一种可变径电力驱动式管道清理机器人

摘要

本发明涉及管道污垢清理装置领域，特指一种可变径电力驱动式管道清理机器人。它主要由功能部分、驱动部分、控制部分及径向可变机构组成。功能部分包括气动马达、调速机构、毛刷清理机构。驱动部分包括电动马达，减速机构和滚轮。径向可变机构包括电动马达、传动机构、丝杆、驱动轮支架。工作时通过远端控制器控制径向可变机构使驱动轮贴合管壁，马达带动滚轮驱动装置沿管壁运动，同时控制气动马达带动毛刷清理管壁。和现有技术相比，本发明有益效果为：远端控制，适用于一定范围内的不同管径，移动灵活可控，结构简单可靠，可以此为载体运用于管道质量监测等领域。

权利要求

1.一种可变径电力驱动式管道清理机器人，其特征在于：包括本体Ⅰ（101）、本体Ⅱ（102）、本体Ⅲ（103）、本体Ⅳ（104），所述本体Ⅰ（101）的支撑板Ⅱ（3）与本体Ⅲ（103）的支撑板Ⅲ（23）上开有凹槽，本体Ⅱ（102）的底部支撑板（29）分别卡在本体Ⅰ（101）的支撑板Ⅱ（3）与本体Ⅲ（103）的支撑板Ⅲ（23）的凹槽上，本体Ⅰ（101）与本体Ⅲ（103）通过三根周向呈120°分布的紧固螺杆（25）连接并把本体Ⅱ（102）底部支撑板（29）紧固在支撑板Ⅱ（3）与支撑板Ⅲ（23）的凹槽上。

2.如权利要求1所述本体Ⅰ（101）由支撑板Ⅰ（2）、支撑板Ⅱ（3）、径向伸缩模块Ⅰ（1）、径向伸缩模块Ⅱ（33）、径向伸缩模块Ⅲ（30）、丝杆Ⅰ（32）（右旋螺纹）组成，径向伸缩模块Ⅰ（1）、径向伸缩模块Ⅱ（33）、径向伸缩模块Ⅲ（30）一端分别与支撑板Ⅱ（3）铰接，另一端紧固于支撑板Ⅰ（2），支撑板Ⅰ（2）有一个中心螺纹孔，支撑板Ⅱ（3）有一个没有螺纹的中心孔，丝杆贯穿于支撑板Ⅰ（2）与支撑板Ⅱ（3），支撑板Ⅰ（2）上开有三个周向呈120°分布的方形凹槽，径向伸缩模块可以卡在方形凹槽内。

3.如权利要求2所述的径向伸缩模块Ⅰ（1）、径向伸缩模块Ⅱ（33）、径向伸缩模块Ⅲ（30）结构相同，包括支撑杆（3301）、驱动轮框架（3302）、主动皮带轮（3303）、从动皮带轮（3305）、滚轮（3309）、电动马达（3311）、减震组件（31），滚轮（3309）与连接盘（3307）通过螺钉连接，连接盘（3307）通过螺钉与从动皮带轮（3305）连接，从动皮带轮（3305）通过皮带与主动皮带轮（3307）连接。

4.如权利要求3所述减震组件（31）包括减震杆（3101）、减震缸盖（3102）、减震缸（3103）、减震缸盖（3104）、连接铁片（3106）等组成，两个连接片（3102）通过螺钉与减震缸盖（3104）呈80°夹角紧固连接。

5.如权利要求1所述的本体Ⅱ（102）由底部支撑板（29）、马达（4）、单片机控制器（6）、减速组件（26）、换向组件（24）等组成；马达输出轴与减速组件（26）之间通过齿轮啮合传递动力，减速组件（26）安装在两个固定于底部支撑板（29）的基座上，减速组件（26）左端通过连接件与本体Ⅰ（101）的丝杆Ⅰ（32）连接，右端通过连接件与换向组件（24）输入轴连接，换向组件（24）的输出轴通过连接件与本体Ⅲ（103）的丝杆Ⅱ（7）（右旋螺纹）连接。

