管道清污机器人的制作方法

本实用新型涉及一种机器人，具体涉及一种管道清污机器人。

背景技术：

随着城市化快速发展，城市排水管道作为城市生活、工业排污排水的重要

设施之一，是城市基础设施的重要组成部分，在市政工程建设中发挥着不可替

代的作用。由于长期受生活、工业污物的排放及污水冲积，排水管道内堆积较

多垃圾及淤泥，堵塞管道，影响排水系统的正常使用，特别在雨季更易对城市

造成内涝，瘫痪交通，对人们生活生产造成极大损失，良好的排水设施是城市

的生活生产，城市安全，经济发展的保障，每年定期对排水管道的清理也是对

城市发展的重要举措。

常见的城市排水管道清污主要有水力疏通，人工铲挖、推杆疏通、转杆疏通、绞车疏通等方法，但是这些传统方法耗费大量人力财力，清理工作效率低，人工劳动强度大，管道内安全隐患大，由此可见，对排水管道的清理需要一种更加安全，效率更高，成本更低的方法技术。管道机器人就是在为解决这一问题产生的，它能够沿管道壁行走，带有传感器和操作器械，在操作人员控制下能够完成一系列的管道作业。管道机器人相对人力更加节省劳动成本，能够承担更加复杂、繁重的工作环境和工作量，更适合污水管道清污需求。然而，国内管道机器人较少，且适应性较差，功能不足，国外设备较昂贵，因此开发一套经济可靠的污水管道机器人很有必要。

我国的管道机器人发展已有一段历史，从八十年代的时候，我国的科研院

所及一些高校就开始对管道机器人进行研究，其中比较典型的有哈尔滨工业大学、中国科学院沈阳自动化研究所、清华大学、浙江大学、胜利油田、中原油田等单位，进行了这方面的研究工作。虽然我国在管道机器人方面的研究进步较快，但因我国整体科技水平还比较落后，机器人的发展也受到了很大的限制。我国所研制的机器人的综合性能和国外研制的机器人相比差距较大，尤其是国内的管道机器人大多没有产业化，商业化，只在研究所或高校做基础学科横向研究课题，很多现代控制技术没有应用到机器人中去，国内很多厂家做出来的机器人只能在管道内只是能够进行简单的操作，其稳定性及功能性还比较差。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种结构简单，操作方便，工作和运行效率高，高效稳定，科技含量高，运行稳定的管道清污机器人，用于克服现有技术中的诸多缺陷。

本实用新型的技术内容是这样实现的：一种管道清污机器人，包括壳体、安装在壳体两侧的行走履带轮，所述的壳体内部安装有单片机，单片机通过导线与WiFi模块、测速模块、云台、稳压模块和电机驱动模块相连接，WiFi模块通过无线连接的方式与外部上位机相连接，WiFi模块通过导线与摄像头相连接，稳压模块通过导线与安装在壳体内的电池组相连接，电池组与LED灯相连接，在壳体上部活动安装有盖体，云台安装在盖体的上端，摄像头安装在云台上，LED灯安装在壳体前端，在壳体前端的LED灯内侧安装有升降铲除装置。

所述的升降铲除装置包括安装在壳体前端的前部支撑板，在前部支撑板上部安装有步进电机，步进电机的中部设置有升降螺钉，升降螺钉的底部安装在固定螺母内，固定螺母下方固定安装有铲板，铲板的顶部两侧固定安装有导向杆，步进电机通过导线与电机驱动模块相连接；所述的壳体两侧固定安装有行走支撑架，行走支撑架的两侧安装有两个行走连接架，两个行走连接架分别与前部从动轮和后部驱动轮相连接，后部驱动轮与驱动电机相连接，在行走支撑架的底部和上部设置有支撑轮，行走履带轮设置在支撑轮、前部从动轮以及后部驱动轮的外侧，驱动电机通过导线与电机驱动模块相连接。

