CN107289230A - 一种用于电站锅炉集箱检测及清理的管道机器人 - Google Patents

Abstract

一种用于电站锅炉集箱检测及清理的管道机器人，包括通过万向节连接在一起的行走模块和清理模块；行走模块包括连接在一起的若干组第一行走单元，第一行走单元沿着机器人主轴的径向均匀间隔分布；清理模块包括连接在一起的多组第二行走单元以及清理单元，第二行走单元与清理单元沿着机器人主轴的径向均匀间隔分布，清理模块还包括沿运动方向设置在机器人主轴前端的摄像头；第一行走单元与第二行走单元均包括行走机构以及支撑行走机构的扭动连杆；清理单元包括机械手爪以及通过固定支架控制机械手爪全方位活动的多个舵机。该机器人尺寸小、越障性能好、能够适应不同管径的管道且管径调节范围较大。

Description

一种用于电站锅炉集箱检测及清理的管道机器人

技术领域

本发明涉及锅炉管道清理领域，具体为一种用于电站锅炉集箱检测及清理的管道机器人。

背景技术

超临界、超超临界机组的锅炉通过在集箱或受热面管子内部加装节流孔圈达到平衡汽水特性以及工质流速的目的。锅炉内部的清洁要求高，由于锅炉运行时间极短，在排除了管材质量、超参数运行等因素外，认定爆管原因是集箱或受热面管内节流孔存在机械加工残留物堵塞，造成受热面短时超温爆管。爆管事故的发生，会造成机组非计划启停，这不仅会给电厂带来经济损失，同时具有重大安全隐患。对于集箱清洁度的检查，目前还是采用传统的方法，在安装前、酸洗吹管后进行人工窥镜检查，通过手控将内窥镜探测线放进集箱内部，靠手的力量推动探头线，发现异物后依靠经验或者一些人工方法将异物取出。

传统方法存在检查距离有限、效率低下、费事费力、并且存在漏检和检查盲区等问题，同时对接管座角焊缝根部未焊透、未熔合等问题无法进行准确检测。

针对集箱检测的要求，由于存在集箱管径小、管径不均匀的特点，并且探测装置需要跨越不同直径的管道进行工作，因此要求管道机器人具有适应管径变化的能力，且管径调节范围比较大。针对集箱内部环境的检查，由于集箱内部空间狭小，存在焊缝、接管座开孔区以及机加工残留物，因此就要求管道机器人的体积足够小，且具有良好的越障性能，而传统的轮式管道机器人越障性能不能满足要求，传统的履带式管道机器人越障性能虽然好，但是尺寸难以小型化，因此采用传统的探测装置无法满足清洁度检查的要求。

对于以上传统操作方式中出现的问题，目前尚且没有针对锅炉集箱异物的清除装置，当前的管道机器人多为管道检测机器人，管道清理机器人较少，而且一般都是针对特定管道研发，通用性较差，为此亟需研发适合锅炉集箱清洁度检查及清理的小型智能化机器人。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种用于电站锅炉集箱检测及清理的管道机器人，该装置尺寸小、越障性能好、能够适应不同管径的管道且管径调节范围较大。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

包括通过万向节连接在一起的行走模块和清理模块；所述的行走模块包括连接在一起的若干组第一行走单元，第一行走单元沿着机器人主轴的径向均匀间隔分布；所述的清理模块包括连接在一起的多组第二行走单元以及清理单元，所述的第二行走单元与清理单元沿着机器人主轴的径向均匀间隔分布，所述的清理模块还包括沿运动方向设置在机器人主轴前端的摄像头；所述的第一行走单元与第二行走单元均包括行走机构以及支撑行走机构的扭动连杆；所述的清理单元包括机械手爪以及通过固定支架控制机械手爪全方位活动的多个舵机。

所述的行走机构通过扭动连杆安装在支撑板上，清理单元包括用于连接舵机和固定支架的平台；所述行走模块的多个第一行走单元之间通过第一连接板将支撑板的两端连接，所述清理模块的第二行走单元与清理单元之间通过第二连接板将支撑板以及平台的两端连接。

所述的行走模块包括三组第一行走单元，三组行走单元沿着机器人的主轴径向间隔120°均匀分布；所述清理模块包括两组第二行走单元和一组清理单元，两组第二行走单元和一组清理单元沿着机器人的主轴径向间隔120°均匀分布；第一连接板和第二连接板均为三角形。

