CN106313073B - 一种管道爬行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道爬行机器人，由动力机架和攀爬装置组成，动力机架包括滚架结构、驱动装置；攀爬装置包括动力滑块结构、扩张爪升降机构、扩张爪爪盘结构、扩张爪爪套，滚架结构均布在驱动装置周围，驱动装置通过侧边支架与滚架结构固定连接；动力滑块结构为两个前后布置，采用正六边形结构，四周通过滚珠花键与滚架结构连接，中部与驱动装置连接；扩张爪升降机构为两组共六个，每组三个通过其底座背部的螺栓孔与一个动力滑块结构连接固定，扩张爪爪盘通过卡盘支柱与扩张爪升降机构相连，扩张爪爪套通过其背后的筋板与扩张爪爪盘连接。本发明机器人用于管道内部清扫、抛光、清洗、焊接、喷涂维护，以及旧管道腐蚀、破损情况检测和泄漏预报等。

Description

一种管道爬行机器人

技术领域

本发明涉及一种管道爬行机器人。

背景技术

城市中交错分布的管道系统与市民安全息息相关，其中主要有自来水供应管道系统、污水排放管道系统和天然气供应管道系统等，特别是20世纪70年代以来，随着石油、化工、天然气以及核工业的迅猛发展，管道作为一种重要的物料输送设施，给人们的生活和生产带来了极大的便利，因此得到了更为广泛的应用。

管道系统大多垂直设置，管内狭窄，连接处众多。随着管道使用年限的增长，管道的腐蚀老化或者外力破坏作用等因素都会造成管道破裂、泄漏，或者管道内部输送物质粘附沉积在管道内壁使得管道有效工作面积减小甚至堵塞，所以需要定期对管道使用状况进行检测、维修和清洗，但是大量管道系统受到工作空间的限制或者使用环境的特殊要求，例如口径比较小的管道系统，核工业中使用的管道系统等，这些管道系统都使得检测维修人员无法直接到达或不允许人们直接接触来对管道进行检测与维修，并且这样的管道系统在人们使用的管道系统当中占据相当大的比例。

对于这样的管道系统，传统的检测维修方法主要采用：（a）全面挖掘法，即将要检测维修的管道全部从使用现场拆卸下来，然后采用特定的方法进行检测维修或者更换，此方法的缺点为工程量巨大，费用高；（b）随机抽样法，即从整套管道系统当中采用随机抽取样品的方法拆卸一部分管道来进行检测，从而判断整套管道系统的使用情况，此种方法的缺点为具有随机性，准确率低，特别是一些重要性和安全性要求很高的管道系统，目前很多都是采用提前报废更换的方法进行处理，从而造成了资源的巨大浪费。在这样实际应用的迫切要求下，管道爬行机器人作为一种代替人工进入到那些特殊的管道系统内部作业的机械设备得到了更多的关注和研究。

管道爬行机器人是一种可在管道内行走的机械装置，可以携带一个或多个传感器及操作装置（如CCD摄像机、位置和姿态传感器、超声波传感器、涡流传感器、管道清洗装置、管道裂纹及管道接口焊接装置、防腐喷涂装置、简单的操作机械手等），在操作人员的远距离控制下进行一系列的管道检测清洗作业。

目前国内外关于研究管道机器人和爬壁机器人的研究成果已经很多，但将攀爬与微小管道、特殊管道（如变径管道、带有U型管的管道）进行结合的机器人技术用于检测、清洗、维修还刚起步，主要存在的技术难题有：管道检测清洗机器人的工作空间是复杂、封闭的各种管道，包括水平直管、各角度弯管、斜坡管、垂直管以及变径管接口等，它的运行距离一般也较长，在通过管道接口处时需要保持自身稳定；在管径不同时需要及时改变外径；通过不同截面的管道，例如圆管、方管时，确保稳定贴合在管道内壁不发生松动；解决管道爬行机器人运动情况单一、实用性能不够好等情况，同时满足智能化、小型化、自动化的要求。但是由于该类管道在各个领域的广泛应用，因此研发管道爬行类机器人极具吸引力。