所述的盖体通过铰接的方式与壳体相连接，在盖体上方中部安装有两个上部拉手，所述的云台底部通过云台支架与盖体相连接，在云台支架上安装有云台固定螺栓。

所述的外部上位机是采用在 Android 手机上安装上位机软件实现的，外部上位机上显示摄像头采集的视频图像，该视频图像界面上显示有行走履带轮前后左右行走按键、云台调整按键和升降铲除装置的升降按键，所述的WiFi模块使用 TP-Link 无线路由制成，利用模块串口和单片机串口连接，使用外部上位机的 WLAN 功能搜索 WiFi 模块的 WiFi账号连接并应用，由使用外部上位机发送控制命令，WiFi模块接收数据后通过串口发送给单片机运行。

所述的电池组采用可循环充电的锂电池，其型号为HY—12V20AH，输入电压为12.6VDC，输出电压为12VDC-20AH，所述的测速模块采用霍尔传感器制成，所述的云台采用两个可 0-1800度旋转的舵机制成，所述的LED灯为两个，每个LED灯均为12V，所述的单片机为STC89C52 单片机。

所述的稳压模块采用LM2596S-ADJ为芯片的 DC/DC 制成的可调电源稳压模块，稳压模块的输入电压范围 3.2V-40V，输出电压范围 1.25V-35V，输出最大电流不低于 3A，所述的电机驱动模块由直流电机驱动和步进电机驱动组成，直流电机驱动选用L298N为主控芯片的 H 桥路的电机驱动方式，其驱动电压范围为 5V-35V，驱动电机的工作电压为12V，额定电流为1.5Amp，空载转速为 150rpm，额定转速为105rmp，额定力矩为3.5Kg.cm，减速比为 1/33，齿轮箱长度为 24.5mm，步进电机驱动与步进电机相连接，步进电机工作电压为12V，相电流为0.4A，步距角为 1.8 度，2相4线。

所述的行走支撑架通过行走支撑架螺栓安装在壳体两侧两侧，行走连接架通过行走连接架螺栓与行走支撑架相连接，在行走支撑架的外侧固定安装有侧面拉手。

所述的铲板的形状为L字形的板状结构，铲板的顶面为平面板状结构，铲板的底部为弧形、半圆形、直行或者四分之一圆形结构，所述的前部支撑板的形状为L字形的板状结构，前部支撑板通过前部支撑板螺栓安装在壳体前部。

本实用新型具有如下的积极效果：本实用新型结构简单，操作方便，在管道内作业运行稳定，高效便捷，不仅提供可视化操作，并且实现了可升降操作用来实现对管道底部污泥的高效清理和清除，产品将各个元器件之间进行合理的布局，实现全自动可控的操作，并且功能强，清污角度和清污力大，克服了国内机器人只能在管道内进行简单的操作以及稳定性及功能性较差的弊端，整体成本低，适合大规模推广使用。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的升降铲除装置结构示意图。

图3为本实用新型的系统结构示意图。

图4为本实用新型单片机系统原理图之一。

图5为本实用新型电机驱动模块电路连接结构示意图。

图6为本实用新型电机驱动模块连接结构示意图。

图7为本实用新型单片机引脚结构示意图。

图8为本实用新型驱动电机运行流程图。

具体实施方式

如图1、2、3所示，一种管道清污机器人，包括壳体1、安装在壳体1两侧的行走履带轮13，所述的壳体1内部安装有单片机30，单片机30通过导线与WiFi模块28、测速模块29、云台16、稳压模块31和电机驱动模块33相连接，WiFi模块28通过无线连接的方式与外部上位机27相连接，WiFi模块28通过导线与摄像头17相连接，稳压模块31通过导线与安装在壳体1内的电池组32相连接，电池组32与LED灯20相连接，在壳体1上部活动安装有盖体2，云台16安装在盖体2的上端，摄像头17安装在云台16上，LED灯20安装在壳体1前端，在壳体1前端的LED灯20内侧安装有升降铲除装置。

