本发明公开一种煤矿主排水管道除垢机器人及控制方法,管道机器人基于仿生爬行原理，采用3节推靠单元，通过前后2节推进单元的交替伸长和收缩，使得机器人类似蚯蚓一样在管道内爬行，每个运动步骤都有2节推靠单元与管壁夹紧，每节单元之间通过十字万向节连接，可以实现转弯运动，推靠单元装有欠驱动式的爪形足，使其有效钩附在管壁上。管道机器人采用液压驱动，体积小、结构简单，单位重量输出功率大，可实现无级调速，自带液压站在管内移动，不使用地面液压站，只需拖动电缆进行供电。使用水射流除垢，无污染、成本低、清理效率高。
1.一种煤矿主排水管道除垢机器人，其特征在于，由地面设备、柔性保持单元、推靠单元、推进单元、控制检测系统、水射流除垢单元构成；所述推靠单元包含前推靠单元、中推靠单元、后推靠单元，三组推靠单元结构相同；所述前推靠单元、中推靠单元、后推靠单元都装有八个周向均匀分布的仿生欠驱动式爪形足；所述推进单元包含前推进单元和后推进单元，两组推进单元结构相同；所述柔性保持单元分别与三组推靠单元和两组推进单元固定连接；所述推靠单元和推进单元之间通过十字万向节连接；
所述柔性保持单元包括前端盖、导杆、支撑杆、连接杆、中心架、弹簧、滑动套、后端盖、固定套；导杆、支撑杆、连接杆组成一组平行四边形机构，每个柔性保持单元沿固定套周向均匀布置四组上述的平行四边形机构；所述平行四边形机构与固定套连接，形成铰接转动副；弹簧和滑动套装在导杆上，适于使安装于所述连接杆两端的支撑轮始终与管壁保持贴合。
2.根据权利要求1所述的煤矿主排水管道除垢机器人，其特征在于，所述地面设备包括上位机PC、供电系统和供水系统；所述上位机PC实时接收、处理和显示管内移动单元的下位机采集的各项参数，同时操作人员在PC的操作面板上发布控制指令数据给下位机，实现对机器人的控制；所述供电系统，通过电缆为管内移动单元的液压泵站和控制电路供电，在管内移动单元内部设计电源转换电路，将交流电转变为低压直流电；所述供水系统，将地面的低压水通过软管输送到管内移动单元内的水射流发生装置，水射流发生装置将低压水转变为一定除垢压力的水射流。
3.根据权利要求1所述的煤矿主排水管道除垢机器人，其特征在于，所述推靠单元包括前挡板、后挡板、保持架、推靠机构、仿生欠驱动式爪形足；所述推靠机构包括固定板、液压马达驱动机构、曲柄、连杆、滚珠衬套、机架、中心轴、基座；固定板开有定位孔，用于将推靠机构与后挡板定位，并将螺栓穿过定位孔拧紧固定；机架固定在基座上；滚珠衬套与连杆通过铰钉连接，构成铰接转动副；曲柄、连杆、滚珠衬套与机架构成曲柄滑块机构；推靠机构包含四组周向均匀分布的曲柄滑块机构，每组曲柄滑块机构之间夹角为90°，四组曲柄滑块机构由一个液压马达通过中心轴驱动，每组曲柄滑块机构的旋转角度相同；液压马达驱动机构的旋转可以使曲柄转动，曲柄滑块机构将曲柄的转动转变为滚珠衬套沿机架左右滑动。
4.根据权利要求1所述的煤矿主排水管道除垢机器人，其特征在于，所述仿生欠驱动式爪形足包括爪钩、足板、推杆、基座、弹簧、导杆；所述仿生欠驱动式爪形足固定在推靠机构的机架上，每个推靠单元装有八个仿生欠驱动式爪形足，每个机架上装有两个仿生欠驱动式爪形足；推靠单元的曲柄滑块机构伸长或收缩使仿生欠驱动式爪形足压紧或分离管壁；
所述仿生欠驱动式爪形足与推靠机构的机架之间装有弹簧，使爪钩和足板能与粗糙不平的管壁很好的贴合，并具有缓冲作用；爪钩由硬质合金制成，足板上装有天然橡胶，可以增大与管壁的摩擦力；在仿生欠驱动式爪形足与管壁接触压紧过程中，基座先将足板与管壁压紧，同时弹簧伸长，推杆推动爪钩刺入管内壁上的管垢；当所述仿生欠驱动式爪形足与管壁分离抬起时，所述仿生欠驱动式爪形足与管壁的垂直运动很容易使钩爪尖端取出，同时弹簧收缩，将所述仿生欠驱动式爪形足恢复到原位。