经调查该类机器人的发展情况，现已有的小型管内移动机器人由动力内置式螺旋轮移动机构、摄像头和监视器等组成。螺旋轮移动机构的主要部分为：减速电机、驱动机构和保持机构。驱动轮均匀分布于轮架上与轮架铰接，并与管壁呈一定的倾斜角，当电机通电时，电机轴带动轮架转动，使驱动轮沿管壁作螺旋运动。保持机构的轮子压紧在管壁上，防止电机外壳反向转动。随着电机的转动，驱动机构作螺旋运动，保持机构沿管道中心轴线移，改变施加于电机的电流极性，可改变机器人的移动方向，从而使机器人在管内进退。另外挪威SINTEF研究基金会在2008年研制出的蛇形机器人“安娜·康达”以轮子来运动，能通过其腹部靠着管道壁来实现向一侧移动，并能扭曲自己向上行进或向下倾倒，或让自己靠在管道壁上，而蛇形机器人靠多个相同模块连接，须达到一定长度，否则无法传递动力进行攀爬，在较为狭小的管道内并不适用。

本发明针对在管道内攀爬作业的机器人进行了总体设计，作为一种移动式服务机器人，搭载相应的设备，实现管道内的清洗、探伤、检测等多种功能。这一成果对改善劳动条件、减轻劳动强度、提高作业效率、降低作业成本、保障人身安全有着十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对管道系统大多垂直设置，管内狭窄，连接处众多。随着管道使用年限的增长，管道的腐蚀老化或者外力破坏作用等因素都会造成管道破裂、泄漏，或者管道内部输送物质粘附沉积在管道内壁使得管道有效工作面积减小甚至堵塞，提供一种管道爬行机器人，可以定期对管道使用状况进行检测、维修和清洗等。

为达到上述目的，本发明的思路如下：

管道检测清洗机器人的工作空间是复杂、封闭的各种管道，包括水平直管、各角度弯管、斜坡管、垂直管以及变径管接口等，它的运行距离一般也较长，在通过管道接口处时需要保持自身稳定；在管径不同时需要及时改变外径；通过不同截面的管道，例如圆管、方管时，确保稳定贴合在管道内壁不发生松动；解决管道爬行机器人运动情况单一、实用性能不够好等情况，同时满足智能化、小型化、自动化的要求。

基于以上思路，本发明采用如下技术方案：

一种管道爬行机器人，由动力机架和攀爬装置组成，所述动力机架包括滚架结构、驱动装置；所述攀爬装置包括动力滑块结构、扩张爪升降机构、扩张爪爪盘结构、扩张爪爪套，所述滚架结构均布在驱动装置周围，驱动装置通过侧边支架与滚架结构固定连接；所述动力滑块结构为两个前后布置，采用正六边形结构，四周通过滚珠花键与滚架结构连接，中部与驱动装置连接；所述扩张爪升降机构为两组共六个，每组三个通过其底座背部的螺栓孔与一个动力滑块结构连接固定，所述扩张爪爪盘通过卡盘支柱与扩张爪升降机构相连，所述扩张爪爪套通过其背后的筋板与扩张爪爪盘连接。

所述滚架结构由六根导轨和两个导轨支架构成，每个导轨支架连接三根导轨，每根导轨的前中后三个位置与导轨支架固定，六根导轨以两两夹角60°均布在驱动装置周围，在导轨支架上设有螺纹孔与驱动装置中侧边支架配合连接。

所述驱动装置包括一个控制系统，两套滑轨总成和两个侧边支架，所述两套滑轨总成反向相对设置，与两个侧边支架构成一个四面封闭空间，封闭空间中间放置控制系统；所述侧边支架的外侧与导轨支架连接，内侧设计为凹凸沟槽结构，便于与导轨总成和控制系统的连接。

