一种基于空间旋摆的抱喷一体化钢构型材清洁机器人

本发明涉及钢结构清洗设备，尤其涉及一种基于空间旋摆的抱喷一体化钢构型材清洁机器人。

背景技术：

1、h型钢、工字钢等钢构型材是桥梁、厂房、风电塔架、输电塔、船舶、大型储罐、钢桁架等大型钢结构设施中的核心承载构件，在长期户外服役中表面易附着灰尘、油污、盐雾沉积物和锈蚀物，需定期进行清洁维护以避免腐蚀加速和隐患漏检。然而，上述钢结构场景通常存在高空作业、构件密集、空间狭窄、管线遮挡和人工接近困难等问题，传统人工清洁方式劳动强度大、安全风险高，且难以稳定覆盖型材翼缘下表面、腹板内侧等隐蔽区域。因此，开发能够沿钢构型材稳定行走并完成多表面清洁的机器人具有较高工程应用价值。钢构型材结构截面复杂，清洁机器人需同时解决两个难题：一是行走时如何稳定包覆型材防止脱轨倾覆，二是如何使清洁部件有效触达翼缘下表面等人工难以操作的部位。

2、现有解决方案一采用多组固定式清洁装置，如公开号cn109590247a公开的h形钢表面清洁设备，通过机架安装多组底面清洁装置、侧面清洁装置、顶面清洁装置配合喷洒喷气，实现对h形钢多个表面的除锈清洁。该方案的不足在于：清洁装置分组独立布置，结构复杂、驱动元件多，整体占用空间大，难以在狭窄工况下进行移动式连续清洁作业，且缺乏行走限位机构，机器人存在脱离钢构型材的风险。

3、现有解决方案二采用摆动式防倾覆机构，如授权公告号cn113753147b公开的工字钢自爬式机器人用的防倾覆装置，通过可摆动调节机构带动滚动轮贴合于工字钢下表面，提高了机器人在钢构型材上行走时的防倾覆能力。该方案的不足在于：其设计主要专注于行走稳定性问题，未将清洁功能与抱紧功能做一体化统筹考虑，机器人仍需要额外配置独立的清洁组件，导致整体结构冗余，且清洁部件难以灵活进入型材翼缘下表面区域开展作业。

4、现有解决方案三采用多级伸缩调节结构，如授权公告号cn116429906b公开的用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统，其通过内侧多级伸缩装置、外侧多级伸缩装置、支架和车轮配合，实现机器人在钢梁上的贴合移动和跨梁调整。该方案的不足在于：其主要依靠多级伸缩装置和多组支撑结构完成位置调整，整体机构复杂，驱动和控制过程较多；在钢构型材密集排列或周围存在管廊、线缆等障碍物的狭窄环境中，伸缩机构需要占用较大的横向和竖向调节空间，容易产生结构干涉，且其主要面向检测巡检场景，并未针对型材翼缘下表面的连续喷洗覆盖进行专门设计。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于，提供一种基于空间旋摆的抱喷一体化钢构型材清洁机器人，以解决现有钢构型材清洗设备难以适配多种宽度钢构型材、容易与周围结构发生干涉、机器人运行稳定性不足以及钢构型材下表面清洗不便的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种基于空间旋摆的抱喷一体化钢构型材清洁机器人，包括车体、行走底盘、至少一个空间旋摆式抱紧机构和空间旋摆式喷淋机构；

4、所述行走底盘设置于所述车体底部，用于支撑所述车体并驱动所述车体沿钢构型材的长度方向移动；

5、每一所述空间旋摆式抱紧机构设置于所述车体上，每一所述空间旋摆式抱紧机构均包括第一倾斜回转轴、第一偏置杆、锁止件和万向导向轮，所述第一偏置杆与所述第一倾斜回转轴连接，并能够绕所述第一倾斜回转轴转动，所述万向导向轮设置于所述第一偏置杆的自由端，使所述万向导向轮在收纳位置与工作位置之间切换，并在工作位置通过所述锁止件锁定；

6、所述空间旋摆式喷淋机构设置于所述车体上，所述空间旋摆式喷淋机构包括第二倾斜回转轴、第二偏置支架和清洗端部件，所述第二偏置支架与所述第二倾斜回转轴连接，并能够绕所述第二倾斜回转轴转动，使所述清洗端部件在收纳位置与清洗位置之间切换；

7、其中，各所述第一倾斜回转轴和所述第二倾斜回转轴均为空间倾斜设置，使各所述第一偏置杆和所述第二偏置支架在转动过程中形成空间回转轨迹，并使其自由端同时产生横向位移和竖向位移。

8、进一步地，所述车体作为机器人各功能部件的安装基础，用于承载行走底盘、空间旋摆式抱紧机构和空间旋摆式喷淋机构。车体设置于钢构型材上方，并通过行走底盘支撑在钢构型材上表面。

9、进一步地，各所述第一倾斜回转轴和/或所述第二倾斜回转轴的轴线位于车体前进方向与竖直方向形成的平面内，并相对于车体前进方向和竖直方向均呈夹角设置。所述夹角为30°至60°，优选为45°。

