CN105318142A - 一种螺旋式管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋式管道机器人，主支架的上部设置有第一三叉元机构，主支架的下部设置有第二三叉元机构，主支架上方设置有驱动电机支架，驱动电机支架与主支架的中部通过一万向机构相连接，驱动电机支架与主支架的边沿通过多根驱动弹簧相连接；驱动电机支架上设置有驱动电机，驱动电机上设置有牵引转轴，牵引转轴上设置有第三三叉元机构，三叉元机构的每个连接杆上均设置有一伸缩结构，伸缩结构上设置有行走轮。通过主支架与驱动电机支架的柔性连接，即能通过蠕动的方式带动螺旋式管道机器人在管道内持续前进，又能在管道弯角处，实现了在管道机器人能适应各种管道口径的前提下，又能够在各个管道弯角处拐弯的目的。

Description

一种螺旋式管道机器人

技术领域

本发明涉及管道检测领域，尤其涉及一种螺旋式管道机器人。

背景技术

在制冷、化工、核电站等领域所用的管道需定时检测；另外在输油、排污等管道经常会出现管道中因沉积物累积而导致的管道堵塞。采用常规方法对管道检测、清理往往存在中毒、辐射等危险，且费时费力。现在具有嵌入式WIFI功能的设备随处可见，技术人员通过PC终端就可以监视控制远处危险复杂环境设备的运行。基于现有的网络资源，在机器人上加装WIFI模块，通过WIFI的网络通讯功能，不仅可以监视管道内部环境，也可以通过上位机与下位机的通信来控制机器人的活动，因此根据管道内部环境来控制机器人的运动与停止。

管道机器人在我国处于发展阶段，具有广阔的市场前景。管道机器人相对于人工操作来说，有无可比拟的优势。管道机器人在计算机控制下，可进行采样、检测等动作。而单片机技术的发展，为管道机器人的方便应用提供了一个良好的基础技术。利用单片机，可以实现管道机器人的控制，是管道机器人设计中较好的选择。

通过对国内外管道机器人研究现状分析，总体看来，国内外已经在管内作业机器人领域取得了大量的成果，主要应用在管道检测、维修及空调通风管道的清洗等方面。但现有技术中的管道机器人结构简单，很难同时完成适应各种管道口径以及管道内拐弯这两个任务，给管道机器人的应用带来诸多不便。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明提供的目的在于提供一种螺旋式管道机器人，在使管道机器人能适应各种管道口径的前提下，又能够在各个管道弯角处拐弯，以拓展管道机器人的运动空间。

为解决上述技术问题，本发明方案包括：

一种螺旋式管道机器人，其包括用于设置有主机的主支架，其中，主支架的上部设置有第一三叉元机构，主支架的下部设置有第二三叉元机构，第一三叉元机构与第二三叉元机构处于仰视角度或俯视角度，其呈重叠状态；主支架上方设置有驱动电机支架，驱动电机支架与主支架的中部通过一万向机构相连接，驱动电机支架与主支架的边沿通过多根驱动弹簧相连接；驱动电机支架上设置有驱动电机，驱动电机上设置有牵引转轴，牵引转轴上设置有第三三叉元机构，第一三叉元机构、第二三叉元机构与第三三叉元机构的每个连接杆上均设置有一伸缩结构，伸缩结构上设置有行走轮，第三三叉元机构之行走轮的布置角度与管道的内壁相切，第一三叉元机构与第二三叉元机构之行走轮的布置角度与管道的中轴线平行；牵引转轴驱动第三三叉元机构旋转，带动驱动电机支架移动，驱动电机支架通过多根驱动弹簧拉动主支架移动。

所述的螺旋式管道机器人，其中，上述伸缩结构包括中空的连接杆，连接杆上设置有条形槽口，条形槽口内布置有滑块销，连接杆内设置有连接弹簧，连接弹簧的另一端与对应滑块销相连接，连接杆配置有一套筒，套筒上端与滑块销相连接，套筒能沿连接杆滑动，套筒下端设置有安装轴，上述行走轮设置在安装轴上。

所述的螺旋式管道机器人，其中，上述万向机构包括十字轴，十字轴上设置有传动轴叉与套筒叉，十字轴的每个轴上均设置有一个轴承外圈，传动轴叉、套筒叉均通过对应的卡环与相应的轴承外圈相连接，传动轴叉与套筒叉上均设置有均设置有连接套筒。

所述的螺旋式管道机器人，其中，上述轴承外圈为滚针轴承圈。

所述的螺旋式管道机器人，其中，上述主支架上设置有用于控制螺旋式管道机器人运行的控制系统。

本发明提供的一种螺旋式管道机器人，通过主支架与驱动电机支架的柔性连接，即能通过蠕动的方式带动螺旋式管道机器人在管道内持续前进，又能在管道弯角处，通过万向机构与多根驱动弹簧的配合，实现了螺旋式管道机器人的流畅拐弯，并且每个三叉元机构上配置一伸缩结构，使螺旋式管道机器人在不同管径的管道中运行时，能够根据管道的管径适应性的调整行走轮与管道内壁的贴合度，从而能够在不同管径的管道内自由穿行；进而实现了在管道机器人能适应各种管道口径的前提下，又能够在各个管道弯角处拐弯的目的，拓展了管道机器人的运动空间。