所述动力滑块结构为两个前后布置，采用正六边形结构，正六边形的每个顶点位置安装滚珠花键，滚珠花键两端安装花键盖，六个滚珠花键分别与滚架结构中六根导轨装配，使整个动力滑块结构能够沿导轨运动，两个动力滑块结构的中部分别与两套滑轨总成中的滚珠丝杆螺母连接，滑轨总成中的滚珠丝杆运动带动动力滑块结构沿导轨在两根导轨支架中运动，当接近安装在滚架结构上的限位开关时停止运动；所述动力滑块结构正六边形结构每条边上留有四个通孔，用于与扩张爪升降机构的连接，每个动力滑块结构上连接三个扩张爪升降机构，间隔120°设置，两个动力滑块结构上的六个扩张爪升降机构间隔60°设置。

所述扩张爪升降机构采用四连杆和摇杆滑块组合结构，包括电机、滚珠丝杆、底座曲柄支承端、电机接口座、扩张爪后座和扩张爪座；所述底座曲柄支承端安装在底座上，底座曲柄支撑端左端固定有电机接口座，在电机接口座的出口处安装有电机，电机通过联轴器与滚珠丝杆连接；扩张爪座安装在底座的四个顶点处便于与爪盘支柱连接，扩张爪后座则固定在底座的右端与滚珠丝杆的末端连接，用来固定扩张爪座；所述底座后侧设有八个螺栓，分为两排相对布置，与动力滑块结构上的扩张爪连接孔配合，将扩张爪升降机构安装在动力滑块上。

所述扩张爪爪盘结构由爪盘支柱、扩张爪架、联轴器、持爪架、大钩爪、小钩爪、爪盘轴组成；所述爪盘支柱的下端与扩张爪座连接，爪盘支柱上端固定弹簧，弹簧另一端固定于扩张爪架上端，弹簧无变形即扩张爪为展开模式时为管道爬行机器人常态；当扩张爪受压时，爪盘支柱相应的被下压，弹簧伸长，此时管道爬行机器人为收缩状态；当管壁对扩张爪压力减小时，弹簧变形恢复，机器人重新展开；所述扩张爪架上有两个相同模块，每个模块由持爪架、大钩爪、小钩爪、爪盘轴组成；两爪盘轴间用联轴器连接，每根爪盘轴上均布三个持爪架，在靠近联轴器的两个持爪架上，其中间安装有一个大钩爪，两端安装小钩爪，而在远离联轴器的持爪架上则只在中间安装大钩爪；大小钩爪下端都连接弹簧，所以两个相同的模块中的大小钩爪在弹簧的作用下能够多方向运动。

所述扩张爪爪套采用分段式结构，中间一段采用弹簧钢，便于爪套向内弯曲，旁边部分采用塑料制成，最外端的塑料材质较软，并在上下设置30°倾角，当管壁粗糙不平或有少量障碍物时，也不影响管道爬行机器人攀爬机构运动的平稳性。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

本发明采用模块化结构，具有空间小，结构灵活等优点，相比人工作业，工作效率可以提高一倍以上，相比大型工程机械，价格低廉，维护简单，适合进行批量生产，经济效益可观。

附图说明

图1为本发明一种管道爬行机器人整体结构示意图。

图2为本发明一种管道爬行机器人滚架结构示意图。

图3为本发明一种管道爬行机器人驱动装置示意图。

图4为本发明一种管道爬行机器人动力滑块结构示意图。

图5为本发明一种管道爬行机器人扩张爪升降机构结构示意图。

图6为本发明一种管道爬行机器人扩张爪爪盘结构示意图。

图7为本发明一种管道爬行机器人扩张爪爪套结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，一种管道爬行机器人，由动力机架和攀爬装置组成，所述动力机架包括滚架结构100、驱动装置200；所述攀爬装置包括动力滑块结构300、扩张爪升降机构400、扩张爪爪盘结构500、扩张爪爪套600，所述滚架结构100均布在驱动装置200周围，驱动装置200通过侧边支架203与滚架结构100固定连接；所述动力滑块结构300为两个前后布置，采用正六边形结构，四周通过滚珠花键301与滚架结构100连接，中部与驱动装置200连接；所述扩张爪升降机构400为两组共六个，每组三个通过其底座背部的螺栓孔与一个动力滑块结构300连接固定，所述扩张爪爪盘500通过卡盘支柱501与扩张爪升降机构400相连，所述扩张爪爪套600通过其背后的筋板与扩张爪爪盘500连接。

