一种城市排水管道清淤用两段式智能机器人及其工作方法

技术领域

本发明涉及管道清淤技术领域，尤其涉及一种城市排水管道清淤用两段式智能机器人及其工作方法。

背景技术

城市下水道是城市生活中重要的基础设施之一，它直接关系到城市的环境卫生和市民的健康安全。然而由于下水道内部环境复杂、狭窄、高压、高湿等因素的影响，使得传统的人工清理和检修维护方式不适用于管道内部的清洁。

针对上述问题，随着科技的发展和机器人技术的不断成熟，现有技术开始探索利用机器人技术进行下水道的探测、清洁和维修。这样既能够提高维护效率，又能避免人工维护带来的安全隐患。同时，机器人技术能够实现大范围、全方位的监测和数据采集，还可对下水道内部的情况进行全面、精确的记录和分析，有助于提高维护管理的精细化和智能化水平。

现有的下水道机器人可以从以下角度进行分类：

①按照技术分类：根据通信方式的不同，可以分为三类。第一类是缆线控制型，即需要通过电缆来传输数据、电力控制信号；第二类是无线控制型，即通过遥控器或控制器进行操控；第三类是自主导航型，即能够通过激光雷达、地磁、GPS等技术进行定位及导航操作。

②按照功能分类：根据不同的工作需要，可以分为清洁型、检测型、维修型等多种类型。在清洁型中，一些机器人可以进行高压喷水、吸尘等清洁操作，可以有效清理下水道中的垃圾、沙石等物质；在检测型中，下水道机器人可以携带高清晰度相机、温度传感器等设备对管道进行实时、全方位监测，检测出安全隐患；在维修型中，下水道机器人还可以搭载修补设备等，进行部分管道的修补、替换等作业。

③按照规模分类：根据各项技术、功能的不同，下水道机器人的规模大小也有所不同。一类为小型的机器人，其可以进行小型管道的清理和检测操作；另一类为大型机器人，其可以搭载更多的设备进行大规模、深度的管道检测清理作业，以满足市场需求。

④按照价格分类：下水道机器人的价格主要取决于机器人的技术含量、功能复杂度以及规模大小等多种因素。目前市场上价格较低的下水道机器人在3万元以下；而价格高的机器人则达到几十万元甚至更贵。具体定价则需要根据机器人的规模、功能而具体调整价格。

可知，尽管下水道机器人技术已经取得了一定的进展，但仍存在一些技术难点。首先，现有的下水道机器人的结构设计通常为一体式机身结构，转向灵活度较差。其次，机身直径不可调，无法适应不同尺寸的管道。此外，下水道机器人在工作过程中会受到电磁干扰、温度变化等环境因素的影响，降低机器人的运行效率。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种城市排水管道清淤用两段式智能机器人及其工作方法，相比于一体型结构，通过采用分段式机身结构，更加适应弯曲狭窄的管道内作业。

为实现上述目的，本发明提供了一种城市排水管道清淤用两段式智能机器人，包括主要由机身、依次设置于机身上的前端喷水机构、检测机构、刮淤机构、铲淤机构和开合式行走机构构成的机器人主体以及设置于岸上的水循环处理装置，机身为分段式结构，机身由多段机体组成，相邻两段机体之间经转向机构转动连接，转向机构包括转动设置于相邻两段机体之间的万向节以及围绕万向节均匀设置于相邻两段机体之间的多组转向驱动单元。

优选的，相邻两个机体的相对侧均固定有连接锥；

转向驱动单元包括转向电动推杆，转向电动推杆的两端分别与对应相邻两段机体的连接锥转动连接；

转向电动推杆与固定于第一段机体内部的STM32单片机电性连接。

优选的，刮淤机构包括转动设置于第一段的机体前端的电动转盘以及设置于电动转盘上的Z字型伸缩刮淤单元；

Z字型伸缩刮淤单元包括对称设置于电动转盘上的两组刮淤组件，刮淤组件包括一端转动设置于电动转盘上的支撑臂、固定于支撑臂另一端的刮淤双头电机，刮淤双头电机的两个输出端分别连接有螺旋刀片和尼龙刷；

支撑臂靠近电动转盘的一端与刮淤电动推杆的输出端转动连接，刮淤电动推杆固定于电动转盘上。

优选的，检测机构包括经穿接轴固定于第一段的机体前端的保护罩、设置于保护罩内部的openMV相机，openMV相机经串口与固定于第一段机体内部的STM32单片机相连，STM32单片机经wifi模块与设置于地面上的监控终端相通讯；

