一种水下管道机器人的淤泥清理装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种水下管道机器人的淤泥清理装置及控制方法，包括移动底盘、推杆电机组件、清淤工具组件、力矩传感器、控制组件，所述移动底盘用于安装其他组件、传感器和控制电路，所述推杆电机组件包括推杆电机、推杆电机底座、推杆电机连接件、固定架一、固定架二、连接杆一、连接杆二、连接杆三，所述清淤工具组件包括清淤骨架、清淤毛刷、清淤毛刷连接件、清淤电机、清淤电机连接件，控制方法为水下管道机器人基于力矩传感器检测清淤毛刷的阻力矩M(t)，从而控制清淤毛刷距离淤泥的距离，实现闭环控制。本发明专利技术解决了清淤作业搅动淤泥时泥水浑浊，难以通过视觉检测的问题，对提高管道机器人作业安全性具有重要意义。器人作业安全性具有重要意义。器人作业安全性具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种水下管道机器人的淤泥清理装置及控制方法


[0001]本专利技术涉及管道机器人技术、清淤领域，具体为一种水下管道机器人的淤泥清理装置及控制方法。

技术介绍

[0002]城市排水管道系统是确保城市卫生、环境保护和居民安全的关键基础设施。它们的正常运行和有效管理对于维护城市的可持续发展至关重要。随着机器人技术的不断发展，越来越多的城市排水管道运维作业采用管道机器人取代传统作业方式，但是管道内环境复杂，对于目前成熟的管道闭路电视检测(CCTV)方法，使用视觉单元代替人将管道内采集到的图像传输到地面控制站，但是在处于复杂管道环境下，如存在淤泥、障碍物等情况下，其通行能力有限，且无法探查到浑浊泥水下的淤泥沉积情况，存在安全隐患。因此，设计一种能自适应清刷淤泥水下管道机器人的清淤装置具有重要意义。
[0003]专利CN112627324A公开了一种管道清淤机器人，能对管道内淤泥进行刮除并具有输送淤泥的能力，避免履带造成较大的粘滞作用。
[0004]专利CN114289424A公开了一种水下管道清淤机器人，机器人本体前端设有图像采集机构与导入机构，该机器人可以针对不同的清淤介质，进行选择和更换毛刷刀头与不锈钢刀头，并且前端搭载刀头破碎，后端泵吸能够一次性完成施工。然而，由于管道内可能存在的水位较高且泥水浑浊，所述两种机器人所搭载的视觉系统无法有效使用。因此，只能依赖地面工作人员的经验和感觉来操作机器人，再者，缺乏反馈检测装置使得对水下清淤的实际情况不能准确判断，这严重限制了管道机器人在清淤作业中的性能，并存在极大的安全隐患。
[0005]专利CN113026926B公开了一种市政管道清淤机器人，使用多自由度清淤总成解决了常见清淤设备只能直通，但不能针对管道弯头处进行清淤的现状，但是该机器人将一系列齿轮组裸露在管道内，在管道内具有大量沉积淤泥情况下，淤泥堵塞齿轮传动，造成该装置无法使用；且该机器人无感知探测传感器，地面控制工作人员只能凭靠感觉操作，在真实操作过程中极易造成不必要的事故；而且，缺乏反馈检测装置使得对水下清淤的实际情况不能准确判断。

