清理机器人和清理方法与流程

1.本发明涉及管道清理技术领域，尤其涉及一种清理机器人和清理方法。


背景技术：

2.城市排水系统是处理和排除城市污水和雨水的工程设施系统，是城市公用设施的组成部分。城市排水系统是现代城市中必不可缺少的系统，是保证城市良好生活环境和卫生的重要保障。城市排水系统在运作过程中，管道常年输送各种各样的生活污水和废物垃圾，管道内的环境复杂且恶劣，因此会存在管道堵塞和排水不畅的现象，造成城市内涝进行危害居民生活环境，对居民健康造成危害，因此需要定期对管道中的淤泥杂物进行清理，避免淤泥杂物累积堵塞管路。
3.现有的清理方式通常包括人工清理和机器清理两种形式。然而，人工清理存在以下缺陷：由于污水管道内环境恶劣且复杂，堵塞物的堆积还可能产生易燃易爆气体，清理人员的人身安全存在较大风险，并且对于一些管径较小的管道，人工清理的方式无法到达。现有机器清理存在以下缺陷：清洁力不够，灵活性较差，结构复杂。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种清理机器人，可以替代人工清理，旨在解决现有清理机器人清洁力不足、灵活性差技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供一种清理机器人，用于管道清理，包括：
6.机体，为清理机器人的主体框架，所述机体内部为密封腔体，内部设有控制组件；
7.多个行走机构，环绕分布于所述机体的周面，与所述机体相连，用于带动所述机体于管道中部运动；
8.第一清理机构，设于所述机体的顶部，用于剥离黏附于管道内壁的杂物；
9.第二清理机构，设于所述机体的尾部，用于清理移动管道内的杂物；
10.摄像机构，与所述机体连接，用于获取管道内的图像。
11.可选的，所述第一清理机构产生第一高压液体，所述第一高压液体的方向垂直于管道内壁；
12.所述第二清理机构产生第二高压液体，所述第二高压液体的方向与管道内壁呈40-50度夹角。
13.可选的，所述行走机构包括伸缩机构和履带组件；
14.所述伸缩机构分别连接所述机体和所述履带组件，所述伸缩机构带动所述履带组件做伸缩运动。
15.可选的，所述行走机构的数量为3个，所述行走机构绕所述机体的中轴线均匀分布于所述机体的周面。
16.可选的，所述第一清理机构包括第一管路和l型喷头，所述第一管路用于液体传输，所述l型喷头用于液体导向，所述l型喷头喷出的液体为第一高压液体；
17.所述第一管路穿过所述机体，所述第一管路的进口位于所述机体的尾部，所述第一管路的出口位于所述机体的顶部，所述l型喷头通过旋转接口与所述第一管路的出口连接，所述l型喷头可绕所述旋转接口旋转。
18.可选的，所述l型喷头为一体成型；
19.或者，所述l型喷头包括转接口与直型喷头，所述直型喷头与所述转接口连接，所述转接口通过旋转接口与所述第一管路的出口连接。
20.可选的，所述第二清理机构包括进液口、第一腔室、第二腔室和尾座件；
21.所述第一腔室与所述进液口连通；
22.所述第二腔室为环形，所述第二腔室由内环面和外环面围成，所述第二腔室通过多个连通管路与所述第一腔室连通，所述第二腔室的外环面设有多个喷孔，多个所述喷孔绕所述第二腔室的环形中心线均匀分布，液体通过所述喷孔喷出呈预定夹角的放射状，所述喷孔喷出的液体为高压液体；
23.所述尾座件用于连接所述第二腔室与所述机体。
24.可选的，所述喷孔喷出的液体方向与所述进液口中的液体流向之间的夹角为40-50度；
25.所述喷孔喷出的液体方向与所述连通管路中流体流向之间的夹角为130-140度；
26.所述进液口中液体流向与所述连通管路中的液体流向垂直。
27.可选的，所述摄像机构包括摄像头和照明机构；
28.所述摄像头设于所述机体的顶部，所述照明机构设于所述机体的顶部。
29.可选的，还包括第二管路，所述第二管路穿过所述机体，所述第二管路的进口位于所述机体的尾部，所述第二管路的出口连接所述机体顶部的喷口，所述喷口朝向所述摄像头和照明机构，所述喷口用于清理所述摄像头和所述照明机构表面的杂物。
30.相应地，本发明还提供一种清理方法，通过上述提到的清理机器人实现，包括以下步骤：
31.将清理机器人投放至待清理的管道中；
32.清理机器人自适应展开行走机构；
33.清理机器人沿管道第一方向行走，产生旋转的高压液体剥离管道内壁表面的杂物；
34.清理机器人沿管道第二方向行走，产生放射状高压液体将剥离的杂物冲积至预定位置；
35.判断管道内环境，清理机器人根据管道内环境控制行进速度和行进方向；
36.将清理机器人从管道中回收。
