本发明公开了一种河道自动清洁装置及其清洁方法。现有河道清洁方法主要有人工清洁、大型机械设备清理、对河道投放化学反应物。本发明一种河道自动清洁装置，包括机器人收发装置、垃圾回收容器、回收绳、清洁机器人和摄像头。机器人收发装置包括电动云台、弹射装置和收放绳装置。清洁机器人包括第一气爪、第二气爪、气爪驱动组件、安装架和行进驱动装置。本发明通过弹射与水下推进螺旋桨相结合，使得一个河道自动清洁装置能够自动拾取较大范围内的漂浮垃圾，进而降低了人工清理的工作量。本发明的夹爪采用预充式的气爪，重量较轻，故能够保证清洁机器人的水中时夹爪朝上，降低了夹取垃圾物的难度。
1.一种河道自动清洁装置，包括机器人收发装置、垃圾回收容器、回收绳、清洁机器人和摄像头；其特征在于：所述的机器人收发装置、垃圾回收容器、摄像头均安装在河堤上；所述的机器人收发装置包括电动云台、弹射装置和收放绳装置；电动云台的底座安装在河堤上；弹射装置安装在电动云台上；回收绳的一端与绕绳辊子固定，另一端与清洁机器人连接；回收绳穿过弹射装置的弹射通道；所述的垃圾回收容器位于弹射装置的正下方；
所述的清洁机器人包括第一气爪、第二气爪、气爪驱动组件、安装架和行进驱动装置；
第一气爪和第二气爪的内端间隔设置，且均与安装架的一端固定；第一气爪和第二气爪均为气囊；第一气爪与第二气爪的外端相互弯曲靠近；所述的气爪驱动组件包括第一拉绳、第二拉绳、拉绳辊和拉绳电机；安装架的两侧均开设有穿绳孔；两个穿绳孔与第一气爪、第二气爪分别位置对应；拉绳辊支承在安装架内；拉绳辊由拉绳电机驱动；第一拉绳、第二拉绳的一端与第一气爪、第二气爪的外端分别固定；第一拉绳、第二拉绳的另一端分别穿过安装架上的两个穿绳孔，并与拉绳辊固定；所述的行进驱动装置包括朝向调整组件、行进电机和螺旋桨；朝向调整组件安装在安装架内；行进电机安装在朝向调整组件上；行进电机的输出轴与螺旋桨固定。
2.根据权利要求1所述的一种河道自动清洁装置，其特征在于：所述的朝向调整组件包括回转架、转向齿轮、圆弧转向齿条、第一驱动齿轮、支撑轴、第二驱动齿轮、转向轴、第一转向驱动电机和第二转向驱动电机；回转架支承在安装架内；回转架的中心轴线与安装架的中心轴线重合；转向齿轮与回转架同轴固定；第一驱动齿轮支承在安装架内；第一驱动齿轮与圆弧转向齿条啮合；第一驱动齿轮由第一转向驱动电机驱动；支撑轴的两端均与回转架的内侧面固定；支撑轴的轴线与回转架的中心轴线垂直相交；转向轴与支撑轴构成转动副；
转向轴的内端与圆弧转向齿条的内侧中部固定；圆弧转向齿条的圆心轴线与支撑轴的轴线重合；第二驱动齿轮支承在回转架上；第二驱动齿轮与转向齿轮啮合；第二驱动齿轮由第二转向驱动电机驱动；行进电机固定在转向轴的外端。
3.根据权利要求1所述的一种河道自动清洁装置，其特征在于：所述的摄像头采用双目摄像机。
4.根据权利要求1所述的一种河道自动清洁装置，其特征在于：所述的弹射装置采用电磁弹射器、弹簧弹射装置或气动弹射装置。
5.根据权利要求1所述的一种河道自动清洁装置，其特征在于：所述的收放绳装置包括绕绳辊子和放卷电机；绕绳辊子支承在机器人收发装置的框架上，并由放卷电机驱动；绕绳辊子与回收绳固定。
6.根据权利要求1所述的一种河道自动清洁装置，其特征在于：所述垃圾回收容器的顶部设置有开口。
7.根据权利要求1所述的一种河道自动清洁装置，其特征在于：所述的清洁机器人还包括保护罩；保护罩固定在安装架远离第一气爪、第二气爪的一端；保护罩与回收绳固定。