如图2所示，所述滚架结构100由六根导轨101和两个导轨支架102构成，每个导轨支架102连接三根导轨101装配成一组攀爬装置，一共两组；每根导轨101的前中后三个位置与导轨支架102固定，六根导轨101以两两夹角60°均布在驱动装置200周围，在导轨支架102上设有螺纹孔与驱动装置200中侧边支架203配合连接。

如图3所示，所述驱动装置200包括一个控制系统201，两套滑轨总成202和两个侧边支架203，所述两套滑轨总成202反向相对设置，与两个侧边支架203构成一个四面封闭空间，封闭空间中间放置控制系统201；所述侧边支架203的外侧与导轨支架102连接，内侧设计为凹凸沟槽结构，便于与导轨总成202和控制系统201的连接。

如图4所示，所述动力滑块结构300为两个前后布置，采用正六边形结构，正六边形的每个顶点位置安装滚珠花键301，滚珠花键301两端安装花键盖302，六个滚珠花键301分别与滚架结构100中六根导轨101装配，使整个动力滑块结构300能够沿导轨101运动，两个动力滑块结构300的中部分别与两套滑轨总成202中的滚珠丝杆螺母连接，滑轨总成202中的滚珠丝杆运动带动动力滑块结构300沿导轨101在两根导轨支架102中运动，当接近安装在滚架结构100上的限位开关时停止运动；所述动力滑块结构300正六边形结构每条边上留有四个通孔，用于与扩张爪升降机构400的连接，每个动力滑块结构300上连接三个扩张爪升降机构400，间隔120°设置，两个动力滑块结构300上的六个扩张爪升降机构400间隔60°设置。

如图5所示，所述扩张爪升降机构400采用四连杆和摇杆滑块组合结构，一共6套，分为2组每组三个，相同的一组安装在同一个动力滑块结构300上，两组之间的两组之间的扩张爪升降机构400交替安装，同组之间相隔120度，不同组之间的两个相邻扩张爪升降机构400相隔60度，每个扩张爪升降机构400包括电机402、滚珠丝杆403、底座曲柄支承端404、电机接口座405、扩张爪后座406和扩张爪座407；所述底座曲柄支承端404安装在底座401上，底座曲柄支撑端404左端固定有电机接口座405，在电机接口座405的出口处安装有电机402，电机402通过联轴器与滚珠丝杆403连接；扩张爪座407安装在底座401的四个顶点处便于与爪盘支柱501连接，扩张爪后座406则固定在底座401的右端与滚珠丝杆403的末端连接，用来固定扩张爪座407；所述底座401后侧设有八个螺栓，分为两排相对布置，与动力滑块结构300上的扩张爪连接孔配合，将扩张爪升降机构400安装在动力滑块300上。

如图6所示，所述扩张爪爪盘结构500由爪盘支柱501、扩张爪架502、联轴器503、持爪架504、大钩爪505、小钩爪506、爪盘轴507组成；所述爪盘支柱501的下端与扩张爪座407连接，爪盘支柱501上端固定弹簧，弹簧另一端固定于扩张爪架502上端，弹簧无变形即扩张爪为展开模式时为管道爬行机器人常态；当扩张爪受压时，爪盘支柱501相应的被下压，弹簧伸长，此时管道爬行机器人为收缩状态；当管壁对扩张爪压力减小时，弹簧变形恢复，机器人重新展开；所述扩张爪架502上有两个相同模块，每个模块由持爪架504、大钩爪505、小钩爪506、爪盘轴507组成；两爪盘轴507间用联轴器503连接，每根爪盘轴507上均布三个持爪架504，在靠近联轴器503的两个持爪架504上，其中间安装有一个大钩爪505，两端安装小钩爪506，而在远离联轴器503的持爪架504上则只在中间安装大钩爪505；大小钩爪下端都连接弹簧，所以两个相同的模块中的大小钩爪在弹簧的作用下能够多方向运动。