37.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
38.本发明提供的清理机器人通过行走机构实现在管道内部的行走，并且行走机构环绕设置于机体的周面，因此行走机构还具有支撑机体的作用，工作时，机体位于管道内的中部，避免机体在行进过程中与黏附于管道内壁的杂物碰撞；第一清理机构将管道内壁堆积黏附的杂物剥离，第二清理机构将管道内的剥离后堆积于管道底部的杂物转移，两种清理机构能够实现管道内杂物的剥离和转移；摄像机构用于获取管道内部图像，进而判断清理机器人的工作环境和清理效果。
附图说明
39.一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
40.图1为本发明清理机器人实施例示意图；
41.图2为本发明清理机器人实施例正视图；
42.图3为本发明清理机器人实施例右视图；
43.图4为本发明清理机器人实施例局部放大图；
44.图5为本发明清理机器人另一实施例局部放大图；
45.图6为本发明清理机器人实施例第二清理机构示意图；
46.图7为本发明清理机器人实施例第二清理机构正视图；
47.图8为本发明清理机器人实施例第二清理机构第一剖视图；
48.图9为本发明清理机器人实施例第二清理机构第二剖视图；
49.图10为本发明清理机器人实施例第二清理机构第三剖视图；
50.图11为本发明清理机器人实施例管路示意图；
51.图12为本发明清理方法实施例示意图。
52.附图标记：
53.100-机体；200-行走机构；210-伸缩机构；220-履带组件；300-第一清理机构；310-第一管路；320-l型喷头；321-长端；322-短端；323-转接口；324-直型喷头；330-旋转接口；400-第二清理机构；410-进液口；420-第一腔室；430-第二腔室；431-喷孔；432-内环面；433-外环面；434-通孔；440-连通管路；450-接口组件；451-防护圈；452-安装孔；4521-第一管路接口；4522-第二管路接口；4523-传感器；4524-电线接头；460-密封垫圈；470-尾座件；500-摄像机构；510-摄像头；520-照明机构；530-第二管路；540-喷口；600-电磁阀。
具体实施方式
54.为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“内”、“外”以及类似的表述只是为了说明的目的。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示相对重要性，或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，除非另有说明，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；“多个”的含义是两个或两个以上。术语“包括”及其任何变形，意为不排他的包含，可能存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。
55.此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相
同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
56.此外，下面所描述的本发明不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
57.本发明提供清理机器人实施例。
58.本发明实施例提供的清理机器人适用于管道内部的清理，尤其适用于城市管网中内径为46cm-57cm的管道清理。
59.如图1-3所示，在一实施例中，清理机器人包括机体100、行走机构200、第一清理机构300、第二清理机构400和摄像机构500。机体100作为清理机器人的主体框架，机体100内部为密封腔体，内部设有控制组件。行走机构200环绕分布于机体100的周面，并且与机体100相连，用于带动机体100于管道中部运动。第一清理机构300设于机体100的顶部，用于剥离黏附于管道内壁的杂物。第二清理机构400设于机体100的尾部，用于清理移动管道内的杂物。摄像机构500与机体100连接，用于获取管道内的图像。