前端喷水机构包括旋转喷头，旋转喷头包括中心与水循环处理装置的出水口连通且呈圆周分布的多根旋转臂，旋转臂的端部固定有喷嘴，多根旋转臂上的喷嘴呈螺旋布置；

旋转喷头与保护罩之间设置有复位组件。

优选的，复位组件包括经拆装件设置于旋转臂上的磁吸片以及对应磁吸片固定于保护罩上的电磁铁；

拆装件包括对应喷嘴卡接于旋转臂上的卡接头、一端与卡接头一体成形的连接柱和与连接柱的另一端一体成形的安装块，安装块背离连接柱的一端固定有磁吸片；

卡接头上且对应喷嘴的位置开设有通孔。

优选的，机身包括由前向后依次相互转动连接的两段机体；

铲淤机构包括设置于第一段机体前端底部的伸缩式铲淤单元以及设置于第二段机体底端的二次搅碎用排污泵；

伸缩式铲淤单元包括一端转动设置于第二段机体底端的伸缩组件以及设置于伸缩组件底端的铲淤组件，伸缩组件包括一端转动设置于第二段机体上的连杆以及铲淤电动推杆，连杆的另一端与铲淤组件连接，且连杆靠近第二段机体的一端与铲淤电动推杆的输出端连接，铲淤电动推杆固定于第二段机体底端；

铲淤组件包括固定于连杆底端的铲淤壳、转动设置于铲淤壳内部的转轴、固定于铲淤壳内部且用于驱动转轴转动的铲淤驱动电机、固定于转轴中间位置圆周侧的吸淤叶片以及固定于转轴两端的一次搅碎叶片，吸淤叶片为呈圆周均匀分布于转轴外圆周侧的直线型叶片，一次搅碎叶片为固定于转轴外圆周侧的螺旋叶片，且位于转轴两端的螺旋叶片旋向相反；

铲淤壳的前端开设有进淤口，且铲淤壳的底端设置成与管道内壁相适配的弧形。

优选的，铲淤壳上且背离进淤口的一侧经软管与排污泵的输入端连通，排污泵的输出端经软管与水循环处理装置的进水口连通；

水循环处理装置包括水循环处理水箱以及设置于水循环处理水箱顶端的过滤组件，过滤组件上方的水循环处理水箱上设置有进水口，过滤组件下方的水循环处理水箱上设置有出水口，出水口经软管与前端喷水机构连通；

过滤组件为过滤网或者过滤棉；

水循环处理装置还包括净水箱，净水箱经软管与前端喷水机构连通，净水箱与前端喷水机构之间以及水循环处理水箱与前端喷水机构之间均设置有高压泵。

优选的，开合式行走机构包括呈线性均匀分布于每段机体上的多组开合式行走单元，开合式行走单元包括呈圆周均匀设置于机体外部的开合式行走组件，开合式行走组件包括一端垂直转动设置于机体外壁上的行走支腿、转动设置于行走支腿另一端的行走轮以及用于驱动行走支腿开合的开合电动推杆，行走轮上设置有轮毂电机；

开合电动推杆的一端垂直转动设置于机体上，另一端与行走支腿靠近机体的一端垂直转动连接。

优选的，行走轮与行走支腿之间还设置有减振弹簧。

一种城市排水管道清淤用两段式智能机器人的工作方法，包括以下步骤：

首先通过检查井将两段式智能机器人放入待清淤管道；而后打开开合电动推杆，根据待清淤管道的直径调节开合电动推杆的伸缩，直至行走轮压紧待清淤管道的内壁，关闭开合电动推杆；同时调节铲淤电动推杆的伸缩，直至铲淤壳底端压紧待清淤管道的内壁，关闭铲淤电动推杆；并且刮淤电动推杆的伸缩，直至螺旋刀片和尼龙刷均压紧待清淤管道的内壁，关闭刮淤电动推杆；

然后打开轮毂电机、净水箱和前端喷头机构之间的高压泵、刮淤双头电机、电动转盘、排污泵以及铲淤驱动电机，轮毂电机驱动行走轮，带动机身沿待清淤管道移动，移动过程中，利用高压泵将净水箱内的清水抽出至前端喷头机构，利用水压冲击旋转喷头，并由喷嘴喷出清水至待清淤管道的内壁，与此同时，电动转盘带动Z字型伸缩刮淤单元沿待清淤管道的内壁转动，刮淤双头电机驱动螺旋刀片和尼龙刷反向自转，在转动的过程中刮下待清淤管道内壁上的污泥；

