用于中央空调管道的分节式清洁机器人的制作方法

本发明涉及管道内清洁的技术领域，尤其涉及用于中央空调管道的分节式清洁机器人。

背景技术：

随着我国经济与科学技术的发展，中央空调的使用越来越多，目前，对于空调通风管道的清洁，采用人工清洁的方式危险性大、劳动量大、工作效率低、成本高，且粉尘对人体危害也极大，对于一些过小管径的通风管道，也无法进行人为的清洁，所以中央空调管道清洁机器人是一个新的研究方向，具有巨大的市场前景。

目前已研制的管道机器人按驱动方式的不同可分为介质压差驱动、轮式驱动、爬行式驱动、腹壁式驱动、行走式驱动、蠕动式驱动和螺旋式驱动等7种，其中轮式管道机器人的驱动效率最高。《实验技术与管理》2014年第8卷第5期发表的“管道内行走机器人设计”一文公开了一种轮式管道机器人。设计为了在保证轮式管道机器人驱动效率与稳定性的前提下，进一步扩大机器人的管径适应范围，本文提出了在机器人轮腿结构中引入一种串联式双平行四边形机构方案。上述由于采用了轮式行走结构，因而明显存在下述不足：1、无法对垂直管道进行攀爬；2、无法很好适应弯管；3、对于管径发生变化的管道，可能会使机器人的轴心偏离管道轴线，导致其他接触部位无法很好接触。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种用于中央空调管道的分节式清洁机器人，该清洁机器人能在管道内行走并清洁管道的内壁。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

用于中央空调管道的分节式清洁机器人，包括推进模块，行走模块，清洁模块；推进模块的两端均设有行走模块；

行走模块包括架体，转动式安装在架体内部的双向螺杆，旋在双向螺杆一端的头螺母，旋在双向螺杆另一端的尾螺母，沿着圆周方向均匀布置的多组剪状撑臂组件；剪状撑臂组件包括相互铰接的第一撑臂和第二撑臂，第一撑臂的一端铰接在头螺母上，第一撑臂的另一端通过弹性球与管道内壁相接触，第二撑臂的一端铰接在尾螺母上，第二撑臂的另一端通过弹性球与管道内壁相接触；

清洁模块安装在行走模块上，清洁模块包括伞柄、活塞、毛刷、第一弹簧、基板、多个连接臂、多个张臂；呈伞状分布的多个张臂铰接在基板上，伞柄固定在基板上，伞柄的端部设有凸台，沿着伞柄轴向移动的活塞套装在伞柄上，套装在伞柄上的第一弹簧位于凸台和活塞之间，连接臂的一端铰接在活塞上，连接臂的另一端铰接在张臂上，毛刷铰接在张臂的端部。

进一步的是：推进模块包括第一电机，单向螺杆，连接架，设置在连接架内部的驱动螺母，第一万向节，第二万向节；驱动螺母旋在单向螺杆上，第一万向节的一端连接在其中一个行走模块的架体上，第一万向节的另一端连接在连接架上，第一电机安装在另一个行走模块的架体上，第二万向节的一端连接在单向螺杆上，第二万向节的另一端与第一电机的输出端相接。推进模块可以带动上端的行走模块和下端的行走模块依次前进。

进一步的是：架体包括头部平板，尾部平板，连接头部平板和尾部平板的连接框；连接框内设有用于剪状撑臂组件做张开与闭合动作的条状槽口，相互铰接的第一撑臂和第二撑臂穿过条状槽口。架体整体的结构简单，条状槽口能防止第一撑臂和第二撑臂晃动，使得第一撑臂和第二撑臂只能上下转动。