附图说明

图1为本发明中螺旋式管道机器人的结构示意图；

图2为本发明中的俯视结构示意图；

图3为本发明中螺旋式管道机器人的内部布局结构示意图；

图4为本发明中伸缩结构的结构示意图；

图5为本发明中万向机构的结构示意图；

图6为本发明中螺旋式管道机器人之控制系统的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种螺旋式管道机器人，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种螺旋式管道机器人，如图1、图2与图3所示的，其包括用于设置有主机31的主支架1，其中，主支架1的上部设置有第一三叉元机构2，主支架1的下部设置有第二三叉元机构3，第一三叉元机构2与第二三叉元机构3处于仰视角度或俯视角度，其呈重叠状态；主支架1上方设置有驱动电机支架4，驱动电机支架4与主支架1的中部通过一万向机构5相连接，驱动电机支架4与主支架1的边沿通过多根驱动弹簧6相连接；驱动电机支架4上设置有驱动电机7，驱动电机7可以采用伺服电机等技术形式，驱动电机7上设置有牵引转轴8，牵引转轴8上设置有第三三叉元机构9，第一三叉元机构2、第二三叉元机构3与第三三叉元机构9的每个连接杆上均设置有一伸缩结构10，伸缩结构10上设置有行走轮11，第三三叉元机构9之行走轮的布置角度与管道的内壁相切，第一三叉元机构2与第二三叉元机构3之行走轮的布置角度与管道的中轴线平行，从而保证了主支架1在移动的过程中更加流畅。牵引转轴驱8在驱动电机7的驱动下转动，进而带动第三三叉元机构9旋转，通过第三三叉元机构9上行走轮11与管道内壁的摩擦作用下，使驱动电机支架4向前沿管道的轮廓移动，此时多根驱动弹簧6会发生弹性形变，又在驱动弹簧6的牵引下，使驱动电机支架4拉动主支架1移动。而当遇到管道的弯折处时，驱动电机支架4回沿弯折轮廓移动，并且配合万向机构5，使驱动电机支架4现行拐弯，然后在多根驱动弹簧6牵引力的作用下，拉拽这主支架1进行拐弯，即使遇到管道管径进行变化时，第一三叉元机构2、第二三叉元机构3与第三三叉元机构9上的行走轮11会在伸缩结构10的作用下，进行自适应性调整，从而使得行走轮11在整个运动过程中始终与管道内壁相接触，即使是在管径渐变的管道内运行，整个螺旋式管道机器人仍能流畅的运行。

在本发明的另一较佳实施例中，如图4所示的，上述伸缩结构10包括中空的连接杆13，连接杆13上设置有条形槽口14，条形槽口14内布置有滑块销15，连接杆13内设置有连接弹簧16，连接弹簧16的另一端与对应滑块销15相连接，连接杆13配置有一套筒17，套筒17上端与滑块销15相连接，套筒17能沿连接杆13滑动，套筒17下端设置有安装轴18，上述行走轮11设置在安装轴18上。在具体的运行过程中，当管道管径变小时，行走轮11会受到管壁的压力，进而使滑块销15沿条形槽口14滑动压缩连接弹簧16，保证了套筒17沿连接杆13收缩，从而调整行走轮11与管壁的结合状态，完成对管道管径的自适应过程。显然的，当管道管径变大时，套筒17也会沿连接杆13伸展，其具体过程在此不再赘述。

更进一步的，如图3所示的，上述万向机构5包括十字轴19，十字轴19上设置有传动轴叉20与套筒叉21，十字轴19的每个轴上均设置有一个轴承外圈22，传动轴叉20、套筒叉21均通过对应的卡环23与相应的轴承外圈22相连接，传动轴叉20与套筒叉21上均设置有均设置有连接套筒。而且上述轴承外圈22为滚针轴承圈。十字轴19任一轴都可以作为主动轴，剩余的轴为从动轴，这样当主动轴转动时，从动轴既可随之转动，又可绕十字轴中心在任意方向摆动，再配合伸缩结构10，这样就适应了行走轮11与管道内壁夹角和距离同时变化的需要，十字轴式刚性万向节具有结构简单，传动效率高的优点。

