CN107366797A - 一种速度可控的气动式管道机器人 - Google Patents

一种速度可控的气动式管道机器人 Download PDF

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张万琦
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李鹏鹏
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Abstract

本发明公开的一种速度可控的气动式管道机器人，包括通过螺旋弹簧依次连接的测速装置、电池箱及控制器联合装置、驱动及调速装置和探测及图像获取装置。本发明的气动式管道机器人，解决了现有技术中管道机器人能源供给不足及移动速度不可控的问题。

Description

一种速度可控的气动式管道机器人
技术领域
本发明属于管道检测设备技术领域，涉及一种速度可控的气动式管道机器人。
背景技术
近年来油气、化工等产业发展迅速，管道作为一种高效的物料输送设备，得到了越来越广泛的应用。但埋藏于地下的复杂、隐蔽管网是工作人员无法直接到达的地方，再加上在长期运用过程中，管道存在着化学腐蚀、机械破损和管道老化等引起的腐蚀、变形及裂纹等问题，使管道运行过程存在非常大的安全隐患。因此，对管道的定期监测、诊断、清理和维修是保障管道系统畅通、安全和高效运营的关键，但由于管线分布复杂而且大部分埋于地下，往往是人们不易或不能直接接触的，所以在管道内完成检测与维修极其困难。
开发出一种管道机器人来帮助工人完成管道检测和探伤工作，将会大大提高管道的寿命和使用安全性。目前，国内外对管道机器人的研究众多，一般认为，法国工程师J.VRERTUT是最早开展管道机器人理论和样机研究的，他于1978年提出轮腿式管内机器人，后来人们在此基础上进行了大量研究，开发出了多种结构的管道机器人。按照其驱动方式划分，目前管道机器人可分为以下三种：
(1)自驱动管道机器人(自带动力源)：自驱动管道机器人包括滚轮移动式、蠕动移动式、螺旋移动式、履带移动式、足腿移动式等多种类型的管道机器人；这类机器人自带驱动器，结构较为复杂，控制困难，可靠性差，同时还存在着能源供给的问题；
(2)利用介质流压力差驱动的管道机器人：依靠管道机器人前后两端的压力差产生驱动力，随着管道内介质流的流动方向向前运动；虽然该驱动方式解决了其能源供给问题，结构较简单，但是由于这种管道机器人自身没有行走的动力，再加上其检测区域和移动速度的不可控，极大地影响了管道机器人的检测精度，所以不能被产业化应用；
(3)通过外加推力的弹性杆驱动的管道机器人：通过弹性杆外加推力驱动的“螺旋原理”的微型管道机器人是基于管道外的电动机的施力作用；通过管外的电机来推动驱动部件前进，但由于实际上油气管道的空间布置复杂，所以该管道机器人不能推广使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种速度可控的气动式管道机器人，解决了现有技术中管道机器人能源供给不足及移动速度不可控的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种速度可控的气动式管道机器人，包括通过螺旋弹簧依次连接的测速装置、电池箱及控制器联合装置、驱动及调速装置和探测及图像获取装置。
本发明的特点还在于：
测速装置，包括支撑体连接接头，支撑体连接接头的下部中央通过螺旋弹簧连接电池箱及控制器联合装置，支撑体连接接头的外侧壁固接有支撑架，支撑架上连接有二组变径支撑轮机构和一组测速轮机构，三者之间的夹角互为120°；测速轮机构包括通过轴承连接于支撑架上的测速轮，在支撑架上靠近测速轮处设置有测速传感器；每组变径支撑轮机构均包括有通过轴承与支撑架连接的支撑轮，还包括有张紧滑柱，张紧滑柱上端面上设置有导向槽，导向槽通过限位销固定在支撑架上，且支撑轮位于张紧滑柱的外侧，张紧滑柱与支撑体连接接头外侧壁之间开设有穿过支撑架的弹簧滑道，张紧滑柱通过预紧弹簧与支撑体连接接头的外侧壁固接，预紧弹簧位于弹簧滑道内。
