CN106323153B - 用于管道内孔质量检测的微型移动机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于管道内孔质量检测的微型移动机器人，属于自动化装备领域。包括同轴安装的旋转扫描模块、定心导向模块、驱动行走模块、测量控制模块。旋转扫描模块通过直径方向上对称安装的一对测距传感器检测内孔几何参数，通过中心上安装的视觉传感器检测内孔表面质量。定心导向模块通过均匀调节圆周方向上对称布置的三个导向轮的径向位置，同步消除机器人与内孔间的间隙。驱动行走模块在驱动机器人移动时，通过一测距传感器检测位置并进行定位控制。本发明还公开了上述微型移动机器人在管道内孔进行质量检测的控制方法。

Description

用于管道内孔质量检测的微型移动机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种管道内孔检测装置，具体讲是一种用于管道内孔质量检测的微型移动机器人及其控制方法，属于自动化测量领域。

背景技术

管道作为运输气体、液体和带固体颗粒物的流体的装置，广泛应用于工业生产和社会生活的多个方面，如矿山行业的尾矿排放、矿浆输送，又如石油化工行业的原油运输、化工原料和废气废水的输送等。为了提高管道的使用寿命，防止泄露事故的发生，或防止堵塞问题的出现，使用过程中必须对管道进行定期的检测和维护，及时发现存在故障或隐患，并加以修复和排除。

目前大部分管道，采用人工方式进行检测和维修，其存在不安全、不方便、成本高等诸多缺点。因此，管道机器人作为一种管道检测和维修的高效装置，正开始逐步应用于各种类型的管道。根据管道机器人的作业功能，可分为管道检测机器人和管道维护机器人，前者主要进行管道故障定位和管道探伤作业，后者主要进行管道的清扫、补口、焊接等作业。两者的主要区别在于管道检测机器人不具有清扫、补口等作业装置，但配备了诸如摄像机、激光传感器等多种检测传感器。

2013年11月20日，中国发明专利申请ZL2013102876415，公开了一种用于管道内径测量的管道机器人。它包括支撑机构、驱动机构和激光测量机构。在支撑机构中，步进电机驱动滚珠丝杠上的螺母前后移动，带动与后支架座连接的三个推杆进行张合运动，从而控制三个后轮支架及后轮的开合角度。在驱动机构中，步进电机通过蜗杆驱动三个蜗轮，再通过与蜗轮连接的带轮驱动前轮支架上前轮的转动。前轮支架与后轮支架之间通过连杆进行连接，保证前轮支架随后轮支架一起进行张合运动。在测量机构中，步进电机带动传感器支座转动，从而间接带动传感器测头转动，进行管道内径的非接触测量。

该管道内径测量机器人可通过后轮支架的张合运动，可适用于内径变化范围较大的管道，但该机器人在管道检测方面还存在以下不足：(1)、由于滚珠丝杠机构、蜗轮蜗杆机构、前后轮支架机构的尺寸较大，仅能用于内孔直径较大的管道，无法用于大长径比(长度与直径之比大于10)的细直(直径小于100mm)管道；(2)、由于前后轮支架机构的定心精度较低，且滚珠丝杠机构和测头转动机构的同轴度难以保证，该管道机器人对管道内孔直径的检测精度较低，受定心误差和回转误差的影响较大；(3)、该管道机器人的结构仅能用于管道内孔直径检测，无法用于管道内孔圆度、圆柱度和表面质量的检测，功能单一，检测效率低，不具备大量测量数据的智能处理能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种可在大长径比(长度与直径之比大于10)的细直(直径小于100mm)管道内孔中自动定心并沿轴线方向自驱动行走，可高精度检测管道内孔的直径、圆度、圆柱度等几何参数和表面质量的微型移动机器人。

为了解决上述技术问题，本发明提供的用于管道内孔质量检测的微型移动机器人，包括依次同轴安装连接的旋转扫描模块、前定心导向模块、驱动行走模块、后定心导向模块和测量控制模块，所述各个模块具有相同的公共轴心线；

所述旋转扫描模块包括驱动旋转机构和传感检测机构，驱动旋转机构驱动传感检测机构绕其轴心线旋转；所述传感检测机构包括旋转套筒，所述旋转套筒在直径方向上对称安装一对用于检测管道内孔几何参数的第一测距传感器，所述一对第一测距传感器的安装间距与第一测距传感器的两倍测量量程之和不小于管道内孔的直径；所述旋转套筒在另一直径方向上偏心安装用于检测管道内孔表面质量的视觉传感器和检测微型移动机器人位置的第二测距传感器；所述驱动旋转机构上设有转角传感器；所述视觉传感器、第一测距传感器、第二测距传感器和转角传感器与测量控制模块电连接；

所述前定心导向模块和后定心导向模块结构相同，包括导向轮调节机构和3个沿导向轮调节机构圆周方向上均匀分布的导向轮，导向轮调节机构均匀同步调节导向轮的径向移动，控制导向轮与管道内孔内壁保持接触或分离；所述导向轮调节机构与测量控制模块电连接；

所述驱动行走模块驱动旋转扫描模块、前定心导向模块、后定心导向模块和测量控制模块沿内孔轴向移动，所述驱动行走模块与测量控制模块电连接。

本发明中，所述驱动旋转机构包括旋转基座、固定基座、旋转保持架和扫描电机，所述旋转基座与旋转套筒同轴固定连接，旋转保持架与固定基座同轴固定连接；所述旋转基座与固定基座通过第一滚动轴承同轴活动连接，所述固定基座内安装扫描电机，扫描电机通过传动机构驱动旋转基座绕公共轴心线相对于固定基座转动，扫描电机末端同轴安装有转角传感器；所述旋转基座与旋转保持架之间同轴活动连接，旋转基座相对于旋转保持架轴向固定但可周向转动。

