CN105020537B - 管道无损检测机器人 - Google Patents

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Abstract

一种基于电磁原理的管道无损检测机器人属于结构设计领域。它可实时调整姿态以适应管道弯曲等不利于爬行的情况。本发明加装了磁吸附装置，球形连接机构。从而使机器人可以在竖直的管道中、或者不利于爬行的弯管中均可爬行。适应管道的能力更强。其中，磁吸附装置安放在足内，与弹簧相连，通电时弹簧伸长电磁铁吸附在管壁上，断电时将弹簧拉回足内。同时足内上部内安有柔性弹簧，使足具有一定的调节能力，以适应不同直径的管道，同时还有一定的减震效果以及越障能力。腿吸附固定时，依靠身体与固定腿的相对运动完成爬行动作。通过电磁铁吸附，电磁铁通电时吸附在管壁上，腿部固定，身体前进，断电时电磁铁被弹簧拉入腿内部，腿部可动。

Description

管道无损检测机器人
技术领域
本发明是一种在各种管道形状下均可完成无损检测任务的爬行机器人设计。属于结构设计领域。
背景技术
工业管道系统已广泛应用于冶金、石油、化工及城市水暖供应等领域。工业管道的工作环境非常恶劣,容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部潜在的缺陷发展成破损而引起泄漏事故等，因此管道的监测、诊断、清理和维护就成为保障管道系统安全、畅通和高效运营的关键,管道的在役和在线探查也就成了管道无损检测技术应用、发展的重要方向之一。因此，对于管道检测技术设备的需求非常迫切。然而，现有的管道检测机器人是靠导向轮控制转向，提供支撑。这一设计使得机器人的检测对象只能是圆形管道。使得一些其他形状的管道得不到检测。基于这一问题，设计一款靠电磁吸附的爬行机器人，可使检测的管道种类更多。
发明内容
本发明在爬行机器人的基础上加装了磁吸附装置，球形连接机构。从而使机器人可以在竖直的管道中、或者不利于爬行的弯管中均可爬行。适应管道的能力更强。其中，磁吸附装置安放在足内，与弹簧相连，通电时弹簧伸长电磁铁吸附在管壁上，断电时将弹簧拉回足内。同时足内上部内安有柔性弹簧，使足具有一定的调节能力，以适应不同直径的管道，同时还有一定的减震效果以及越障能力。腿吸附固定时，依靠身体与固定腿的相对运动完成爬行动作。通过电磁铁吸附，电磁铁通电时吸附在管壁上，腿部固定，身体前进，断电时电磁铁被弹簧拉入腿内部，腿部可动。为了可以攀爬垂直管道和使机器人在管道内改变前进方向或左右移动，机器人分为4节，每节之间由球形结构连接，并控制前进方向。球形结构内球体和外球体两部分组成，内球体的前半球有与前一节相连的连杆，外球体与内球体连杆以外的部分扣住，外球体通过球上的连杆与下一节机身相连。外球体外安有2个电机，两个电机驱动轴上安有带有摩擦轮，与内球表面摩擦，实现内球转动，单一电机驱动时可使内球在水平或竖直方向转动，用于实现机体垂直和水平方向上的转动。机身含有3个这种结构，通过各个球型连接结构的调节，可实现与管道的无缝贴合，完成在管道中的前进。球形连接机构具有主动转向的能力，避免了在管道中靠导向轮无法完成转向的情况出现。
一种基于电磁原理的管道无损检测机器人，其特征在于：至少包括四节机身；
第一球形连接机构(5)连接第一节机身(1)和第二节机身(2)，第二球形连接机构(6)连接第二节机身(2)和第三节机身(3)，第三球形连接机构(7)连接第三节机身(3)和第四节机身(4)；第一足(8.1)、第二足(8.2)、第三足(9.1)、第四足(9.2)、第五足(10.1)、第六足(10.2)位于第一节机身(1)两侧；第七足(11.1)、第八足(11.2)、第九足(12.1)、第十足(12.2)、位于第二节机身(2)两侧；第十一足(13.1)、第十二足(13.2)、第十三足(14.1)、第十四足(14.2)位于第三节机身(3)两侧；第十五足(15.1)、第十六足(15.2)、第十七足(16.1)、第十八足(16.2)、第十九足(17.1)、第二十足(17.2)位于第四节机身(4)两侧；