进一步的是：行走模块还包括多组接触反馈组件和用于驱动双向螺杆旋转的第二电机，第二电机安装在架体上；第一撑臂的端部和第二撑臂的端部均安装有一组接触反馈组件；接触反馈组件包括收纳盒、弹性球、压力传感器、盒盖；压力传感器包括连接在一起的条状部和圆环部，压力传感器与第二电机信号连接，收纳盒设有空腔，压力传感器的圆环部置于收纳盒的空腔内，用于挤压压力传感器圆环部的弹性球放置在收纳盒的空腔，盒盖固定在收纳盒的端部，弹性球的一部分露出盒盖；每一组接触反馈组件的压力传感器的条状部安装在第一撑臂或第二撑臂上，每一组接触反馈组件的收纳盒铰接在第一撑臂或第二撑臂上。压力传感器可以反馈相应的信号，该反馈信号最终用来控制第二电机，然后第二电机最终驱动剪状撑臂组件持续防松还是持续张开。弹性球与管道的内壁相接触，同时，收纳盒是铰接在撑臂上的，收纳盒可以在一定范围内转动，更容易适应管道内的情况。

进一步的是：清洁机器人还包括沿着圆周方向均匀布置的多组辅助支撑组件，辅助支撑组件包括基块、套筒、伸杆、导向轮、导向轮座、第二弹簧；基块固定在行走模块的架体上，套筒的端部设有端板，端板固定在基块上，伸杆的端部设有端块，导向轮座固定在端块上，导向轮转动式地安装在导向轮座上，第二弹簧套装在套筒上，伸杆插入套筒的内部，套筒的端板位于第二弹簧的一侧，伸杆的端块位于第二弹簧的另一侧。辅助支撑组件保证清洁机器人轴心稳定，保持整个清洁机器人在管道内不会晃动。

进一步的是：伸杆的圆周侧面设有条状凸起，套筒内设有与伸杆及条状凸起相适应的通槽。条状凸起防止伸杆和套筒的相对转动，使得伸杆只能在套筒的通槽里直线来回移动。

进一步的是：架体还包括辅助板，辅助板通过条状螺栓连接在架体上，辅助支撑组件的基块固定在辅助板上。辅助板可以用来安装相应的电机、辅助支撑组件及其他电气设备。

进一步的是：清洁模块还包括第三电机和连接轴，第三电机安装在行走模块的架体上，连接轴的一端与第三电机的输出端连接，连接轴的另一端与基板连接。第三电机通过连接轴可以带动整个清洁模块整体转动。

进一步的是：活塞包括一体制成的圆筒、圆台、多个侧块；圆台设置在圆筒的端部，侧块设置在圆筒的圆周侧面上，多个侧块沿着圆筒的圆周方向均匀分布，侧块上设有与连接臂铰接的通孔和用于连接臂转动的直槽。活塞的结构可实现连接臂的铰接和连接臂的转动

进一步的是：毛刷通过铰接块铰接在张臂的端部，铰接块包括一体制成的圆筒和侧块，圆筒固定地套装在毛刷的毛刷轴上，侧块设置在圆筒的圆周侧面上，侧块上设有与张臂铰接的通孔和用于张臂转动的直槽。铰接块的结构可实现张臂与连接块的铰接和相对转动。

总的说来，本发明具有如下优点：

1、清洁模块能够自动适应管道半径的变化，无须人工更换不同尺寸规格的毛刷。

2、清洁模块不存在死点，在工作过程中不会出现变径功能失效的情况。

3、能保证毛刷时刻贴紧管道壁。

4、清洁模块能够适应弯曲管道和平行直管道的环境。

5、毛刷为非永久性固定，使用一段时间后，毛刷将会因摩擦而损坏，此时将毛刷从铰接块取下，可以通过更换毛刷的方法改善清洁效果，方便且高效。

6、本清洁机器人可在管道内行走，可以是水平直管、水平弯管、水平变径直管、非水平直管、非水平弯管、非水平变径直管等管道，能适应管道半径变化的情况。能够稳定地在与地面成任何角度的圆形管道内进行移动，同时还能在一定范围内适应管径的变化，对于工作环境具有较强的适应性。