本发明中，所述旋转保持架包括内圈和外圈；所述内圈和外圈的后部同轴固定连接，内圈和外圈的前部之间隔空形成与其同轴的阶梯圆周槽；所述阶梯圆周槽包括第一圆周槽和第二圆周槽，第二圆周槽的外径大于第一圆周槽外径且内径小于第一圆周槽内径；

所述旋转基座与第一圆周槽之间连接三根沿圆周均匀分布的保持螺栓，三根保持螺栓分布圆周与第一圆周槽的半径相同；所述保持螺栓的一端与旋转基座连接，另一端穿过第一圆周槽与保持螺母固定连接，保持螺母位于中段圆周槽中；所述保持螺栓和保持螺母可绕公共轴线分别沿第一圆周槽和第二圆周槽转动。

本发明中，所述导向轮调节机构包括导向基座、导向端盖、导向电磁铁、导向圆锥轴、轴向弹簧、定位支架；所述导向基座内设有第一轴向孔和第二轴向孔，第二轴向孔的直径大于第一轴向孔，导向基座上与第二轴向孔相对应位置沿圆周方向均匀布置与导向轮数量对应的径向孔；

所述导向端盖内设有第三轴向孔，导向端盖与导向基座同轴固定连接；

所述导向圆锥轴包括前段、中段和后段，所述前段和后段为圆轴，中段为圆锥轴，所述导向圆锥轴中段的大端直径大于小端直径；

所述导向圆锥轴的前段活动安装于第一轴向孔中，中段活动安装于第二轴向孔中，后段活动安装于第三轴向孔中，所述导向圆锥轴可沿三个轴向孔轴向移动；

所述导向电磁铁固定安装于第一轴向孔/第三轴向孔中，轴向弹簧套于导向圆锥轴的前段/后段，轴向弹簧两端分别与导向基座/导向端盖和导向圆锥轴大端圆锥端面保持接触；所述导向电磁铁通过通断电控制导向圆锥轴的轴向移动；

所述每个径向孔中活动安装定位支架，所述定位支架包括大径段和小径段，大径段的内端面与导向圆锥轴接触，导向轮活动安装在定位支架小径段的外端，可绕定位支架的外端沿轴向滚动；所述定位支架的小径段上套装径向弹簧，径向弹簧两端分别与大径段和导向基座保持接触；所述导向圆锥轴的轴向移动通过圆锥面和径向弹簧控制定位支架的径向移动。

本发明中，所述驱动行走模块包括驱动底盘、驱动电机、驱动轮、第二滚动轴承和驱动轴，所述驱动轮固定安装在驱动轴上，驱动轴的两端分别安装第二滚动轴承，第二滚动轴承安装在驱动底盘上；所述驱动轮与驱动电机之间连接传动机构，所述驱动轮与管道内孔轴线平行，与管道内孔内壁接触。

本发明中，所述传动机构为齿轮传动机构，包括驱动齿轮和传动齿轮，传动齿轮与驱动轮同轴安装于驱动轴上，且与驱动齿轮相啮合；所述驱动齿轮与驱动电机连接。

本发明中，所述测量控制模块包括电源、电源驱动板、测量控制板和操作面板，所述电源、电源驱动板、测量控制板和操作面板之间分别通过多段支撑螺栓同轴相连，所述支撑螺栓为阶梯轴，大轴端设有中心孔并预制内螺纹，小轴端预设有与中心孔匹配的外螺纹；所述电源驱动板、测量控制板和操作面板之间电连接；

所述电源驱动板包括电源监控电路、电压转换电路和功率放大电路；所述电源监控电路用于监测电源；所述电压转换电路用于将电源隔离转换为测量控制板所需的电压；所述功率放大电路用于将测量控制板的控制信号放大后向旋转扫描模块、前定心导向模块、驱动行走模块、后定心导向模块提供；

所述测量控制板包括相互连接的处理器核心电路、测量处理电路、无线数据传输电路，所述测量处理电路与第一测距传感器、第二测距传感器、转角传感器电连接；所述无线数据传输电路用于与远程控制计算机通信；

所述操作面板包括无线视频传输装置，无线视频传输装置用于将视觉传感器采集的视频信号传输到远程控制计算机。

本发明还提供了上述的用于管道内孔质量检测的微型移动机器人的检测控制方法，包括以下步骤：

1)、在管道内孔外设置信号标靶，沿管道内孔轴线设置一组离散检测工位点，确定检测工位点相对于管道内孔外信号标靶的预设距离；

2)、导向轮调节机构驱动导向轮沿径向向内收缩移动，使用微型移动机器人进入管道内孔，然后导向轮调节机构驱动导向轮沿径向向外扩张移动，实现微型移动机器人在管道内孔的定心导向；

3)、驱动行走模块驱动微型移动机器人沿管道内孔内壁行走，同时通过视觉传感器采集内壁表面质量的视频图像，传输到远程控制计算机；

4)、第二测距传感器实时检测微型移动机器人相对于信号标靶的距离，通过控制驱动行走模块将微型移动机器人准确定位到检测工位点；

5)、驱动旋转机构控制旋转套筒旋转，通过两个第一测距传感器和转角传感器同步测量旋转套筒相对于管道内孔的内壁距离与驱动旋转机构的旋转角度，传输到远程控制计算机；然后，重新将第二测距传感器对准管道内孔外的信号标靶；

