CN106764245B - 一种履带式管道机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种履带式管道机器人，包括车身主体、行走机构、清理机构和电子控制系统，所述行走机构包括两个履带式行走轮、两个履带式压紧轮和两个轮槽，所述履带式行走轮设置于车身主体下方两侧，所述履带式压紧轮设置于轮槽内，所述两个轮槽分别通过一伸缩杆连接于车身主体上部两侧，所述伸缩杆上均套设有一弹簧。本发明的履带式管道机器人能够在管道内稳定地进行长距离行走、有效进行管道勘探和清理工作。

Description

一种履带式管道机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种履带式小型管道机器人。

背景技术

管道经过长期的使用后，内壁不再像新铺设的管道一样光滑，会出现不同程度的结垢和杂质粘附，从而造成管道内壁的凹凸不平。如输水管的内壁会产生水垢、锈斑等沉淀物，输油管道出现内径堵塞等情况，这样大大增加了流体输送过程中的阻力，使得管道的输送能力大为降低，而且还会对管道材料造成腐蚀和伤害，严重时会使管道破裂，造成运输流体的外泄，甚至爆裂的危险情况。因此，管道机器人在现代管道检测、维护上具有巨大的应用价值，特别是在管道直径较小、管道内具有毒性气体等环境下更是发挥着不可替代的作用。

目前的管道机器人功能较为单一，主要是用于管道的勘探检测，在清理障碍物方面存在着诸多问题。如中国专利201511022673.8公开了轮式管道检测机器人；中国专利201310609302.4公开了一种履带式管道机器人；中国专利201210343246.X公开了小管道检测机器人；中国专利200710072408.X公开了小管道检测密闭式履带差动驱动城市排水管道机器人。这些方案的不足之处在于没有针对清理障碍物的有效机构，并不能完成对管道的清理疏通。

针对上述问题，中国专利201610047373.3公开了一种可适应不同管径变化的履带轮式管道清洁机器人，但是该发明将齿轮直接裸露在外，这在清理障碍物过程中很容易卡死。

另外在检测方面，目前的方案仅仅是采用摄像头来采集图像，例如中国专利201010240870.8公开的管道机器人，其中采用摄像头采集头像并利用专用数据线将数据传回，不仅功能单一，沉重的数据线也会使机器人的行走距离受到限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：本发明的目的在于提供一种能够在管道内稳定地长距离行走、有效进行管道勘探和清理工作的履带式小型管道机器人。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种履带式管道机器人，包括车身主体和行走机构，所述行走机构包括两个履带式行走轮、两个履带式压紧轮和两个轮槽，所述两个履带式行走轮设置于车身主体下方两侧，所述履带式压紧轮设置于轮槽内，所述两个轮槽分别通过一伸缩杆连接于车身主体上部两侧，所述伸缩杆上均套设有一弹簧。

本发明的有益效果在于：该机器人利用压紧轮压紧管道上部，行走轮则压紧管道底部，在弹簧和伸缩杆的作用下能够在管道内紧贴管壁，增加履带式行走轮与管壁的摩擦力，提升驱动能力，同时减小机器人清理障碍物时产生的后坐力带来的影响，还可以适应不同大小的管道，自动调节车身高度。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构轴测图；

图2为本发明实施例的前视图；

图3为本发明实施例的内部示意图；

图4为本发明实施例电子控制机构的示意图；

标号说明：

1、行走机构；1-1、履带式压紧轮；1-2、轮槽；1-3、伸缩杆；1-4、弹簧；1-5、履带式行走轮；1-51、齿轮组；1-52、轮子；1-53、履带；2、清理机构；2-1、刀盘；2-2、锉刀；3、喷洒装置；4、车身主体；5、挂钩；6、超声波传感器；7、红外传感器；8、前探照灯；9、前摄像头；10、高压电源牵引线；11、右车轮电机；12、左车轮电机；

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于:履带式管道机器人的行走机构1包括履带式行走轮1-5和履带式压紧轮1-1，利用压紧轮压紧管道内壁上方，行走轮则压紧管道内壁下方，使该机器人在管道内能够紧贴管壁，增加行走轮与管壁的摩擦力，提升驱动能力，同时减小履带式管道机器人清理障碍物时产生的后坐力带来的影响，还可以适应不同大小的管道，自动调节车身高度。