6.如权利要求2所述本体Ⅲ（103）与本体Ⅰ（101）成对称布置，结构与本体Ⅰ（101）相同，本体Ⅲ（103）中支撑板Ⅳ（19）上另开有三个周向呈120°分布的方形凹槽用于安装支撑气缸Ⅰ（9）、支撑气缸Ⅱ（10）、支撑气缸Ⅲ（20）。

7.如权利要求1所述本体Ⅳ（104）包括支撑板Ⅴ（18）、支撑板Ⅵ（15）、气动马达组件（13）、清理刷组件（14）等组成，本体Ⅳ（104）中的支撑板Ⅳ（19）通过三根周向呈120°分布的弹性连接组件（11）与本体Ⅳ（104）的支撑板Ⅴ（18）连接，丝杆Ⅱ（7）贯穿支撑板Ⅳ（19）、支撑板Ⅴ（18），支撑板Ⅴ（18）与支撑板Ⅵ（15）通过三根周向呈120°分布的紧固螺杆（16）连接。

说明书

一种可变径电力驱动式管道清理机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及管道污垢清理装置领域，特指一种可变径电力驱动式管道清理机器人。

背景技术

[0002] 近十几年来，管道在油气输送，工业原料运输，污水排放和建筑通风等领域里发挥着越来越重要的作用。在许多场合中，管道往往都是埋在地下或者人员无法直接到达的地方。由于其所处环境恶劣，运输介质多样，在管道的长期运行过程中就存在化学腐蚀，管道破损，物料残留的现象，从而使管道内积存着大量的杂质污垢。为了维持管路的正常运行，往往需要对管道进行定时的清洗，而利用人工清洗费时费力且人工对埋藏于地下或者某些场合的管道的清理往往是无能为力的，因此，管道清理机器人成为了解决这些问题的重要装备。它不仅提高了劳动效率，保证了质量，而且又有效地节省了成本。

[0003] 管道清理机器人是指一种用于对管内壁进行机械化清理的自动化装置，运用在石油、化工等各个领域。例如输油管线、输气管线、煤矿发电通风管路等等。由于管道种类以及管道的安装状态的多种多样，与其适应的管道清理机器人驱动方式也多种多样。现有的驱动方式主要有三种：自动式、管内流体推动及管外推力，而运动方式主要有滚轮式、履带式、仿生脚及蠕动式。例如专利CN201231239Y“一种清洗风管的气动毛刷装置及使用该装置的机器人”，采用了履带式运动方式，通过马达驱动，利用升降臂改变清理位置来实现对管道的清理。这种机器人的体积大，结构复杂，只适用于对较大管道的清理。专利CN101130376A“步伐行走式管道清理机器人”则提供了一种仿生式管道清理机器人，它分别模仿人的手、脚对管壁的支撑，以行走缸模仿人的伸缩来时先在管道内的行走。这种装置的缺点在于它只能用于较小管道的清理，而且运动速度慢，清理效率不高，适用的管径单一。专利CN101011700A“管道清扫机器人”则提供了一种马达驱动的轮式管道清理机器人。它采用两个驱动轮一个从动轮带动装置行进，并用气动马达来带动毛刷实现管道清理。这种装置个结构设计使其只能局限于清理平放或者具有小角度倾斜的小直径管道，也不能观察管内的内部清理情况。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种简单可靠的管道清理机器人技术方案，解决现有管道清理机器人结构复杂、装置笨重、通用性差等缺点。该可变径电力驱动式管道清理机器人结构简单、轻便、通用性强，在一定范围内可适用于不同管径的管道清理，且具有较高的可靠性和稳定性。

[0005] 本发明所采用的技术方案是，一种可变径电力驱动式管道清理机器人，所述管道清理机器人包括功能部分、驱动部分、控制部分及径向可变机构。所述管道清理机器人结构上由本体Ⅰ、本体Ⅱ、本体Ⅲ、本体Ⅳ组成。

