换，以此达到清洗刷头22的更换和旋转时的连接固定，刷头顶盖21与固定轴26通过螺纹连接。刷头驱动电机通过刷头驱动齿轮23、从动齿轮24的传动来实现清洗刷头22的旋转。清洗刷头22的直径略大于所要清洗的管道内径。

如图6-9所示，驱动机构3的传动齿轮36与支架驱动电机固定连接，支撑臂32通过底板35上的螺钉销38铰接在中部夹板37上，棘齿条34与支撑臂32通过连接套筒33进行连接，底板35带有限位板351对棘齿条34的竖直方向进行限位，传动齿轮36与棘齿条34啮合，使棘齿条34能进行水平运动；驱动轮组31与支撑臂32固定连接，底板35与中部夹板37也通过螺钉销38固定连接。支架驱动电机通过控制传动齿轮36正反转一定角度来带动棘齿条34水平运动相应距离进而使支撑臂32展开或回收以适应所要清洗管道内径的大小。

如图10所示，驱动轮组31的驱动轮313、驱动轮轴承314、同步轮316均通过驱动轮轴315连接在驱动轮支座311上，驱动轮电机312与其他的同步轮316连接，所有的同步轮316均与同步带317啮合并共同形成传动机构，驱动轮电机312通过传动机构的传动可带动驱动轮313转动，进而实现机器人在管道内的行进与后退。

如图11所示，万向连接机构4由连接座44、十二根连接弹簧42、二十四个万向节41和两根中部软管43构成，中部软管43主要供线缆（包括控制线和供电线）通过，连接弹簧42形成柔性连接件，每根连接弹簧42的两端各与一个万向节41焊接固定，万向节41与驱动机构3的底板35同朝向焊接连接，防止万向节41异向连接产生运动干涉。通过万向连接机构4可实现机器人主体结构在通过弯管时的适应变形。万向连接机构4可提供给机器人控制和供电电路的安装空间，同时还可增加机器人主体结构分段，从而提高机器人在管道内的通过性和灵活性。

如图12所示，万向节41采用十字轴万向节。

如图13所示，吸尘机构5包括整流罩51、吸尘风扇52、风扇电机53和贮尘槽54。吸尘风扇52与风扇电机53固定连接。风扇电机53驱动吸尘风扇52的扇叶转动，通过整流罩51引导气流对清洗刷头22清洗下来的锈蚀、污渍等进行吸附后暂时储存在贮尘槽54内。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，驱动机构具有自适应管径功能，能够根据所要清洗的管径大小进行支撑臂的展开和回收，保证机器人始终位于管道的中心位置且驱动轮组与管道内壁的接触，实现机器人在不同管径下的驱动行进，且本驱动机构结构紧凑，易于保养清洁，有利于机器人在恶劣的管道清洗工况下依然保证机构运行稳定；具有万向连接机构，可使机器人能够灵活地通过弯曲角度90°以内的管道并进行清洗作业，使机器人可清洗的管道类型更加广泛；吸尘机构具有吸尘和贮尘功能，能够将清洗刷头清洗掉落的灰尘、污渍及时收集，避免了管道清洗的二次污染，实现了管道高效清洗一体化；清洗刷头可更换可根据不同管径清洗要求更换不同大小的清洗刷头，由于机器人始终保持在管道内中心位置行进，在机器人行进时，清洗刷头的清洗范围可实现管道内壁全覆盖，区别于传统管道清洗机器人在清洗过程中不断变换刷头位置，使清洗过程更加高效；通过驱动轮组与管道内壁顶紧接触的方式，可使机器人在管道内行进时始终位于管道的中心位置，从而使机器人清洗姿态更加稳定，具有防侧翻的功能。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种管道清洗机器人，其特征在于，包括万向连接机构（4），所述万向连接机构（4）的前方设置有清洗机构（2），所述万向连接机构（4）的后方设置有吸尘机构（5），所述清洗机构（2）与所述万向连接机构（4）之间以及所述吸尘机构（5）与所述万向连接机构（4）之间均设置有驱动机构（3），所述驱动机构（3）包括支架，所述支架上设置有多个支撑臂（32），所述支撑臂（32）远离所述支架的一端设置有驱动轮组（31），所述万向连接机构（4）包括连接座（44），所述连接座（44）与所述支架之间设置有多个柔性连接件，所述连接座（44）与所述支架均通过万向节（41）连接所述柔性连接件。

