一种管道清理机器人的制作方法

本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种用于清理管道内杂物的管道清理机器人。

背景技术：

雨水管道是城市排水系统中非常重要的环节，雨水管道中，主管道直径大小还可以清理，需要解决的是支管道网的清理工作，支管道的直径较小，人工或者清理工具难以进入，而且为无压力管道，依靠管道设计坡度及雨水自身重力排放，容易淤积泥沙、建筑垃圾、植物残骸等，加上地表树木根部容易伸入管道，管道堵塞的情况极易发生，管道内水泥堆积减少排水面积，树根盘绕阻挡固体垃圾，最后数种垃圾和淤泥形成极难清理的障碍物，严重影响管道的排水功能。

目前国内主要的雨水管道清理方法仍然是采用人工清理，该方法主要依靠工人将高压水枪插进雨水管道，使用高压水喷射疏通淤泥等杂物，然后人工掏取垃圾。但是现有雨水管道的人工清理方式存在以下一些缺点：

1．清理的杂物范围有限：高压水枪只能起到疏通淤泥的作用，对伸入管内的行道树树根，凝固在管壁上的混凝土块等堵塞物却难以清理。

2．高压水枪只能起到疏通作用，无法将垃圾取出。这也导致了雨水管道清理频率居高不下，导致雨水管道清理治标不治本。工人们急需一种治标更能治本的清理方法。

3.人力成本较高。尤其是树枝树根的清理工作需要工人进入下水管口使用杆类工具进行掏取，工作环境恶劣。并且对工具长度无法到达的深部管道里的垃圾无可奈何。随着劳动力成本的上升，管道清理的成本也日渐增加。

4.伸入管道的树根非常坚韧，目前的清理方案难以解决，而且雨水管道一般都会经过马路上种植的树木下方，树根伸入管道的情况极为普遍，如果不能解决这个问题，那么随着树根的持续生长，雨水管道堵塞的情况只会越来越严重，因此，急需一种能够代替人工，深入雨水管道进行清理工作的大功率机器人。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中管道疏通清理过程需要人工清理且不能将牢固杂物如坚韧的树根去除的问题，提供了一种管道清理机器人。

本发明为了解决上述问题，所采取的技术方案为：一种管道清理机器人包括推进装置和机器人本体，所述推进装置包括由若干节可自由拆卸的杆体组成的推进杆，所述推进杆一端与所述机器人本体相连，所述机器人本体包括行走机构、磨削装置和冲洗装置，所述磨削装置安装于所述行走机构上，所述行走机构包括车架、置于车架周侧的万向轮，所述万向轮与管道侧壁接触，所述磨削装置包括滚轮和固定于滚轮侧壁的锯齿状刀具，所述滚轮转动连接在所述车架上，所述推进装置通过所述车架与所述磨削装置相连，所述冲洗装置用于将所述磨削装置磨削下的废物冲刷掉，所述冲洗装置包括高压水枪。

进一步的，所述推进装置还包括固定于管道口的卡盘固定装置，所述卡盘固定装置包括中心套管和由中心套管向外发射分布的支承管，所述支承管可自由调节长度，所述支承管一端连接所述中心套管一端与所述管道壁连接，所述推进杆远离所述磨削装置一端置于所述中心套管内。

进一步的，所述万向轮通过转向轴和弹簧固定在所述车架上，所述万向轮包括轮体和转向轴，所述轮体通过车轮支架安装于所述转向轴一端，所述转向轴另一端通过弹簧与所述车架连接，所述弹簧处于预紧状态。