[0006] 所述管道清理机器人本体Ⅰ由支撑板Ⅰ、支撑板Ⅱ、径向伸缩模块Ⅰ、径向伸缩模块Ⅱ、径向伸缩模块Ⅲ、丝杆Ⅰ（右旋螺纹）组成。径向伸缩模块Ⅰ一端与支撑板Ⅱ铰接，另一端紧固于支撑板Ⅰ；径向伸缩模块Ⅱ一端与支撑板Ⅱ铰接，另一端紧固于支撑板Ⅰ；径向伸缩模块Ⅲ一端与支撑板Ⅱ铰接，另一端紧固于支撑板Ⅰ。支撑板Ⅰ有一个中心螺纹孔，支撑板Ⅱ有一个没有螺纹的中心孔，丝杆贯穿于支撑板Ⅰ与支撑板Ⅱ。支撑板Ⅰ上开有三个周向呈120°分布的方形凹槽，径向伸缩模块可以卡在方形凹槽内。所述径向伸缩模块Ⅰ、径向伸缩模块Ⅱ、径向伸缩模块Ⅲ结构完全相同，包括支撑杆、驱动轮框架、皮带轮（主动皮带轮及从动皮带轮）、滚轮、电动马达、减震组件。支撑杆与驱动轮框架通过两颗螺钉连接，电动马达通过螺钉紧固在驱动轮框架上，其输出轴末端与主动皮带轮过盈配合。滚轮与连接盘通过螺钉连接，连接盘通过螺钉与从动皮带轮连接，从动皮带轮通过皮带与主动皮带轮连接。所述减震组件包括减震杆、减震缸、减震缸盖、连接铁片组成。两个连接片与减震缸盖通过螺钉紧固连接，连接片上开有圆孔并与支撑杆铰接。减震杆与支撑板Ⅰ紧固连接。

[0007] 所述管道清理机器人本体Ⅱ由底部支撑板、马达、电池组、单片机控制器、换向阀、减速组件、换向组件等组成。马达、电池组、单片机控制器、换向阀、减速组件、换向组件等均通过螺钉安装在底部支撑板上，电池组为管道清理机器人系统提供电力。马达输出轴与减速组件之间通过齿轮啮合传递动力，减速组件安装在两个固定于底部支撑板的基座上。减速组件左端通过连接件与本体Ⅰ的丝杆Ⅰ连接，右端通过连接件与换向组件输入轴连接，换向组件的输出轴与本体Ⅲ的丝杆Ⅱ（右旋螺纹）通过连接件连接。底部支撑板上安装有三个三位五通电磁换向阀和一个二位五通电磁换向阀，四个电磁换向阀拥有共同的进气管路。二位五通电磁换向阀与气动马达通过一根气动马达进气管路和气动马达出气管路连接，三个三位五通电磁换向阀则通过支撑气缸的进气和出气管道相连接，四个电磁换向阀接受本体Ⅱ中的单片机控制器控制。单片机控制器通过接受远端控制器的指令控制整个管道清理机器人的行进以及本体Ⅳ中的摄像头和照明灯。所述减速组件由两个连接件、减速齿轮、锥齿轮Ⅰ、锥齿轮Ⅱ、四个中间传动齿轮组成，两个锥齿轮分别通过轴与连接件连接，锥齿轮Ⅱ与正齿轮紧固连接。所述换向组件由基座、两个换向锥齿轮及两个传动锥齿轮组成，两个传动锥齿轮通过轴分别与两侧的连接件连接。

[0008] 所述管道清理机器人本体Ⅲ由支撑板Ⅲ、支撑板Ⅳ、径向伸缩模块Ⅳ、径向伸缩模块Ⅴ、径向伸缩模块Ⅵ、丝杆Ⅱ组成。径向伸缩模块Ⅳ一端与支撑板Ⅳ铰接，另一端紧固于支撑板Ⅲ；径向伸缩模块Ⅴ一端与支撑板Ⅳ铰接，另一端紧固于支撑板Ⅲ；径向伸缩模块Ⅲ一端与支撑板Ⅳ铰接，另一端紧固于支撑板Ⅲ。支撑板Ⅳ有一个中心螺纹孔，支撑板Ⅲ有一个没有螺纹的中心孔，丝杆贯穿于支撑板Ⅲ与支撑板Ⅳ。支撑板Ⅳ上开有六个周向均布分布的方形凹槽，径向伸缩模块Ⅳ、径向伸缩模块Ⅴ、径向伸缩模块Ⅵ可以卡在支撑板Ⅳ上的其中三个方形凹槽内。所述径向伸缩模块Ⅳ、径向伸缩模块Ⅴ、径向伸缩模块Ⅵ结构相同，包括支撑杆、驱动轮框架、皮带轮（主动皮带轮及从动皮带轮）、滚轮、电动马达、减震组件。支撑杆与驱动轮框架通过两颗螺钉连接，电动马达通过螺钉紧固在驱动轮框架上，其输出轴末端与主动皮带轮过盈配合。滚轮与连接盘通过螺钉连接，连接盘通过螺钉与从动皮带轮连接，从动皮带轮通过皮带与主动皮带轮连接。所述减震组件包括减震杆、减震缸、减震缸盖、连接铁片组成。两个连接片与减震缸盖通过螺钉紧固连接，连接片上开有圆孔并与支撑杆铰接。减震杆与支撑板Ⅲ紧固连接。支撑板Ⅳ上剩余三个方形凹槽用于安装三个支撑气缸，支撑气缸可以对管道清理机器人进行位置固定。

