本實用新型涉及一種機器人，具體涉及一種管道清污機器人。

背景技術(shù)：

隨著城市化快速發(fā)展，城市排水管道作為城市生活、工業(yè)排污排水的重要

設(shè)施之一，是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在市政工程建設(shè)中發(fā)揮著不可替

代的作用。由于長期受生活、工業(yè)污物的排放及污水沖積，排水管道內(nèi)堆積較

多垃圾及淤泥，堵塞管道，影響排水系統(tǒng)的正常使用，特別在雨季更易對城市

造成內(nèi)澇，癱瘓交通，對人們生活生產(chǎn)造成極大損失，良好的排水設(shè)施是城市

的生活生產(chǎn)，城市安全，經(jīng)濟發(fā)展的保障，每年定期對排水管道的清理也是對

城市發(fā)展的重要舉措。

常見的城市排水管道清污主要有水力疏通，人工鏟挖、推桿疏通、轉(zhuǎn)桿疏通、絞車疏通等方法，但是這些傳統(tǒng)方法耗費大量人力財力，清理工作效率低，人工勞動強度大，管道內(nèi)安全隱患大，由此可見，對排水管道的清理需要一種更加安全，效率更高，成本更低的方法技術(shù)。管道機器人就是在為解決這一問題產(chǎn)生的，它能夠沿管道壁行走，帶有傳感器和操作器械，在操作人員控制下能夠完成一系列的管道作業(yè)。管道機器人相對人力更加節(jié)省勞動成本，能夠承擔(dān)更加復(fù)雜、繁重的工作環(huán)境和工作量，更適合污水管道清污需求。然而，國內(nèi)管道機器人較少，且適應(yīng)性較差，功能不足，國外設(shè)備較昂貴，因此開發(fā)一套經(jīng)濟可靠的污水管道機器人很有必要。

我國的管道機器人發(fā)展已有一段歷史，從八十年代的時候，我國的科研院

所及一些高校就開始對管道機器人進行研究，其中比較典型的有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、勝利油田、中原油田等單位，進行了這方面的研究工作。雖然我國在管道機器人方面的研究進步較快，但因我國整體科技水平還比較落后，機器人的發(fā)展也受到了很大的限制。我國所研制的機器人的綜合性能和國外研制的機器人相比差距較大，尤其是國內(nèi)的管道機器人大多沒有產(chǎn)業(yè)化，商業(yè)化，只在研究所或高校做基礎(chǔ)學(xué)科橫向研究課題，很多現(xiàn)代控制技術(shù)沒有應(yīng)用到機器人中去，國內(nèi)很多廠家做出來的機器人只能在管道內(nèi)只是能夠進行簡單的操作，其穩(wěn)定性及功能性還比較差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供一種結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，工作和運行效率高，高效穩(wěn)定，科技含量高，運行穩(wěn)定的管道清污機器人，用于克服現(xiàn)有技術(shù)中的諸多缺陷。

本實用新型的技術(shù)內(nèi)容是這樣實現(xiàn)的：一種管道清污機器人，包括殼體、安裝在殼體兩側(cè)的行走履帶輪，所述的殼體內(nèi)部安裝有單片機，單片機通過導(dǎo)線與WiFi模塊、測速模塊、云臺、穩(wěn)壓模塊和電機驅(qū)動模塊相連接，WiFi模塊通過無線連接的方式與外部上位機相連接，WiFi模塊通過導(dǎo)線與攝像頭相連接，穩(wěn)壓模塊通過導(dǎo)線與安裝在殼體內(nèi)的電池組相連接，電池組與LED燈相連接，在殼體上部活動安裝有蓋體，云臺安裝在蓋體的上端，攝像頭安裝在云臺上，LED燈安裝在殼體前端，在殼體前端的LED燈內(nèi)側(cè)安裝有升降鏟除裝置。