在两段式智能机器人移动过程中，当经监控终端查看到openMV相机回传的视频显示行至弯曲位置时，利用监控终端向控制器发送转向信号，控制转向电动推杆的伸缩，绕过弯曲位置；

刮下的污泥混合喷出的水形成的淤泥在铲淤驱动电机和吸淤叶片的作用下，被吸入铲淤壳内，借助一次搅碎叶片进行一次破碎后，吸入排污泵内进行二次破碎，经过滤组件滤除淤泥后进入水循环处理水箱，再经管道进入前端喷头机构，实现在水循环利用前提下的清淤工作。

本发明具有以下有益效果：

1、通过采用分段式机身结构，相比于一体型结构，更加适应弯曲狭窄的管道内作业；

2、通过设置Z字型伸缩刮淤单元和开合式行走机构，可适应不同直径的管道。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明所述的一种城市排水管道清淤用两段式智能机器人的整体立体图；

图2为本发明所述的一种城市排水管道清淤用两段式智能机器人的Z字型伸缩刮淤单元的结构示意图；

图3为本发明所述的一种城市排水管道清淤用两段式智能机器人的的前端喷水机构结构示意图。

其中：1、机身；11、机体；2、转向机构；21、万向节；22、转向驱动单元；23、连接锥；3、前端喷水机构；31、旋转臂；32、喷嘴；33、复位组件；331、拆装件；332、电磁铁；4、检测机构；5、刮淤机构；51、电动转盘；52、Z字型伸缩刮淤单元；521、支撑臂；522、刮淤双头电机；523、螺旋刀片；524、尼龙刷；53、刮淤电动推杆；6、铲淤机构；61、伸缩式铲淤单元；611、伸缩组件；6111、连杆；6112、铲淤电动推杆；612、铲淤组件；6121、铲淤壳；6122、吸淤叶片；6123、一次搅碎叶片；62、排污泵；7、开合式行走机构；71、行走支腿；72、行走轮；73、开合电动推杆；74、减振弹簧。

具体实施方式

为了使本发明实施例公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如他1-图3所示，一种城市排水管道清淤用两段式智能机器人，包括主要由机身1、依次设置于机身1上的前端喷水机构3、检测机构4、刮淤机构5、铲淤机构6和开合式行走机构7构成的机器人主体以及设置于岸上的水循环处理装置，机身1为分段式结构，机身1由多段机体11组成，相邻两段机体11之间经转向机构2转动连接，转向机构2包括转动设置于相邻两段机体11之间的万向节21以及围绕万向节21均匀设置于相邻两段机体11之间的多组转向驱动单元22。

优选的，相邻两个机体11的相对侧均固定有连接锥23；转向驱动单元22包括转向电动推杆，转向电动推杆的两端分别与对应相邻两段机体11的连接锥23转动连接；转向电动推杆与固定于第一段机体11内部的STM32单片机电性连接。

优选的，刮淤机构5包括转动设置于第一段的机体11前端的电动转盘51以及设置于电动转盘51上的Z字型伸缩刮淤单元52；Z字型伸缩刮淤单元52包括对称设置于电动转盘51上的两组刮淤组件，刮淤组件包括一端转动设置于电动转盘51上的支撑臂521、固定于支撑臂521另一端的刮淤双头电机522，刮淤双头电机522的两个输出端分别连接有螺旋刀片523和尼龙刷524，利用反向转动的螺旋刀片523和尼龙刷524可快速刮除管道内壁上的污泥；支撑臂521靠近电动转盘51的一端与刮淤电动推杆53的输出端转动连接，刮淤电动推杆53固定于电动转盘51上，本实施例中刮淤电动推杆53的伸缩方向与支撑臂521之间的夹角为锐角。

基本伸缩原理：刮淤电动推杆53推动支撑臂521，使得支撑臂521转动，从而实现了支撑臂521(Z字型伸缩刮淤单元52)的开合，适应不同直径管道。

优选的，检测机构4包括经穿接轴固定于第一段的机体11前端的保护罩、设置于保护罩内部的openMV相机，openMV相机经串口与固定于第一段机体11内部的STM32单片机相连，STM32单片机经wifi模块与设置于地面上的监控终端相通讯(本实施例中所述无线通讯为基于ESP8266 Wi-Fi模块的远程串口控制STM32单片机清洁装置的方案，ESP8266 Wi-Fi模块通过Wi-Fi连接到无线网络，成为一个网络节点。从而实现了用户可通过线缆，发送指令给ESP8266模块。ESP8266模块接收到指令后，通过串口将指令发送给STM32单片机。STM32单片机接收到指令后，根据指令控制清洁机器人运行)；