[0009] 所述管道清理机器人本体Ⅳ包括支撑板Ⅴ、支撑板Ⅵ、紧固螺杆、气动马达组件、清理刷组件、照明灯及摄像头组成。支撑板Ⅴ与本体Ⅳ中的支撑板Ⅳ通过三个周向呈120°分布的弹性连接组件连接在一起，丝杆Ⅱ贯穿支撑板Ⅳ、支撑板Ⅴ，支撑板Ⅴ、支撑板Ⅵ通过三根周向呈120°分布的螺杆固定。摄像头与照明灯通过螺钉紧固在支撑板Ⅴ上，摄像头与照明灯通过导线与单片机控制器连接。所述气动马达组件包括气动马达、小带轮、大带轮、组件框架、皮带、带轮连接盘、螺钉、输出轴组成，气动马达组件通过螺钉紧固在支撑板Ⅵ上，清理刷组件与气动马达组件通过输出轴连接。

[0010] 所述管道清理机器人本体Ⅱ中控制器为单片机控制器，可以通过接收远端控制器的无线信号实现对管道清理机器人工作状态的控制，远端控制器设置有行进/后退、顺时针/逆时针清理、径向伸缩、位置固定、照明等功能。所述管道清理机器人摄像头采用ov7670与单片机集成，可将视频信号无线传送至远端控制器屏幕上。

[0011] 综上所述，本发明一种可变径电力驱动式管道清理机器人的有益效果为：所述管道清理机器人通过第二本体马达驱动丝杆，带动支撑板沿丝杆方向移动从而使径向伸缩模块沿径向运动，驱动模块滚轮与管道贴合，因此管道清理机器人可以适用于一定管径范围内的不同管径的管道清理，较现有的管道清理机器人通用性强；所述管道清理机器人的径向伸缩模块设有减震组件，当管道清理机器人遇到障碍物时可以起到缓冲作用，即驱动轮不仅可以沿管道方向运动，还可以沿径向发生位置改变，因此运动灵活性好；所述管道清理机器人的运动驱动马达与清理刷气动马达均采用了皮带轮传动方式，与现有的马达直接驱动或采用齿轮传动等方式相比，皮带轮传动可以有效避免运动过程中遇到障碍物造成马达停转损坏的情况发生，因此安全性好；所述管道清理机器人本体Ⅳ与机器人主体结构之间采用了弹性连接组件，可以有效减轻气动马达驱动毛刷以及毛刷清理管道时造成的本体Ⅳ震动对主体结构的影响，因此管道清理机器人运动过程中稳定性好。所述管道清理机器人结构简单，采用单片机控制，操作便捷。