附图说明

图1是清洁机器人的结构示意图，未画出清洁模块。

图2是行走模块处的结构示意图。

图3是接触反馈组件与第一撑臂或第二撑臂的结构示意图。

图4是辅助支撑组件的结构示意图。

图5是套筒及端板的结构示意图。

图6是伸杆及端块的结构示意图。

图7是推进模块的结构示意图。

图8是清洁模块的主视图。

图9是清洁模块的立体图。

图10是活塞的结构示意图。

图11是张臂的结构示意图。

图12是连接臂的结构示意图。

图13是铰接块的结构示意图。

图14是清洁机器人的结构示意图。

其中，1为行走模块，2为推进模块，3为辅助支撑组件，4为清洁模块，1-1为接触反馈组件，1-2为第二撑臂，1-3为第一撑臂，1-4为架体的头部平板，1-5为架体的尾部平板，1-6为架体的连接框，1-7为条状槽口，1-8为头螺母，1-9为尾螺母，1-10为双向螺杆，1-11为辅助板，1-12为条状螺栓，1-1-1为收纳盒，1-1-2为弹性球，1-1-3为盒盖，1-1-4为压力传感器的圆环部，1-1-5为压力传感器的条状部，1-1-6为避位槽口，1-1-7为收纳盒的空腔，2-1为第二万向节，2-2为单向螺杆，2-3为驱动螺母，2-4为驱动螺母，2-5为第一万向节，3-1为基块，3-2为套筒，3-3为端板，3-4为第二弹簧，3-5为伸杆，3-6为端块，3-7为导向轮座，3-8为导向轮，3-9为套筒内的通槽，3-10为条状凸起，4-1为伞柄，4-2为活塞，4-3为连接臂，4-4为张臂，4-5为铰支座，4-6为法兰，4-7为铰接块，4-8为毛刷，4-9为第一弹簧，4-10为基板，4-11为伞柄上的凸台，4-12为活塞的圆筒，4-13为活塞的圆台，4-14为活塞的侧块，4-15为活塞侧块上的通孔，4-16为活塞侧块上的直槽，4-17为张臂上的通孔，4-18为张臂内的矩形通槽，4-19为连接臂上的通孔，4-20为铰接块的圆筒，4-21为铰接块的侧块，4-22为铰接块侧块上的通孔，4-23为铰接块侧块上的直槽，4-24为连接轴。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

结合图1至图7所示，用于中央空调管道的分节式清洁机器人，包括推进模块，行走模块，清洁模块；本实施例先对推进模块和行走模块作介绍，然后再对清洁模块作介绍。推进模块的两端均设有行走模块，即一个行走模块安装在推进模块的一端，另一个行走模块安装在推进模块的另一端。行走模块包括架体、双向螺杆、头螺母、尾螺母、多组剪状撑臂组件。双向螺杆转动式安装在架体的内部，双向螺杆位于架体内部的中心位置，头螺母和尾螺母均与双向螺杆螺纹配合，头螺母旋在双向螺杆的一端(图1中双向螺杆的上端)，尾螺母旋在双向螺杆的另一端(图1中双向螺杆的下端)，多组剪状撑臂组件沿着圆周方向均匀布置，本发明中，剪状撑臂组件有3组，3组剪状撑臂组件以双向螺杆为中轴线沿着圆周方向均匀布置。剪状撑臂组件包括相互铰接的第一撑臂和第二撑臂，第一撑臂的一端铰接在头螺母上，第一撑臂的另一端通过弹性球与管道内壁相接触，第二撑臂的一端铰接在尾螺母上，第二撑臂的另一端通过弹性球与管道内壁相接触；结合图2所示，第一撑臂和第二撑臂像剪刀一样铰接在一起，第一撑臂的上端铰接在头螺母上，第二撑臂的下端铰接在尾螺母上，第一撑臂的下端和第二撑臂的上端均设有接触反馈组件，接触反馈组件中包含有弹性球，第一撑臂的下端和第二撑臂的上端均通过弹性球与管道内壁相接触。