所述的行走机构包括安装在车体上的第一同步带轮和第二同步带轮，电机通过锥齿轮组带动第一同步带轮旋转，第一同步带轮和第二同步带轮之间通过同步带连接。

同步带的外表面覆盖有硅胶层。

所述的扭动连杆包括对称设置的两个折叠组合杆，所述的折叠组合杆均由若干根连杆以及用于对连杆进行铰接的销钉组成，所述的销钉上安装有用于提供支撑力的扭转弹簧。

所述扭转弹簧包括缠绕在销钉上的扭转节点，扭转节点延伸出弹簧臂支撑行走机构。

所述的机械手爪由齿轮组驱动开合，所述的齿轮组由舵机带动。

所述的清理单元包括能够驱使机械手爪在三维方向活动的第一舵机、第二舵机以及第三舵机，三个舵机之间通过多个固定支架耦合连接。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：清理模块通过万向节连接行走模块，行走模块为管道机器人提供动力，并且该行走模块具有较大的负载能力。行走单元采用履带顶壁形式，均由单电机独立驱动，与管道内壁接触面大，通过扭动连杆保持一定压力。清理模块完成管道内部图像信息的采集及异物的清理，清理模块搭载清理单元，能实现全方位活动。本发明行走机构通过扭动连杆支撑，扭动连杆在外力作用下发生伸缩变化，压力越大扭动连杆的压缩量越大，管道机器人的尺寸越小，继而实现变径。本发明在行走模块与清理模块相对设有伸出轴，万向节的两端分别固定在伸出轴上，途径折弯处时，万向节起到柔性连接的作用。本发明采用模块化思想，将管道机器人的行走功能和清理功能集成为一体，适用于电站锅炉集箱的检测及清理，具有结构简单、尺寸小、运行平稳、越障性能好等特点。

进一步的，本发明管道机器人的行走机构没有使用履带，而是采用同步带进行传动，并在同步带的外表面覆盖有硅胶层，以满足行走单元与管道内壁之间具有足够的摩擦力，采用这种结构从整体上替代了传统的履带结构，有利于缩小机器人的尺寸。

附图说明

图1本发明管道机器人的总体结构示意图；

图2本发明行走模块的结构示意图；

图3本发明清理模块结构示意图；

图4本发明行走单元的第一视角结构示意图；

图5本发明行走单元的第二视角结构示意图；

图6本发明清理单元的结构示意图；

图7本发明扭转弹簧的结构示意图；

附图中：1-行走模块；2-万向节；3-清理模块；4-第一行走单元；5-第一连接板；6-清理单元；7-摄像头；8-第二连接板；9-第二行走单元；4-1.电机箱；4-2.阶梯轴；4-3.电机；4-4.第一锥齿轮；4-5.第二锥齿轮；4-6.传动轴；4-7.轴承；4-8.第一同步带轮；4-9.同步带；4-10.硅胶层；4-11.第一弹簧盖板；4-12.第二同步带轮；4-13.第一销钉；4-14.第一连杆；4-15.第二连杆；4-16.第二销钉；4-17.扭转弹簧；4-18.第三连杆；4-19.第三销钉；4-20.第四销钉；4-21.支撑板；4-22.第二弹簧盖板；6-1.第一舵机；6-2.平台；6-3.第一固定支架；6-4.第二舵机；6-5.第二固定支架；6-6.第三舵机；6-7.第三固定支架；6-8.第四舵机；6-9.机械手爪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明的管道机器人包括行走模块1、万向节2和清理模块3，行走模块1与清理模块3通过万向节2连接。具体地，该管道机器人在其行走模块1与清理模块3相对应的一面各设有一个伸出轴，万向节2的两端分别固定在伸出轴上。该用于电站锅炉集箱检测及清理的管道机器人途径折弯处时，万向节2便起到了柔性连接的作用。

参见图2，本发明管道机器人的行走模块1有三组第一行走单元4，三组行走单元沿着机器人径向间隔120°平均分布，行走单元采用同步带顶壁形式，每组行走单元固定在第一连接板5的一侧，第一连接板5的形状为三角形，第一连接板5的三个侧面上都有螺纹孔，将第一行走单元4与第一连接板5通过螺纹连接固定，第一连接板5有两个，分别位于机器人本体轴向的两侧；本发明管道机器人适应的管道直径比其自由状态下的径向直径小，保证行走单元4为压紧状态，行走模块1的三组第一行走单元4通过同步带驱动机构和扭转弹簧4-17配合连杆的支撑机构张紧并紧贴管道的内壁，行走模块1能在管道内沿轴向行走。由于三组第一行走单元4沿管道径向同步伸缩，当机器人在管道内部行走遇到管径变化或运行情况变化时，该管道机器人的中心轴线始终保持与管道中心轴线一致，因此可稳固支撑在管壁上，运动稳定性好。参见图3，清理模块3由两组第二行走单元9与一组清理单元6以及摄像头7构成，两组第二行走单元9间隔120°均匀分布，每组第二行走单元9与第二连接板8通过螺纹连接固定，清理单元6与第二连接板8通过螺纹连接固定，清理单元6处于水平方向，摄像头7固定在第二连接板8上，与机械臂位于同一侧。