技术实现思路

[0006]为了解决以上问题，本专利技术提出一种水下管道机器人的淤泥清理装置及控制方法，基于力矩传感器检测清淤毛刷的阻力矩，实现闭环控制，提高管道机器人清淤作业性能及其安全性。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0008]一种水下管道机器人的淤泥清理装置，其特征在于：包括移动底盘、推杆电机组件和清淤工具组件，所述推杆电机组件包括推杆电机和推杆电机连接件，所述推杆电机安装在移动底盘中且推杆电机的伸缩推杆穿过移动底盘的前板且突出设置，所述清淤工具组件
包括清淤骨架、清淤毛刷、清淤毛刷连接件以及清淤电机，所述推杆电机连接件的一端连接在推杆电机上，另一端连接清淤骨架，所述清淤电机分别安装在清淤骨架的两侧，所述清淤毛刷通过清淤毛刷连接件安装在清淤电机上，还包括力矩传感器，所述力矩传感器固定放置在清淤毛刷连接件上，用于测定清淤电机清扫淤泥时的力矩数据，从而控制清淤毛刷距离淤泥的距离，实现闭环控制，还包括控制组件，所述控制组件包括控制器，所述推杆电机、清淤电机以及力矩传感器分别连接控制器，所述控制器安装在移动底盘中，所述力矩传感器实时采集清淤毛刷清扫淤泥时的阻力矩M(t)，当清扫少量管道淤泥时，力矩传感器检测到的阻力矩M(t)小于人为设置期望力矩K(t)，控制组件根据PID控制器结果，控制伸长推杆电机的伸缩推杆，带动清淤工具组件向下移动，使清淤毛刷减小与少量管道淤泥的距离，当清扫少量管道淤泥时，力矩传感器检测到的阻力矩M(t)介于人为设置期望力矩K(t)范围内，控制组件根据PID控制器结果推杆电机的伸缩推杆保持不动，当清扫大量管道淤泥时，力矩传感器检测到的阻力矩M(t)大于人为设置期望力矩K(t)范围，控制组件根据PID控制器结果控制缩短推杆电机的伸缩推杆，带动清淤工具组件向上移动，使清淤毛刷增大与大量管道淤泥的距离。
[0009]上述结构中：本专利技术提出的一种水下管道机器人的淤泥清理装置，包括移动底盘、推杆电机组件和清淤工具组件，通过机器人移动底盘实现机器人的移动以及推杆电机组件和清淤工具组件的安装固定，其中，推杆电机组件包括推杆电机和推杆电机连接件，清淤工具组件包括清淤骨架、清淤毛刷以及清淤电机，推杆电机连接件的一端连接在推杆电机上，另一端连接清淤骨架，清淤电机分别安装在清淤骨架的两侧，清淤毛刷安装在清淤电机上，还通过设置有力矩传感器，力矩传感器固定放置在所述清淤毛刷连接件上，用于测定所述清淤电机清扫淤泥时的力矩数据。
[0010]本专利技术基于力矩传感器检测清淤毛刷清淤时的阻力矩M(t)从而控制清淤毛刷距离淤泥的距离，实现闭环控制，从而提高水下管道机器人清淤作业安全性。
[0011]本专利技术在管道内进行清淤作业，力矩传感器实时采集清淤毛刷清扫少量管道淤泥时的阻力矩M(t)，检测到的阻力矩M(t)小于人为设置期望力矩K(t)，控制组件根据PID控制器结果应控制伸长推杆电机的伸缩推杆，带动清淤工具组件向下移动，使清淤毛刷减小与少量管道淤泥距离，增强清淤程度。
[0012]本专利技术在管道内进行清淤作业，力矩传感器实时采集清淤毛刷清扫少量管道淤泥时的阻力矩M(t)，检测到的阻力矩M(t)介于人为设置期望力矩K(t)范围内，控制组件根据PID控制器结果应推杆电机的伸缩推杆保持不动。
[0013]本专利技术在管道内进行清淤作业，力矩传感器实时采集清淤毛刷清扫大量管道淤泥时的阻力矩M(t)，检测到的阻力矩M(t)大于人为设置期望力矩K(t)范围，控制组件根据PID控制器结果应控制缩短推杆电机的伸缩推杆，带动清淤工具组件向上移动，使清淤毛刷增大与大量管道淤泥距离，防止清淤电机堵转而导致损坏，提高水下管道机器人的清淤作业的安全性。
[0014]本专利技术在初始状态下，推杆电机的伸缩推杆为最小伸长量，当控制组件发送工作指令，人为设置期望力矩K(t)后，清淤电机开始工作，固定连接在清淤电机的电机轴上的清淤毛刷连接件带动清淤毛刷旋转，力矩传感器实时采集清淤毛刷清扫淤泥时的阻力矩M(t)，将人为设置期望力矩K(t)与力矩传感器检测到的真实力矩M(t)的差值e(t)输入到PID
控制器中，将PID控制器运算结果u(t)输出至控制电路，控制电路控制推杆电机伸长或缩短，从而带动清淤工具组件调整至合适位置，使清淤毛刷与管道淤泥保持合适清淤距离，保证清淤作业性能及安全性。