所述的升降鏟除裝置包括安裝在殼體前端的前部支撐板，在前部支撐板上部安裝有步進電機，步進電機的中部設(shè)置有升降螺釘，升降螺釘?shù)牡撞堪惭b在固定螺母內(nèi)，固定螺母下方固定安裝有鏟板，鏟板的頂部兩側(cè)固定安裝有導(dǎo)向桿，步進電機通過導(dǎo)線與電機驅(qū)動模塊相連接；所述的殼體兩側(cè)固定安裝有行走支撐架，行走支撐架的兩側(cè)安裝有兩個行走連接架，兩個行走連接架分別與前部從動輪和后部驅(qū)動輪相連接，后部驅(qū)動輪與驅(qū)動電機相連接，在行走支撐架的底部和上部設(shè)置有支撐輪，行走履帶輪設(shè)置在支撐輪、前部從動輪以及后部驅(qū)動輪的外側(cè)，驅(qū)動電機通過導(dǎo)線與電機驅(qū)動模塊相連接。

所述的蓋體通過鉸接的方式與殼體相連接，在蓋體上方中部安裝有兩個上部拉手，所述的云臺底部通過云臺支架與蓋體相連接，在云臺支架上安裝有云臺固定螺栓。

所述的外部上位機是采用在 Android 手機上安裝上位機軟件實現(xiàn)的，外部上位機上顯示攝像頭采集的視頻圖像，該視頻圖像界面上顯示有行走履帶輪前后左右行走按鍵、云臺調(diào)整按鍵和升降鏟除裝置的升降按鍵，所述的WiFi模塊使用 TP-Link 無線路由制成，利用模塊串口和單片機串口連接，使用外部上位機的 WLAN 功能搜索 WiFi 模塊的 WiFi賬號連接并應(yīng)用，由使用外部上位機發(fā)送控制命令，WiFi模塊接收數(shù)據(jù)后通過串口發(fā)送給單片機運行。

所述的電池組采用可循環(huán)充電的鋰電池，其型號為HY—12V20AH，輸入電壓為12.6VDC，輸出電壓為12VDC-20AH，所述的測速模塊采用霍爾傳感器制成，所述的云臺采用兩個可 0-1800度旋轉(zhuǎn)的舵機制成，所述的LED燈為兩個，每個LED燈均為12V，所述的單片機為STC89C52 單片機。

所述的穩(wěn)壓模塊采用LM2596S-ADJ為芯片的 DC/DC 制成的可調(diào)電源穩(wěn)壓模塊，穩(wěn)壓模塊的輸入電壓范圍 3.2V-40V，輸出電壓范圍 1.25V-35V，輸出最大電流不低于 3A，所述的電機驅(qū)動模塊由直流電機驅(qū)動和步進電機驅(qū)動組成，直流電機驅(qū)動選用L298N為主控芯片的 H 橋路的電機驅(qū)動方式，其驅(qū)動電壓范圍為 5V-35V，驅(qū)動電機的工作電壓為12V，額定電流為1.5Amp，空載轉(zhuǎn)速為 150rpm，額定轉(zhuǎn)速為105rmp，額定力矩為3.5Kg.cm，減速比為 1/33，齒輪箱長度為 24.5mm，步進電機驅(qū)動與步進電機相連接，步進電機工作電壓為12V，相電流為0.4A，步距角為 1.8 度，2相4線。

所述的行走支撐架通過行走支撐架螺栓安裝在殼體兩側(cè)兩側(cè)，行走連接架通過行走連接架螺栓與行走支撐架相連接，在行走支撐架的外側(cè)固定安裝有側(cè)面拉手。

所述的鏟板的形狀為L字形的板狀結(jié)構(gòu)，鏟板的頂面為平面板狀結(jié)構(gòu)，鏟板的底部為弧形、半圓形、直行或者四分之一圓形結(jié)構(gòu)，所述的前部支撐板的形狀為L字形的板狀結(jié)構(gòu)，前部支撐板通過前部支撐板螺栓安裝在殼體前部。

本實用新型具有如下的積極效果：本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，在管道內(nèi)作業(yè)運行穩(wěn)定，高效便捷，不僅提供可視化操作，并且實現(xiàn)了可升降操作用來實現(xiàn)對管道底部污泥的高效清理和清除，產(chǎn)品將各個元器件之間進行合理的布局，實現(xiàn)全自動可控的操作，并且功能強，清污角度和清污力大，克服了國內(nèi)機器人只能在管道內(nèi)進行簡單的操作以及穩(wěn)定性及功能性較差的弊端，整體成本低，適合大規(guī)模推廣使用。