6)、驱动行走模块驱动微型移动机器人沿管道内孔内壁行走，直至微型移动机器人定位于下一个检测工位点或移出管道内孔。

本发明中，所述步骤5)的具体过程为：

5.1)、微型移动机器人准确定位于检测工位点后，通过驱动旋转机构带动旋转套筒沿管道内孔轴线旋转多圈，完成多次旋转扫描重复测量；

5.2)、在旋转套筒旋转过程中，通过两个第一测距传感器沿径向实时测量旋转套筒相对于管道内孔内壁的距离；同时，通过转角传感器实时测量旋转套筒上第一测距传感器的旋转角度，并将第一测距传感器在同一时刻测量的旋转套筒相对于管道内孔内壁的距离和旋转角度记录为一组测量数据，传输到远程控制计算机；

5.3)、将旋转套筒旋转的某一角度位置预设为零点位置，当旋转套筒处于零点位置时，第二测距传感器沿轴向正对于管道内孔外的信号标靶；

当旋转套筒准备停止旋转时，通过转角传感器实时检测旋转套筒旋转的角度位置，并通过驱动旋转机构控制将旋转套筒准确定位于零点位置。

本发明的有益效果在于：(1)、针对大长径比(长度与直径之比大于10)的细直(直径小于100mm)管道，采用携带各种传感器的微型移动机器人自动测量管道内孔几何参数和表面质量，有利于提高管道内孔测量的精度、效率、可重复性和智能性。

(2)、用于管道内孔质量检测的微型移动机器人采用模块化设计，包括同轴安装的旋转扫描模块、定心导向模块、驱动行走模块、测量控制模块，模块之间耦合程度低，可重构性好。

(3)、定心导向模块通过导向电磁铁及其驱动的导向圆锥轴，均匀调节模块圆周方向上导向轮的径向位置，利用导向轮将微型移动机器人的自身轴线定位于管道内孔轴线，有利于提高管道内孔直径、圆度和圆柱度的测量精度。

(4)、旋转扫描模块通过驱动旋转机构驱动旋转套筒绕内孔轴心线旋转，在旋转套筒直径方向上对称安装一对检测内孔几何参数的第一测距传感器，有利于提高管道内孔直径、圆度和圆柱度的测量精度；在旋转套筒另一正交直径方向上偏心安装视觉传感器和第二测距传感器，可实时检测管道内孔的表面质量和微型移动机器人的轴向位置，有利于提高管道内孔测量的精度、效率和可重复性。

(5)、测量控制模块包括电源驱动板、测量控制板和操作面板，通过无线数据传输电路和无线视频传输装置分别将微型移动机器人的测量数据和视频图像传输保存到远程控制计算机，并可在计算机云端进行大量测量数据的深度学习和知识挖掘，有利于提高管道内孔测量的智能性。

附图说明

图1是本发明中微型移动机器人的结构示意图；

图2是本发明中微型移动机器人旋转扫描模块的主视图；

图3是本发明中旋转保持架结构示意图，图(a)为(b)A-A剖视图；

图4是本发明中微型移动机器人旋转扫描模块的左视图；

图5是本发明中微型移动机器人定心导向模块的主视图；

图6是本发明中微型移动机器人定心导向模块的径向剖视图；

图7是本发明中微型移动机器人驱动行走模块的主视图；

图8是本发明中微型移动机器人驱动行走模块的左视图；

图9是本发明中微型移动机器人测量控制模块的主视图；

图中：1-旋转扫描模块，2-前定心导向模块，3-驱动行走模块，4-后定心导向模块，5-测量控制模块，6-旋转套筒，7-旋转基座，8-第一滚动轴承，9-固定基座，10-旋转保持架，11-保持螺栓，12-保持螺母，13-扫描电机，14-扫描电机支架，15-扫描电机主动齿轮，16-第一测距传感器，17-第二测距传感器，18-视觉传感器，19-转角传感器，20-导向基座，21-导向端盖，22-导向电磁铁，23-导向圆锥轴，24-轴向弹簧，25-定位支架，26-导向轮，27-驱动底盘，28-驱动顶盖，29-驱动电机，30-驱动电机支架，31-驱动轴，32-驱动齿轮，33-传动齿轮，34-驱动轮，35-第二滚动轴承，36-滚动轴承座B，37-电池底板，38-电池，39-支撑螺栓，40-电源驱动板，41-测量控制板，42-操作面板，43-无线数据传输电路，44-无线视频传输装置，45-径向弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的用于管道内孔质量检测的微型移动机器人，包括旋转扫描模块1、前定心导向模块2、驱动行走模块3、后定心导向模块4和测量控制模块5。旋转扫描模块1、前定心导向模块2、驱动行走模块3、后定心导向模块4和测量控制模块5由前至后依次同轴安装连接，上述五个模块具有相同的公共轴线O。

如图2所示，旋转扫描模块1包括旋转套筒6、旋转基座7、第一滚动轴承8、固定基座9、旋转保持架10、保持螺栓11、保持螺母12、扫描电机13、扫描电机支架14、扫描主动齿轮15、第一测距传感器16、第二测距传感器17、视觉传感器18、转角传感器19。旋转套筒6的后端面预制有定位孔，旋转基座7的前端面预制有定位凸台。通过将旋转基座7的定位凸台嵌入到旋转套筒6后端面的定位孔中，实现旋转套筒6与旋转基座7的同轴定位，并通过螺钉将两者固定连接。固定基座9的外圆预制有三段阶梯轴和后端凸缘，中段阶梯轴预制有外螺纹，后端凸缘端面预制有定位凸台。旋转基座7内预制有阶梯中心孔，旋转基座7后段的阶梯孔与固定基座9前段的阶梯轴之间通过第一滚动轴承8同轴活动连接，旋转基座7可绕公共轴线O相对于固定基座9转动，从而带动旋转套筒6相对于固定基座9转动。