进一步的，所述滚轮的中心旋转轴垂直于所述推进杆。

进一步的，所述锯齿刀刃呈纺锤体分布在滚轮壁上。

进一步的，所述行走机构上固定安装有照明装置和视觉装置，所述视觉装置用于显示管道内工作状况，所述视觉装置通过电缆将所述管道内状况传输至管道外显示装置上。

进一步的，所述磨削装置通过电机驱动，所述电机外侧设有防水机身。

进一步的，所述滚轮呈纺锤体，所述滚轮最大直径处与所述管道内壁直径相当。

本发明所产生的有益效果包括：

（1）本发明针对雨水管道中的难清理的堵塞物（该堵塞物中有非常硬的水泥块，也有比较软的树根甚至枯枝烂叶和小塑料袋，工况非常复杂），制作了径向磨削装置，径向是指刀刃的打磨方向与管道延伸方向一致，经过高速旋转，可对较硬的水泥块进行磨削，也可以对树根进行刮削，能够较好的应对雨水管道中的复杂工况，同时也解决只能疏通管道不能去除堵塞物的治标不治本的普通高压射流方式。

（2）本发明采用径向旋转磨削方式。在实际工作现场，由于所要清理的雨水管道都为圆筒状，所以如果采用轴向旋转方式进行磨削，滚轮的中心旋转轴将会产生较大的扭矩，又因为找不到一种好的方法来平衡这个扭矩，因此往往会使整个机器失去平衡，随着中心旋转轴一起旋转。然而本发明采用径向旋转方式进行磨削，在高速磨削的情况下，对机身只会产生一定的弯矩，由于八个万向弹簧轮紧紧贴合在管壁上，对机身产生一定的支持力，与弯矩互相抵消，使整个机器人保持平衡。

（3）本发明为半自动化清理机器人，主要靠与磨削装置尾部相连接的推进杆，然后依靠人工推动提供行走动力。在实际使用中，工人将推进杆穿过卡盘与车架相连接，工人在外面依靠视觉装置了解洞内的情况，然后利用推进杆操作机器人的前进倒退和转动。与传统由电机提供动力的全自动化机器人相比，操作更加灵活，能够适应雨水管道里的复杂环境，并且实现万向移动，能够使机器人磨削到管道内任何位置。

（4）本发明的行走机构采用八个万向轮并且相对称地分布在车架上下。由于雨水管道为圆筒状、上下对称，普通的四轮机器人只能实现与管道底部进行接触，其稳定性比较差，很容易发生侧翻或者难以越过堵塞物等现象，并且只能实现前后进给，很难适应雨水管道内复杂的堵塞情况。而本发明采用的上下对称分布的万向轮具有极强的稳定性，能够为各个方向提供平衡力，使机身保持平衡，而且能够实现任何方向的移动，很好地适应了雨水管道内复杂的堵塞情况。

（5）本发明推进杆采用可拼接式推进杆，由多根同种规格的杆体通过螺纹相连接而成，可以根据所需要推进杆的长度来决定所需杆体的根数，自由连接，自由拆卸。可拼接式推进杆相比于普通长杆，可以在非常狭小的操作环境中使用并且能够自由决定长度，适用性非常广，而且使用后可以拆卸运输、存放，具有占地小、运输方便等优点。

（6）本发明中的行走机构侧壁安装有万向轮，可保证磨削装置沿管道前进且不会发生晃动，另一方面万向轮可使磨削装置旋转，打磨到管道壁的任意地方；本发明中的万向轮通过预紧弹簧连接车架，可保证在不同直径处的管道内，万向轮依然能与管道壁接触。

附图说明

图1本发明中的管道清理机器人结构示意图；

图2本发明中的管道清理机器人另一角度的结构示意图；

图3本发明中推进装置的结构示意图；

图4本发明中磨削装置的结构示意图；

图5本发明中万向轮的结构示意图；

图6、图7、图8、图9为本发明中管道清理机器人操作过程示意图；

图10本发明中管道清理机器人旋转45°后再次工作示意图；

图中100、推进装置，110、推进杆，111、第一杆体，112、第二杆体，120、卡盘固定装置，121、中心套管，122、支承管，123、连杆，200、行走机构，210、车架，220、万向轮，221、轮体，222、转向轴，223、车轮支架，224、弹簧，230、车架基体，300、磨削装置，310、滚轮，320、刀具，330、中心旋转轴，400、视觉装置，500、照明装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1和图2所示，本发明中的一种管道清理装置包含半自动人工推进的推进装置100和与推进装置100相连的机器人本体，机器人本体包括磨削装置300、冲洗装置、照明装置500、视觉装置400、防水机身、行走机构200、传动装置。