[0015]其中，PID控制器具体控制算法为：
[0016]e(t)＝M(t)
‑
K(t)
[0017][0018]作为本专利技术的优选技术方案：所述移动底盘包括机器人移动底盘和机器人驱动轮，所述机器人驱动轮安装在机器人移动底盘上，所述机器人移动底盘的前方设置有轴孔，所述推杆电机的伸缩推杆穿过轴孔设置。
[0019]上述结构中：移动底盘包括机器人移动底盘和机器人驱动轮，通过机器人驱动轮驱动实现移动，机器人移动底盘用于其他组本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下管道机器人的淤泥清理装置，其特征在于：包括移动底盘、推杆电机组件(3
‑
1)和清淤工具组件(3
‑
2)，所述推杆电机组件(3
‑
1)包括推杆电机(3
‑1‑
1)和推杆电机连接件(3
‑1‑
3)，所述推杆电机(3
‑1‑
1)安装在移动底盘中且推杆电机的伸缩推杆(3
‑1‑1‑
1)穿过移动底盘的前板且突出设置，所述清淤工具组件(3
‑
2)包括清淤骨架(3
‑2‑
1)、清淤毛刷(3
‑2‑
2)、清淤毛刷连接件(3
‑2‑
3)以及清淤电机(3
‑2‑
4)，所述推杆电机连接件(3
‑1‑
3)的一端连接在推杆电机(3
‑1‑
1)上，另一端连接清淤骨架(3
‑2‑
1)，所述清淤电机(3
‑2‑
4)分别安装在清淤骨架(3
‑2‑
1)的两侧，所述清淤毛刷(3
‑2‑
2)通过清淤毛刷连接件(3
‑2‑
3)安装在清淤电机(3
‑2‑
4)上，还包括力矩传感器(4)，所述力矩传感器(4)固定放置在清淤毛刷连接件(3
‑2‑
3)上，用于测定清淤电机(3
‑2‑
4)清扫淤泥时的力矩数据，从而控制清淤毛刷(3
‑2‑
2)距离淤泥的距离，实现闭环控制，还包括控制组件(5)，所述控制组件(5)包括控制器，所述推杆电机(3
‑1‑
1)、清淤电机(3
‑2‑
4)以及力矩传感器(4)分别连接控制器，所述控制器安装在移动底盘中，所述力矩传感器(4)实时采集清淤毛刷(3
‑2‑
2)清扫淤泥时的阻力矩M(t)，当清扫少量管道淤泥(7)时，力矩传感器(4)检测到的阻力矩M(t)小于人为设置期望力矩K(t)，控制组件(5)根据PID控制器结果，控制伸长推杆电机的伸缩推杆(3
‑1‑1‑
1)，带动清淤工具组件(3
‑
2)向下移动，使清淤毛刷(3
‑2‑
2)减小与少量管道淤泥(7)的距离，当清扫少量管道淤泥(7)时，力矩传感器(4)检测到的阻力矩M(t)介于人为设置期望力矩K(t)范围内，控制组件(5)根据PID控制器结果推杆电机的伸缩推杆(3
‑1‑1‑
1)保持不动，当清扫大量管道淤泥(8)时，力矩传感器(4)检测到的阻力矩M(t)大于人为设置期望力矩K(t)范围，控制组件(5)根据PID控制器结果控制缩短推杆电机的伸缩推杆(3
‑1‑1‑
1)，带动清淤工具组件(3
‑
2)向上移动，使清淤毛刷(3
‑2‑
2)增大与大量管道淤泥(8)的距离。2.根据权利要求1所述的一种水下管道机器人的淤泥清理装置，其特征在于：所述移动底盘包括机器人移动底盘(1)和机器人驱动轮(2)，所述机器人驱动轮(2)安装在机器人移动底盘(1)上，所述机器人移动底盘(1)的前方设置有轴孔，所述推杆电机的伸缩推杆(3
‑1‑1‑
1)穿过轴孔设置。3.根据权利要求1所述的一种水下管道机器人的淤泥清理装置，其特征在于：所述推杆电机组件(3
‑
1)还包括推杆电机底座(3
‑1‑
2)，所述推杆电机底座(3
‑1‑
2)固定在移动底盘中，所述推杆电机(3
‑1‑
1)固定安装在推杆电机底座(3
‑1‑
2)中。4.根据权利要求1或2所述的一种水下管道机器人的淤泥清理装置，其特征在于：所述推杆电机组件(3
‑
1)还包括固定架一(3
‑1‑
4)、固定架二(3
‑1‑
5)、连接杆一(3
‑1‑
6)、连接杆二(3
‑1‑
7)以及连接杆三(3
‑1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鑫，张军，沈文杰，宋佳琪，张益睿，宋爱国，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：