如图2和3所示，旋转保持架10分为保持架内圈10A和保持架外圈10B，保持架内圈10A的内孔预制有内螺纹，且其外圆预制有三段阶梯轴，前段阶梯轴的直径大于中段阶梯轴的直径，中段阶梯轴的直径大于后段阶梯轴的直径，后端阶梯轴预制有外螺纹。保持架外圈10B预制有三段阶梯轴向孔，中段阶梯轴向孔的孔径大于前段阶梯轴向孔的孔径，前段阶梯轴向孔的孔径大于后段阶梯轴向孔的孔径，后段阶梯轴向孔预制有内螺纹。旋转保持架10通过保持架内圈10A的内螺纹与固定基座9的中段阶梯轴进行同轴固定连接，保持架外圈10B通过后段阶梯轴向孔的内螺纹与保持架内圈10A的后段阶梯轴进行同轴固定连接。保持架内圈10A与保持架外圈10B固定连接后形成一圈与其中心孔同轴的阶梯圆周槽，前段阶梯轴与前段阶梯轴向孔形成一圈前段圆周槽，中段阶梯轴与中段阶梯轴向孔形成一圈中段圆周槽。

与前段圆周槽正对的旋转基座7的后端面上有一圈圆周均匀分布的三个螺纹孔，螺纹孔的分布圆周具有与前段圆周槽相同的半径。保持螺栓11的前段通过螺纹孔与旋转基座7的后端面固定连接，保持螺栓11的后段穿过旋转保持架10的前段圆周槽后与保持螺母12固定连接，保持螺母12位于中段圆周槽中。保持螺栓11和保持螺母12可绕公共轴线O在旋转保持架10的前段圆周槽、中段圆周槽中转动。由于旋转基座7与固定基座9之间通过第一滚动轴承8连接时，只能限制两者沿轴向的相向移动。在旋转基座7相对于固定基座9向前产生背离移动时，需要依靠保持螺栓11上的保持螺母12与旋转保持架10接触，限制旋转基座7相对于固定基座9沿轴向的背离移动，并保证旋转基座7相对于固定基座9绕公共轴线O的转动。

如图2和4所示，旋转套筒6前端面的直径方向上通过一对开口夹固定安装一对检测内孔直径、圆度、圆柱度等几何参数的第一测距传感器16，两个第一测距传感器16关于公共轴线O中心对称且具有预设的安装间距，该安装间距L_S与第一测距传感器的两倍测量量程2R_S之和不小于管道内孔的直径D_H，即L_S+2R_S≥D_H。第一测距传感器16的感知元件沿径向安装且正对于管道内孔母线，可测量管道内孔内壁沿径向到第一测距传感器16的距离。旋转套筒6前端面的另一直径方向上通过一个开口夹固定安装检测内孔表面质量的视觉传感器18和检测微型移动机器人位置的第二测距传感器17，视觉传感器18和第二测距传感器17关于公共轴线O中心对称，并且两者的间距大于两者自身的尺寸宽度，还需避免两者测量宽度范围重叠而产生的相互干扰。第二测距传感器17的感知元件沿轴向安装且正对于管道内孔外的信号标靶。

如图2所示，扫描电机13通过扫描电机支架14固定安装于固定基座9的内孔中，扫描电机13的轴线与固定基座9的轴线平行。扫描电机13的末端输出轴上预制有中心孔，转角传感器19的旋转轴同轴安装于该输出轴的中心孔中，并通过螺钉固定，转角传感器19的旋转轴可随扫描电机13的输出轴相对于固定基座9转动。扫描主动齿轮15通过键固定安装于扫描电机13的前端输出轴上，旋转基座7前段的阶梯孔上预制有内齿圈，扫描主动齿轮15与旋转基座7的内齿圈相啮合，组成齿轮传动机构。扫描电机13可通过扫描主动齿轮15驱动旋转基座7相对于固定基座9转动，从而带动旋转套筒6绕公共轴线O转动，并通过转角传感器19实时测量旋转套筒6上第一测距传感器16的旋转角度。

如图5和6所示，前定心导向模块2和后定心导向模块4的结构相同，二者仅在安装位置不同，现对定心导向模块2进行说明。定心导向模块包括导向基座20、导向端盖21、导向电磁铁22、导向圆锥轴23、轴向弹簧24、定位支架25、导向轮26。导向基座20的外圆预制有两段阶梯轴和前后凸缘，前端凸缘端面中心预制有定位孔。通过将固定基座9后端凸缘端面的定位凸台嵌入导向基座20前端凸缘端面的定位孔中，实现固定基座9与导向基座20的同轴定位，并通过螺钉将两者固定，从而实现旋转扫描模块1与前定心导向模块2的同轴固定连接。导向基座20的轴线中心分别预制有第一阶梯轴向孔H_z1和第二阶梯轴向孔H_z2，第一阶梯轴向孔H_z1的直径d₁小于第二阶梯轴向孔的直径d₂。导向基座20的外圆柱面与第二阶梯轴向孔H_z2对应的位置，沿圆周方向上每隔120°对称设置三个径向孔H_r1，从外圆表面穿至第二阶梯轴向孔H_z2表面。导向端盖21的外圆预制有前后凸缘，其轴线中心预制第三阶梯轴向孔H_z3，第三阶梯轴向孔的直径与第一阶梯轴向孔的直径d₁相同，与有第一阶梯轴向孔H_z1和第二阶梯轴向孔H_z2贯通。导向端盖21前端凸缘的端面中心预制有定位凸台，通过将该定位凸台嵌入导向基座20后端的第二阶梯轴向孔H_z2中，实现导向端盖21与导向基座20的同轴定位，并通过螺钉将两者固定。导向端盖21的后端凸缘的端面中心也预制有定位凸台，用于嵌入驱动行走模块3中的驱动顶盖28中，实现两者间的连接。