结合图7所示，推进模块包括第一电机，单向螺杆，连接架，设置在连接架内部的驱动螺母，第一万向节，第二万向节。驱动螺母旋在单向螺杆上，驱动螺母和单向螺杆螺纹配合，单向螺杆旋转时，驱动螺母可以沿着单向螺杆的轴向方向移动，即图7中，驱动螺母可以上下移动。第一万向节的一端连接在其中一个行走模块的架体上，第一万向节的另一端连接在连接架上，第一电机安装在另一个行走模块的架体上，第二万向节的一端连接在单向螺杆上，第二万向节的另一端与第一电机的输出端相接；结合图7所示，第一万向节的下端连接在下端的行走模块的架体上，第一万向节的上端连接在连接架上，第一电机安装在上端的行走模块的架体上，第二万向节的下端连接在单向螺杆上，第二万向节的上端与第一电机的输出端相接。第一电机选用步进电机，第一电机控制单向螺杆旋转的技术属于现有技术，单向螺杆为多线程螺纹，在保证满足输出力矩的前提下，选用转速调节范围较大的电机，这样驱动螺母在单向螺杆上运动的距离较大，减少了推进模块的工作时间。

行走模块还包括用于驱动双向螺杆旋转的第二电机，第二电机安装在架体上。第二电机正转或反转时，可以驱动头螺母和尾螺母相互远离或相互靠近。第二电机控制双向螺杆旋转的技术属于现有技术。

结合图2和图3所示，行走模块还包括多组接触反馈组件，第一撑臂的端部(下端)和第二撑臂的端部(上端)均安装有一组接触反馈组件。接触反馈组件包括收纳盒、弹性球、压力传感器、盒盖。压力传感器包括连接在一起的条状部和圆环部，压力传感器与第二电机信号连接。收纳盒大体为方体状，收纳盒设有空腔，压力传感器的圆环部置于收纳盒的空腔内，用于挤压压力传感器圆环部的弹性球放置在收纳盒的空腔，即先将压力传感器的圆环部放置在收纳盒的空腔内，然后弹性球压着压力传感器的圆环部，两者一起放置在收纳盒的空腔中，盒盖固定在收纳盒的端部，盒盖上设有圆孔，弹性球的一部分露出盒盖。每一组接触反馈组件的压力传感器的条状部安装在第一撑臂或第二撑臂上，每一组接触反馈组件的收纳盒铰接在第一撑臂或第二撑臂上；第一撑臂和第二撑臂统称为撑臂，即压力传感器的条状部安装在撑臂上，收纳盒铰接在撑臂的端部，从而收纳盒可以绕着撑臂在一定范围内转动，撑臂的尺寸越小，收纳盒转动的范围越大。

收纳盒的侧部开有避位槽口，避位槽口和空腔可以是相连通的，压力传感器圆环部和压力传感器条状部的相接处位于避位槽口，弹性球挤压压力传感器的圆环部时，圆环部和条状部的相接处、条状部均不会碰触到收纳盒的外轮廓，从而保护压力传感器。

结合图1和图4所示，清洁机器人还包括多组辅助支撑组件，辅助支撑组件安装在架体上，多组辅助支撑组件在架体上沿着圆周方向均匀布置。辅助支撑组件包括基块、套筒、伸杆、导向轮、导向轮座、第二弹簧。基块为一个l型钢，基块固定在行走模块的架体上，套筒的端部设有端板，端板与套筒是固定关系，端板固定在基块上，伸杆的端部设有端块，端块与伸杆是固定关系，导向轮座固定在端块上，导向轮转动式地安装在导向轮座上，第二弹簧套装在套筒上，伸杆插入套筒的内部，套筒的端板位于第二弹簧的一侧，伸杆的端块位于第二弹簧的另一侧，第二弹簧的一端可以连接在端板上，第二弹簧的另一端可以连接在端块上。