请参照图1以及图2，一种履带式管道机器人，包括车身主体4和行走机构1，所述行走机构1包括两个履带式行走轮1-5、两个履带式压紧轮1-1和两个轮槽1-2，所述两个履带式行走轮1-5设置于车身主体4下方两侧，所述履带式压紧轮1-1设置于轮槽1-2内，所述两个轮槽1-2分别通过一伸缩杆1-3连接于车身主体4上部两侧，所述伸缩杆1-3上均套设有一弹簧1-4。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：履带式压紧轮的设置，使机器人在管道内紧贴管壁，增加履带式管道机器人与管壁的受力面积，增加行走轮与管壁的摩擦力，提升驱动能力，跨越性能好，也可在清理机构进行清理工作时，减小后坐力带来的影响，使车身主体不会向后倒退；伸缩杆的设置，使履带式管道机器人可以适应不同的管径，自动调节车身的高度；弹簧的设置，为伸缩杆的调节提供弹力，同时使履带式压紧轮压紧管壁。

进一步的，所述履带式行走轮1-5向车身主体4外侧向下倾斜设置；所述轮槽1-2和伸缩杆1-3向车身主体4外侧向上倾斜设置。

由上述描述可知，行走机构的履带式行走轮和履带式压紧轮分别朝向四个不同的方向设置，进一步加大行走机构与管壁的接触面积，还能够提升车身的高度，减小车身主体底部与管道底部淤泥之间的阻力。

进一步的，履带式管道机器人还包括清理机构2，所述清理机构2由多个锉刀2-2和刀盘2-1组成，多个锉刀2-2固定于刀盘2-1上，所述刀盘2-1设置于车身主体4前端。

由上述描述可知，清理机构安装在车身主体的前端，当履带式管道机器人遇到障碍物时，可旋转刀盘上的锉刀，采用钻孔清理的方式将障碍物粉碎，能够有效清理掉坚硬的障碍物。

进一步的，履带式管道机器人还包括电子控制机构，所述电子控制机构设置于车身主体4内部，包括一单片机以及与单片机相连的刀盘电机驱动器、车轮电机驱动器、陀螺仪传感器、超声波传感器6和红外传感器7。

由上述描述可知，电子控制机构设置于车身主体内部，结构更加紧凑；刀盘电机驱动器和车轮电机驱动器直接和单片机相连，可以直接有效地控制履带式管道机器人进行行走和清理的工作；陀螺仪传感器可以实时采集履带式管道机器人的运动状态，帮助推算出履带式管道机器人的运动轨迹，有利于确定管道的整体轨迹，这对于缺少图纸的管道系统来讲具有重大意义；超声波传感器能够用来检测前方障碍物的距离，帮助操作人员控制履带式管道机器人进行清理工作时的位置；红外传感器可检测车身主体是否处于管道口，若处于管道口则不再往前行驶，防止操作人员操作不慎而导致车身主体跌落。

进一步的，履带式管道机器人还包括喷洒装置3，前摄像头9、前探照灯8、后摄像头和后探照灯，所述喷洒装置3、前摄像头9、前探照灯8设置于车身主体4前端，且位于刀盘2-1上方；所述后摄像头和后探照灯设置于车身主体4尾部。

由上述描述可知，履带式管道机器人在进行清理工作时，可开启喷洒装置来冷却锉刀或者融化干燥土块等障碍物；前摄像头和后摄像头的同时设置，可使履带式管道机器人进行大角度巡视，会对工作现场的图像进行实时采集，将现场情况反映给底面操作人员；前探照灯和后探照灯的设置，可帮助前后摄像头采集到更清晰的画面，更有利于操作人员控制。

进一步的，所述电子控制机构还包括与单片机相连的水泵电机控制器、前探照灯8驱动器、后探照灯驱动器，所述前摄像头9和后摄像头与所述单片机相连。

进一步的，所述电子控制机构还包括与单片机相连的电力猫，所述电力猫连接高压电源牵引线10。

由上述描述可知，电力猫可以将电源线和数据线合并使用，减少了线缆数量，增加履带式管道机器人的工作距离。

进一步的，所述电子控制机构还包括与单片机相连的气体传感器和温湿度传感器。

由上述描述可知，气体传感器和温湿度传感器可获取当前环境下的气体浓度和温湿度数据，并将这些数据与当前位置进行整合，进而得到管道的地理信息系统模型，为地面操作人员的具体操作提供依据。

进一步的，所述车身主体4的尾部设置有挂钩5。

由上述描述可知，所述挂钩可用来绑一根绳子，若履带式管道机器人进入管道一段距离后，出现故障不能继续前行了，此时可以通过拴在挂钩上的绳子直接将机器人拉出管道进行维修，方便快捷。