需要说明的是，openMV相机是一款基于ARM微控制器的嵌入式视觉开发平台。其搭载了图像传感器和丰富的图像处理功能，且通过Python脚本编程，可以实现图像采集、处理和通信等功能(OpenMV支持丰富的图像处理算法和函数库。用户可以通过Python脚本编写图像处理程序，实现各种功能，如边缘检测、颜色识别等)。同时openMV相机采用CMOS图像传感器，可以捕捉到高分辨率的图像。通过API接口，可以获取到实时的图像数据。从而可在淤泥识别中，可以利用上述功能准确识别需清理部分，再配合刮淤机构5、铲淤机构6进行清除。

更具体的，将OpenMV的串口引脚与STM32单片机的对应串口引脚相连，实现数据之间的连接。且在OpenMV的Python脚本中，使用“uart”库配置串口参数，如波特率、数据位、停止位等。通过“uart.write()”函数将淤泥识别结果发送给STM32单片机。STM32单片机控制清洁装置通过串口接收到淤泥识别到淤泥后，STM32单片机根据识别结果控制清洁装置进行清洁。之后在STM32单片机的程序中，使用串口接收中断或轮询方式接收来自OpenMV的数据。通过串口接收缓冲区获取完整的识别结果。

本实施例中所述的淤泥识别方案，主要分为图像采集和图像处理两个步骤。图像采集使用OpenMV相机模块进行图像采集。将openMV相机固定在保护罩内，使其有效视野正对管道待清洁部分。通过OpenMV相机的图像采集接口获取实时图像数据。而对于图像处理利用OpenMV的图像处理功能进行淤泥识别。其具体包括以下步骤：

1、图像预处理；

2、将彩色图像转换为灰度图像，以便后续处理；

3、特征提取：

3.1、使用Canny边缘检测算法提取图像中的边缘信息；

3.2、运用形态学处理方法，如膨胀、腐蚀等，进一步清理边缘图像；

3.3、使用连通区域分析算法，提取图像中的连通区域，判断是否存在淤泥。

需要说明的是，上述算法均为本领域公知常识，故在此不做赘述。

前端喷水机构3包括旋转喷头，旋转喷头包括中心与水循环处理装置的出水口连通且呈圆周分布的多根旋转臂31，旋转臂31的端部固定有喷嘴32，多根旋转臂31上的喷嘴32呈螺旋布置；旋转喷头与保护罩之间设置有复位组件33。本实施例中，旋转臂31的每个旋转喷头之间间隔120°，从而达到冲力的最优化，保持动平衡。

喷水基本原理：利用高压水流产生的冲击力带动旋转喷头旋转，来达到回旋的效果。

优选的，复位组件33包括经拆装件331设置于旋转臂31上的磁吸片以及对应磁吸片固定于保护罩上的电磁铁332；拆装件331包括对应喷嘴32卡接于旋转臂31上的卡接头、一端与卡接头一体成形的连接柱和与连接柱的另一端一体成形的安装块，安装块背离连接柱的一端固定有磁吸片；卡接头上且对应喷嘴32的位置开设有通孔。

优选的，机身1包括由前向后依次相互转动连接的两段机体11；铲淤机构6包括设置于第一段机体11前端底部的伸缩式铲淤单元61以及设置于第二段机体11底端的二次搅碎用排污泵62；伸缩式铲淤单元61包括一端转动设置于第二段机体11底端的伸缩组件611以及设置于伸缩组件611底端的铲淤组件612，伸缩组件611包括一端转动设置于第二段机体11上的连杆6111以及铲淤电动推杆6112，连杆6111的另一端与铲淤组件612连接，且连杆6111靠近第二段机体11的一端与铲淤电动推杆6112的输出端连接，铲淤电动推杆6112固定于第二段机体11底端；铲淤组件612包括固定于连杆6111底端的铲淤壳6121、转动设置于铲淤壳6121内部的转轴、固定于铲淤壳6121内部且用于驱动转轴转动的铲淤驱动电机、固定于转轴中间位置圆周侧的吸淤叶片6122以及固定于转轴两端的一次搅碎叶片6123，吸淤叶片6122为呈圆周均匀分布于转轴外圆周侧的直线型叶片，一次搅碎叶片6123为固定于转轴外圆周侧的螺旋叶片，且位于转轴两端的螺旋叶片旋向相反；