第一足中柔性弹簧(8.1.1)两端分别与足上部外壳(8.1.2)和足上连杆(8.1.7)连接，足下部外壳(8.1.3)内拉伸弹簧(8.1.4)两端分别与电磁铁(8.1.5)和足上连杆(8.1.7)连接；第二足至第二十足的结构与第一足完全相同；球形连接结构(5)中内球(5.1)、外球(5.2)组成转动副，外球(5.2)上焊有后节连接件(5.4)和第一驱动电机(5.5)，摩擦轮(5.3)安装在第一驱动电机(5.5)的传动轴上；球形连接机构(6)、球形连接机构(7)与球形连接机构(5)完全相同；CCD摄像头及转动机构(18)机构中第二驱动电机(18.3)安装在底座(18.2)上，支架(18.5)与第二驱动电机(18.3)的传动轴相连，并且支架(18.5)上安有第二驱动电机(18.4)并与CCD摄像机(18.1)连接；机器人第二节机身(2)齿轮(27)由电机(26)驱动，与第三节机身(3)结构相同；机器人第一节中，齿轮(19)与齿条(25)啮合，齿轮(19)与电机(22)相连，联轴器(23)将第一足(8.1)和第二足(8.2)连成一排，联轴器(24)将第五足(10.1)和第六足(10.2)连成一排；电机(22)、联轴器(23)、联轴器(24)位于滑套(26)中；滑套(26)上方为仪器放置台(21)，与第四节机身(4)相同；机器人、第二节机身(2)、第三节机身(3)和第四节机身(4)仪器放置台(21)上安有后部连接支架(20)，第一节机身(1)仪器放置台上安有CCD摄像头及转动机构(18)，第三节机身(3)安有控制电路板(28)，第四节机身(4)上安有电池(29)。
2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于具体功能实现分别如下：
(1)机器人吸附功能：第一足(8.1)中电磁铁(8.1.5)通电弹簧(8.1.4)伸长电磁铁吸附在管壁上，由控制电路板(28)控制电磁铁通断电，电池(29)提供电力；第二足至第二十足与第一足完全相同；
(2)足的移动功能：由电机驱动齿轮与齿条啮合，使足到达指定位置；
(3)转向功能：以球形连接机构(5)为例，它由驱动电机(5.5)驱动摩擦轮(5.3)使之与内球(5.1)摩擦，从而达到转向目的；球形连接机构(6)、球形连接机构(7)与球形连接机构(5)一样；
(4)足的管道直径调节功能：根据管道弧度或直径的不同，足壳上部外壳8.1.2中柔性弹簧(8.1.1)会发生形变，使连杆(8.1.7)发生转动，保证电磁铁(8.1.5)能更好的吸附在管壁上；
(5)CCD摄像头转动机构：由驱动电机分别驱动支架(18.5)、CCD摄像机(18.1)实现摄像头的多角度转动；
(6)机器人爬行功能：机器人前进时第三足(9.1)、第四足(9.2)、第五足(10.1)、第六足(10.2)、第15足(15.1)、第十六足(15.2)、第十七足(16.1)、第十八足(16.2)内通电，其内电磁铁产生磁力与管道内壁吸附，之后第一足(8.1)、第二足(8.2)、第七足(11.1)、第八足(11.2)、第九足(12.1)、第十足(12.2)、第十一足(13.1)、第十二足(13.2)、第十三足(14.1)、第十四足(14.2)、第十九足(17.1)、第二十足(17.2)在电机的驱动下向前移动，到达指定位置后给其电磁铁通电，与管壁吸附，之后第三足(9.1)、第四足(9.2)、第五足(10.1)、第六足(10.2)、第十五足(15.1)、第十六足(15.2)、第十七足(16.1)、第十八足(16.2)内电磁铁断电，电磁铁被弹簧拉回足内，完成后电机反转，机身整体前移；重复动作，完成爬行动作；