进一步的，所述电子控制机构还包括还包括刀盘电机、水泵电机和车轮电机。

请参照图1及图2，本发明的实施例一为：一种履带式管道机器人，主要由清理机构2、行走机构1、电子控制机构和车身主体4组成。所述的行走机构1包括了两组履带式行走轮1-5和两组履带式压紧轮1-1，两组所述履带式压紧轮1-1分别安装在两个轮槽1-2内，两个所述轮槽1-2的底部分别通过一个伸缩杆1-3连接于所述车身主体4上部的两侧，两个所述伸缩杆1-3外套均套接着弹簧1-4；两组所述履带式行走轮1-5设置于所述车身主体4的下方两侧，每侧均由一个电机驱动。所述履带式行走轮1-5向车身主体4外侧向下倾斜设置；所述履带式压紧轮1-1向车身主体4外侧向上倾斜设置，所述履带式行走轮1-5和履带式压紧轮1-1分别对称分置于车身主体4的两侧，优选的，相邻的行走轮和压紧轮之间的夹角为90°，提升了车身主体4的高度，减小车身主体4底部与管道底部淤泥之间的阻力。该行走机构1的设置，可使履带式管道机器人适应不同大小的管径。请参考图2，当履带式管道机器人进入管道后，所述伸缩杆1-3和所述弹簧1-4可根据管道的大小自动调节该伸缩杆1-3的长度，进而调节履带式管道机器人的高度，使所述履带式行走轮1-5紧贴管道的内壁，有效增加了履带式管道机器人与管道之间的摩擦力，提升履带式管道机器人的驱动能力，同时减小所述清理机构2清理障碍物时产生的后坐力的影响。且该履带式管道机器人的履带式行走轮1-5由左车轮电机12和右车轮电机11分别通过一个齿轮组1-51连接若干个轮子1-52，本发明优选一个齿轮组1-51连接个轮子1-52，该轮子1-52与履带1-53配合，齿轮组1-51包括蜗杆、蜗轮、第一锥齿轮、第二锥齿轮，动力由电机依次经过蜗杆、蜗轮、第一锥齿轮、第二锥齿轮和驱动轴传递到履带式行走轮1-5，从而带动机器运动。请参考图3，本发明的齿轮组1-51设置于车身主体4内部，在清理障碍物的过程中不会造成轮子1-52卡死的情况。

如图1所示，所述清理机构2安装在车身主体4的前端，主要由刀盘2-1和锉刀2-2组成，所述锉刀2-2固定于一个刀盘2-1上，所述刀盘2-1由刀盘电机驱动旋转。所述锉刀2-2为1个以上，优选的实施例锉刀2-2数量为9个。当履带式管道机器人在遇到障碍物时可以启动刀盘电机，所述刀盘电机带动锉刀2-2旋转，利用旋转的锉刀2-2将障碍物粉碎。所述锉刀2-2可以多个并排固定于刀盘2-1上，也可以呈矩形、圆形等排列方式固定于刀盘2-1上，优选的实施例采用多个并排的方式，多个锉刀2-2长度可不同，优选如图1中所示，中间的最长，两侧的依次变短，在遇到障碍物时，可先只用中间最长的锉刀2-2钻开一个小孔，随着车身主体4向前行进，逐渐增加锉刀2-2的工作数量，这种方式更有利于清理比较坚硬的障碍物。该履带式管道机器人还包括喷洒装置3，前摄像头9、前探照灯8、后摄像头和后探照灯，所述喷洒装置3、前摄像头9、前探照灯8设置于车身主体4的前端，且位于刀盘2-1的上方；所述后摄像头和后探照灯设置于车身主体4的尾部。所述前摄像头9和所述后摄像头的共同设置，可更大角度巡视管道内的环境，对工作现场的图像进行实时采集，并将现场情况反映给操作人员。当履带式管道机器人遇到坚硬土块等障碍物时，地面操作人员首先根据前摄像头9传回的图像进行判断，调整好机器人与障碍物之间的距离，紧接着开启喷洒装置3，将水洒在障碍物上，然后控制刀盘电机驱动刀盘2-1上的锉刀2-2来打碎障碍物。喷洒装置3在此可起到融化干燥土块等障碍物以及冷却锉刀2-2的作用。