5.根据权利要求1所述的煤矿主排水管道除垢机器人，其特征在于，所述推进单元包括前挡板、推进液压缸和后挡板；其中，所述推进液压缸与前挡板和后挡板采用螺纹连接，前档板与柔性保持单元固定连接。
6.根据权利要求1所述的煤矿主排水管道除垢机器人，其特征在于，所述水射流除垢单元由喷头旋转机构和水射流发生装置组成；所述喷头旋转机构由液压马达、圆锥深沟球轴承、轴密封、传动轴、固定支座、直管、喷嘴及喷头座组成；所述水射流发生装置由液压泵、电磁换向阀、高压软管、喷头组成；喷头的直管上开有水流入口，高压软管通过此水流入口与直管连接，液压泵将一定压力的水经过直管流入喷头，然后由喷嘴喷射。
7.根据权利要求1所述的煤矿主排水管道除垢机器人，其特征在于，所述控制检测系统，包括电源转换模块，主控制器，检测模块；所述电源转换模块为管内机器人提供电能；所述主控制器应用STC89C51单片机，实现驱动控制、数据接收与处理、与上位机通讯；所述检测模块包括CCD摄像头和激光测距传感器。
8.一种煤矿主排水管道除垢机器人的控制方法，其特征在于包括：
步骤1、将机器人放入矿井底部排水管入口处，地面电源通过电缆给机器人供电；
步骤4、中推靠单元和后推靠单元的曲柄滑块机构伸长，直至机器人足底力传感器检测到夹紧力为设定值时，液压马达停止动作，两个单元的仿生欠驱动式爪形足与管壁可靠夹紧；同时，前推进单元的液压缸伸长；
步骤5、前推靠单元的曲柄滑块机构伸长，直至仿生欠驱动式爪形足与管壁可靠夹紧；
同时，中推靠单元的曲柄滑块机构收缩，仿生欠驱动式爪形足与管壁脱离；然后，前推进液压缸收缩，后推进液压缸伸长；
步骤6、中推靠单元的曲柄滑块机构伸长直至仿生欠驱动式爪形足与管壁夹紧；同时，后推靠单元的曲柄滑块机构收缩，仿生欠驱动式爪形足与管壁脱离；然后，后推进液压缸缩短；
步骤7、上述前推进液压缸和后推进液压缸交替伸长与收缩，即可实现机器人沿管壁爬行。
用于煤矿主排水管道除垢的机器人及控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及管道清理领域，具体涉及一种煤矿主排水管道除垢机器人。
背景技术
[0002] 主排水管道是煤矿排水系统的重要组成部分，主排水管道的管路长，并且矿井水中含有煤泥等杂质成分，管路排水一定时间后，水中的杂质逐渐在管道内壁淤积凝固形成结垢，导致管路的内径缩小，水力半径减小，降低了通流能力，结垢严重的会堵塞管路，影响作业的安全运行。为了确保安全、高效的排水作业，应定期清除管道内的结垢。
[0003] 目前，应用于煤矿主排水管道除垢的方法主要有：⑴化学除垢法，首先对污垢成分进行检测，根据化学反应试验，配成试剂注入管路内，经过酸洗、钝化、冲洗等步骤，将结垢变为可溶性物质，然后将其排出管路。化学法的弊端是管道内壁易受到试剂的酸腐蚀，同时外排的废液会造成环境污染，此外酸洗后结垢的不均匀脱落增大了管壁的粗糙度，会加快结垢的生成速度，多次使用化学试剂，也会增加危险性。⑵清管器除垢，利用背压作为推动力使清管器沿管路移动，同时其与管壁的摩擦、刮削作用使结垢剥离或破碎。清管器在移动时，容易对管壁产生冲击或磨损，造成损伤，如果管内污水的流速快会导致除垢不彻底，清管效率低，此外清管器在管内无法自主变径，容易在弯管或阀门处卡堵。⑶超声波除垢法，该方法利用超声的空化和剪切作用使垢层脱落，超声波的作用会随着管内流体方向的变化而减弱，因此排水管路的弯管会减弱除垢效果。⑷机械除垢装置或机器人除垢，如实用新型专利CN205074304U公开一种煤矿井下排水管道除垢清理装置，该装置由钢丝绳牵引，绞车驱动，机体的滚筒装有4组刮刀片，刮刀片可以展开实现刮削功能。实用新型专利CN202366912U公开了一种矿用排水管自动除垢装置，该除垢装置依靠管内的流体提供驱动力，其除垢单元包含两套破碎装置和刮除装置，破碎装置由电磁线圈、弹簧和破碎杆组成，电磁线圈通电时吸下破碎杆，断电时弹簧将破碎杆弹出，依靠冲击力将部分垢层破碎，剩余垢层由刮除装置的刮刀切削。以上除垢装置采用绞车或流体驱动，牵引力和移动速度难以控制，运动稳定性差，并且携带的刮刀会对管壁造成损伤，此外不能对管内结垢情况和清理效果进行检测。