(7)机器人的可拓展性功能：由于采用分界结构设计，机器人视任务不同增减节；只需将内球(5.6)与后部连接支架(20)连接或断开连接便可拆卸或增添相应的节。
3、部分部件参数
驱动电机(自带减速器)参数：额定电压12v、额定功率0.8w、扭矩4kg*cm、减速比为1:270。机器人总重约20kg，平均每节5kg(含链接结构)，每节驱动电机可驱动12.1kg的物体，所以可以完成驱动任务。(F×半径r＝扭矩、r＝0.33mm、可驱动12.1kg的物体)
机器人吸附电磁铁参数：功率4w、吸力5kg(每次固定时必有两个电磁铁工作，所以吸力大于重力，机器人可吸附在管道上)、电磁铁自重50g
附图说明
图1机器人节与连接结构关系图—正视图
图2第一节足排列示意图—俯视图
图3第二节足排列示意图—俯视图
图4第三节足排列示意图—俯视图
图5第四节足排列示意图—俯视图
图6机器人整体效果图—轴测图
图7机器人第一节结构示意图—轴测图
图8机器人第二节结构示意图—轴测图
图9机器人第三节结构示意图—轴测图
图10机器人第四节结构示意图—轴测图
图11机器人球连接机构示意图
图12机器人足结构示意图
其中图12-2去掉外壳9.1.3为图12-3，图12-4为图12-1和图12-2的俯视图；
图13CCD摄像头转动机构示意图
具体实施方式
机器人前进时第三足9.1、第四足9.2、第五足10.1、第六足10.2、第15足15.1、第十六足15.2、第十七足16.1、第十八足16.2内通电，其内电磁铁产生磁力与管道内壁吸附，之后第一足8.1、第二足8.2、第七足11.1、第八足11.2、第九足12.1、第十足12.2、第十一足13.1、第十二足13.2、第十三足14.1、第十四足14.2、第十九足17.1、第20足17.2在电机的驱动下向前移动，到达指定位置后给其电磁铁通电，与管壁吸附，之后第三足9.1、第四足9.2、第五足10.1、第六足10.2、第15足15.1、第十六足15.2、第十七足16.1、第十八足16.2内电磁铁断电，电磁铁被弹簧拉回足内，完成后电机反转，机身整体前移。重复动作，完成爬行动作。机器人过弯道时或改变前进方向时，球形连接机构5上驱动电机5.5驱动摩擦轮5.3与内球5.1摩擦使内球5.1转动，球形连接机构6、7同理，使机身完成方向的改变。
机器人搭载的18.1CCD摄像头，在机器人爬行过程中，对管道进行实时观察及扫描，并将实时数据传输到控制系统，再由控制系统打包后由无线模块传输给管道外的工作人员，完成管道检测工作。

Claims (2)

1.管道无损检测机器人，其特征在于：至少包括四节机身；
第一球形连接机构(5)连接第一节机身(1)和第二节机身(2)，第二球形连接机构(6)连接第二节机身(2)和第三节机身(3)，第三球形连接机构(7)连接第三节机身(3)和第四节机身(4)；第一足(8.1)、第二足(8.2)、第三足(9.1)、第四足(9.2)、第五足(10.1)、第六足(10.2)位于第一节机身(1)两侧；第七足(11.1)、第八足(11.2)、第九足(12.1)、第十足(12.2)位于第二节机身(2)两侧；第十一足(13.1)、第十二足(13.2)、第十三足(14.1)、第十四足(14.2)位于第三节机身(3)两侧；第十五足(15.1)、第十六足(15.2)、第十七足(16.1)、第十八足(16.2)、第十九足(17.1)、第二十足(17.2)位于第四节机身(4)两侧；