所述电子控制机构设置于车身主体4的内部，包括一个单片机，如图4所示，单片机的周边依次以并联的方式电连接了气体传感器、温湿度传感器、陀螺仪传感器、超声波传感器6、红外传感器7、前探照灯驱动器、前摄像头9、电力猫、后摄像头、后探照灯驱动器、右车轮电机驱动器、左车轮电机驱动器、水泵电机驱动器、刀盘电机驱动器和稳压器；所述稳压器的另一端电连接低压电源；所述前探照灯驱动器另一端电连接前探照灯8；所述电力猫另一端电连接高压电源牵引线10；所述后探照灯驱动器另一端电连接后探照灯；所述水泵电机驱动器另一端电连接水泵电机；所述右车轮电机驱动器另一端电连接右车轮电机11；所述左车轮电机驱动器另一端电连接左车轮电机12；所述刀盘电机驱动器另一端电连接刀盘电机。所述的气体传感器和温湿度传感器可以感测履带式管道机器人所处环境下的气体浓度和温湿度数据，并将这些数据与机器人所处的地理位置进行整合，进而得到管道的地理信息系统模型；所述的陀螺仪传感器可实时采集机器人的运动状态，帮助推算出履带式管道机器人的运动轨迹，最终确定管道的布置路径，这对于缺少图纸的管道系统来讲具有重大意义；所述的超声波传感器6可检测前方障碍物的距离，帮助履带式管道机器人在人工操作中断的情况下进行自主定位和行驶；所述的红外传感器7安装在车身主体4前端的底部，可检测机器人是否处于管道口，若处于管道口，则自动停止向前行驶，防止操作人员操作不慎而导致机器人跌落；所述的电力猫可将电源线和数据线合并使用，简化通信线缆，增加履带式管道机器人的工作距离；车身主体的尾部设置有挂钩5，若机器人进入管道一段距离后，机器人在发生故障不能行走时，可利用连接在挂钩5上的绳子直接将机器人拉出管道外进行维修，方便快捷。

综上所述，本发明提供的履带式管道机器人能够有效识别、跨越障碍物，或采用钻孔的方式配合喷洒装置3，融化并清理坚硬的障碍物；可以适应不同的管径，自动调节车身的高度，在管道内稳定行驶，具有较好的驱动性能；可以实现管口自动探测、机器人主动定位、管道内气体浓度和温湿度检测、管道内大角度巡视、管道轨迹三维测绘等功能；线缆数量简化，机器人工作距离增加；还可利用车身主体4尾部的挂钩5，方便将出现故障的机器人从管道中取回。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种履带式管道机器人，包括车身主体和行走机构，其特征在于：所述行走机构包括两个履带式行走轮、两个履带式压紧轮和两个轮槽，所述两个履带式行走轮设置于车身主体下方两侧，所述履带式压紧轮设置于轮槽内，所述两个轮槽分别通过一伸缩杆连接于车身主体上部两侧，所述伸缩杆上均套设有一弹簧；

所述履带式行走轮包括车轮电机、齿轮组和轮子，所述车轮电机通过齿轮组与所述轮子连接，所述车轮电机和齿轮组均设置于车身主体内；

还包括清理机构，所述清理机构由多个锉刀和刀盘组成，多个锉刀固定于刀盘上，所述刀盘设置于车身主体前端；

还包括电子控制机构，所述电子控制机构设置于车身主体内部，包括一单片机以及与单片机相连的刀盘电机驱动器、车轮电机驱动器、陀螺仪传感器、超声波传感器和红外传感器；所述电子控制机构还包括与单片机相连的气体传感器和温湿度传感器。

2.如权利要求1所述的履带式管道机器人，其特征在于：所述履带式行走轮向车身主体外侧向下倾斜设置；所述轮槽和伸缩杆向车身主体外侧向上倾斜设置。

3.如权利要求2所述的履带式管道机器人，其特征在于：还包括喷洒装置，前摄像头、前探照灯、后摄像头和后探照灯，所述喷洒装置、前摄像头、前探照灯设置于车身主体前端，且位于刀盘上方；所述后摄像头和后探照灯设置于车身主体尾部。

4.如权利要求3所述的履带式管道机器人，其特征在于：所述电子控制机构还包括与单片机相连的水泵电机驱动器、前探照灯驱动器、后探照灯驱动器，所述前摄像头和后摄像头与所述单片机相连。

5.如权利要求1或4所述的履带式管道机器人，其特征在于：所述电子控制机构还包括与单片机相连的电力猫，所述电力猫连接高压电源牵引线。

6.如权利要求1或2所述的履带式管道机器人，其特征在于：所述车身主体的尾部设置有挂钩。

7.如权利要求4所述的履带式管道机器人，其特征在于：所述电子控制机构还包括还包括刀盘电机、水泵电机和车轮电机。