附圖說明

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實用新型的升降鏟除裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本實用新型單片機系統(tǒng)原理圖之一。

圖5為本實用新型電機驅(qū)動模塊電路連接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本實用新型電機驅(qū)動模塊連接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本實用新型單片機引腳結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為本實用新型驅(qū)動電機運行流程圖。

具體實施方式

如圖1、2、3所示，一種管道清污機器人，包括殼體1、安裝在殼體1兩側(cè)的行走履帶輪13，所述的殼體1內(nèi)部安裝有單片機30，單片機30通過導(dǎo)線與WiFi模塊28、測速模塊29、云臺16、穩(wěn)壓模塊31和電機驅(qū)動模塊33相連接，WiFi模塊28通過無線連接的方式與外部上位機27相連接，WiFi模塊28通過導(dǎo)線與攝像頭17相連接，穩(wěn)壓模塊31通過導(dǎo)線與安裝在殼體1內(nèi)的電池組32相連接，電池組32與LED燈20相連接，在殼體1上部活動安裝有蓋體2，云臺16安裝在蓋體2的上端，攝像頭17安裝在云臺16上，LED燈20安裝在殼體1前端，在殼體1前端的LED燈20內(nèi)側(cè)安裝有升降鏟除裝置。

所述的升降鏟除裝置包括安裝在殼體1前端的前部支撐板19，在前部支撐板19上部安裝有步進電機21，步進電機21的中部設(shè)置有升降螺釘22，升降螺釘22的底部安裝在固定螺母26內(nèi)，固定螺母26下方固定安裝有鏟板18，鏟板18的頂部兩側(cè)固定安裝有導(dǎo)向桿23，步進電機21通過導(dǎo)線與電機驅(qū)動模塊33相連接；所述的殼體1兩側(cè)固定安裝有行走支撐架4，行走支撐架4的兩側(cè)安裝有兩個行走連接架5，兩個行走連接架5分別與前部從動輪9和后部驅(qū)動輪8相連接，后部驅(qū)動輪8與驅(qū)動電機7相連接，在行走支撐架4的底部和上部設(shè)置有支撐輪11，行走履帶輪13設(shè)置在支撐輪11、前部從動輪9以及后部驅(qū)動輪8的外側(cè)，驅(qū)動電機7通過導(dǎo)線與電機驅(qū)動模塊33相連接。所述的蓋體2通過鉸接的方式與殼體1相連接，在蓋體2上方中部安裝有兩個上部拉手3，所述的云臺16底部通過云臺支架14與蓋體2相連接，在云臺支架14上安裝有云臺固定螺栓15。所述的外部上位機27是采用在 Android 手機上安裝上位機軟件實現(xiàn)的，外部上位機27上顯示攝像頭17采集的視頻圖像，該視頻圖像界面上顯示有行走履帶輪13前后左右行走按鍵、云臺16調(diào)整按鍵和升降鏟除裝置的升降按鍵，所述的WiFi模塊28使用 TP-Link 無線路由制成，利用模塊串口和單片機30串口連接，使用外部上位機27的 WLAN 功能搜索 WiFi 模塊的 WiFi賬號連接并應(yīng)用，由使用外部上位機27發(fā)送控制命令，WiFi模塊28接收數(shù)據(jù)后通過串口發(fā)送給單片機30運行。所述的電池組32采用可循環(huán)充電的鋰電池，其型號為HY—12V20AH，輸入電壓為12.6VDC，輸出電壓為12VDC-20AH，所述的測速模塊29采用霍爾傳感器制成，所述的云臺16采用兩個可 0-1800度旋轉(zhuǎn)的舵機制成，所述的LED燈20為兩個，每個LED燈20均為12V，所述的單片機30為STC89C52 單片機。