8.根据权利要求1所述的一种河道自动清洁装置，其特征在于：所述的安装架内设置有UWB定位芯片；河堤上间隔固定有三个UWB基站；清洁机器人上的UWB定位芯片与三个UWB基站相配合，确定UWB定位芯片的空间位置。
9.根据权利要求1所述的一种河道自动清洁装置，其特征在于：所述第一气爪和第二气爪的相背侧均设置有由内至外依次排列的凸包。
10.如权利要求1所述的一种河道自动清洁装置的清洁方法，其特征在于：步骤一、电动云台动作，使得弹射装置的弹射口朝向目标垃圾物；弹射装置将清洁机器人弹向目标垃圾物；清洁机器人在水中呈现出第一气爪、第二气爪朝上的状态；
步骤二、朝向调整组件调整螺旋桨的朝向；行进电机驱动螺旋桨转动，使得清洁机器人向目标垃圾物移动；
步骤三、清洁机器人到达目标垃圾物的正下方后，朝向调整组件调整螺旋桨至朝向正下方；拉绳电机正转，使得第一气爪和第二气爪张开；
步骤四、行进电机驱动螺旋桨继续转动，使得清洁机器人上升，第一气爪、第二气爪与目标垃圾物接触；之后，拉绳电机反转，使得第一气爪和第二气爪合拢，抓住垃圾物；
步骤五、机器人收发装置内的收放绳装置开始收线，使回收绳被拉回，带动清洁机器人回到弹射装置的弹射口；
步骤六、拉绳电机正转，使得第一气爪和第二气爪张开，垃圾物掉入垃圾回收容器内；
一种河道自动清洁装置及其清洁方法
技术领域
[0001] 本发明属于清洁机器人技术领域，具体涉及一种河道自动清洁装置及其清洁方法。
背景技术
[0002] 在城市建设中，往往需要河道来排水泄洪，但随着两岸居民将生活污水、垃圾排入河道，使很多河道变成臭水沟，水生物无法生存，严重破坏了河道的水生态系统。现有河道清洁方法主要有人工清洁、大型机械设备清理、对河道投放化学反应物。人工清洁耗时耗力，执行效率低，需要人每天在河道周围走动；大型机械设备清理是对河底进行清理，主要是通过分段截流的方式，一段一段的抽干河水，清理剩余的垃圾、水草、淤泥等，这种方式对河道的污染物清理效果比较彻底，但是成本极高，耗时较长，不便于日常的污染物处理；人工投放消毒药物方式是采用人工划船或者从岸边投放消毒药品，对河水内的污染物进行消毒处理，这种方式对河道内污染物的处理水平较低，不能对河内的垃圾进行清理，必须与别的方式配合才能实现清理河内垃圾的目的，而且，这种方式耗费人力较大，每次投药以后，管控时间较短。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种河道自动清洁装置及其清洁方法。
[0004] 本发明一种河道自动清洁装置，包括机器人收发装置、垃圾回收容器、回收绳、清洁机器人和摄像头。所述的机器人收发装置、垃圾回收容器、摄像头均安装在河堤上。所述的机器人收发装置包括电动云台、弹射装置和收放绳装置。电动云台的底座安装在河堤上。弹射装置安装在电动云台上。回收绳的一端与绕绳辊子固定，另一端与清洁机器人连接。回收绳穿过弹射装置的弹射通道。所述的垃圾回收容器位于弹射装置的正下方。
[0005] 所述的清洁机器人包括第一气爪、第二气爪、气爪驱动组件、安装架和行进驱动装置。第一气爪和第二气爪的内端间隔设置，且均与安装架的一端固定。第一气爪和第二气爪均为气囊。第一气爪与第二气爪的外端相互弯曲靠近。所述的气爪驱动组件包括第一拉绳、第二拉绳、拉绳辊和拉绳电机。安装架的两侧均开设有穿绳孔。两个穿绳孔与第一气爪、第二气爪分别位置对应。拉绳辊支承在安装架内。拉绳辊由拉绳电机驱动。第一拉绳、第二拉绳的一端与第一气爪、第二气爪的外端分别固定。第一拉绳、第二拉绳的另一端分别穿过安装架上的两个穿绳孔，并与拉绳辊固定。所述的行进驱动装置包括朝向调整组件、行进电机和螺旋桨。朝向调整组件安装在安装架内；行进电机安装在朝向调整组件上。行进电机的输出轴与螺旋桨固定。