2.根据权利要求1所述的管道清洗机器人，其特征在于，所述支架包括中部夹板（37）以及至少一块底板（35），所述中部夹板（37）与所述底板（35）间隔设置并彼此固定连接，所述中部夹板（37）与所述底板（35）之间分别设置有可绕自身轴线转动的传动齿轮（36）以及若干可沿所述传动齿轮（36）径向滑动的棘齿条（34），所述传动齿轮（36）与所述棘齿条（34）相啮合，所述传动齿轮（36）连接有支架驱动电机，所述棘齿条（34）固定连接连接套筒（33）的一端，所述连接套筒（33）的另一端与所述支撑臂（32）滑动连接，所述支撑臂（32）远离所述驱动轮组（31）的一端伸入至所述中部夹板（37）与所述底板（35）之间并与所述中部夹板（37）铰接。

3.根据权利要求2所述的管道清洗机器人，其特征在于，所述支架包括前后两块所述底板（35），所述中部夹板（37）位于两块所述底板（35）之间，其中，靠近所述万向连接机构（4）的所述底板（35）固定连接所述万向节（41）。

4.根据权利要求2所述的管道清洗机器人，其特征在于，所述驱动轮组（31）包括驱动轮支座（311），所述驱动轮支座（311）固定连接所述支撑臂（32）远离所述支架的一端，所述驱动轮支座（311）上转动连接有若干驱动轮轴（315），所述驱动轮轴（315）上固定连接有若干驱动轮（313），所有的所述驱动轮轴（315）通过传动机构连接驱动轮电机（312），所述传动机构包括同步带（317）以及若干同步轮（316），所述同步轮（316）固定连接在所述驱动轮轴（315）上或所述驱动轮电机（312）的电机轴上。

5.根据权利要求4所述的管道清洗机器人，其特征在于，所述清洗机构（2）包括刷头底座（27），所述刷头底座（27）的后侧固定连接距离其最近的所述底板（35），所述刷头底座（27）的前侧通过可拆装连接的固定轴（26）可拆装连接有刷头顶盖（21），所述固定轴（26）的外部套设有清洗刷头（22），所述清洗刷头（22）的后端固定连接轴承（25）的外圈，所述轴承（25）的内圈固定连接在所述固定轴（26）的外部，所述轴承（25）的外圈还固定连接有从动齿轮（24），所述从动齿轮（24）啮合连接有刷头驱动齿轮（23），所述刷头驱动齿轮（23）连接有刷头驱动电机。

6.根据权利要求5所述的管道清洗机器人，其特征在于，所述吸尘机构（5）包括吸尘风扇（52），所述吸尘风扇（52）包括风扇筒和扇叶，所述扇叶连接有风扇电机（53），所述风扇筒的一端密封固定连接有整流罩（51），所述风扇筒的另一端密封固定连接有贮尘槽（54），所述风扇电机（53）位于所述贮尘槽（54）内，所述整流罩（51）或所述贮尘槽（54）固定连接距离其最近的所述底板（35）。

7.根据权利要求6所述的管道清洗机器人，其特征在于，所述刷头顶盖（21）的前侧固定连接有朝向前方的第一摄像头（1），所述吸尘机构（5）上固定连接有朝向后方的第二摄像头（6）。

8.根据权利要求7所述的管道清洗机器人，其特征在于，所述支架驱动电机、所述驱动轮电机（312）、所述刷头驱动电机、所述风扇电机（53）、所述第一摄像头（1）以及所述第二摄像头（6）均连接有线缆，所述底板（35）以及所述连接座（44）上均开设有与所述线缆相对应的过线孔，所述连接座（44）通过中部软管（43）连接所述底板（35），所述中部软管（43）位于所述线缆的外部。

9.根据权利要求1所述的管道清洗机器人，其特征在于，所述万向节（41）包括十字转轴和两个端头，所述十字转轴分别转动连接两个所述端头。

10.根据权利要求2所述的管道清洗机器人，其特征在于，所述底板（35）上固定连接有若干分别与所述棘齿条（34）一一滑动配合的限位板（351），所述棘齿条（34）位于所述限位板（351）与所述传动齿轮（36）之间。

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