所述的穩(wěn)壓模塊31采用LM2596S-ADJ為芯片的 DC/DC 制成的可調(diào)電源穩(wěn)壓模塊，穩(wěn)壓模塊31的輸入電壓范圍 3.2V-40V，輸出電壓范圍 1.25V-35V，輸出最大電流不低于 3A，所述的電機驅(qū)動模塊33由直流電機驅(qū)動和步進電機驅(qū)動組成，直流電機驅(qū)動選用L298N為主控芯片的 H 橋路的電機驅(qū)動方式，其驅(qū)動電壓范圍為 5V-35V，驅(qū)動電機7的工作電壓為12V，額定電流為1.5Amp，空載轉(zhuǎn)速為 150rpm，額定轉(zhuǎn)速為105rmp，額定力矩為3.5Kg.cm，減速比為 1/33，齒輪箱長度為 24.5mm，步進電機驅(qū)動與步進電機21相連接，步進電機21工作電壓為12V，相電流為0.4A，步距角為 1.8 度，2相4線。所述的行走支撐架4通過行走支撐架螺栓10安裝在殼體1兩側(cè)兩側(cè)，行走連接架5通過行走連接架螺栓12與行走支撐架4相連接，在行走支撐架4的外側(cè)固定安裝有側(cè)面拉手6。所述的鏟板18的形狀為L字形的板狀結(jié)構(gòu)，鏟板18的頂面為平面板狀結(jié)構(gòu)，鏟板18的底部為弧形、半圓形、直行或者四分之一圓形結(jié)構(gòu)，所述的前部支撐板19的形狀為L字形的板狀結(jié)構(gòu)，前部支撐板19通過前部支撐板螺栓25安裝在殼體1前部。

本方案設(shè)計的是利用機器人小車代替人工進入城市排水管道進行管道清污污水管道清污機器人設(shè)計工作，由人工使用上位機發(fā)送各種控制命令使小車在管道內(nèi)正常運行。機器人小車由控制部分和機械部分組成，控制部分分為上位機和下位機，機械部分由移動機構(gòu)、車身、鏟板等組成。上位機選擇使用基于 Android 系統(tǒng)的手機，下位機由 51 單片機、直流電機控制電路、測速模塊、視頻圖像采集、云臺、步進電機控制電路等組成。

步進電機驅(qū)動器是為步進電機分時供電的多相時序控制器，它可以將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴竭M電機的角位移量。當(dāng)驅(qū)動器接收到控制器的一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。驅(qū)動器可以通過控制接收到的電脈沖個數(shù)來控制電機的角位移量，從而達到準確定位停止轉(zhuǎn)動的目的；同時驅(qū)動器還可以通過控制脈沖的頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度，從而達到調(diào)速的目的。 根據(jù)步進電機的型號，我們選用 2H 系列步進電機驅(qū)動器，此驅(qū)動器是基于PI 電流控制算法設(shè)計的細分型驅(qū)動器，具有低噪音，震動小，運行平穩(wěn)等特點。此驅(qū)動器有 8 種電流，16 種細分，可通過撥碼開關(guān)選擇電流的大小和細分數(shù)。 驅(qū)動器受單片機的控制才能使用，驅(qū)動器與單片機的連接可分為共陰極和共陽極兩種接法，在本設(shè)計中使用共陽極接法，如圖 6所示是驅(qū)動器和單片機共陽極接法的示意圖，分別將 PUL+，DIR+，ENA+連接到單片機的系統(tǒng)正極，PUL-接到脈沖信號輸出端，DIR-接到方向控制信號端，ENA-接到使能信號控制端。