60.具体地，机体100为柱形结构，具体为圆柱形结构，圆柱形结构紧凑简洁，并且适用于工业生产。机体100内部为密封腔体，避免外部环境的液体和杂物进入机体100内部，防止机体内部100的控制组件、零部件、液体管路和相关电路结构受到损坏。机体100内部中的控制组件为常规的电路板，在此不做详细赘述。第一清理机构300通过产生高压液体冲击管道内壁，将堆积黏附的污泥垃圾等杂物从管道内壁表面剥离下来，第二清理机构400则通过产生高压液体推动管道底部的堆积杂物至预定地点，然后进行集中回收。摄像机构500获取管道内图像并传送至控制终端，操作者或者软件根据图像对管道内的清理机器人进行控制，并通过图像判断管道内的清理情况和清理程度。
61.在一实施例中，行走机构200主要由伸缩机构210和履带组件220两部分组成，伸缩机构210分别连接机体100和履带组件220，伸缩机构210带动履带组件220做伸缩运动。
62.进一步地，本实施例中的行走机构200的数量为3个，并且行走机构200绕机体100的中轴线均匀分布于机体100的周面，呈等边三角结构，即两两行走机构200之间的夹角相同，均为60度，这种结构设计稳定性好，清理机器人在管道中行走时更加稳定。对应地，伸缩机构210与履带组件220的数量也为三个。
63.具体地，伸缩机构210和履带组件220与机体100的控制组件连接，控制组件根据管道的内径大小控制伸缩机构210的伸缩大小，使得履带组件220在工作时与管道内壁接触，使得机体100位于管道中部，避免机体100与管道内壁以及内壁上黏附的杂物接触，防止机体100造成损坏。伸缩机构210具体可以为一种连杆伸缩机构。控制组件控制履带组件220的行进速度。
64.在未工作状态中，这里的未工作状态是指清理机器人投放至指定清理位置之前，此时伸缩机构210处于收缩状态，清理机器人整体轮廓的外径处于较小的状态，该状态可以方便清理机器人的转运和投放。在工作状态中，此时伸缩机构210处于展开状态，展开的大小与管道内径的大小相适应，并且履带组件220与管道内壁接触。
65.在一实施例中，第一清理机构300产生第一高压液体，第一高压液体的方向垂直于管道内壁；第二清理机构400产生第二高压液体，第二高压液体的方向与管道内壁呈40-50
度夹角。本发明实施例中所提及的液体具体可以为水。第一清理机构300产生的高压水垂直作用于管道内壁，根据力学原理，垂直作用的力不产生额外的分力，因此产生的作用力最大，不会有额外力的损失。管壁表面黏附的杂物在第一清理机构300产生的高压水的作用下剥离。第二清理机构400产生的高压水方向与管道内壁呈一定夹角，根据力学原理可以将产生的压力分解为垂直于管壁的径向力和平行于管壁轴向力，其中平行于管道内壁方向的轴向力可以推动管道内杂物沿管道轴向运动，实现杂物的转移，垂直于管道内壁方向的径向力可以对管道内壁黏附的杂物进行二次剥离，夹角的大小具体可以为45度，通过调整夹角的大小可以调整产生的径向力和轴向力的大小。
66.如图4所示，在一实施例中，第一清理机构300包括第一管路310和l型喷头320，第一管路300用于液体传输，l型喷头320用于液体导向，并且l型喷头320喷出的液体为第一高压液体；第一管路310穿过机体100，第一管路310的进口位于机体100的尾部，第一管路310的出口位于机体100的顶部，l型喷头320通过旋转接口330与第一管路310的出口连接，l型喷头320可绕旋转接口330旋转。
67.具体地，第一管路310的进口连有倒刺接口，第一管路310通过倒刺接口外接高压供液设备，第一管路310位于机体100内部的部分为软管，方便管路的布置和设计，第一管路310的出口与l型喷头320通过旋转接口330连接，旋转接口330通过机体100内部的旋转电机带动旋转，进而带动l型喷头旋转。旋转接口330位置设置于机体100的顶面中部，并且位于圆柱形的机体100的中轴线上，因此l型喷头320绕中轴线旋转，从而实现管道内壁360度周面的覆盖，l型喷头的转速优选为2100-2200r/m。l型喷头320包括长端321和短端322，长端321与短端322垂直设置，其中短端322与旋转接口330连接，长端321的长度不超过行走机构200收缩状态下整个清理机器人的外轮廓的半径大小，避免l型喷头320工作旋转过程中与管道内壁产生干涉。通过l型喷头320实现液体的导向，使得高压液体与管道内壁垂直，此时产生的作用力最大，除此之外，l型喷头320旋转产生的旋转切向力也具有剥离管道内壁杂物的作用。l型喷头320的出口为渐缩的扁状结构，可以增强输出压力和作用面积，l型喷头320的宽度优选为50mm左右。