[0006] 作为优选，所述的朝向调整组件包括回转架、转向齿轮、圆弧转向齿条、第一驱动齿轮、支撑轴、第二驱动齿轮、转向轴、第一转向驱动电机和第二转向驱动电机。回转架支承在安装架内。回转架的中心轴线与安装架的中心轴线重合。转向齿轮与回转架同轴固定。第一驱动齿轮支承在安装架内。第一驱动齿轮与圆弧转向齿条啮合。第一驱动齿轮由第一转向驱动电机驱动。支撑轴的两端均与回转架的内侧面固定。支撑轴的轴线与回转架的中心轴线垂直相交。转向轴与支撑轴构成转动副。转向轴的内端与圆弧转向齿条的内侧中部固定。圆弧转向齿条的圆心轴线与支撑轴的轴线重合。第二驱动齿轮支承在回转架上。第二驱动齿轮与转向齿轮啮合。第二驱动齿轮由第二转向驱动电机驱动。行进电机固定在转向轴的外端。
[0007] 作为优选，所述的摄像头采用双目摄像机。
[0008] 作为优选，所述的弹射装置采用电磁弹射器、弹簧弹射装置或气动弹射装置。
[0009] 作为优选，所述的收放绳装置包括绕绳辊子和放卷电机。绕绳辊子支承在机器人收发装置的框架上，并由放卷电机驱动。绕绳辊子与回收绳固定。
[0010] 作为优选，所述垃圾回收容器的顶部设置有开口。
[0011] 作为优选，所述的清洁机器人还包括保护罩。保护罩固定在安装架远离第一气爪、第二气爪的一端。保护罩与回收绳固定。
[0012] 作为优选，所述的安装架内设置有UWB定位芯片。河堤上间隔固定有三个UWB基站；清洁机器人上的UWB定位芯片与三个UWB基站相配合，确定UWB定位芯片的空间位置。
[0013] 作为优选，所述第一气爪和第二气爪的相背侧均设置有由内至外依次排列的凸包。
[0014] 该河道自动清洁装置的清洁方法如下：
[0015] 步骤一、电动云台动作，使得弹射装置的弹射口朝向目标垃圾物；弹射装置将清洁机器人弹向目标垃圾物。清洁机器人在水中呈现出第一气爪、第二气爪朝上的状态。
[0016] 步骤二、朝向调整组件调整螺旋桨的朝向。行进电机驱动螺旋桨转动，使得清洁机器人向目标垃圾物移动。
[0017] 步骤三、清洁机器人到达目标垃圾物的正下方后，朝向调整组件调整螺旋桨至朝向正下方；拉绳电机正转，使得第一气爪和第二气爪张开。
[0018] 步骤四、行进电机驱动螺旋桨继续转动，使得清洁机器人上升，第一气爪、第二气爪与目标垃圾物接触。之后，拉绳电机反转，使得第一气爪和第二气爪合拢，抓住垃圾物。
[0019] 步骤五、机器人收发装置内的收放绳装置开始收线，使回收绳被拉回，带动清洁机器人回到弹射装置的弹射口。
[0020] 步骤六、拉绳电机正转，使得第一气爪和第二气爪张开，垃圾物掉入垃圾回收容器内。之后，拉绳电机反转，使得第一气爪和第二气爪合拢。
[0021] 本发明具有的有益效果是：
[0022] 1、本发明通过弹射与水下推进螺旋桨相结合，使得一个河道自动清洁装置能够自动拾取较大范围内的漂浮垃圾，进而降低了人工清理的工作量。
[0023] 2、本发明的夹爪采用预充式的气爪，仅通过两根拉绳和一个电机即可实现驱动；并且，气爪的重量轻，故能够保证清洁机器人的水中时夹爪朝上，降低了夹取垃圾物的难度。
[0024] 3、本发明还能够实现对河道的实时监控，起到及时预警的作用。
附图说明
[0025] 图1是本发明的整体结构示意图；
[0026] 图2是本发明中清洁机器人的结构示意图；
[0027] 图3是本发明中行进驱动装置的结构示意图。
具体实施方式