参见图4-5，行走单元4采用电机4-3驱动，电机4-3为直流电机，电机4-3与减速器一体，电机4-3固定在电机箱4-1中间内侧的板上，电机箱4-1位于第一行走单元4的上部，电机4-1伸出转轴与第一锥齿轮4-4固定连接，第一锥齿轮4-4与第二锥齿轮4-5啮合，动力由电机4-1传动到锥齿轮，第二锥齿轮4-5固定在传动轴4-6上，传动轴4-6两侧分别与轴承4-7过渡连接，轴承4-7固定在电机箱4-1的两侧板上，动力传递到传动轴4-6上，传动轴4-6两端分别与两个第一同步带轮4-8通过顶丝固定连接，动力传递到第一同步带轮4-8上，第一同步带轮4-8与第二同步带轮4-12通过同步带4-9构成同步带传动机构，动力由第一同步带轮4-8传递到同步带4-9，第二同步带轮4-12内孔固定着微型轴承，微型轴承与阶梯轴4-2过渡配合，阶梯轴4-2固定在电机箱4-1两侧板的另外一端，同步带4-9的外侧套硅胶层4-10，以保证与管壁接触的是硅胶层4-10，而不是同步带轮；电机箱4-1下端由连杆和扭转弹簧构成变径机构，该变径机构也是电机箱4-1的支撑机构，两组变径机构对称布置。

变径机构的第一连杆4-14和第二连杆4-15的一端与电机箱4-1下端的孔通过第一销钉4-13构成转动连接，第一连杆4-14和第二连杆4-15对称布置，第三连杆4-18和第四连杆4-20的一端与第一连杆4-14和第二连杆4-15的另一端通过第二销钉4-16构成转动连接，第三连杆4-18和第四连杆4-20对称布置，第三连杆4-18和第四连杆4-20的另一端与支撑板4-21上端的孔通过第三销钉4-19构成转动连接，扭转弹簧4-17有两个，呈对称布置。

扭转弹簧4-17的中心空套在第二销钉4-16上，位于第三连杆4-18和第四连杆4-20的中间，扭转弹簧4-17的上端弹簧臂嵌入到电机箱4-1的槽里，下端弹簧臂嵌入到支撑板4-21的槽里，第一弹簧盖板4-11固定在电机箱4-1的下端面，限制扭转弹簧上端弹簧臂的移动，第二弹簧盖板4-22固定在支撑板4-21的上端面，限制扭转弹簧下端弹簧臂的移动，扭转弹簧绕中心实现转动，当扭转角度发生变化时，连杆也随之转动，扭转弹簧4-17的上下两端弹簧臂由于弹簧盖板的限制不会发生转动，管壁对行走单元4的压力越大，扭转弹簧4-17压缩量越大，连杆转动角度越大，行走单元4的径向尺寸变得越小。

管道机器人的履带驱动机构采用同步带配合硅胶层，这种结构既解决了管道机器人与管道内壁可靠接触的问题，又将该该用于电站锅炉集箱检测及清理的管道机器人结构小型化。

参见图6，清理单元6为机械臂形式，采用抓取的形式完成锅炉集箱部分种类异物的清理，清理单元的第一舵机6-1安装在平台6-2上，第一舵机6-1驱动第一固定支架6-3，实现转动功能，第二舵机6-4固定在第一固定支架6-3上，第二舵机6-4驱动第二固定支架6-5，实现转动功能，第三舵机6-6固定在第二固定支架6-5上，第三舵机6-6驱动第三固定支架6-7，实现转动功能，第四舵机6-8固定在第三固定支架6-7上，第四舵机6-8驱动机械手爪6-9，实现异物的抓取功能，机械手爪6-9的一端固定在第三固定支架6-7上。