68.进一步地，l型喷头320为一体成型结构，即l型喷头320的长端321和短端322为一体成型，两者之间无连接缝隙和接口，因此密封性良好。在其他实施例中，如图5所示，l型喷头320还可以是由转接口323与直型喷头324两部分组成，这样分离式设计可以方便工业生产制造，其中转接口323相当于l型喷头320的短端322，直型喷头324相当于l型喷头320的长端321。直型喷头324与转接口323连接，转接口323通过旋转接口330与第一管路310的出口连接，转接口323可以在旋转接口330的基础上进行改造，两者可以为同一结构。
69.如图6-10所示，在一实施例中，第二清理机构400包括进液口410、第一腔室420、第二腔室430和连通管路440。其中，进液口410外接高压供液装置或者系统，用于高压液体的输入，进液口410具体可以是一种倒刺接口。第一腔室420与进液口410连通。第二腔室430为环形，第一腔室420位于第二腔室430的环形结构中部，第二腔室430通过多个连通管路440与第一腔室420连通，第二腔室430的表面设有多个喷孔431，通过环形的第二腔室430产生环形的喷液，以覆盖整个管道内壁的周面。喷孔431喷出的液体方向与管道内壁呈预定夹角，喷孔431喷出的液体为高压液体。
70.进一步地，第二腔室430由内环面432和外环面433围成，多个喷孔431设于外环面
433上，多个喷孔431绕第二腔室430的环形中心线均匀分布，均匀分布能够确保每个喷孔431喷出的液体压力相同。外环面433为曲面，可以使喷孔431呈预定夹角设置，进而实现喷孔431喷出的液体方向与管道内壁呈预定夹角。预定夹角的大小范围为40-50度。由于喷出的液体方向与管道内壁呈夹角设置，根据力学原理，将喷出的高压液体产生的压力进行分解，可以得到与管道内壁平行的轴向力以及与管道内壁垂直的径向力，其中轴向力作为推力可以将管道内的杂物进行移动，径向力可以起到剥离管道内壁黏附的杂物的作用。
71.第一腔室420用于液体的暂存，可以选用圆柱形，其中顶面与进液口410连通，底面为封闭面。多个连通管路440沿第一腔室420的柱面均匀分布，多个连通管路440穿过内环面431与第二腔室430连通，这种均匀设置可以使第二腔室430每个部位填充的液体量相同，进而确保喷孔431喷出的压力相同。
72.在一实施例中，第一腔室420与连通管路440一体成型，第二腔室430的内环面432设有多个通孔434，通孔434与连通管路440对应匹配。这种分离式设计，有利于工业生产。
73.在一实施例中，喷孔431的朝向与进液口410的中心线的夹角为40-50度，优选45度；喷孔431的朝向与连通管路440的中心线所在平面的夹角为130-140度，优选135度；进液口410的中心线与连通管路440的中心线所在平面垂直。通过这种设置可以实现进液方向与喷孔431的喷液在沿管道内壁的分力方向上是相反的，特别适用于设于清理机器人的尾部。即上述结构可以实现以下效果：喷孔431喷出的液体方向与进液口410中的液体流向之间的夹角为40-50度；喷孔431喷出的液体方向与连通管路440中流体流向之间的夹角为130-140度；进液口410中液体流向与连通管路440中的液体流向垂直。
74.在一实施例中，多个连通管路440的横截面总面积不小于进液口410的横截面积。这种结构设计可以尽可能的减少液体压力的损失，避免能源浪费。
75.在一实施例中，还包括接口组件450，接口组件450包括防护圈451和多个安装孔452，安装孔450分布于连通管路440之间的间隔中，安装孔450用于安装相关管路接口和其他相关零部件，具有结构紧凑的优点。进液口410位于防护圈451内，防护圈451的高度大于进液口410的高度，防护圈451具有防护内部进液口410以及相关零部件的作用，避免工作状态下造成碰撞对防护圈451内的零部件造成损坏，提升了零部件的安全性。进一步地，防护圈451采用镂空设计，可以减轻本身的重量，从而减少第二清理机构400的重量，进而减少安装有该第二清理机构400的清理机器人的重量。
76.具体地，安装孔452内分别设有第一管路接口4521、第二管路接口4522、传感器4523和电线接头4524。其中第一管路接口4521为倒刺接口，与第一管路310连接，第二管路接口4522也为倒刺接口，与第二管路530连接。传感器4523用于获取环境信息，环境信息可以为清理机器人的外部环境，也可以为清理机器人的内部环境，传感器4523可以为真空计、水深传感器等，真空计可以检测清理机器人内部环境的封闭度，水深传感器可以检测清理机器人所处环境的水深大小。电线接头4524用于连接线缆，电线接口4524连接的线缆将清理机器人与控制终端、供能装置连接，实现清理机器人的供能和通讯。第一管路接口4521的出口端包括至少两个接口，可以实现多个管路的连接。