[0028] 以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0029] 如图1所示，一种河道自动清洁装置，包括机器人收发装置102、垃圾回收容器103、回收绳104、清洁机器人105、摄像头107和控制器。机器人收发装置102、垃圾回收容器103、摄像头107均安装在河堤101上。摄像头107采用双目摄像机，能够确定被拍摄物体的空间位置。清洁机器人105装在机器人收发装置102内。摄像头107拍摄河流的照片并传输给控制器。控制器通过图像识别算法识别出水面上是否漂浮有垃圾物106，并判断垃圾物106的位置。
[0030] 机器人收发装置102包括电动云台、弹射装置和收放绳装置。电动云台的底座安装在河堤101上。弹射装置安装在电动云台上。电动云台调整弹射装置的朝向。弹射装置采用电磁弹射器、弹簧弹射装置或气动弹射装置。收放绳装置包括绕绳辊子和放卷电机。绕绳辊子支承在机器人收发装置102的框架上，并由放卷电机驱动。回收绳104的一端与绕绳辊子固定，另一端与清洁机器人105的尾端连接。回收绳104穿过弹射装置的弹射通道。弹射装置用于将清洁机器人105弹射在垃圾物106的附近，通过控制弹射力来控制弹射距离。收放绳装置用于将抓取到垃圾物106的清洁机器人105，拉回到弹射装置的弹射位中。
[0031] 垃圾回收容器103位于弹射装置的正下方；垃圾回收容器103的顶部设置有开口。初始状态，清洁机器人105位于弹射装置的弹射通道中；此时，若清洁机器人105松开自身抓取的垃圾物106，则垃圾物106将掉入垃圾回收装置103中。
[0032] 如图2所示，清洁机器人105包括第一气爪201、第二气爪202、气爪驱动组件、安装架205、保护罩206和行进驱动装置。安装架205内设置有UWB定位芯片。第一气爪201和第二气爪202的内端间隔设置，且均与安装架205的一端固定。第一气爪201和第二气爪202均为气囊。第一气爪201和第二气爪202的相背侧均设置有由内至外依次排列的凸包。凸包的内腔与气囊主体的内腔连通。当第一气爪201或第二气爪202充入气体时，凸包将膨胀，使得第一气爪201或第二气爪202的外端向远离凸包的一侧弯曲。第一气爪201与第二气爪202内均充有气体。初始状态下，第一气爪201与第二气爪202弯曲至外端相互接触。
[0033] 气爪驱动组件包括第一拉绳203、第二拉绳204、拉绳辊和拉绳电机。安装架205的两侧均开设有穿绳孔。两个穿绳孔与第一气爪201、第二气爪202分别位置对应。拉绳辊支承在安装架205内。拉绳电机固定在安装架205内，且输出轴与拉绳辊的一端固定。第一拉绳203、第二拉绳204的一端与第一气爪201、第二气爪202的外端分别固定。第一拉绳203、第二拉绳204的另一端分别穿过安装架205上的两个穿绳孔，并与拉绳辊固定。保护罩206固定在安装架205远离第一气爪201、第二气爪202的一端。保护罩206与回收绳104固定。
[0034] 当拉绳辊转动时，第一拉绳203、第二拉绳204同步绕上拉绳辊或从拉绳辊上放出。当第一拉绳203、第二拉绳204绕上拉绳辊时，将拉动第一气爪201和第二气爪202的外端向着相互远离的方向翻转，从而使得第一气爪201和第二气爪202呈现张开的状态。第一气爪
201和第二气爪202并非呈细长条状，而是周向呈弧形的板状，故两个第一气爪201和第二气爪202的外端合拢时，能够有效抓取垃圾物106。