[0004] 因此煤矿主排水管道清理需要一种能够在水平和竖直管内平稳运行的管内机器人，该机器人可以通过弯管，移动速度可控，结构简单，牵引力大，清理效果好并对管壁无损伤，能适应在一定范围内变化的管径，同时可对清理效果进行检测。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服化学和物理方法清理煤矿主排水管垢的不足，提供一种煤矿主排水管道除垢机器人，采用液压驱动系统实现管内爬行，液压执行机构具有换向速度快，动作迅速等特点；该机器人自带水射流发生装置，可将地面供给的低压水转化为具有一定速度的水射流；机器人携带液压站移动，无需输送液压油；机器人支腿可展开一定角度，能够在小直径、水平、竖直管及弯管内移动；机器人足为钩爪结构，可有效附着在粗糙管壁上，与管壁的摩擦力为机器人移动和喷头的旋转提供反作用力和反作用力矩。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] 如权利要求1所述，一种煤矿主排水管道除垢机器人，由地面设备和管内移动单元两部分构成。
[0008] 所述地面设备包括：上位机PC、供电系统、供水系统。所述上位机PC实时接收、处理和显示管内移动单元的下位机采集的各项参数，将信息反馈给操作人员，同时操作人员也可在PC的操作面板上发布控制指令数据，按照通信协议对数据进行封装，发送到下位机，然后下位机根据通信协议对数据进行解封，执行相关命令，实现对机器人的控制；所述供电系统，通过电缆为管内移动单元的液压泵站和控制电路供电，在管内移动单元内部设计电源转换电路，将220V交流电转变为低压直流电；所述供水系统，将地面的低压水通过软管输送到管内移动单元内的水射流发生装置，水射流发生装置将低压水转变为一定除垢压力的水射流。
[0009] 所述管内移动单元，包括五个部分：柔性保持单元、推靠单元、推进单元、控制检测系统、水射流除垢单元。
[0010] 所述柔性保持单元包括前端盖、导杆、支撑杆、连接杆、中心架、弹簧、滑动套、后端盖、固定套；所述弹簧的伸长和收缩使保持机构改变直径，可适应不同的管径，同时使机构始终与管壁接触，防止管道机器人周向晃动；所述柔性保持机构分别与推靠单元和推进单元采用螺栓固定连接。
[0011] 所述推进单元分为前推进单元和后推进单元，包括前挡板、推进液压缸和后挡板；其中，所述推进液压缸与前挡板和后挡板采用螺纹连接，前档板与柔性保持单元固定连接。
[0012] 所述推靠单元分为前推靠单元、中推靠单元、后推靠单元，采用模块化设计，3节单元机构相同包括前挡板、后挡板、保持架、推靠机构、爪形足机构；所述前推靠单元一端与柔性保持单元固定连接，另一端与前推进单元通过十字万向节连接；所述中推靠单元两端分别与前推进单元和后推进单元通过十字万向节连接；所述后推靠单元一端与后推进单元通过十字万向节连接，另一端与水射流除垢单元固定连接。
[0013] 所述水射流除垢单元由喷头旋转机构和水射流发生装置组成；所述喷头旋转机构由液压马达、圆锥深沟球轴承、轴密封、传动轴、固定支座、直管、喷嘴及喷头座等组成；所述水射流发生装置由液压泵、电磁换向阀、高压软管、喷头组成。