在本发明的另一较佳实施例中，上述主支架1上设置有用于控制螺旋式管道机器人运行的控制系统，一般控制系统都是设置在主机31内。当然关于对螺旋式管道机器人的控制系统有很多种方式，但本发明采用如下具体的方式，如图6所示的，可以在地面上建立上位机24，比如可以建设监控中心等场所，在控制系统上设置有无线连接模块25，比如wifi模块，然后通过无线连接模块25与螺旋式管道机器人内的单片机26通信连接，单片机26分别与驱动模块27、控制模块28通信连接，驱动模块27与驱动电机7相连接，用于控制驱动电机7的运行状况，进而通过驱动电机7控制对应三叉元机构的运行，进而控制螺旋式管道机器人的前进与后对；控制模块28分别与安装在螺旋式管道机器人上的摄像头29、传感器单元30、调速单元32通信连接，以获取管道的检测信息以及管道内的实时状况，传感器单元30根据现场需要可以设置多种类型的传感器，调速单元32与驱动电机7用于调节驱动电机7的驱动速度。当然为了使螺旋式管道机器人能够正常运行必然会配置相关的电源模块以及对应开关，但图中并未示出，可以根据具体需要来设置相应的器件排布，在此不再一一赘述。

其更为具体的是：

上位机24实时接收摄像头29发送回来的管道内部情况，操作人员可以根据接收到的图像，通过上位机24控制螺旋式管道机器人的启动与停止、清洁与检测。

无线连接模块25采用无线路由器做成，对螺旋式管道机器人进行无线控制并且远程控制视频传送。

驱动模块27控制直流电机，控制螺旋式管道机器人完成前进、后退、启动和停止等基本动作。使螺旋式管道机器人能够更加灵活的运动。

而相关的电源模块是机器人整个控制系统的动力中枢，起到稳定电压的作用，保证电路正常工作。低于稳定电压电路不能正常工作，高于稳定电压可能损坏电路。稳定的电源模块是机器人顺利完成所设计功能的基础。电源模块主要针对各模块不同的电源标准分别进行电压调节然后再分配,为复杂地形环境搜索越障车上的传感器、控制器、执行器等提供正常可靠地工作电压。

单片机26单是整个控制系统的核心，负责数据处理并且控制各个模块的协调工作。单片机26可以采用STC12C5A60S2单片机，是单时钟/机器周期(1T)的单片机。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S，即25万次/秒)，针对电机控制，强干扰场合。

其工作电压为5.5V-3.3V(5V单片机)工作频率范围：0-35MHz，相当于普通8051的0-420MHz，用户程序空间32K字节，片上集成1280字节RAM，44个I/O口，复位后为：准双向口/弱上拉，可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20MA，但整个芯片最大不超过120mA。

无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口直接下载用户程序，数秒即可完成一片。有EEPROM功能，看门狗，内部集成MAX810专用复位电路，外部掉电检测电路：在P4.6口有一个低压门槛检测器，共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/定时器，16位定时器T0和T1，没有定时器T2，但有独立的波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可在实现2个16位定时器，两个时钟输出口，可有T0的益出在T0输出时钟，可有T1的溢出在P3.5输出时钟2路PWM可用来当2路DA使用，也可用来实现2个定时器，可用来再实现2个外部中断，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S，通用全双工异步串行口(UART)，可用定时器或PCA软件实现多串口STC12C5A32S2系列有双串口其几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称的上一个片上系统。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (5)

1.一种螺旋式管道机器人，其包括用于设置有主机的主支架，其特征在于，主支架的上部设置有第一三叉元机构，主支架的下部设置有第二三叉元机构，第一三叉元机构与第二三叉元机构处于仰视角度或俯视角度，其呈重叠状态；主支架上方设置有驱动电机支架，驱动电机支架与主支架的中部通过一万向机构相连接，驱动电机支架与主支架的边沿通过多根驱动弹簧相连接；驱动电机支架上设置有驱动电机，驱动电机上设置有牵引转轴，牵引转轴上设置有第三三叉元机构，第一三叉元机构、第二三叉元机构与第三三叉元机构的每个连接杆上均设置有一伸缩结构，伸缩结构上设置有行走轮，第三三叉元机构之行走轮的布置角度与管道的内壁相切，第一三叉元机构与第二三叉元机构之行走轮的布置角度与管道的中轴线平行；牵引转轴驱动第三三叉元机构旋转，带动驱动电机支架移动，驱动电机支架通过多根驱动弹簧拉动主支架移动。

2.根据权利要求1所述的螺旋式管道机器人，其特征在于，上述伸缩结构包括中空的连接杆，连接杆上设置有条形槽口，条形槽口内布置有滑块销，连接杆内设置有连接弹簧，连接弹簧的另一端与对应滑块销相连接，连接杆配置有一套筒，套筒上端与滑块销相连接，套筒能沿连接杆滑动，套筒下端设置有安装轴，上述行走轮设置在安装轴上。

3.根据权利要求1所述的螺旋式管道机器人，其特征在于，上述万向机构包括十字轴，十字轴上设置有传动轴叉与套筒叉，十字轴的每个轴上均设置有一个轴承外圈，传动轴叉、套筒叉均通过对应的卡环与相应的轴承外圈相连接，传动轴叉与套筒叉上均设置有均设置有连接套筒。

4.根据权利要求3所述的螺旋式管道机器人，其特征在于，上述轴承外圈为滚针轴承圈。

5.根据权利要求1所述的螺旋式管道机器人，其特征在于，上述主支架上设置有用于控制螺旋式管道机器人运行的控制系统。