10、进一步地，各所述第一偏置杆与对应第一倾斜回转轴直接连接的一段与对应第一倾斜回转轴之间形成偏置角；和/或，所述第二偏置支架与所述第二倾斜回转轴直接连接的一段与所述第二倾斜回转轴之间形成偏置角。优选地，所述偏置角均为锐角。

11、进一步地，每一所述空间旋摆式抱紧机构用于对工字钢等钢构型材形成包覆限位，即所述第一偏置杆由收纳位置转动至工作位置时，所述车体、行走底盘、第一偏置杆和万向导向轮共同形成对型材的包覆限位结构。当部分所述空间旋摆式抱紧机构转至收纳位置时，其余所述空间旋摆式抱紧机构保持在工作位置，以维持所述包覆限位结构。

12、具体的，每一所述第一倾斜回转轴安装于车体上，每一所述第一偏置杆的一端与对应第一倾斜回转轴连接，另一端设置有所述万向导向轮。当各第一偏置杆处于收纳位置时，其靠近车体布置，以减少空间占用；当各第一偏置杆绕第一倾斜回转轴转动至抱紧位置时，万向导向轮进入钢构型材翼缘下方或靠近钢构型材侧部，并与钢构型材接触，使车体、行走底盘、第一偏置杆和万向导向轮共同形成对钢构型材的包覆限位结构，同时锁止件锁定限定位置。优选地，所述锁止件为抱闸、插销、棘爪、电磁制动件或其组合。

13、进一步地，所述空间旋摆式喷淋机构用于对工字钢等钢构型材表面进行清洗，即所述第二偏置支架由收纳位置转动至清洗位置时，所述清洗端部件进入型材侧部、翼缘附近和/或翼缘下方区域，并朝向型材表面进行清洗。所述清洗端部件为喷头、刷洗件、喷刷组合件、打磨件或检测探头。

14、具体的，所述第二倾斜回转轴安装于车体上，所述第二偏置支架的一端与第二倾斜回转轴连接，所述清洗端部件设置于第二偏置支架的内侧或自由端附近。当第二偏置支架处于收纳位置时，其靠近车体布置；当第二偏置支架绕第二倾斜回转轴转动至清洗位置时，清洗端部件可进入工字钢翼缘附近或翼缘下方，并朝向工字钢翼缘、腹板或下表面进行清洗。作为本发明的一种具体应用，清洗端部件可通过管路与外部清洗液供给系统连接，在机器人沿钢构型材行走时，对钢构型材表面进行清洗。可以理解的是，该作业头并不限于清洗头，亦可替换为喷涂头、检测探头、打磨头等其他功能部件，以实现对钢构型材的喷涂、检测、除锈等不同清洗需求。

15、第二方面，本发明提供一种利用上述的基于空间旋摆的抱喷一体化钢构型材清洁机器人进行避障清洁的控制方法，包括：

16、控制至少一个空间旋摆式抱紧机构由收纳位置转至工作位置，使各处于工作位置的空间旋摆式抱紧机构的万向导向轮与钢构型材接触；

17、控制空间旋摆式喷淋机构转至工作位置，驱动车体沿钢构型材长度方向移动，并通过清洗端部件对钢构型材表面进行作业；

18、获取车体行进方向上的障碍物信息或空间受限信息；

19、响应于获取到所述障碍物信息或所述空间受限信息，根据所述障碍物信息或所述空间受限信息，选择性地控制与其对应的部分空间旋摆式抱紧机构或空间旋摆式喷淋机构由工作位置转至收纳位置；当部分所述空间旋摆式抱紧机构转至收纳位置时，使其余所述空间旋摆式抱紧机构保持在工作位置，并驱动车体通过相应区域；

20、在通过所述相应区域后，控制转至收纳位置的空间旋摆式抱紧机构恢复至工作位置，或控制转至收纳位置的空间旋摆式喷淋机构恢复至工作位置，以继续对钢构型材表面进行作业。

21、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

22、（1）本发明的空间旋摆式抱紧机构和空间旋摆式喷淋机构均采用偏置结构绕空间倾斜回转轴转动的结构，使偏置结构自由端在转动过程中同时产生横向位移和竖向位移展开和工作定位，可适配不同宽度钢构型材。

23、（2）本发明的各空间旋摆式抱紧机构均通过第一偏置杆和万向导向轮与车体共同形成对钢构型材的包覆限位结构，并且便于转换工作与收纳姿态；当部分所述空间旋摆式抱紧机构转至收纳位置时，其余所述空间旋摆式抱紧机构保持在工作位置，以维持所述包覆限位结构。

24、（3）本发明的空间旋摆式喷淋机构通过第二偏置支架带动清洗头进行空间回转运动，使清洗端部件能够进入钢构型材翼缘附近或翼缘下方，对钢构型材翼缘、腹板及下表面进行清洗，具有较大清洗范围。