在本方案中機器人小車的下位機硬件系統(tǒng)主控芯片采用 STC89C52 單片機，此單片機的指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機，芯片內(nèi)部集成了 CPU、RAM、ROM、中斷控制電路、定時/計數(shù)器、多功能 I/O 口等基本功能部件。如圖7所示是 STC89C52 單片機的引腳圖，它具有 1 個 UART串口中斷，3 個定時/計數(shù)器，4 路外部中斷，4 個 8 位并行 I/O 口，21 個特殊功能寄存器，內(nèi)部集成看門狗。其中 P0、P2、P3、P4 是準雙向/弱上拉 I/O 口，P0 口是開漏輸出，作總線擴展時不加上拉電阻，作 I/O 口用時需加上拉電阻； RST（9Pin）是復(fù)位引腳，當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)兩個機器周期以上的高電平時即為有效，用以完成單片機的復(fù)位初始化操作；P1.0 引腳也可作定時/計數(shù)器 2 的外部輸入，P1.1 引腳可做定時/計數(shù)器 2 的捕捉/重裝方式的觸發(fā)控制，P3.0 和 P3.1 分別做串口 1的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送端；P3.2、P3.3、P4.3、P4.2 可做外部中斷 0、1、2、3，下降沿或低電平觸發(fā)中斷，P3.4 可做定時/計數(shù)器 0 的外部輸入，P3.5 可做定時/計數(shù)器 1 的外部輸入，P3.7 和 P3.3 做外部數(shù)據(jù)存儲器讀寫脈沖；XTAL1 是外部時鐘源輸入端，XTAL2 是外部時鐘輸出端，當(dāng)使用芯片內(nèi)部時鐘時，需外接石英晶體和微調(diào)電容，當(dāng)使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號；ACC 接電源正極，GND接電源負極，接地，電源一般在 3.8V-5.5V 之間。

單片機最小系統(tǒng)是單片機工作必須具備的最少資源，一般由電源電路，時鐘電路，復(fù)位電路及一個良好的單片機組成。如圖 4所示是基于 51 單片機的最小系統(tǒng)原理圖。 單片機的內(nèi)部電路設(shè)計中有一個振蕩電路，基于此振蕩電路，我們只要在51 單片機的 XTAL1（即 19 號引腳）和 XTAL2（即 18 號引腳）外接一個晶振，就構(gòu)成了一個自激振蕩器，并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號，從而就產(chǎn)生了單片機的時鐘信號。圖中晶振的兩個引腳各自相連一個 30pF 的電容，這兩個電容在此振蕩電路中具有快速起振和穩(wěn)定頻率或周期的作用。由于方便串口波特率的計算和定時器計算，同時降低功耗，晶振的振蕩頻率一般選用 12MHZ或者11.0592MHZ。 只要使單片機的第 9 引腳持續(xù) 2vs 高電平就可實現(xiàn)復(fù)位，STC89C52 單片機有外部復(fù)位、看門狗復(fù)位、掉電/上電復(fù)位、軟件復(fù)位，在本設(shè)計的電路設(shè)計中使用的是外部復(fù)位，在外部復(fù)位電路中加一個手動按鍵，當(dāng)按鍵按下后開關(guān)導(dǎo)通，電容短路釋放所存儲的電量。

機器人小車在管道內(nèi)能夠平穩(wěn)的行走，電機的驅(qū)動電路也非常重要。由于機器人采用兩個額定電壓為 12V 額定電流為 1.5A 的減速電機，所以電機驅(qū)動電路必須能承受大于12V電壓及1.5A的電流。在直流電機驅(qū)動中，通常使用L298N作為電機的驅(qū)動芯片，L298N 是 ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流的電機驅(qū)動芯片。該芯片內(nèi)部有兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；它采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測 電阻，將變化量反饋給控制電路。本模塊的驅(qū)動部分的供電電壓在+5V-+35V 之間，當(dāng)在此電壓范圍內(nèi)供電時，可在 5V 端子口接出引線對外部供電，驅(qū)動部分的電流為 2A，而電機的額定電流為 1.5A，正好滿足對電機的驅(qū)動，在使能電壓為 2.3V-5V 時，控制信號才有作用。L298N 模塊實物如圖5 所示。

根據(jù)L298N 電機驅(qū)動模塊控制表設(shè)計的電機驅(qū)動部分的程序流程圖如圖8所示。當(dāng)小車在前進狀態(tài)時，如果需要左右轉(zhuǎn)，小車則是向前的左右轉(zhuǎn)，如果在后退狀態(tài)下需要左右轉(zhuǎn)，下車則是后退的左右轉(zhuǎn)。使用時利用外部上位機27實現(xiàn)控制，小車運行，利用攝像頭17記錄的視頻信息在外部上位機27上顯示，通過驅(qū)動電機7驅(qū)動可視化運行，在運行時，利用步進電機21實現(xiàn)鏟板18的升降，根據(jù)具體的工況對管道內(nèi)的污泥進行清理。