如图5和6所示，导向圆锥轴23分为三段，前端的第一段A_z1和后端的第三段A_z3为直径为d₁的圆轴，中间的第二段A_z2为大端直径为d₃(d₁<d₃<d₂)、小端直径为d₁的圆锥轴。导向圆锥轴23的前段圆轴A_z1活动安装于导向基座20的第一阶梯轴向孔H_z1中，导向圆锥轴23的后段圆轴A_z3活动安装于导向端盖21的第三阶轴向孔H_z3中，导向圆锥轴23可在第一阶梯轴向孔H_z1和第三阶梯轴向孔H_z3中轴向移动，且在移动过程中不会从第一阶梯轴向孔H_z1和第三阶梯轴向孔H_z3内脱落。导向圆锥轴23的第二段圆锥轴A_z2位于第二阶梯轴向孔H_z2中，其大端接近第一阶梯轴向孔H_z1，小端接近三阶轴向孔H_z3，可在第二阶梯轴向孔H_z2中进行轴向移动。

导向电磁铁22通过螺钉固定安装于导向基座20的第一阶梯轴向孔H_z1的前端，并与固定基座9后端凸缘的定位凸台端面接触。导向电磁铁22在通电状态时可吸引导向圆锥轴23沿轴向趋近移动，直至导向圆锥轴23与其接触。轴向弹簧24空套于导向圆锥轴23的前段圆轴A_z1上，轴向弹簧24两端分别与导向基座20的内孔阶梯台肩、导向圆锥轴23第二段A_z2的大端圆锥端面保持接触，当导向电磁铁22吸引导向圆锥轴23与其接触时，轴向弹簧24处于受压状态。

定位支架25活动安装于导向基座20外圆柱面的径向孔H_r1中，三个间隔120°对称设置的径向孔H_r1中各安装一个定位支架25。定位支架25包括大径阶梯轴A_r1和小径阶梯轴A_r2两段，大径阶梯轴A_r1的内端面与导向圆锥轴23第二段A_z2的圆锥面保持接触，小径阶梯轴A_r2的外端面预制有螺纹孔，导向轮26通过导向轮安装板与小径阶梯轴的外端固定连接，可绕定位支架的外端沿轴向滚动。径向弹簧45套于定位支架的小径阶梯轴A_r2，径向弹簧45两端分别与大径阶梯轴A_r1轴肩和导向基座20第二轴向孔内壁保持接触。当导向电磁铁22断电后，在轴向弹簧24因受压而产生的回复力作用下，导向圆锥轴23沿轴线向后移动，与定位支架25内端面接触的导向圆锥轴23第二段A_z2的圆锥面半径增大，通过第二段A_z2的圆锥面推动与其接触的定位支架25，在导向基座20的径向孔H_r1中产生径向扩张移动，同时通过定位支架25的大径阶梯轴A_r1轴肩压缩径向弹簧45到导向基座20第二轴向孔内壁。在导向电磁铁22通电产生吸引力后，导向圆锥轴23沿轴线向前移动，导向圆锥轴23第二段A_z2的大端圆锥端面压缩轴向弹簧24到导向基座20的内孔阶梯台肩，与定位支架25内端面接触的导向圆锥轴23第二段A_z2的圆锥面半径减小，在径向弹簧45因受压而产生的回复力作用下，定位支架25沿第二段A_z2的圆锥面滑动，在导向基座20的径向孔H_r1中产生径向收缩移动。定位支架25的外端活动安装导向轮26，当定位支架25沿导向基座20的径向孔H_r1向外扩张移动时，导向轮26与管道内孔内壁相接触，并在轴向弹簧24的回复力作用下保持一定的压紧力。通过三个间隔120°对称设置的定位支架25在径向等速移动，直至导向轮26与管道内孔内壁保持接触，实现定心导向模块在管道内孔的定心定位。当导向轮26与管道内孔内壁相接触时，在微型移动机器人驱动力的作用下，导向轮26可绕定位支架25的外端沿轴向滚动。

如图7和8所示，驱动行走模块3包括驱动底盘27、驱动顶盖28、驱动电机29、驱动电机支架30、驱动轴31、驱动齿轮32、传动齿轮33、驱动轮34、第二滚动轴承35、第二滚动轴承座36。驱动顶盖28是一种具有前端面、后端面和顶面的方形壳体，前端面中心预制有定位孔，后端面中心预制有定位凸台。通过将导向端盖21后侧凸缘端面的定位凸台嵌入驱动顶盖28前端面的定位孔中，实现导向端盖21与驱动顶盖28的同轴定位，并通过螺钉将两者固定，从而实现前定心导向模块2与驱动行走模块3的同轴固定连接。再通过将驱动顶盖28后端面的定位凸台嵌入导向基座20前端凸缘端面的定位孔中，实现驱动顶盖28与导向基座20的同轴定位，并通过螺钉将两者固定，从而实现驱动行走模块3与后定心导向模块4的同轴固定连接。

驱动电机支架30通过螺钉固定安装于驱动顶盖28的前端面，驱动电机29通过螺钉固定安装于法兰安装板上，法兰安装板再与驱动电机支架30垂直固定安装，驱动电机29的轴线与微型移动机器人的轴线平行。驱动电机29通过蜗轮蜗杆机构提供一种与电机轴线垂直的输出轴，驱动齿轮32通过键固定安装于驱动电机29的输出轴上。驱动底盘27是一块具有中心槽的方形零件，通过螺钉固定安装于驱动顶盖28的前、后端面，与顶面相对。两个第二滚动轴承座36通过螺钉固定安装于驱动底盘27上，驱动轴31通过两个第二滚动轴承35分别活动安装于第二滚动轴承座36内。驱动轮34通过键固定安装于驱动轴31的左侧，穿过驱动底盘27的中心槽与管道内孔内壁保持接触，且与管道内孔轴线平行。传动齿轮33通过键固定安装于驱动轴31的右侧，传动齿轮33与驱动轮31同轴，且与驱动齿轮32相啮合，组成齿轮传动机构。驱动电机29通过输出轴上的驱动齿轮32、驱动轴31上的传动齿轮33，带动驱动轮34沿管道内孔内壁滚动，从而驱动微型移动机器人沿管道内孔轴向移动。