如图7所示，所述扩张爪爪套600采用分段式结构，中间一段采用弹簧钢，便于爪套向内弯曲，旁边部分采用塑料制成，最外端的塑料材质较软，并在上下设置30°倾角，当管壁粗糙不平或有少量障碍物时，也不影响管道爬行机器人攀爬机构运动的平稳性。扩张爪爪套600外部表面贴有两块条状橡胶皮，增加对管壁的贴合性；当管壁不同时，扩张爪爪套600能改变自身形态。

本发明的工作过程为：以控制系统201为中心，覆盖上滑轨总成202和侧边支架203，侧边支架203上连接滚架100，滑轨总成202上丝杠螺母带动动力滑块300，使动力滑块结构300在滚架100的导轨101上来回运动，动力滑块结构300上连接扩张爪升降机构400，升降机构400驱动扩张爪爪盘500运动，依靠罩在卡盘上的爪套600贴合于管道内壁。

在整个一种管道爬行机器人结构中，有两个20V大电机和六个4.5V小电机，利用八个动力源使机器人完成管道内壁的攀爬运动过程；利用一系列检测装置如位移检测、速度检测、加速度检测、压力检测等将实时数据反馈到控制单元，控制单元对各模块机构的运动进行调整，使内管爬行机器人处于最佳工作状态。

Claims (6)

1.一种管道爬行机器人，由动力机架和攀爬装置组成，所述动力机架包括滚架结构（100）、驱动装置（200）；所述攀爬装置包括动力滑块结构（300）、扩张爪升降机构（400）、扩张爪爪盘结构（500）、扩张爪爪套（600），其特征在于，所述滚架结构（100）均布在驱动装置（200）周围，驱动装置（200）通过侧边支架（203）与滚架结构（100）固定连接；所述动力滑块结构（300）为两个前后布置，采用正六边形结构，四周通过滚珠花键（301）与滚架结构（100）连接，中部与驱动装置（200）连接；所述扩张爪升降机构（400）为两组共六个，每组三个通过其底座背部的螺栓孔与一个动力滑块结构（300）连接固定，所述扩张爪爪盘结构（500）通过卡盘支柱（501）与扩张爪升降机构（400）相连，所述扩张爪爪套（600）通过其背后的筋板与扩张爪爪盘结构（500）连接；

所述扩张爪爪套（600）采用分段式结构，中间一段采用弹簧钢，便于爪套向内弯曲，旁边部分采用塑料制成，最外端的塑料材质较软，并在上下设置30°倾角，当管壁粗糙不平或有少量障碍物时，也不影响管道爬行机器人攀爬机构运动的平稳性。

2.根据权利要求1所述的管道爬行机器人，其特征在于，所述滚架结构（100）由六根导轨（101）和两个导轨支架（102）构成，每个导轨支架（102）连接三根导轨（101）装配成一组攀爬装置，一共两组；每根导轨（101）的前中后三个位置与导轨支架（102）固定，六根导轨（101）以两两夹角60°均布在驱动装置（200）周围，在导轨支架（102）上设有螺纹孔与驱动装置（200）中侧边支架（203）配合连接。

3.根据权利要求1所述的管道爬行机器人，其特征在于，所述驱动装置（200）包括一个控制系统（201），两套滑轨总成（202）和两个侧边支架（203），所述两套滑轨总成（202）反向相对设置，与两个侧边支架（203）构成一个四面封闭空间，封闭空间中间放置控制系统（201）；所述侧边支架（203）的外侧与导轨支架（102）连接，内侧设计为凹凸沟槽结构，便于与导轨总成（202）和控制系统（201）的连接。