参见图7，扭转弹簧4-17是实现机器人变径的关键，该扭转弹簧4-17除了实现扭转角度的两个弹簧臂，还有上下两端用于固定的弹簧臂，上下两端弹簧臂平行分布，当上下两端弹簧臂受到一定压力，扭转弹簧轴向压缩，配合连杆实现管道机器人的变径。同时这种扭转弹簧配合连杆的变径机构结构简单，尺寸小，在管道机器人本体尺寸较小的条件下能够具有较大的变径范围。本发明所提出的用于电站锅炉集箱检测及清理的管道机器人具有结构简单、尺寸小、运行平稳、越障性能好、管径调节范围大、模块化设计等特点，适用于电站锅炉集箱的检测和清理。同步带驱动机构克服了传统履带式管道机器人尺寸难以小型化的缺点，同时保证了同步带与管道内壁的可靠接触。本发明的扭转弹簧4-17配合连杆的径向调节机构不仅变径调节范围大，而且能够产生较大的力，使同步带对管壁产生较强的附着力，解决了现有管道机器人无法在管道中竖直爬行的问题。行走模块的三个行走单元沿径向120°平均分布，三个行走单元的变径机构同步伸缩，当机器人在管道内行走遇到管径变化或者运行情况变化时，本发明的中心轴线始终与管道中心线一致，可稳固支撑在管壁上，运行稳定性好。

Claims (8)

1.一种用于电站锅炉集箱检测及清理的管道机器人，其特征在于：包括通过万向节(2)连接在一起的行走模块(1)和清理模块(3)；所述的行走模块(1)包括连接在一起的若干组第一行走单元(4)，第一行走单元(4)沿着机器人主轴的径向均匀间隔分布；所述的清理模块(3)包括连接在一起的多组第二行走单元(9)以及清理单元(6)，所述的第二行走单元(9)与清理单元(6)沿着机器人主轴的径向均匀间隔分布，所述的清理模块(3)还包括沿运动方向设置在机器人主轴前端的摄像头(7)；所述第一行走单元(4)与第二行走单元(9)均包括行走机构以及支撑行走机构的扭动连杆；所述的清理单元(6)包括机械手爪(6-9)以及通过固定支架控制机械手爪(6-9)全方位活动的多个舵机。

2.根据权利要求1所述用于电站锅炉集箱检测及清理的管道机器人，其特征在于：所述的行走机构通过扭动连杆安装在支撑板(4-21)上，清理单元(6)包括用于连接舵机和固定支架的平台(6-2)；所述行走模块(1)的多个第一行走单元(4)之间通过第一连接板(5)将支撑板(4-21)的两端连接，所述清理模块(3)的第二行走单元(9)与清理单元(6)之间通过第二连接板(8)将支撑板(4-21)以及平台(6-2)的两端连接。

3.根据权利要求2所述用于电站锅炉集箱检测及清理的管道机器人，其特征在于：所述的行走模块(1)包括三组第一行走单元(4)，三组行走单元(4)沿着机器人的主轴径向间隔120°均匀分布；所述的清理模块(3)包括两组第二行走单元(9)和一组清理单元(6)，两组第二行走单元(9)和一组清理单元(6)沿着机器人的主轴径向间隔120°均匀分布；

所述的第一连接板(5)和第二连接板(8)均为三角形。

4.根据权利要求1所述用于电站锅炉集箱检测及清理的管道机器人，其特征在于：所述的行走机构包括安装在车体上的第一同步带轮(4-8)和第二同步带轮(4-12)，电机(4-3)通过锥齿轮组带动第一同步带轮(4-8)旋转，第一同步带轮(4-8)和第二同步带轮(4-12)之间通过同步带(4-9)连接，同步带(4-9)的外表面覆盖有硅胶层(4-10)。

5.根据权利要求1所述用于电站锅炉集箱检测及清理的管道机器人，其特征在于：所述的扭动连杆包括对称设置的两个折叠组合杆，所述的折叠组合杆均由若干根连杆以及用于对连杆进行铰接的销钉组成，所述的销钉上安装有用于提供支撑力的扭转弹簧(4-17)。

6.根据权利要求5所述用于电站锅炉集箱检测及清理的管道机器人，其特征在于：所述扭转弹簧(4-17)包括缠绕在销钉上的扭转节点，扭转节点延伸出弹簧臂支撑行走机构。

7.根据权利要求1所述用于电站锅炉集箱检测及清理的管道机器人，其特征在于：所述的机械手爪(6-9)由齿轮组驱动开合，所述的齿轮组由舵机带动。

8.根据权利要求7所述用于电站锅炉集箱检测及清理的管道机器人，其特征在于：所述的清理单元(6)包括能够驱使机械手爪(6-9)在三维方向活动的第一舵机(6-1)、第二舵机(6-4)以及第三舵机(6-6)，三个舵机之间通过多个固定支架耦合连接。