如图9所示，测量控制模块5包括电池底板37、电池38、支撑螺栓39、电源驱动板40、测量控制板41和操作面板42。电池底板37通过螺钉与后定心导向模块4的导向端盖21固定连接，电池38通过电池盒固定安装于电池底板37上。支撑螺栓39为阶梯轴，在大轴端面加工有中心孔并预制有内螺纹，在小轴一端预制有相同尺寸的外螺纹。电池底板37的端面上有一圈圆周均匀分布的三个螺纹孔，第一组三个支撑螺栓39通过小轴端的外螺纹固定连接于电池底板37的螺纹孔中。电源驱动板40、测量控制板41和操作面板42为一组具有相同大小的圆形电路板，并在边缘有一圈圆周均匀分布的三个孔。电源驱动板40的三个通孔对准第一组三个支撑螺栓39大轴端面的螺纹孔，再用第二组三个支撑螺栓39的小轴穿过电源驱动板40的三个通孔，并与第一组三个支撑螺栓39大轴端面的螺纹孔固定连接，通过第二组三个支撑螺栓39的阶梯面将电源驱动板40压紧在第一组三个支撑螺栓39的大轴端面上。类似地，通过第三组三个支撑螺栓39的阶梯面将测量控制板41压紧在第二组三个支撑螺栓39的大轴端面上，通过第四组三个支撑螺栓39的阶梯面将操作面板42压紧在第三组三个支撑螺栓39的大轴端面上，从而将电源驱动板40、测量控制板41和操作面板42同轴固定安装于电池底板37。

电源驱动板40、测量控制板41和操作面板42之间通过电缆连接。电源驱动板40包括电源监控电路、电压转换电路、功率放大电路，电源监控电路监测电池的电量和电压，电压转换电路将电池电压隔离转换为测量控制板41所需的电压，功率放大电路将测量控制板41的控制信号进行功率放大，提供扫描电机13、导向电磁铁22、驱动电机29的电气驱动接口。测量控制板41包括相互连接的处理器核心电路、测量处理电路、无线数据传输电路43，处理器核心电路是维持处理器运行的最小系统电路，测量处理电路与第一测距传感器16、第二测距传感器17、转角传感器19电连接，提供所述传感器输出信号的前置处理接口，无线数据传输电路43通过无线通信方式与微型移动机器人的远程控制计算机进行数据传输。操作面板42包括按钮、开关、视觉传感器的无线视频传输装置44，无线视频传输装置44通过无线通信方式与微型移动机器人的远程控制计算机进行视频传输。

如图1、2、5、7和9所示，旋转基座7内预制有阶梯中心孔，第一测距传感器16、第二测距传感器17、视觉传感器18、转角传感器19的电缆穿过旋转基座7的中心孔进入固定基座9的内孔。固定基座9的侧壁上预制有径向孔，上述传感器电缆以及扫描电机13、前定心导向模块2上的导向电磁铁22的电缆穿过固定基座9的径向孔到达微型移动机器人的外表面。驱动行走模块3的驱动顶盖28的上端面预制有通孔，驱动电机29、后定心导向模块4上的导向电磁铁22的电缆穿过驱动顶盖28的通孔到达微型移动机器人的外表面。前定心导向模块2的导向基座20、导向端盖21、驱动行走模块3的驱动顶盖28、后定心导向模块4的导向基座20、导向端盖21，在上述零件的外表面预制有布线槽，所有电缆穿过布线槽到达测量控制模块5。所有传感器的电缆与测量控制板41电连接，所有电机、导向电磁铁、继电器的电缆与电源驱动板40电连接。

本发明提供的微型移动机器人在管道内孔进行质量检测的控制方法，用于控制微型移动机器人从管道内孔A端到B端、再从管道内孔B端到A端的两个单向管道内孔质量检测过程。具体包括以下步骤：

(a)、根据管道内孔质量检测要求，在管道设置信号标靶，并沿管道内孔轴线设置一组离散检测工位点，确定检测工位点相对于管道内孔外信号标靶的预设距离。

(b)、在微型移动机器人进入管道前，测量控制模块5控制前定心导向模块2和后定心导向模块4中的导向电磁铁22通电，导向电磁铁22吸引导向圆锥轴23沿轴向趋近移动，直至导向圆锥轴23向前与导向电磁铁22接触，进而定位支架25带动导向轮26沿导向基座20外圆柱面的径向孔H_r1向内收缩移动；

当微型移动机器人进入管道后，测量控制模块5控制前定心导向模块2和后定心导向模块4中的导向电磁铁22断电，在轴向弹簧24的回复力作用下，导向圆锥轴23沿轴向背离导向电磁铁22向后移动，定位支架25带动导向轮26沿导向基座20外圆柱面的径向孔H_r1向外扩张移动，使导向轮26与管道内孔内壁接触并保持压紧，实现微型移动机器人在管道内孔的定心导向。

(c)、微型移动机器人进入管道后，驱动电机29带动驱动轮34运行进而驱动整个微型移动机器人沿管道内孔内壁行走，行走过程中旋转扫描模块1上的视觉传感器18采集管道内孔内壁表面质量的视频图像，并通过无线视频传输装置44将视频图像传输到微型移动机器人的远程控制计算机，进行分析处理。