所述的升降铲除装置包括安装在壳体1前端的前部支撑板19，在前部支撑板19上部安装有步进电机21，步进电机21的中部设置有升降螺钉22，升降螺钉22的底部安装在固定螺母26内，固定螺母26下方固定安装有铲板18，铲板18的顶部两侧固定安装有导向杆23，步进电机21通过导线与电机驱动模块33相连接；所述的壳体1两侧固定安装有行走支撑架4，行走支撑架4的两侧安装有两个行走连接架5，两个行走连接架5分别与前部从动轮9和后部驱动轮8相连接，后部驱动轮8与驱动电机7相连接，在行走支撑架4的底部和上部设置有支撑轮11，行走履带轮13设置在支撑轮11、前部从动轮9以及后部驱动轮8的外侧，驱动电机7通过导线与电机驱动模块33相连接。所述的盖体2通过铰接的方式与壳体1相连接，在盖体2上方中部安装有两个上部拉手3，所述的云台16底部通过云台支架14与盖体2相连接，在云台支架14上安装有云台固定螺栓15。所述的外部上位机27是采用在 Android 手机上安装上位机软件实现的，外部上位机27上显示摄像头17采集的视频图像，该视频图像界面上显示有行走履带轮13前后左右行走按键、云台16调整按键和升降铲除装置的升降按键，所述的WiFi模块28使用 TP-Link 无线路由制成，利用模块串口和单片机30串口连接，使用外部上位机27的 WLAN 功能搜索 WiFi 模块的 WiFi账号连接并应用，由使用外部上位机27发送控制命令，WiFi模块28接收数据后通过串口发送给单片机30运行。所述的电池组32采用可循环充电的锂电池，其型号为HY—12V20AH，输入电压为12.6VDC，输出电压为12VDC-20AH，所述的测速模块29采用霍尔传感器制成，所述的云台16采用两个可 0-1800度旋转的舵机制成，所述的LED灯20为两个，每个LED灯20均为12V，所述的单片机30为STC89C52 单片机。

所述的稳压模块31采用LM2596S-ADJ为芯片的 DC/DC 制成的可调电源稳压模块，稳压模块31的输入电压范围 3.2V-40V，输出电压范围 1.25V-35V，输出最大电流不低于 3A，所述的电机驱动模块33由直流电机驱动和步进电机驱动组成，直流电机驱动选用L298N为主控芯片的 H 桥路的电机驱动方式，其驱动电压范围为 5V-35V，驱动电机7的工作电压为12V，额定电流为1.5Amp，空载转速为 150rpm，额定转速为105rmp，额定力矩为3.5Kg.cm，减速比为 1/33，齿轮箱长度为 24.5mm，步进电机驱动与步进电机21相连接，步进电机21工作电压为12V，相电流为0.4A，步距角为 1.8 度，2相4线。所述的行走支撑架4通过行走支撑架螺栓10安装在壳体1两侧两侧，行走连接架5通过行走连接架螺栓12与行走支撑架4相连接，在行走支撑架4的外侧固定安装有侧面拉手6。所述的铲板18的形状为L字形的板状结构，铲板18的顶面为平面板状结构，铲板18的底部为弧形、半圆形、直行或者四分之一圆形结构，所述的前部支撑板19的形状为L字形的板状结构，前部支撑板19通过前部支撑板螺栓25安装在壳体1前部。

本方案设计的是利用机器人小车代替人工进入城市排水管道进行管道清污污水管道清污机器人设计工作，由人工使用上位机发送各种控制命令使小车在管道内正常运行。机器人小车由控制部分和机械部分组成，控制部分分为上位机和下位机，机械部分由移动机构、车身、铲板等组成。上位机选择使用基于 Android 系统的手机，下位机由 51 单片机、直流电机控制电路、测速模块、视频图像采集、云台、步进电机控制电路等组成。

步进电机驱动器是为步进电机分时供电的多相时序控制器，它可以将电脉冲信号转变为步进电机的角位移量。当驱动器接收到控制器的一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。驱动器可以通过控制接收到的电脉冲个数来控制电机的角位移量，从而达到准确定位停止转动的目的；同时驱动器还可以通过控制脉冲的频率来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。 根据步进电机的型号，我们选用 2H 系列步进电机驱动器，此驱动器是基于PI 电流控制算法设计的细分型驱动器，具有低噪音，震动小，运行平稳等特点。此驱动器有 8 种电流，16 种细分，可通过拨码开关选择电流的大小和细分数。 驱动器受单片机的控制才能使用，驱动器与单片机的连接可分为共阴极和共阳极两种接法，在本设计中使用共阳极接法，如图 6所示是驱动器和单片机共阳极接法的示意图，分别将 PUL+，DIR+，ENA+连接到单片机的系统正极，PUL-接到脉冲信号输出端，DIR-接到方向控制信号端，ENA-接到使能信号控制端。