77.进一步地，进液口410与第一腔室420的连接面设有密封垫圈460，连通管路440与第二腔室430的连接面设有密封垫圈460。通过密封垫圈460确保整个第二清理机构400的封闭性。第二清理机构400与机体100之间通过尾座件470连接，并且尾座件470与机体100的接
触面之间也设有密封垫圈460，确保清理机器人内部环境的密封性。
78.在一实施例中，摄像机构500包括摄像头510和照明机构520，摄像头510设于机体100的顶部，照明机构520设于机体100的顶部。摄像头510用于获取图像，照明机构520为摄像头510提供拍摄光源，照明机构520具体可以为led灯。
79.具体地，如图3-4所示，摄像头510和照明机构520的数量分别为两个，两个摄像头510与两个照明机构520呈十字设置。其中两个摄像头510分别设置于机体100顶部的上下侧，上侧的摄像头510朝向正前方，用于获取清理机器人的前方图像，下侧的摄像头510朝向管道底部，用于获取管道底部的图像。两个照明机构520对称设置于机体100顶部的左右侧，提供大范围的照明。
80.进一步地，还包括第二管路530。第二管路530穿过机体100，第二管路530穿过机体100的部分为软管，方便布置和设计。第二管路530的进口位于100机体的尾部，与第二管路接口4522连接，第二管路530的出口连接机体100顶部的喷口540，喷口540朝向摄像头510和照明机构520，喷口540的数量位置和摄像头510与照明机构520的数量位置对应设置，喷口540喷出的高压液体用于清理摄像头510和照明机构520表面的杂物，确保获取图像的清晰度。
81.进一步地，如图11所示，第一管路310、第二管路530和进液口410外接8mpa的高压液体，每条管路都配有电磁阀600控制管路通断。
82.本发明还提供清理方法实施例，该方法实施例通过上述的清理机器人实施例实现，如图12所示，包括以下步骤：
83.s100、将清理机器人投放至待清理的管道中；
84.s200、清理机器人自适应展开行走机构；
85.s300、清理机器人沿管道第一方向行走，产生旋转的高压液体剥离管道内壁表面的杂物；
86.s400、清理机器人沿管道第二方向行走，产生放射状高压液体将剥离的杂物冲积至预定位置；
87.s500、判断管道内环境，清理机器人根据管道内环境控制行进速度和行进方向；
88.s600、将清理机器人从管道中回收。
89.具体地，在步骤s100中，清理机器人可以通过人工的方式投放至待清理的管道中，也可以通过吊缆装置投放至待清理的管道中，在投放过程中，清理机器人的行走机构是收起状态，以缩小体积方便投放。
90.在步骤s200中，清理机器人投放到待清理管道中的指定位置后，行走机构自适应展开与管道内壁接触，此时行走机构支撑机体位于管道中部，清理机器人清理工作前的准备完成。
91.在步骤s300中，清理机器人沿管道第一方向行走，即清理机器人沿管道的前方行走，向前行走。在向前行走的同时，第一清理机构开始工作，产生旋转的高压液体作用于管道内壁，将管道内壁表面的杂物剥离。
92.在步骤s400中，清理机器人沿管道第二方向行走，即清理机器人沿管道的后方行走，向后行走。在向后行走的同时，第二清理机构开始工作，产生放射状的高压液体将剥离的杂物冲积至预定位置，之后对预定位置的杂物进行统一回收。
93.在步骤s500中，通过摄像机构获取管道内图片，控制终端判断管道内环境，进而控制清理机器人的行走速度和行走方向。通常情况下，以管道160米左右长度的管道为例，清理机器人跑完全管的最小时长为8分钟左右，第二清理机构全管道螺旋扫描最小单程完成时长约为3小时。
94.在步骤s600中，清理结束后，清理机器人再通过人工或者吊缆装置从管道内回收，在回收过程中，清理机器人的行走机构是收起状态，以缩小体积方便回收。
95.综上所述，本发明提供的实施例，清理机器人通过行走机构实现在管道内部的行走，并且行走机构环绕设置于机体的周面，因此行走机构还具有支撑机体的作用，工作时，机体位于管道内的中部，避免机体在行进过程中与黏附于管道内壁的杂物碰撞；第一清理机构将管道内壁堆积黏附的杂物剥离，第二清理机构将管道内的剥离后堆积于管道底部的杂物转移，两种清理机构能够实现管道内杂物的剥离和转移；摄像机构用于获取管道内部图像，进而判断清理机器人的工作环境和清理效果。本发明提供的实施例具有结构简单，清洁力强，灵活性好的优点。
96.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。