(d)、同时，通过第二测距传感器17实时检测微型移动机器人相对于信号标靶的距离，当实际距离接近预设距离时，通过精确控制控制驱动行走模块3的驱动电机29的运动增量，将微型移动机器人准确定位于检测工位点。

(e)、微型移动机器人准确定位于检测工位点后，根据管道内孔质量检测要求，扫描电机13驱动旋转套筒6沿管道内孔轴线旋转多圈，完成多次旋转扫描重复测量。在旋转套筒6旋转过程中，通过两个第一测距传感器16沿径向实时测量旋转套筒6相对于管道内孔内壁的距离。

在第一测距传感器16测量其相对于管道内孔内壁距离的同时，转角传感器19实时测量旋转套筒6上的第一测距传感器16的旋转角度，并将第一测距传感器16在同一时刻测量的旋转套筒6相对于管道内孔内壁的距离和旋转角度记录为一组测量数据，通过无线传输电路43传输到微型移动机器人的远程控制计算机，进行分析处理。具体如下：管道内孔直径为两个第一测距传感器16的安装间距与两个第一测距传感器16的距离测量值之和，内孔圆度公差为包络旋转套筒6旋转一圈测量的所有直径数据的两个同心圆的最小半径之差，内孔圆度柱公差为包络旋转套筒6在所有离散检测工位点旋转多圈测量的所有直径数据的两个同心圆柱的最小半径之差。

当该检测工位点旋转扫描运动结束后，将第二测距传感器17重新对准管道内孔外的信号标靶：将旋转套筒6旋转的某一角度位置预设为零点位置，当旋转套筒6处于零点位置时，第二测距传感器17的感知元件沿轴向正对于管道内孔外的信号标靶；当旋转套筒6准备停止旋转时，通过转角传感器19实时检测旋转套筒6旋转的角度位置，在所述角度位置接近零点位置时，通过精确控制扫描电机13的运动增量，将旋转套筒6准确定位于零点位置，实现第二测距传感器17对准管道内孔外的信号标靶。

(f)、当测距传感器17对准信号标靶后，通过驱动电机29带动驱动轮34沿管道内孔内壁行走，直至微型移动机器人定位于下一个检测工位点进行扫描检测或移出管道内孔。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于管道内孔质量检测的微型移动机器人，其特征在于：包括依次同轴安装连接的旋转扫描模块、前定心导向模块、驱动行走模块、后定心导向模块和测量控制模块，所述各个模块具有相同的公共轴心线；

所述旋转扫描模块包括驱动旋转机构和传感检测机构，驱动旋转机构驱动传感检测机构绕其轴心线旋转；所述传感检测机构包括旋转套筒，所述旋转套筒在直径方向上对称安装一对用于检测管道内孔几何参数的第一测距传感器，所述一对第一测距传感器的安装间距与第一测距传感器的两倍测量量程之和不小于管道内孔的直径；所述旋转套筒在另一直径方向上偏心安装用于检测管道内孔表面质量的视觉传感器和检测微型移动机器人位置的第二测距传感器；所述驱动旋转机构上设有转角传感器；所述视觉传感器、第一测距传感器、第二测距传感器和转角传感器与测量控制模块电连接；

所述前定心导向模块和后定心导向模块结构相同，包括导向轮调节机构和3个沿导向轮调节机构圆周方向上均匀分布的导向轮，导向轮调节机构均匀同步调节导向轮的径向移动，控制导向轮与管道内孔内壁保持接触或分离；所述导向轮调节机构与测量控制模块电连接；

所述驱动行走模块驱动旋转扫描模块、前定心导向模块、后定心导向模块和测量控制模块沿内孔轴向移动，所述驱动行走模块与测量控制模块电连接。

2.根据权利要求1所述的用于管道内孔质量检测的微型移动机器人，其特征在于：所述驱动旋转机构包括旋转基座、固定基座、旋转保持架和扫描电机，所述旋转基座与旋转套筒同轴固定连接，旋转保持架与固定基座同轴固定连接；所述旋转基座与固定基座通过第一滚动轴承同轴活动连接，所述固定基座内安装扫描电机，扫描电机通过传动机构驱动旋转基座绕公共轴心线相对于固定基座转动，扫描电机末端同轴安装有转角传感器；所述旋转基座与旋转保持架之间同轴活动连接，旋转基座相对于旋转保持架轴向固定但可周向转动。

3.根据权利要求2所述的用于管道内孔质量检测的微型移动机器人，其特征在于：所述旋转保持架包括内圈和外圈；所述内圈和外圈的后部同轴固定连接，内圈和外圈的前部之间隔空形成与其同轴的阶梯圆周槽；所述阶梯圆周槽包括第一圆周槽和第二圆周槽，第二圆周槽的外径大于第一圆周槽外径且内径小于第一圆周槽内径；

所述旋转基座与第一圆周槽之间连接三根沿圆周均匀分布的保持螺栓，三根保持螺栓分布圆周与第一圆周槽的半径相同；所述保持螺栓的一端与旋转基座连接，另一端穿过第一圆周槽与保持螺母固定连接，保持螺母位于中段圆周槽中；所述保持螺栓和保持螺母可绕公共轴线分别沿第一圆周槽和第二圆周槽转动。

4.根据权利要求1至3任一项所述的用于管道内孔质量检测的微型移动机器人，其特征在于：所述导向轮调节机构包括导向基座、导向端盖、导向电磁铁、导向圆锥轴、轴向弹簧、定位支架；所述导向基座内设有第一轴向孔和第二轴向孔，第二轴向孔的直径大于第一轴向孔，导向基座上与第二轴向孔相对应位置沿圆周方向均匀布置与导向轮数量对应的径向孔；