[0014] 所述控制检测系统，包括电源转换模块、主控制器、检测模块；所述电源转换模块为管内机器人提供电能，包括电动机、电磁比例阀、控制检测模块等零部件，采用外接电缆的方式为机器人供电；所述主控制器应用STC89C51单片机，实现驱动控制、数据接收与处理、与上位机通讯；所述检测模块包括CCD摄像头和激光测距传感器。
[0015] 本发明还提供了上述的用于煤矿主排水管道除垢的机器人的控制方法，包括以下步骤：
[0016] 1、将管道机器人放入矿井底部排水管入口处，地面电源通过电缆给机器人供电；
[0017] 2、使控制系统执行初始化；
[0018] 3、设定清洗压力和喷头的旋转转速；
[0019] 4、中推靠和后推靠单元的曲柄滑块机构伸长，直至机器人足底力传感器检测到夹紧力为设定值时，液压马达停止动作，两个单元的爪形足与管壁可靠夹紧；同时，前推进单元的液压缸伸长；
[0020] 5、前推靠单元的曲柄滑块机构伸长，直至前推靠单元的爪形足与管壁可靠夹紧；同时，中推靠单元的曲柄滑块机构收缩，爪形足与管壁脱离；然后，前推进液压缸收缩，后推进液压缸伸长；
[0021] 6、中推靠单元的曲柄滑块机构伸长直至中推靠单元的爪形足与管壁夹紧；同时，后推靠单元的曲柄滑块机构机构收缩，爪形足与管壁脱离；然后，后推进液压缸缩短；
[0022] 7、上述前推进液压缸和后推进液压缸交替伸长与收缩，即可实现机器人沿管壁爬行。
[0023] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0024] 1、基于仿生爬行原理，采用3节推靠单元，通过前后2节推进单元的交替伸长和收缩，使得机器人类似蚯蚓一样在管道内爬行；每个运动步骤都有2节推靠单元与管壁夹紧，使机器人与管壁接触更可靠；每节单元之间通过十字万向节连接，可以实现转弯运动；由硬质合金制成的钩爪，使其有效钩附在管壁上。
[0025] 2、机器人足端安装有力传感器，使得机器人在爬壁过程中能够感知足底与管壁接触力的大小，使机器人运动更稳定。
[0026] 3、推进单元和推靠单元装有柔性保持机构，柔性保持机构可以使机器人移动保持平稳，防止摆动。
[0027] 4、机器人采用液压驱动，体积小、结构简单，单位重量输出功率大，可实现无级调速，自带液压站在管内移动，不使用地面液压站，只需拖动电缆进行供电。
[0028] 5、使用水射流除垢、无污染、成本低、清理效率高；采用液压马达驱动水射流喷头周向旋转，通过电流调节电液比例阀的打开程度控制流量大小实现喷头转速的控制。
[0029] 6、水射流除垢单元与低压供水管连接，由机器人本体内水射流发生装置转变为高压水，无需地面供给高压水。
[0030] 7、机器人携带CCD摄像头实现对管内环境监测、弯道识别等，根据管内环境调节结构和速度等参数，使机器人顺利过弯；激光测距传感器实现对管道内径的测量。
附图说明
[0031] 图1是本发明的管道机器人控制系统的总体方案图
[0032] 图2是本发明的移动单元整体结构示意图
[0033] 图3是本发明的柔性保持单元示意图
[0034] 图4是本发明的推靠单元结构示意图
[0035] 图5是本发明的推靠机构示意图
[0036] 图6是本发明的推靠机构俯视图
[0037] 图7是本发明的爪形足机构示意图
[0038] 图8是本发明的推进单元示意图
[0039] 图9是本发明的液动原理图
[0040] 图中：10-CCD摄像头，20-柔性保持单元，210-前端盖，220-导杆，230-支撑杆，240-连接杆，250-中心架，260-弹簧，270-滑动套，280-后端盖，290-固定套，30-推靠单元，310-前挡板，320-后挡板，330-保持架，340-推靠机构，341-固定板，342-液压马达驱动机构，343-曲柄，344-连杆，345-滚珠衬套，346-机架，347-中心轴，348-基座，350-爪形足机构，