在本方案中机器人小车的下位机硬件系统主控芯片采用 STC89C52 单片机，此单片机的指令代码完全兼容传统 8051 单片机，芯片内部集成了 CPU、RAM、ROM、中断控制电路、定时/计数器、多功能 I/O 口等基本功能部件。如图7所示是 STC89C52 单片机的引脚图，它具有 1 个 UART串口中断，3 个定时/计数器，4 路外部中断，4 个 8 位并行 I/O 口，21 个特殊功能寄存器，内部集成看门狗。其中 P0、P2、P3、P4 是准双向/弱上拉 I/O 口，P0 口是开漏输出，作总线扩展时不加上拉电阻，作 I/O 口用时需加上拉电阻； RST（9Pin）是复位引脚，当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作；P1.0 引脚也可作定时/计数器 2 的外部输入，P1.1 引脚可做定时/计数器 2 的捕捉/重装方式的触发控制，P3.0 和 P3.1 分别做串口 1的数据接收和发送端；P3.2、P3.3、P4.3、P4.2 可做外部中断 0、1、2、3，下降沿或低电平触发中断，P3.4 可做定时/计数器 0 的外部输入，P3.5 可做定时/计数器 1 的外部输入，P3.7 和 P3.3 做外部数据存储器读写脉冲；XTAL1 是外部时钟源输入端，XTAL2 是外部时钟输出端，当使用芯片内部时钟时，需外接石英晶体和微调电容，当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号；ACC 接电源正极，GND接电源负极，接地，电源一般在 3.8V-5.5V 之间。

单片机最小系统是单片机工作必须具备的最少资源，一般由电源电路，时钟电路，复位电路及一个良好的单片机组成。如图 4所示是基于 51 单片机的最小系统原理图。 单片机的内部电路设计中有一个振荡电路，基于此振荡电路，我们只要在51 单片机的 XTAL1（即 19 号引脚）和 XTAL2（即 18 号引脚）外接一个晶振，就构成了一个自激振荡器，并在单片机内部产生时钟脉冲信号，从而就产生了单片机的时钟信号。图中晶振的两个引脚各自相连一个 30pF 的电容，这两个电容在此振荡电路中具有快速起振和稳定频率或周期的作用。由于方便串口波特率的计算和定时器计算，同时降低功耗，晶振的振荡频率一般选用 12MHZ或者11.0592MHZ。 只要使单片机的第 9 引脚持续 2vs 高电平就可实现复位，STC89C52 单片机有外部复位、看门狗复位、掉电/上电复位、软件复位，在本设计的电路设计中使用的是外部复位，在外部复位电路中加一个手动按键，当按键按下后开关导通，电容短路释放所存储的电量。

机器人小车在管道内能够平稳的行走，电机的驱动电路也非常重要。由于机器人采用两个额定电压为 12V 额定电流为 1.5A 的减速电机，所以电机驱动电路必须能承受大于12V电压及1.5A的电流。在直流电机驱动中，通常使用L298N作为电机的驱动芯片，L298N 是 ST公司生产的一种高电压、大电流的电机驱动芯片。该芯片内部有两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；它采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测 电阻，将变化量反馈给控制电路。本模块的驱动部分的供电电压在+5V-+35V 之间，当在此电压范围内供电时，可在 5V 端子口接出引线对外部供电，驱动部分的电流为 2A，而电机的额定电流为 1.5A，正好满足对电机的驱动，在使能电压为 2.3V-5V 时，控制信号才有作用。L298N 模块实物如图5 所示。

根据L298N 电机驱动模块控制表设计的电机驱动部分的程序流程图如图8所示。当小车在前进状态时，如果需要左右转，小车则是向前的左右转，如果在后退状态下需要左右转，下车则是后退的左右转。使用时利用外部上位机27实现控制，小车运行，利用摄像头17记录的视频信息在外部上位机27上显示，通过驱动电机7驱动可视化运行，在运行时，利用步进电机21实现铲板18的升降，根据具体的工况对管道内的污泥进行清理。