所述导向端盖内设有第三轴向孔，导向端盖与导向基座同轴固定连接；

所述导向圆锥轴包括前段、中段和后段，所述前段和后段为圆轴，中段为圆锥轴，所述导向圆锥轴中段的大端直径大于小端直径；

所述导向圆锥轴的前段活动安装于第一轴向孔中，中段活动安装于第二轴向孔中，后段活动安装于第三轴向孔中，所述导向圆锥轴可沿三个轴向孔轴向移动；

所述导向电磁铁固定安装于第一轴向孔中，轴向弹簧套于导向圆锥轴的前段，轴向弹簧两端分别与导向基座和导向圆锥轴大端圆锥端面保持接触；所述导向电磁铁通过通断电控制导向圆锥轴的轴向移动；

所述每个径向孔中活动安装定位支架，所述定位支架包括大径段和小径段，大径段的内端面与导向圆锥轴接触，导向轮活动安装在定位支架小径段的外端，可绕定位支架的外端沿轴向滚动；所述定位支架的小径段上套装径向弹簧，径向弹簧两端分别与大径段和导向基座保持接触；所述导向圆锥轴的轴向移动通过圆锥面和径向弹簧控制定位支架的径向移动。

5.根据权利要求1所述的用于管道内孔质量检测的微型移动机器人，其特征在于：所述驱动行走模块包括驱动底盘、驱动电机、驱动轮、第二滚动轴承和驱动轴，所述驱动轮固定安装在驱动轴上，驱动轴的两端分别安装第二滚动轴承，第二滚动轴承安装在驱动底盘上；所述驱动轮与驱动电机之间连接传动机构，所述驱动轮与管道内孔轴线平行，与管道内孔内壁接触。

6.根据权利要求5所述的用于管道内孔质量检测的微型移动机器人，其特征在于：所述传动机构为齿轮传动机构，包括驱动齿轮和传动齿轮，传动齿轮与驱动轮同轴安装于驱动轴上，且与驱动齿轮相啮合；所述驱动齿轮与驱动电机连接。

7.根据权利要求1所述的用于管道内孔质量检测的微型移动机器人，其特征在于：所述测量控制模块包括电源、电源驱动板、测量控制板和操作面板，所述电源、电源驱动板、测量控制板和操作面板之间分别通过多段支撑螺栓同轴相连，所述支撑螺栓为阶梯轴，大轴端设有中心孔并预制内螺纹，小轴端预设有与中心孔匹配的外螺纹；所述电源驱动板、测量控制板和操作面板之间电连接；

所述电源驱动板包括电源监控电路、电压转换电路和功率放大电路；所述电源监控电路用于监测电源；所述电压转换电路用于将电源隔离转换为测量控制板所需的电压；所述功率放大电路用于将测量控制板的控制信号放大后向旋转扫描模块、前定心导向模块、驱动行走模块、后定心导向模块提供；

所述测量控制板包括相互连接的处理器核心电路、测量处理电路、无线数据传输电路，所述测量处理电路与第一测距传感器、第二测距传感器、转角传感器电连接；所述无线数据传输电路用于与远程控制计算机通信；

所述操作面板包括无线视频传输装置，无线视频传输装置用于将视觉传感器采集的视频信号传输到远程控制计算机。

8.权利要求1所述的用于管道内孔质量检测的微型移动机器人的检测控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、在管道内孔外设置信号标靶，沿管道内孔轴线设置一组离散检测工位点，确定检测工位点相对于管道内孔外信号标靶的预设距离；

2)、导向轮调节机构驱动导向轮沿径向向内收缩移动，使用微型移动机器人进入管道内孔，然后导向轮调节机构驱动导向轮沿径向向外扩张移动，实现微型移动机器人在管道内孔的定心导向；

3)、驱动行走模块驱动微型移动机器人沿管道内孔内壁行走，同时通过视觉传感器采集内壁表面质量的视频图像，传输到远程控制计算机；

4)、第二测距传感器实时检测微型移动机器人相对于信号标靶的距离，通过控制驱动行走模块将微型移动机器人准确定位到检测工位点；

5)、驱动旋转机构控制旋转套筒旋转，通过两个第一测距传感器和转角传感器同步测量旋转套筒相对于管道内孔的内壁距离与驱动旋转机构的旋转角度，传输到远程控制计算机；然后，重新将第二测距传感器对准管道内孔外的信号标靶；

6)、驱动行走模块驱动微型移动机器人沿管道内孔内壁行走，直至微型移动机器人定位于下一个检测工位点或移出管道内孔。

9.根据权利要求8所述的用于管道内孔质量检测的微型移动机器人的检测控制方法，其特征在于所述步骤5)的具体过程为：

5.1)、微型移动机器人准确定位于检测工位点后，通过驱动旋转机构带动旋转套筒沿管道内孔轴线旋转多圈，完成多次旋转扫描重复测量；

5.2)、在旋转套筒旋转过程中，通过两个第一测距传感器沿径向实时测量旋转套筒相对于管道内孔内壁的距离；同时，通过转角传感器实时测量旋转套筒上第一测距传感器的旋转角度，并将第一测距传感器在同一时刻测量的旋转套筒相对于管道内孔内壁的距离和旋转角度记录为一组测量数据，传输到远程控制计算机；

5.3)、将旋转套筒旋转的某一角度位置预设为零点位置，当旋转套筒处于零点位置时，第二测距传感器沿轴向正对于管道内孔外的信号标靶；

当旋转套筒准备停止旋转时，通过转角传感器实时检测旋转套筒旋转的角度位置，并通过驱动旋转机构控制将旋转套筒准确定位于零点位置。