第一足中柔性弹簧(8.1.1)两端分别与足上部外壳(8.1.2)和足上连杆(8.1.7)连接，足下部外壳(8.1.3)内拉伸弹簧(8.1.4)两端分别与电磁铁(8.1.5)和足上连杆(8.1.7)连接；第二足至第二十足的结构与第一足完全相同；第一球形连接结构(5)中内球(5.1)、外球(5.2)组成转动副，外球(5.2)上焊有后节连接件(5.4)和第一驱动电机(5.5)，摩擦轮(5.3)安装在第一驱动电机(5.5)的传动轴上；第二球形连接机构(6)、第三球形连接机构(7)与第一球形连接机构(5)完全相同；CCD摄像头及转动机构(18)机构中第二驱动电机(18.3)安装在底座(18.2)上，支架(18.5)与第二驱动电机(18.3)的传动轴相连，并且支架(18.5)上安有第二驱动电机(18.3)并与CCD摄像头(18.1)连接；机器人第二节机身(2)齿轮(27)由第二电机(26)驱动，与第三节机身(3)结构相同；机器人第一节中，齿轮(19)与齿条(25)啮合，齿轮(19)与第一电机(22)相连，联轴器(23)将第一足(8.1)和第二足(8.2)连成一排，联轴器(24)将第五足(10.1)和第六足(10.2)连成一排；第一电机(22)、联轴器(23)、联轴器(24)位于滑套(26)中；滑套(26)上方为仪器放置台(21)，与第四节机身(4)相同；第一节机身(1)、第二节机身(2)、第三节机身(3)和第四节机身(4)仪器放置台(21)上安有后部连接支架(20)，第一节机身(1)仪器放置台上安有CCD摄像头及转动机构(18)，第三节机身(3)安有控制电路板(28)，第四节机身(4)上安有电池(29)。
2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于具体功能实现分别如下：
(1)机器人吸附功能：第一足(8.1)中电磁铁(8.1.5)拉伸弹簧(8.1.4)伸长电磁铁吸附在管壁上，由控制电路板(28)控制电磁铁通断电，电池(29)提供电力；第二足至第二十足与第一足完全相同；
(2)足的移动功能：由电机驱动齿轮与齿条啮合，使足到达指定位置；
(3)转向功能：以第一球形连接机构(5)为例，它由第一驱动电机(5.5)驱动摩擦轮(5.3)使之与内球(5.1)摩擦，从而达到转向目的；第二球形连接机构(6)、第三球形连接机构(7)与第一球形连接机构(5)一样；
(4)足的管道直径调节功能：根据管道弧度或直径的不同，足上部外壳(8.1.2)中柔性弹簧(8.1.1)会发生形变，使足上连杆(8.1.7)发生转动，保证电磁铁(8.1.5)能更好的吸附在管壁上；
(5)CCD摄像头转动机构：由驱动电机分别驱动支架(18.5)、CCD摄像头(18.1)实现摄像头的多角度转动；
(6)机器人爬行功能：机器人前进时第三足(9.1)、第四足(9.2)、第五足(10.1)、第六足(10.2)、第十五足(15.1)、第十六足(15.2)、第十七足(16.1)、第十八足(16.2)内通电，其内电磁铁产生磁力与管道内壁吸附，之后第一足(8.1)、第二足(8.2)、第七足(11.1)、第八足(11.2)、第九足(12.1)、第十足(12.2)、第十一足(13.1)、第十二足(13.2)、第十三足(14.1)、第十四足(14.2)、第十九足(17.1)、第二十足(17.2)在电机的驱动下向前移动，到达指定位置后给其电磁铁通电，与管壁吸附，之后第三足(9.1)、第四足(9.2)、第五足(10.1)、第六足(10.2)、第十五足(15.1)、第十六足(15.2)、第十七足(16.1)、第十八足(16.2)内电磁铁断电，电磁铁被弹簧拉回足内，完成后电机反转，机身整体前移；重复动作，完成爬行动作；
(7)机器人的可拓展性功能：由于采用分界结构设计，机器人视任务不同增减节；只需将内球(5.1)与后部连接支架(20)连接或断开连接便可拆卸或增添相应的节。
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