如图3所示，推进装置100由可拼接式推进杆110和卡盘固定装置120组成。可拼接式推进杆110由多根同种规格的杆体相连接而成，可以根据所需要推进杆110的长度来决定所需连杆123根数的多少，自由连接，自由拆卸。卡盘固定装置120由1.基架，2.支承管122组成，基架包括中心套管121和发射状分布在套管周围的连杆123，支承管122通过螺纹与基架连杆123远离中心套管121的一端相连接。在使用中，可以通过旋转支承管122来调节支承管122的长度，使卡盘固定装置120能够适应300mm到600mm的小口径雨水管道，进而在使用过程中固定于管道口，推进杆110一端连接机器人本体，一端套于中心套管121内，推进杆110由靠近机器人本体一端向另一端延伸依次为第一杆体111、第二杆体112、第三杆体……。

实际操作中，机器人本体尾部与推进杆110上的第一杆体111相连接，而卡盘固定装置120间隙配合套在杆体上，一般将卡盘固定装置120固定在雨水管道口，然后将第二杆体112与第一杆体111相连接，第三杆体与第二杆体112相连接，依次类推，使推进杆110不断地增长，并且由工人向管道内推进来使机器人不断的前进，通过旋转推进杆110调节机器人本体的运动方向和工作状态。

如图4所示，磨削装置300为径向旋转磨削装置300。磨削装置300包括滚轮310和设置在滚轮310侧壁的锯齿状刀具320，滚轮310呈圆弧型纺锤体结构，圆弧型纺锤体曲率与雨水管道内壁曲率相同，在高速旋转中，能够完全贴合管壁，以此把管内甚至管壁上的粘合物清理的非常干净，在装配中，将带有锯齿状刀具320的锯齿形磨削刀具320焊接在圆弧型纺锤体的外表面上，形成一体。在实际工作现场，由于所要清理的雨水管道都为圆筒状，所以如果采用轴向旋转方式进行磨削，滚轮310的中心旋转轴330将会产生较大的扭矩，又因为找不到一种好的方法来平衡这个扭矩，因此往往会使整个机器失去平衡，随着旋转中心轴一起旋转。然而本发明采用径向旋转方式进行磨削，在高速磨削的情况下，对机身只会产生一定的弯矩，由于八个万向弹簧224轮紧紧贴合在管道内壁上，对机身产生一定的支持力，与弯矩互相抵消，使整个机器人保持平衡。该处的径向旋转即为刀具320的切割方向与管道的延伸方向一致，即滚轮310的旋转轴与推进杆110垂直，轴向旋转为滚轮310的旋转轴与推进杆110平行。

冲洗装置、照明装置500、视觉装置400安装在机器人本体的左前端，照明装置500即是强光手电筒，主要为视觉装置400提供光亮，而视觉装置400安装在照明装置500的下方，主要是让管道外面的工人通过仪器了解管道内的情况，为机器人精准地清理堵塞物提供条件；稀释冲洗装置由普通的市政服务中使用的高压水枪组成，其安装在机器人机身的右前端，主要把磨削下来的物体冲出管道，防止造成二次堵塞。