结合图5和图6所示，伸杆的圆周侧面设有条状凸起，条状凸起沿着伸杆的轴向方向延伸，套筒内设有与伸杆及条状凸起相适应的通槽。伸杆及条状凸起一起插入套筒内部的通槽内，伸杆在套筒内部的通槽里来回移动时，条状凸起能起到防止转动的作用，防止伸杆和套筒的相对转动，使得伸杆只能在套筒的通槽里直线来回移动。

架体包括头部平板，尾部平板，连接头部平板和尾部平板的连接框。连接框的上端与头部平板固定，连接框的下端与尾部平板固定，连接框内设有用于剪状撑臂组件做张开与闭合动作的条状槽口，相互铰接的第一撑臂和第二撑臂穿过条状槽口。条状槽口呈矩形状，条状槽口还可以起到限位的作用，第一撑臂和第二撑臂张开或者闭合时，能防止第一撑臂或第二撑臂晃动，同时第一撑臂、第二撑臂和连接框可以一起铰接在一起，第一撑臂和第二撑臂只能上下转动。

结合图1所示，架体还包括辅助板，辅助板通过条状螺栓连接在架体上，辅助板通过条状螺栓可以连接在头部平板或者尾部平板上，若还需要更多数量的辅助板，则第二块辅助板再通过条状螺栓连接在第一块辅助板上，辅助支撑组件的基块固定在辅助板上。辅助支撑组件、第一电机和第二电机可以安装在合适的辅助板、头部平板或者尾部平板上，第一电机和第二电机图中未标出。推进模块的两端也可以分别连接在相应的辅助板上。

清洁机器人的行走原理：清洁机器人在管道内的行走工作情况为，以上下两个行走模块的结构全部放松为初始状态，先控制上端行走模块的第二电机正转，带动双向螺杆旋转，使得头螺母和尾螺母相互远离，进而使上端行走模块的剪状撑臂组件持续张开，弹性球则持续挤压管道的内壁，直到接收到压力传感器的反馈信号，第二电机停止转动，此时弹性球挤压着管道的内壁，将上端的整个行走模块固定住，即上端的整个行走模块处于张紧状态。然后第一电机正转，第一电机通过第二万向节驱动单向螺杆正向转动，进而促使驱动螺母连同连接架前进(往上端的行走模块方向运动)，再带动下端的整个行走模块向前运动，当第一电机达到设计圈数阀值时，停止转动。然后，控制下端行走模块的第二电机正转，带动双向螺杆旋转，使得头螺母和尾螺母相互远离，进而使下端行走模块的剪状撑臂组件持续张开，弹性球则持续挤压管道的内壁，直到接收到压力传感器的反馈信号，第二电机停止转动，此时弹性球挤压着管道的内壁，将下端的整个行走模块固定住，即下端的整个行走模块处于张紧状态。然后，控制上端行走模块的第二电机反转，则使剪状撑臂组件持续防松(做闭合动作)，直到压力传感器反馈压力信号为0(视为已经完全放松)。再然后，第一电机反转，第一电机通过第二万向节驱动单向螺杆反向转动，进而抬举上端行走模块前进。如此往复，完成清洁机器人在管道内的行走任务。

辅助支撑组件在剪状撑臂组件放松(失去主要支撑)的时候起到辅助支撑的作用，保证清洁机器人轴心稳定。当导向轮没有与管道的内壁相接触时，第二弹簧推动伸杆，使得端块远离端板，进而使导向轮再次与管道的内壁相接触，保持整个清洁机器人在管道内不会晃动。