4.根据权利要求1所述的管道爬行机器人，其特征在于，所述动力滑块结构（300）为两个前后布置，采用正六边形结构，正六边形的每个顶点位置安装滚珠花键（301），滚珠花键（301）两端安装花键盖（302），六个滚珠花键（301）分别与滚架结构（100）中六根导轨（101）装配，使整个动力滑块结构（300）能够沿导轨（101）运动，两个动力滑块结构（300）的中部分别与两套滑轨总成（202）中的滚珠丝杆螺母连接，滑轨总成（202）中的滚珠丝杆运动带动动力滑块结构（300）沿导轨（101）在两根导轨支架（102）中运动，当接近安装在滚架结构（100）上的限位开关时停止运动；所述动力滑块结构（300）正六边形结构每条边上留有四个通孔，用于与扩张爪升降机构（400）的连接，每个动力滑块结构（300）上连接三个扩张爪升降机构（400），间隔120°设置，两个动力滑块结构（300）上的六个扩张爪升降机构（400）间隔60°设置。

5.根据权利要求1所述的管道爬行机器人，其特征在于，所述扩张爪升降机构（400）采用四连杆和摇杆滑块组合结构，一共6套，分为2组每组三个，相同的一组安装在同一个动力滑块结构（300）上，两组之间的两组之间的扩张爪升降机构（400）交替安装，同组之间相隔120度，不同组之间的两个相邻的扩张爪升降机构（400）相隔60度，每个扩张爪升降机构（400）包括电机（402）、滚珠丝杆（403）、底座曲柄支承端（404）、电机接口座（405）、扩张爪后座（406）和扩张爪座（407）；所述底座曲柄支承端（404）安装在底座（401）上，底座曲柄支承端（404）左端固定有电机接口座（405），在电机接口座（405）的出口处安装有电机（402），电机（402）通过联轴器与滚珠丝杆（403）连接；扩张爪座（407）安装在底座（401）的四个顶点处便于与爪盘支柱（501）连接，扩张爪后座（406）则固定在底座（401）的右端与滚珠丝杆（403）的末端连接，用来固定扩张爪座（407）；所述底座（401）后侧设有八个螺栓，分为两排相对布置，与动力滑块结构（300）上的扩张爪连接孔配合，将扩张爪升降机构（400）安装在动力滑块结构（300）上。

6.根据权利要求1所述的管道爬行机器人，其特征在于，所述扩张爪爪盘结构（500）由爪盘支柱（501）、扩张爪架（502）、联轴器（503）、持爪架（504）、大钩爪（505）、小钩爪（506）、爪盘轴（507）组成；所述爪盘支柱（501）的下端与扩张爪座（407）连接，爪盘支柱（501）上端固定弹簧，弹簧另一端固定于扩张爪架（502）上端，弹簧无变形即扩张爪为展开模式时为管道爬行机器人常态；当扩张爪受压时，爪盘支柱（501）相应的被下压，弹簧伸长，此时管道爬行机器人为收缩状态；当管壁对扩张爪压力减小时，弹簧变形恢复，机器人重新展开；所述扩张爪架（502）上有两个相同模块，每个模块由持爪架（504）、大钩爪（505）、小钩爪（506）、爪盘轴（507）组成；两爪盘轴（507）间用联轴器（503）连接，每根爪盘轴（507）上均布三个持爪架（504），在靠近联轴器（503）的两个持爪架（504）上，其中间安装有一个大钩爪（505），两端安装小钩爪（506），而在远离联轴器（503）的持爪架（504）上则只在中间安装大钩爪（505）；大小钩爪下端都连接弹簧，所以两个相同的模块中的大小钩爪在弹簧的作用下能够多方向运动。