CN106594455B - 一种双爪型跨障碍方向自适应管道外检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双爪型跨障碍方向自适应管道外检测机器人，该检测机器人由机械系统和电路系统两部分构成，所述机械系统由所述电路系统控制其工作；所述机械系统包括抓管机构、连接装置和驱动装置，所述抓管机构设置在所述连接装置上，且所述驱动装置与所述抓管机构连接，所述驱动装置在所述电路系统控制下驱动所述抓管机构动作。本发明能结合机械结构与电路系统设计，实现外检测机器人的越障碍能力以及自适应调整能力。

Description

一种双爪型跨障碍方向自适应管道外检测机器人

技术领域

本发明涉及一种管道外检测设备，特别是关于一种用于地上管道外检测的双爪型跨障碍方向自适应管道外检测机器人。

背景技术

现有的石油管道检测机器人主要分为7类：流体驱动式、轮式、履带式、支撑式、行走式、蠕动式和螺旋驱动式。多用于管道的内检测，在对油气管道进行检测时，不可避免地要将管道进行清空，一定程度上会影响石油运送效率以及经济效益，而且此类机器人无法在石油运送过程中对石油管道进行实时检测，难以及时发现石油管道故障。另外，还有一些爬管机器人的设计难以实现油气管道支撑基座、管道连接凸台等障碍物的跨越，无法对油气管道进行有效地检测。

综上所述，针对地上油气管道存在检测环境复杂、难以进行人工检测、地上油气管道由于铺设技术存在的支撑基座、管道连接凸台和管道弯折等现象，如何实现该外检测机器人的越障碍能力以及自适应调整能力成为目前亟需解决的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种双爪型跨障碍方向自适应管道外检测机器人，其能结合机械结构与电路系统设计，实现外检测机器人的越障碍能力以及自适应调整能力。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种双爪型跨障碍方向自适应管道外检测机器人，其特征在于：该检测机器人由机械系统和电路系统两部分构成，所述机械系统由所述电路系统控制其工作；所述机械系统包括抓管机构、连接装置和驱动装置，所述抓管机构设置在所述连接装置上，且所述驱动装置与所述抓管机构连接，所述驱动装置在所述电路系统控制下驱动所述抓管机构动作。

所述抓管机构包括第一机械爪、第二机械爪、第三机械爪和第四机械爪；所述第一机械爪和第二机械爪设置在所述连接装置一端，所述第三机械爪和第四机械爪设置在所述连接装置另一端；所述第一机械爪和第三机械爪上分别设置有超声检测探头，所述第二机械爪和第四机械爪上分别设置有轮子和所述驱动装置。

所述第一机械爪和第三机械爪上分别设置有10个超声检测探头。

所述第二机械爪和第四机械爪上分别设置有六个轮子，各轮子之间采用万向轴连接，每个机械爪上共有两个万向轴。

所述连接装置包括第一轴、第二轴、第三轴、第一万向轴、第二万向轴和U型弹簧；所述第一轴一端与所述第二轴一端通过所述第一万向轴连接，所述第二轴另一端经所述第二万向轴与所述第三轴一端连接；所述第一轴另一端设置有所述抓管机构的第一机械爪和第二机械爪，第一机械爪和第二机械爪通过所述U型弹簧连接；所述第三轴另一端设置有所述抓管机构的第三机械爪和第四机械爪，第三机械爪和第四机械爪也通过所述U型弹簧连接。

所述驱动装置包括第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机、第四步进电机、第五步进电机、第六步进电机、第一凸轮、第二凸轮、第一连接体、第二连接体、第三连接体和第四连接体；所述第一步进电机和第二步进电机设置在所述抓管机构中第二机械爪上，所述第三步进电机和第四步进电机设置在所述抓管机构中第四机械爪上；所述第五步进电机安装在所述连接装置的第一轴上，位于第一机械爪前端并与所述第一凸轮连接；所述第一凸轮设置在所述第一机械爪上，所述第一机械爪上还设置有所述第一连接体和第二连接体，通过所述第五步进电机、第一凸轮、第一连接体和第二连接体控制所述连接装置第一机械爪的开合；所述第六步进电机安装在所述连接装置的第三轴上，位于第三机械爪前端并与所述第二凸轮2连接；所述第二凸轮设置在所述第三机械爪上，所述第三机械爪上还设置有所述第三连接体和第四连接体，通过所述第六步进电机、第二凸轮、第三连接体和第四连接体控制所述第三机械爪的开合。