附图说明

[0012] 图1是本发明一种可变径电力驱动式管道清理机器人的结构示意图。

[0013] 图2是本发明一种可变径电力驱动式管道清理机器人在小直径管道内的示意图。

[0014] 图3是本发明一种可变径电力驱动式管道清理机器人在大直径管道内的示意图。

[0015] 图4是本发明一种可变径电力驱动式管道清理机器人的减速组件结构示意图。

[0016] 图5是本发明一种可变径电力驱动式管道清理机器人的换向组件结构示意图。

[0017] 图6是本发明一种可变径电力驱动式管道清理机器人的减震组件结构示意图。

[0018] 图7是本发明一种可变径电力驱动式管道清理机器人的径向伸缩模块结构示意图。

[0019] 图8是本发明一种可变径电力驱动式管道清理机器人的气动马达组件结构示意图。

[0020] 图9是本发明一种可变径电力驱动式管道清理机器人的气动系统示意图。

[0021] 图中：1、径向伸缩模块Ⅰ，2、支撑板Ⅰ，3、支撑板Ⅱ，4、马达，5、电池组，6、单片机控制器，7、丝杆Ⅱ，8、径向伸缩模块Ⅳ，9、支撑气缸Ⅰ，10、支撑气缸Ⅱ，11、弹性连接组件，12、摄像头，13、气动马达组件，14、清理刷组件，15、支撑板Ⅵ，16、紧固螺杆，17、照明灯，18、支撑板Ⅴ，19、支撑板Ⅳ，20、支撑气缸Ⅲ，21、径向伸缩模块Ⅴ，22、径向伸缩模块Ⅵ，23、支撑板Ⅲ，24、换向组件，25、紧固螺杆，26、减速组件，27、气体管路，28、换向阀，29、底部支撑板，30、径向伸缩模块Ⅲ，31、减震组件，32、丝杆Ⅰ，33、径向伸缩模块Ⅱ。

[0022] 101、本体Ⅰ，102、本体Ⅱ，103、本体Ⅲ，104、本体Ⅳ。

[0023] 1301、气动马达，1302、小带轮，1303、传动皮带，1304、组件框架，1305、输出轴1306、大带轮，1307、螺钉，1308、带轮连接盘。

[0024] 2401、传动锥齿轮，2402、轴承，2403、换向锥齿轮，2404、底座，2405、传动锥齿轮。

[0025] 2601、减速箱体，2602、减速齿轮，2603、底座，2604、锥齿轮，2605、中间传动齿轮。

[0026] 3101、减震杆，3102、减震弹簧，3103、减震缸，3104、减震缸盖，3105、紧固螺钉，3106、连接铁片，3107、弹簧底座。

[0027] 3301、支撑杆，3302,、驱动轮框架，3303、主动皮带轮，3304、皮带，3305、从动皮带轮、3306、螺杆，3307、连接盘，3308、螺钉，3309、滚轮，3310、螺钉，3311、电动马达。

具体实施方式

[0028] 下面将结合附图对本发明一种可变径电力驱动式管道清理机器人做进一步说明。

[0029] 如图1、图6所示，管道清理机器人分为本体Ⅰ101、本体Ⅱ102、本体Ⅲ103、本体Ⅳ104。本体Ⅰ101中支撑板Ⅰ2与支撑板Ⅱ3之间通过三个周向呈120°分布分布的径向伸缩模块Ⅰ1、径向伸缩模块Ⅱ33、径向伸缩模块Ⅲ30连接。三个径向伸缩模块中的支撑杆3301与支撑板Ⅱ3铰接，支撑杆3301下端开有小孔并通过小孔与减震组件31中的连接铁片3106铰接，减震组件31中的减震杆3101与支撑板Ⅰ2紧固连接。支撑板Ⅰ2中心有螺纹孔，丝杆Ⅰ32穿过支撑板Ⅰ2使支撑板Ⅰ2与丝杆Ⅰ32在同一轴线上。当支撑板Ⅰ2沿着丝杆Ⅰ32运动时，支撑板Ⅰ2与支撑板Ⅱ3之间的距离发生改变，带动径向伸缩模块Ⅰ1、径向伸缩模块Ⅱ33、径向伸缩模块Ⅲ
30同步沿径向张开，直到径向伸缩模块Ⅰ1、径向伸缩模块Ⅱ33、径向伸缩模块Ⅲ30中的滚轮
3309同时与管壁贴紧。支撑板Ⅲ23与支撑板Ⅳ19之间的径向伸缩模块Ⅳ8、径向伸缩模块Ⅴ
21、径向伸缩模块Ⅵ22连接方式和运动状态与上述相同。