351-爪钩，352-足板，353-推杆，354-基座，355-弹簧，356-导杆，40-推进单元，410-前挡板，
420-推进液压缸，430-后挡板，50-十字万向节，60-射流除垢单元，70-液压油路，710-射流除垢单元的电液比例阀，720-前推靠单元的电液比例阀，730-中推靠单元的电液比例阀，
740-后推靠单元的电液比例阀，750-前推进单元的电液比例阀，760-后推进单元的电液比例阀，770-液压泵，780-单向阀，790-液压马达。
具体实施方式
[0041] 下面将结合附图对本发明做进一步说明。
[0042] 如图1所示，本发明提供的用于煤矿主排水管道除垢的机器人，由地面设备和管内移动单元两部分构成；地面设备包括上位机PC、供电系统和供水系统。
[0043] 上位机PC实时接收、处理和显示管内移动单元的下位机采集的各项参数，将信息反馈给操作人员，同时操作人员也可在PC的操作面板上发布控制指令数据，按照通信协议对数据进行封装，发送到下位机，然后下位机根据通信协议对数据进行解封，执行相关命令，实现对机器人的控制；上位机PC与下位机通过CAN总线进行数据传输，CAN总线具有较好的实时和可靠通讯特点，并可使线路布置简化。
[0044] 供电系统通过电缆为管内移动单元的液压泵站和控制电路供电，在管内移动单元内部设计电源转换电路，将220V交流电转变为低压直流电。
[0045] 供水系统将地面的低压水通过软管输送到管内移动单元内的水射流发生装置，水射流发生装置将低压水转变为一定除垢压力的水射流。
[0046] 如图2所示，管内移动单元包括控制检测系统10、柔性保持单元20、推靠单元30、推进单元40、十字万向节50、水射流除垢单元60。
[0047] 控制检测系统10，包括电源转换模块、主控制器、检测模块。
[0048] 电源转换模块为管内机器人提供电能，包括电动机、电磁比例阀、控制检测模块等零部件，采用外接电缆的方式为机器人供电。
[0049] 主控制器应用STC89C51单片机，实现驱动控制、数据接收与处理、与上位机通讯。
[0050] 检测模块包括CCD摄像头和激光测距传感器；CCD摄像头将管内的视屏图像通过电缆上传至上位机PC，PC对图像信息进行处理，提取弯道等特征信息，然后将信息发送给下位机主控器，主控器根据管道内的特征调整自身的运行速度和结构，使机器人顺利通过弯管；激光测距传感器实时测量管道内径，通过测量结果可以计算管道内壁结垢的厚度，上位机将厚度值发送给水射流发生装置的液压泵控制器，根据不同的结垢厚度改变供水压力。
[0051] 如图3所示，柔性保持单元20包括前端盖210、导杆220、支撑杆230、连接杆240、中心架250、弹簧260、滑动套270、后端盖280、固定套290；导杆220、支撑杆230、连接接杆240组成一组平行四边形机构，沿固定套周向均匀布置四组上述的平行四边形机构。
[0052] 平行四边形机构与固定套290通过销轴连接，形成铰接转动副；弹簧260和滑动套270装在导杆220上，弹簧260使支撑轮始终与管壁保持贴合；导杆220上有导向键，该导向键可使滑套在滑杆上移动时不发生周向转动。
[0053] 如图4所示，推靠单元30包括前挡板310、后挡板320、保持架330、推靠机构340、爪形足机构350。
[0054] 如图5所示，推靠机构340包括固定板341、液压马达驱动机构342、曲柄343、连杆344、滚珠衬套345、机架346、中心轴347、基座348；固定板341开有定位孔，用于将推靠机构