[0035] 如图3所示，行进驱动装置包括朝向调整组件、行进电机和螺旋桨207。朝向调整组件包括回转架、转向齿轮301、圆弧转向齿条302、第一驱动齿轮303、支撑轴304、第二驱动齿轮305、转向轴306、第一转向驱动电机和第二转向驱动电机。回转架支承在安装架内。回转架的中心轴线与安装架的中心轴线重合。转向齿轮301与回转架同轴固定。第一驱动齿轮303支承在安装架内。第一驱动齿轮303与圆弧转向齿条302啮合。第一驱动齿轮303由第一转向驱动电机驱动。支撑轴304的两端均与回转架的内侧面固定。支撑轴304的轴线与回转架的中心轴线垂直相交。转向轴306与支撑轴304构成转动副。转向轴306的内端与圆弧转向齿条302的内侧中部固定。圆弧转向齿条302的圆心轴线与支撑轴304的轴线重合。第二驱动齿轮305支承在回转架上。第二驱动齿轮305与转向齿轮301啮合。第二驱动齿轮305由第二转向驱动电机驱动。朝向调整组件用于调整螺旋桨207，从而改变清洁机器人105在水中的行进方向。
[0036] 当转向轴306在第二驱动齿轮305的驱动下旋转至与自身轴线与回转架不重合时，第二驱动齿轮305转动能够驱动转向轴306的外端呈圆形转动(转向轴306的轴线呈圆锥形转动)；因此，通过第一转向驱动电机和第二转向驱动电机的转动，能够控制转向轴的外端朝向进行二自由度的变化。转向轴306的外端固定有行进电机。行进电机的输出轴与螺旋桨207固定。
[0037] UWB定位芯片及摄像头的信号输出接口与控制器连接。所有的电机均通过电机驱动器与控制器连接。连接清洁机器人105与控制器的线缆与回收绳104固定在一起。弹射装置的控制接口与控制器连接。河堤101上间隔固定有三个UWB基站；清洁机器人105上的UWB定位芯片与三个UWB基站相配合，能够确定UWB定位芯片的空间位置。
[0038] 该河道自动清洁装置的清洁方法如下：
[0039] 步骤一、摄像头107拍摄照片或视频传输给控制器，当控制器根据接收到的照片或视频判断河面上是否存在垃圾物106以及垃圾物106的位置。
[0040] 步骤二、控制器控制电动云台动作，使得弹射装置的弹射口朝向目标垃圾物；控制器控制弹射装置将清洁机器人105弹向目标垃圾物。由于清洁机器人105的第一气爪201、第二气爪202为气囊，重量较小，故清洁机器人105的水中呈现第一气爪201、第二气爪202朝上的状态。
[0041] 步骤三、控制器根据UWB定位芯片传输来的信号，确定清洁机器人105的位置。
[0042] 步骤四、控制系统通过摄像头107得出垃圾物106和清洁机器人105的相对方位后，控制第一驱动齿轮303和第二驱动齿轮305转动，使螺旋桨207朝向垃圾物106远离的一侧。行进电机驱动螺旋桨207转动，使得清洁机器人105向垃圾物106移动。
[0043] 步骤五、清洁机器人105到达垃圾物106的正下方后，朝向调整组件带动螺旋桨207的朝向正下方；拉绳电机正转，使得第一气爪201和第二气爪202张开。
[0044] 步骤六、行进电机驱动螺旋桨207继续转动，使得清洁机器人105上升至第一气爪201和第二气爪202与垃圾物106接触后，拉绳电机反转，使得第一气爪201和第二气爪202合拢，抓住垃圾物106。
[0045] 步骤七、机器人收发装置102内的收放绳装置开始收线，使回收绳104被拉回，带动清洁机器人105回到弹射装置的弹射口。
[0046] 步骤八、拉绳电机正转，使得第一气爪201和第二气爪202张开，垃圾物106掉入垃圾回收容器103内，实现垃圾清理。之后，拉绳电机反转，使得第一气爪201和第二气爪202合拢。