[0030] 如如图1、图2、图3、图4、图5、图7所示，所述管道清理机器人开始工作时，单片机控制器6接收到来自远端控制器的径向伸张信号时，马达4在单片机控制器6控制下驱动并带动减速组件26中的减速齿轮2602转动，减速组件26中的箱体2601与减速齿轮2602同步转动并带动中间传动齿轮2605周向转动，中间传动齿轮2605带动锥齿轮2604转动，锥齿轮2604同时又带动丝杆Ⅰ32和转轴转动。转轴的另一边与换向组件24中的传动锥齿轮2401紧固连接，传动锥齿轮2401的运动经过换向齿轮2403传递给传动锥齿轮2405，传动锥齿轮2405与传动锥齿轮2401的旋转方向相反。传动锥齿轮2405 与丝杆Ⅱ7紧固连接。旋转方向相反的丝杆Ⅰ32与丝杆Ⅱ7分别带动支撑板Ⅰ2与支撑板Ⅳ19沿丝杆Ⅰ32与丝杆Ⅱ7相向运动，支撑板Ⅰ2与支撑板Ⅳ19分别带动径向伸缩模块沿径向伸张，直到滚轮3309与管道贴紧。如图2、图3是所述管道清理机器人在不同管径下的伸张状态示意图。

[0031] 进一步，如图1、图6、图7所示，单片机控制器6接收来自远端控制器的行进/后退信号，控制径向伸缩模块Ⅰ1、径向伸缩模块Ⅱ33、径向伸缩模块Ⅲ30、径向伸缩模块Ⅳ8、径向伸缩模块Ⅴ21、径向伸缩模块Ⅵ22中的马达3311同步转动。马达3311带动主动皮带轮3303转动，进而带动从动皮带轮3305转动。从动皮带路3305通过六根螺杆3306与连接盘3307连接，连接盘3307通过螺钉3308紧固在滚轮3309上，从动皮带轮3305转动时带动滚轮3309转动，此时管道清理机器人沿着管壁行进/后退运动。当管道清理机器人径向伸缩模块中的滚轮3309遇到障碍物时，支撑杆3301会将力传递到减震组件31中的减震缸盖3104上，减震缸盖3104压缩减震弹簧3102，此时径向伸缩模块沿径向运动，滚轮3309绕过障碍物后，径向伸缩模块在减震弹簧3102弹性力作用下恢复到原位置，滚轮3309继续与管壁贴紧并运动。

[0032] 进一步，如图1、图8、图9所示单片机控制器6接收远端控制器的顺时针/逆时针清理信号，控制二位五通换向阀2701为气动马达1301供气，气动马达1301经过皮带轮减速组件减速后带动清理刷组件14转动。当单片机控制器6控制二位五通换向阀2701处于左工位时，气动马达1301带动清理刷组件14顺时针清理管壁。当单片机控制器6控制二位五通换向阀2701处于右工位时，气动马达1301带动清理刷组件14逆时针清理管壁。

[0033] 进一步，如图1、图8所示，本体Ⅳ104与本体Ⅲ103之间通过周向呈120°分布的三根弹性连接组件11连接。当管道清理机器人清理管道时，气动马达1301的转动以及清理刷组件14转动都会产生震动，震动经过弹性组件11后效果减弱，增强了管道清理机器人工作时的稳定性。

[0034] 工作时，照明灯17与摄像头12开启。摄像头12将管道内的情况无线传送到远端控制器的屏幕上。

[0035] 进一步，如图9所示，当管道清理机器人需要对管道内某个位置进行定点清理时，单片机控制器6接收来自远端控制器的位置固定信号，同步控制三个三位五通换向阀2702从中间工位转换到左工位，此时气缸9、气缸10、气缸11、开始压紧管道，管道清理机器人位置固定。当不再需要固定位置时，三个三位五通换向阀2702同步转换到右工位，气缸2702的气缸杆收缩，恢复到原状态后，单片机控制器6控制三个三位五通换向阀2702恢复到中间工位。

[0036] 以上仅为本发明种可变径电力驱动式管道清理机器人的示意性的具体实施方式，并不限定本发明的范围，任何本领域的技术人员在不同脱离本发明结构的基础上所做的等同变化或修改均在本发明保护范围内。