340与后挡板320定位，并将螺栓穿过定位孔拧紧固定；机架346固定在基座348上；滚珠衬套
345与连杆344通过铰钉连接，构成铰接转动副；曲柄343、连杆344、滚珠衬套345与机架346构成曲柄滑块机构；推靠机构340包含四组周向均匀分布的曲柄滑块机构，每组机构之间夹角为90°，四组曲柄滑块机构由一个液压马达通过中心轴347驱动，每组机构的旋转角度相同；液压马达驱动机构342的旋转可以使曲柄343转动，曲柄滑块机构将曲柄的转动转变为滚珠衬套345沿机架346左右滑动。
[0055] 如图7所示，爪形足机构350包括爪钩351、足板352、推杆353、基座354、弹簧355、导杆356。
[0056] 爪形足机构350固定在推靠机构的机架上，每个推靠单元装有8组爪形足机构，每个机架上装有2组爪形足机构；推靠单元的曲柄滑块机构伸长或收缩使爪形足机构压紧或分离管壁；爪形足机构与推靠机构的机架之间装有弹簧，使爪钩351和足板352能与粗糙不平的管壁很好的贴合，并具有缓冲作用；爪钩351由硬质合金制成，足板352上装有天然橡胶，可以增大与管壁的摩擦力；在爪形足机构与管壁接触压紧过程中，基座先将足板与管壁压紧，同时弹簧355伸长，推杆353推动爪钩351刺入管内壁上的管垢；当机构与管壁分离抬起时，机构与管壁的垂直运动很容易使钩爪尖端取出，同时弹簧355收缩，将整体机构恢复到原位。
[0057] 如图8所示，推进单元40包括前挡板410、推进液压缸420、后挡板430；推进液压缸420与前挡板410和后挡板420采用螺纹连接，前档板与柔性保持单元20采用螺栓固定连接。
[0058] 水射流除垢单元60由喷头旋转机构和水射流发生装置组成；除垢作业时，液压泵将一定压力和流量的油液输入到液压马达，液压马达产生的扭矩经传动轴传递给喷头并使之旋转；喷头的直管上开有水流入口，高压软管通过此水流入口与直管连接，液压泵将一定压力的水经过直管流入喷头，然后由喷嘴喷射。
[0059] 本发明还提供了上述的用于煤矿主排水管道除垢的机器人的控制方法，包括以下步骤：
[0060] 1、将管道机器人放入矿井底部排水管入口处，地面电源通过电缆给机器人供电；
[0061] 2、使控制系统执行初始化；
[0062] 3、设定清洗压力，电液比例阀710的3DT通电，调整此电液比例阀的开度量，液压泵770将液压油经单向阀780和电液比例阀710输送到马达790，使喷头按设定的转速旋转；
[0063] 4、中推靠单元的电液比例阀730的7DT和后推靠单元的电液比例阀740的9DT通电，两个单元液压马达的输出轴逆时针旋转，曲柄滑块机构伸长直至足底力传感器检测到夹紧力为设定值时，液压马达停止动作，两个单元与管壁可靠夹紧；同时，前推进单元的电液比例阀750的11DT通电，前推进液压缸伸长；
[0064] 5、前推靠单元的电液比例阀720的5DT通电，前推靠单元的液压马达的输出轴逆时针旋转，直至前推靠单元与管壁夹紧；中推靠单元的电液比例阀730的8DT通电，液压马达的输出轴顺时针旋转，曲柄滑块机构收缩；前推进单元的电液比例阀750的12DT和后推进单元的电液比例阀760的13DT通电，前推进液压缸缩短，后推进液压缸伸长；
[0065] 6、中推靠单元的电液比例阀730的7DT通电，中推靠单元的液压马达的输出轴逆时针旋转，曲柄滑块机构伸长，中支撑单元与管壁夹紧；后推靠单元的电液比例阀740的10DT通电，液压马达的输出轴顺时针旋转，曲柄滑块机构收缩；后推进单元的电液比例阀760的14DT通电，后推进液压缸缩短；
[0066] 7、上述前推进液压缸和后推进液压缸交替伸长与收缩，即可实现机器人沿管壁爬行。