所述电路系统包括运动控制模块、管道检测模块、主控芯片和无线传输模块；所述控制模块与所述主控芯片进行数据交互，所述控制模块接收所述主控芯片传输至的控制指令，实现对所述机械系统中驱动装置的控制运动，所述控制模块将运动状态信息反馈至所述主控芯片；所述管道检测模块也与所述主控芯片进行数据交互，所述管道检测模块接收所述主控芯片传输至的控制指令，实现对管道的超声检测，所述管道检测模块将检测到的管道状态信息反馈至所述主控芯片；所述主控芯片经所述无线传输模块与上位机进行数据交互，所述主控芯片将接收到的反馈信息上传至所述上位机。

所述运动控制模块包括步进电机驱动电路和激光传感器；所述步进电机驱动电路根据接收到的所述主控芯片传输至的控制指令，驱动所述机械系统中各步进电机动作；所述激光传感器用于进行测距，检测是否有台阶出现，并将测距信息传输至所述主控芯片，所述主控芯片中预置有细分驱动方法，所述主控芯片根据接收到得测距信息向所述步进电机驱动电路传输控制指令。

所述步进电机驱动电路采用型号为ULN2003A的驱动芯片。

所述管道检测模块包括超声波接收模块、超声传感探头和超声波发射模块；所述超声波发射模块包括驱动电路、发射电路和高压电源，所述驱动电路将接收到的所述主控芯片传输至的控制指令经所述发射电路传输至所述超声传感探头，所述发射电路由所述高压电源供电；所述超声波接收模块包括时间测量模块、比较电路、检测电路、放大滤波电路和限幅电路，所述超声传感探头检测到得管道状态信息依次经所述限幅电路和放大滤波电路处理后，传输至所述检测电路，经所述检测电路处理后经所述比较电路传输至所述时间测量模块；所述时间测量模块将管道状态信息传输至所述主控芯片，且所述主控芯片将控制指令传输至所述时间测量模块。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用双爪型结构，适用于油气管道的外检测，相比于内检测机器人，本发明可在油气运送的过程中对管道进行检测，避免了内检测机器人在检测时需清空管道带来的不必要损失。2、本发明将机械系统和电路系统相结合，使检测机器人可以在平直管道上行走，以及跨越管道支撑基座、管道连接凸台和管道弯折处，实现机器人的越障碍以及自适应调整能力、对地上油气管道的自动检测。3、本发明利用两节万向轴将前后两对爪连接在一起，实现方向自调整；每对爪分别由用于检测爪和用于行进爪组成，行进爪的电机带动凸轮以及连接的U型弹簧使检测爪一松一弛，检测爪上的检测仪与管壁紧密接触，实现了跨障碍自动检测。4、本发明针对管道凹坑探测器难以接触的问题，采用弹簧连接超声传感探头，实现探测器的自动调整。5、本发明可以在平直管道上行走，以及跨越管道支撑基座、管道连接凸台和管道弯折处，实现机器人的越障碍以及自适应调整能力、对地上油气管道的自动检测。6、本发明可以解决内检测管道机器人必须清空管道进行检测所带来的麻烦以及经济损失，并实现对油气管道的连续自动检测，对提高石油管道可靠性具有十分重要的意义。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明的驱动装置结构示意图；

图4是本发明的电路系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明提供一种双爪型跨障碍方向自适应管道外检测机器人，其由机械系统和电路系统两部分构成，机械系统由电路系统控制其工作。机械系统包括抓管机构、连接装置和驱动装置，抓管机构设置在连接装置上，且驱动装置与抓管机构连接，驱动装置在电路系统控制下驱动抓管机构动作。

抓管机构包括第一机械爪1、第二机械爪2、第三机械爪3和第四机械爪4。其中，第一至第四并不代表安装顺序或重要程度，仅用于区分部件便于描述。第一机械爪1和第二机械爪2设置在连接装置一端，第三机械爪3和第四机械爪4设置在连接装置另一端。第一机械爪1和第三机械爪3上分别设置有超声检测探头，第二机械爪2和第四机械爪4上分别设置有轮子和驱动装置。在一个优选的实施例中，第一机械爪1和第三机械爪3上分别设置有10个超声检测探头；第二机械爪2和第四机械爪4上分别设置有六个轮子，各轮子之间采用万向轴连接，每个机械爪上共有两个万向轴，通过万向轴实现轮子带动轮子的旋转。