铲淤壳6121的前端开设有进淤口，且铲淤壳6121的底端设置成与管道内壁相适配的弧形。

优选的，铲淤壳6121上且背离进淤口的一侧经软管与排污泵62的输入端连通，排污泵62的输出端经软管与水循环处理装置的进水口连通；

水循环处理装置包括水循环处理水箱以及设置于水循环处理水箱顶端的过滤组件，过滤组件上方的水循环处理水箱上设置有进水口，过滤组件下方的水循环处理水箱上设置有出水口，出水口经软管与前端喷水机构3连通；

过滤组件为过滤网或者过滤棉；

水循环处理装置还包括净水箱，净水箱经软管与前端喷水机构3连通，净水箱与前端喷水机构3之间以及水循环处理水箱与前端喷水机构3之间均设置有高压泵。

优选的，开合式行走机构7包括呈线性均匀分布于每段机体11上的多组开合式行走单元，开合式行走单元包括呈圆周均匀设置于机体11外部的开合式行走组件，开合式行走组件包括一端垂直转动设置于机体11外壁上的行走支腿71、转动设置于行走支腿71另一端的行走轮72以及用于驱动行走支腿71开合的开合电动推杆73，行走轮72上设置有轮毂电机；

开合电动推杆73的一端垂直转动设置于机体11上，另一端与行走支腿71靠近机体11的一端垂直转动连接。

优选的，行走轮72与行走支腿71之间还设置有减振弹簧74。

在本实施例中，采用上述结构的两段式智能机器人具有以下性能：

1.行走能力：机器人管道内行走速度不低于0.12m/s，路面行走速度不低于0.15m/s，且具有爬坡能力，爬坡角度不低于25°。

2.探测作业能力：具有水下探测能力，在直径1m范围内对管道的探测误差不高于10％。

3.清淤作业能力：机器人可在行进过程中搅动沉积淤泥，并将淤泥吸至岸上水循环处理机构进行处理；

4.通信能力：支持机器人远程控制及远程数据采集。

一种城市排水管道清淤用两段式智能机器人的工作方法，包括以下步骤：

首先通过检查井将两段式智能机器人放入待清淤管道；而后打开开合电动推杆73，根据待清淤管道的直径调节开合电动推杆73的伸缩，直至行走轮72压紧待清淤管道的内壁，关闭开合电动推杆73；同时调节铲淤电动推杆6112的伸缩，直至铲淤壳6121底端压紧待清淤管道的内壁，关闭铲淤电动推杆6112；并且刮淤电动推杆53的伸缩，直至螺旋刀片523和尼龙刷524均压紧待清淤管道的内壁，关闭刮淤电动推杆53；

然后打开轮毂电机、净水箱和前端喷头机构之间的高压泵、刮淤双头电机522、电动转盘51、排污泵62以及铲淤驱动电机，轮毂电机驱动行走轮72，带动机身1沿待清淤管道移动，移动过程中，利用高压泵将净水箱内的清水抽出至前端喷头机构，利用水压冲击旋转喷头，并由喷嘴32喷出清水至待清淤管道的内壁，与此同时，电动转盘51带动Z字型伸缩刮淤单元52沿待清淤管道的内壁转动，刮淤双头电机522驱动螺旋刀片523和尼龙刷524反向自转，在转动的过程中刮下待清淤管道内壁上的污泥；

在两段式智能机器人移动过程中，当经监控终端查看到openMV相机回传的视频显示行至弯曲位置时，利用监控终端向控制器发送转向信号，控制转向电动推杆的伸缩，绕过弯曲位置；

刮下的污泥混合喷出的水形成的淤泥在铲淤驱动电机和吸淤叶片6122的作用下，被吸入铲淤壳6121内，借助一次搅碎叶片6123进行一次破碎后，吸入排污泵62内进行二次破碎，再经过滤组件滤除淤泥后进入水循环处理水箱，再经管道进入前端喷头机构，实现在水循环利用前提下的清淤工作。

因此，本发明采用上述城市排水管道清淤用两段式智能机器人及其工作方法，通过采用分段式机身结构，相比于一体型结构，更加适应弯曲狭窄的管道内作业。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。