本清洁机器人在管道内行走，可以是水平直管、水平弯管、水平变径直管、非水平直管、非水平弯管、非水平变径直管等管道。

下面对清洁模块进行详细的介绍：

结合图8至图13所示，清洁模块包括伞柄、活塞、毛刷、第一弹簧、基板、多个连接臂、多个张臂。呈伞状分布的多个张臂铰接在基板上，即多个张臂沿着圆周方向均匀分布，伞柄在所有张臂的中心位置，所有的张臂可以绕着基板转动，从而实现张开或缩合。伞柄的一端固定在基板上，伞柄的端部(伞柄的另一端)设有凸台，沿着伞柄轴向移动的活塞套装在伞柄上，即活塞内设有通孔，活塞可以套在伞柄上并可以沿着伞柄的轴向方向移动。套装在伞柄上的第一弹簧位于凸台和活塞之间，第一弹簧的一端可以连接在凸台上，第一弹簧的另一端则连接在活塞的圆台上。连接臂的一端铰接在活塞上，连接臂的另一端铰接在张臂上，毛刷铰接在张臂的端部。

结合图10所示，对于活塞的结构：活塞包括一体制成的圆筒、圆台、多个侧块，即圆筒、圆台和侧块是一个整体，是一体形成的。圆台设置在圆筒的端部，侧块设置在圆筒的圆周侧面上，多个侧块沿着圆筒的圆周方向均匀分布，侧块上设有与连接臂铰接的通孔和用于连接臂转动的直槽，侧块上开的通孔和直槽垂直相交，活塞上的侧块总共有3个，相应地，张臂和连接臂的数量也是3个；活塞的圆筒和圆台套在伞柄上，并可在伞柄上移动。

结合图13所示，毛刷通过铰接块铰接在张臂的端部，对于铰接块的结构：铰接块包括一体制成的圆筒和侧块，圆筒固定地套装在毛刷的毛刷轴上，圆筒与毛刷轴是固定关系，圆筒和毛刷轴可通过销轴或螺栓等方式固定，需要更换毛刷时，可将毛刷轴和圆筒拆开，侧块设置在圆筒的圆周侧面上，侧块上设有与张臂铰接的通孔和用于张臂转动的直槽。

结合图11所示，张臂呈杆状，张臂的两端设有通孔，张臂内设有矩形通槽，连接臂的一端位于矩形通槽内并铰接在张臂上。张臂内有矩形通槽，使得连接臂的转动不受阻碍。

结合图12所示，连接臂呈杆状，连接臂的两端设有通孔。连接臂一端的通孔与活塞侧块上的通孔配合，从而将连接臂和活塞铰接在一起，且活塞侧块上有直槽，使得连接臂的转动不受阻碍。

基板上设有铰支座，张臂的一端铰接在铰支座上，张臂的另一端铰接在铰接块的侧块上。

伞柄通过法兰固定在基板上。

结合图14所示，清洁模块还包括第三电机和连接轴，第三电机安装在行走模块的架体上，连接轴的一端与第三电机的输出端连接，连接轴的另一端与基板连接。连接轴可以选用刚性联轴器，第三电机的输出端通过联轴器驱动基板转动，从而带动清洁模块整体旋转。

当管道半径由小变大时，管道壁对毛刷的反馈压力通过张臂、连接臂传递到活塞处，由于该反馈压力随着管道半径变大而逐渐减小，从而使第一弹簧的弹性力大于该反馈应力，则第一弹簧推动活塞远离伞柄的凸台(即图9，活塞向下移动)，则张臂做张开动作，直到毛刷贴紧管道壁，使反馈压力再次与第一弹簧弹性力平衡。

当管道半径由大变小时，管道壁对毛刷的反馈压力通过张臂、连接臂传递到活塞处，由于该反馈压力随着管道半径变小而逐渐增大，从而使第一弹簧的弹性力小于该反馈应力，使活塞靠近伞柄的凸台(即图9，活塞向上移动)并挤压第一弹簧，则张臂做收缩动作，直到管道半径不再发生变化，活塞不再挤压第一弹簧，使反馈压力再次与第一弹簧弹性力平衡。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。