连接装置包括第一轴13、第二轴14、第三轴15、第一万向轴16、第二万向轴17和U型弹簧。第一轴13一端与第二轴14一端通过第一万向轴16连接，第二轴14另一端经第二万向轴17与第三轴15一端连接。第一轴13另一端设置有第一机械爪1和第二机械爪2，第一机械爪1和第二机械爪2通过U型弹簧连接。第三轴15另一端设置有第三机械爪3和第四机械爪4，第三机械爪3和第四机械爪4也通过U型弹簧连接。第一机械爪1和第二机械爪2与第三机械爪3和第四机械爪4呈对应设置。第一万向轴16、第二万向轴17安装于两对机械爪之间，用于连接这两对机械爪，万向轴的使用可以允许两对机械爪在径向和轴向的不对中，从而实现本发明在管道弯折处的行进。

如图1至图3所示，驱动装置包括第一步进电机5、第二步进电机6、第三步进电机7、第四步进电机8、第五步进电机9、第六步进电机10、第一凸轮11、第二凸轮12、第一连接体18、第二连接体19、第三连接体20和第四连接体21。第一步进电机5和第二步进电机6设置在抓管机构中第二机械爪2上，利用齿轮机构驱动设置在第二机械爪2上的轮子动作；第三步进电机7和第四步进电机8设置在抓管机构中第四机械爪4上，利用齿轮机构驱动设置在第四机械爪4上的轮子动作。第五步进电机9安装在第一轴13上，位于第一机械爪1前端并与第一凸轮11连接；第一凸轮11设置在第一机械爪1上，第一机械爪1上还设置有第一连接体18和第二连接体19，通过第五步进电机9、第一凸轮11、第一连接体18和第二连接体19控制第一机械爪1的开合。第六步进电机10安装在第三轴15上，位于第三机械爪3前端并与第二凸轮12连接；第二凸轮12设置在第三机械爪3上，第三机械爪3上还设置有第三连接体20和第四连接体21，通过第六步进电机10、第二凸轮12、第三连接体20和第四连接体21控制第三机械爪3的开合。

如图4所示，机械系统与电路系统相结合，实现本发明检测机器人的越障碍及自调整能力。电路系统安装机械系统上的接线盒里。电路系统包括运动控制模块、管道检测模块、主控芯片和无线传输模块。控制模块与主控芯片进行数据交互，控制模块接收主控芯片传输至的控制指令，进而实现对机械系统中驱动装置的控制运动，控制模块将运动状态信息反馈至主控芯片。管道检测模块也与主控芯片进行数据交互，管道检测模块接收主控芯片传输至的控制指令，实现对管道的超声检测，管道检测模块将检测到的管道状态信息反馈至主控芯片。主控芯片经无线传输模块与上位机进行数据交互，主控芯片将接收到的反馈信息上传至上位机。

在一个优选地实施例中，主控芯片可以采用c8051f系列单片机，其在运行速度和系统集成度等多方面都可以满足需求；本发明采用单片机来控制步进电机，实现了软件与硬件相结合的控制方法。

在一个优选地实施例中，运动控制模块包括步进电机驱动电路和激光传感器。步进电机驱动电路根据接收到的主控芯片传输至的控制指令，驱动机械系统中各步进电机动作。激光传感器用于进行测距，检测是否有台阶出现，并将测距信息传输至主控芯片，主控芯片中预置有细分驱动方法，主控芯片根据接收到得测距信息向步进电机驱动电路传输控制指令。在本实施例中，可以在主控芯片的细分驱动方法中设置驱动电机的运转状态，例如设置步进电机正转、反转、档次和停止等功能，可以满足使用要求。

其中，步进电机驱动电路采用型号为ULN2003A的驱动芯片，代替现有技术中的环形分配器，以达到对步进电机的最佳控制。型号为ULN2003A的驱动芯片是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片。

在一个优选地实施例中，管道检测模块由超声波腐蚀监测硬件构成，其包括超声波接收模块、超声传感探头和超声波发射模块。超声波发射模块包括驱动电路、发射电路和高压电源；驱动电路将接收到的主控芯片传输至的控制指令经发射电路传输至超声传感探头，由超声传感探头实现对管道状态的检测，发射电路由高压电源供电。超声波接收模块包括时间测量模块、比较电路、检测电路、放大滤波电路和限幅电路；超声传感探头检测到得管道状态信息依次经限幅电路和放大滤波电路处理后，传输至检测电路，经检测电路处理后经比较电路传输至时间测量模块；时间测量模块将管道状态信息传输至主控芯片，且主控芯片将控制指令传输至时间测量模块。