如图5所示，行走机构200包括车架210和连接在车架210周边的万向轮220，车架210呈长方体，滚轮310转动连接在车架210上，万向轮220通过弹簧224和车架基体230安装于车架210的八个顶角处。万向轮220包括车轮支架223、转向轴222和置于转向轴222一端的轮体221，轮体221通过车轮支架223连接在转向轴222一端，转向轴222远离轮体221的一端通过弹簧224连接车架基体230，车架基体230另一端连接车架210，万向轮220可实现360度旋转，同时可以利用弹簧224的挤压与放松来使万向轮220与车架210之间的距离伸长、缩短。由于雨水管道为圆筒状、上下对称分布的万向弹簧224轮具有极强的稳定性，能够为各个方向提供平衡力，使机身保持平衡，而且能够实现任何方向的移动，很好地适应了雨水管道内复杂的堵塞情况。

动力装置为磨削装置300提供动力，动力装置采用“普通电机＋减速器”，通过直齿圆柱齿轮传动与斜齿锥齿轮改变传动方向来实现动力传递。

为了适应不同口径大小的雨水管道，可以把本次发明的机器人本体按照一定比例放大缩小，车身大小适合雨水管道口径的大小。

在实际运用中，首先将机器人本体放入需要清理的雨水管道中，（由于八个上左右都对称分布的万向轮220的支撑，使机器人在圆筒型管道中也能够拥有非常高的稳定性，而且每个万向轮220在车架基体230与转向轴222之间都有伸缩弹簧224，这使得机器人每个轮子相对于管壁都带有弹性，就如同越野车一样，遇到不平整的管壁或者小型阻碍物，机器人本体都可以轻松行走。而在车轮支架223与转向轴222之间可以360度旋转，这使得机器人能够全方位行走。

然后将卡盘固定装置120固定在管道口，首先将卡盘放置在雨水管道口，调整其位置，使其与雨水管道同心，然后旋转支承管122，由于螺纹的缘故，支承管122会逐渐增长，然后牢牢地支撑在管壁上。接着将机器人本体尾部与第一杆体111相连接，而卡盘固定装置120间隙配合套在第一杆体111上，然后将第二杆体112与第一杆体111相连接，第三杆体与第二杆体112相连接，依次类推，使推进杆110不断不断地增长，如图6。此时照明装置500和视觉装置400打开，15.视觉装置400通过电缆将管内情况传到外面掌上电脑上，工人通过掌上电脑实时了解管内情况，然后在人工的推动下，把机器人本体送到需要清理的固体堵塞物处，如图7。

此时机身里面的电机打开并且高速旋转，通过减速机构使转速适当降低，然后通过二级齿轮传动来传递动力，接着通过两次斜齿锥齿轮实现动力方向的90度改变，以此实现滚轮310的径向高速旋转，并且在人工的缓缓推动下把固体堵塞物磨碎。在磨削装置300高速磨削时，会对机身只产生一定的弯矩，由于八个万向轮220紧紧贴合在管道内壁上，对机身产生一定的支持力，与弯矩互相抵消，使整个机器人达到动态平衡。冲洗装置与电机同时打开，利用高压水枪冲洗磨屑，达到进一步冲洗清淤的效果。

经过计算整个磨削分为四步骤，第一步：机器人在第一延伸方向进行磨削，机器人本体被工人通过推进杆110实现精确推进，当机器人本体到达堵塞物处时，工人会在与卡盘交汇处的推进杆110上做上标记a，预设一推进长度，然后继续推动推进杆110至某长度时，再次在推进杆110与卡盘固定装置120交汇处做上标记b，如图8，a点与b点之间的距离为之前预设的推进长度；第二步：拉出推进杆110至回到卡盘固定装置120与推进杆110交汇于a点，通过推进杆110顺时针旋转机器人本体，使机器人本体中的滚轮310在第二方向上进行磨削，第二方向与第一方向夹角为45°，如图10所示，推动推进杆110至推进杆110与卡盘固定装置120交汇于b点；第三步，顺时针继续旋转机器人本体45°，重复第二步操作，直至机器人本体旋转了360°，即为一个周期。整个机器人在人工的拉动下实现退刀，如图9。机器人在多个周期下就可以将雨水管道打通。

上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。