其中，时间测量模块采用TDC-GP21电路，TDC-GP21电路具有两个测量范围，在本实施例中采用脉冲反射法，单通道典型精度90ps，双精度模式45ps，四精度模式22ps，满足管道检测的精度要求。

上述各实施例中，第一机械爪1和第三机械爪3为检测爪，第二机械爪2和第四机械爪4为行进爪。位于第一机械爪1和第三机械抓3内侧通过弹簧设置有超声传感探头。

综上所述，本发明使用时，当本发明的检测机器人行进于平直、无障碍的管道上时。第五步进电机9、第六步进电机10带动第一凸轮11、第二凸轮12旋转，第一连接体18与第二连接体19、第三连接体20与第四连接体21受到其上凸轮的作用力(如图2所示)，带动与之固接的第一机械爪1与第三机械爪3张开3°～5°。第二机械爪2与第四机械爪4闭合紧贴管壁，第一步进电机5、第二步进电机6、第三步进电机7和第四步进电机8分别带动与之相连的齿轮，从而驱动其下的轮子旋转，轮子通过万向轴带动同一机械爪上其他轮子旋转，实现机器人的前进。机器人会每行至一段距离后，停下进行检测，此时，第五步进电机9与第六步进电机10加载反向电流，第一凸轮11与第二凸轮12回到检测位置，由于第一机械爪1与第二机械爪2、第三机械爪3与第四机械爪4利用U型弹簧连接，此时，第一机械爪1与第三机械爪3受到U型弹簧施加的拉力，向内闭合，紧贴管壁进行检测，检测时间2秒，为了防止管道表面凹凸、不平整，影响超声探头与管壁的接触，因此在超声探头上装有U型弹簧，该U型弹簧允许探头长度在0-5mm内变化；检测结束，第五步进电机9与第六步进电机10加载正向电流第一凸轮11与第二凸轮12回到位置1。此过程中，对电机加载电流、机器人行走时长以及机器人检测时间的控制写入程序并由单片机实现以上控制。

当机器人跨越障碍物时，装于第一机械爪1前方的距离传感器感测到前方障碍物后，主控芯片发出控制指令，使第五步进电机9加载正向电流，带动第一机械爪1张开至位置2(位置2角度大于位置1的角度)，由于第一机械爪1与第二机械爪2利用U型弹簧连接，此时，第二机械爪2受到弹簧施加的向外的拉力，第二机械爪2张开，此时第三机械爪3位于位置1，第四机械爪4加紧管壁，仍然驱动机器人向前行进，当机器人越过障碍物后(或者越过障碍物一段距离后)，第五步进电机9加载反向电流，第一凸轮11回到位置1，由于第一机械爪1与第二机械爪2利用U型弹簧连接，此时，第二机械爪2受到弹簧施加的拉力，向内闭合，贴紧管壁，行至一段距离后，装于第三机械爪3前方的距离传感器感测到前方障碍物，此时机械爪重复刚才的动作以跨越障碍物。

当机械人遇到管道弯折的情况时，由于前一对机械爪与后一对机械爪利用万向轴连接，所以，两对机械爪之间允许存在轴向或者径向的不对齐，且两个万向轴保证了机器人可以有大幅度的转向。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种双爪型跨障碍方向自适应管道外检测机器人，其特征在于：该检测机器人由机械系统和电路系统两部分构成，所述机械系统由所述电路系统控制其工作；所述机械系统包括抓管机构、连接装置和驱动装置，所述抓管机构设置在所述连接装置上，且所述驱动装置与所述抓管机构连接，所述驱动装置在所述电路系统控制下驱动所述抓管机构动作；

所述抓管机构包括第一机械爪、第二机械爪、第三机械爪和第四机械爪；所述第一机械爪和第二机械爪设置在所述连接装置一端，所述第三机械爪和第四机械爪设置在所述连接装置另一端；所述第一机械爪和第三机械爪上分别设置有超声检测探头，所述第二机械爪和第四机械爪上分别设置有轮子和所述驱动装置。

2.如权利要求1所述的一种双爪型跨障碍方向自适应管道外检测机器人，其特征在于：所述第一机械爪和第三机械爪上分别设置有10个超声检测探头。

3.如权利要求1所述的一种双爪型跨障碍方向自适应管道外检测机器人，其特征在于：所述第二机械爪和第四机械爪上分别设置有六个轮子，各轮子之间采用万向轴连接，每个机械爪上共有两个万向轴。

4.如权利要求1所述的一种双爪型跨障碍方向自适应管道外检测机器人，其特征在于：所述连接装置包括第一轴、第二轴、第三轴、第一万向轴、第二万向轴和U型弹簧；所述第一轴一端与所述第二轴一端通过所述第一万向轴连接，所述第二轴另一端经所述第二万向轴与所述第三轴一端连接；所述第一轴另一端设置有所述抓管机构的第一机械爪和第二机械爪，第一机械爪和第二机械爪通过所述U型弹簧连接；所述第三轴另一端设置有所述抓管机构的第三机械爪和第四机械爪，第三机械爪和第四机械爪也通过所述U型弹簧连接。

5.如权利要求1所述的一种双爪型跨障碍方向自适应管道外检测机器人，其特征在于：所述驱动装置包括第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机、第四步进电机、第五步进电机、第六步进电机、第一凸轮、第二凸轮、第一连接体、第二连接体、第三连接体和第四连接体；所述第一步进电机和第二步进电机设置在所述抓管机构中第二机械爪上，所述第三步进电机和第四步进电机设置在所述抓管机构中第四机械爪上；所述第五步进电机安装在所述连接装置的第一轴上，位于第一机械爪前端并与所述第一凸轮连接；所述第一凸轮设置在所述第一机械爪上，所述第一机械爪上还设置有所述第一连接体和第二连接体，通过所述第五步进电机、第一凸轮、第一连接体和第二连接体控制所述第一机械爪的开合；所述第六步进电机安装在所述连接装置的第三轴上，位于第三机械爪前端并与所述第二凸轮连接；所述第二凸轮设置在所述第三机械爪上，所述第三机械爪上还设置有所述第三连接体和第四连接体，通过所述第六步进电机、第二凸轮、第三连接体和第四连接体控制所述第三机械爪的开合。

6.如权利要求1所述的一种双爪型跨障碍方向自适应管道外检测机器人，其特征在于：所述电路系统包括运动控制模块、管道检测模块、主控芯片和无线传输模块；所述控制模块与所述主控芯片进行数据交互，所述控制模块接收所述主控芯片传输至的控制指令，实现对所述机械系统中驱动装置的控制运动，所述控制模块将运动状态信息反馈至所述主控芯片；所述管道检测模块也与所述主控芯片进行数据交互，所述管道检测模块接收所述主控芯片传输至的控制指令，实现对管道的超声检测，所述管道检测模块将检测到的管道状态信息反馈至所述主控芯片；所述主控芯片经所述无线传输模块与上位机进行数据交互，所述主控芯片将接收到的反馈信息上传至所述上位机。

7.如权利要求6所述的一种双爪型跨障碍方向自适应管道外检测机器人，其特征在于：所述运动控制模块包括步进电机驱动电路和激光传感器；所述步进电机驱动电路根据接收到的所述主控芯片传输至的控制指令，驱动所述机械系统中各步进电机动作；所述激光传感器用于进行测距，检测是否有台阶出现，并将测距信息传输至所述主控芯片，所述主控芯片中预置有细分驱动方法，所述主控芯片根据接收到得测距信息向所述步进电机驱动电路传输控制指令。

8.如权利要求7所述的一种双爪型跨障碍方向自适应管道外检测机器人，其特征在于：所述步进电机驱动电路采用型号为ULN2003A的驱动芯片。

9.如权利要求6所述的一种双爪型跨障碍方向自适应管道外检测机器人，其特征在于：所述管道检测模块包括超声波接收模块、超声传感探头和超声波发射模块；所述超声波发射模块包括驱动电路、发射电路和高压电源，所述驱动电路将接收到的所述主控芯片传输至的控制指令经所述发射电路传输至所述超声传感探头，所述发射电路由所述高压电源供电；所述超声波接收模块包括时间测量模块、比较电路、检测电路、放大滤波电路和限幅电路，所述超声传感探头检测到得管道状态信息依次经所述限幅电路和放大滤波电路处理后，传输至所述检测电路，经所述检测电路处理后经所述比较电路传输至所述时间测量模块；所述时间测量模块将管道状态信息传输至所述主控芯片，且所述主控芯片将控制指令传输至所述时间测量模块。