电池箱及控制器联合装置，包括内部为中空结构的电池箱以及连接于电池箱上部的电池箱盖，测速装置通过螺旋弹簧与电池箱盖连接，电池箱的下部中央通过螺旋弹簧与驱动及调速装置连接；电池箱内分别设置有单片机和电池板，且单片机和电池板通过电线连接，电池箱外侧壁上连接有三组变径支撑轮机构，且三者之间夹角互为120°。
电池板内嵌于电池箱内壁上开设的方槽中。
驱动及调速装置，包括内部为中空结构的定盘，定盘的下部中央连接有轴承端盖，轴承端盖通过螺旋弹簧与探测及图像获取装置连接；定盘的内壁上连接有步进电机，步进电机的转轴与动盘连接，动盘通过轴承固定于轴承端盖上，且保持动盘上表面与定盘下表面接触，在定盘底部和动盘上均设有形状与尺寸相同的开口，步进电机通过带动动盘转动来调整开口度大小，步进电机连接有步进电机驱动器；定盘的外壁通过皮碗隔套套设有三组皮碗，且皮碗隔套通过小圆螺母固定，定盘的上部固接有定盘后盖，定盘后盖的外壁通过螺旋弹簧与电池箱及控制器联合装置连接。
定盘后盖的内壁上开设有凹槽，步进电机内嵌于该凹槽内。
定盘与动盘之间设有密封圈。
探测及图像获取装置，包括内部中空的探测箱箱体和连接于探测箱箱体顶部的探测箱盖，驱动及调速装置通过螺旋弹簧与探测箱盖连接；探测箱箱体内分别设置有CCD相机和LED灯，且LED灯设置于探测箱箱体内的底部；探测箱箱体的外壁上设置有三组变径支撑轮机构，且三者之间夹角互为120°。
在探测箱箱体底部还设置有空槽，且在该空槽中设置有SD卡。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的气动式管道机器人，通过测速装置、单片机及步进电机驱动器控制步进电机，调整的动盘和定盘的重叠面积，调节开口度，从而自主控制机器人的移动速度，减少速度波动，能有效提高检测的准确性；本发明的气动式管道机器人采用气动式驱动原理，用高压气体驱动，驱动力大，无需携带驱动能源，速度可控；本发明的气动式管道机器人结构简单，可靠性好，有一定的越障能力，行动方便；
(2)本发明的气动式管道机器人，其内部的主要部件上均安装有变径支撑轮机构，且相邻的两个变径支撑轮机构之间的夹角设置为120°，可有效控制管道机器人在高压气体的辅助作用下稳定移动，进一步减少速度波动以及管道内阻力，提高检测准确性；
(3)本发明的气动式管道机器人，在测速装置中两组变径支撑轮机构内的预紧弹簧的压力使测速轮在气动式管道机器人移动过程中始终与管壁接触，实时测速；
(4)本发明的气动式管道机器人，在变径支撑轮机构中的张紧滑柱上设置有导向槽，该导向槽通过限位销固定于支撑架上，该结构保证了支撑轮的朝向始终沿轴向，并通过弹簧实现支撑轮的径向变径运动，同时防止张紧滑柱在弹簧的作用下弹出支撑架；预紧弹簧的长度可以调节张紧滑柱所受的弹力，从而改变支撑轮变径运动的幅度；
(5)本发明的气动式管道机器人，驱动及调速装置模块中步进电机驱动器内嵌于定盘后盖内壁上开设的凹槽中，将步进电机驱动器与步进电机有效的分开，使其内部结构设置更加稳定，可有效避免装置在运行过程中出现损坏，影响检测结果；另外，在定盘与动盘接触面设置有密封圈，防止定盘与动盘之间因接触不紧密导致开口度大小不精确，影响整个气动式机器人的运行速度；
(6)本发明的气动式管道机器人，采用螺旋弹簧连接各主要部件，避免了传动时压力角过大出现卡死，提高了通过弯道的能力，实现了其整体通过中小直径的90°极限弯道，而不仅局限于直管道的性能；
(7)本发明的气动式管道机器人，在探测及图像获取装置中安装CCD相机，同时在其周围安装有LED光源，用于照亮管道内部，从而获得清晰的管道壁图像；并且探测箱箱体尾部空槽内可放置SD卡，将CCD相机采集的图像存储在其中，更方便快捷的观测分析管道内壁情况；
(8)本发明的气动式管道机器人在使用时，将驱动及调速装置模块布置在所有部件的最前部，对整个气动式管道机器的驱动力为拉而不是推，具有较好的驱动效果。
附图说明
图1为本发明一种速度可控的气动式管道机器人的结构示意图；
图2为本发明一种速度可控的气动式管道机器人内测速装置的结构示意图；
图3为本发明一种速度可控的气动式管道机器人内电池箱及控制器联合装置的结构示意图；
图4为本发明一种速度可控的气动式管道机器人内驱动及调速装置的结构示意图；
图5为本发明一种速度可控的气动式管道机器人内驱动及调速装置内部结构俯视图；
图6为本发明一种速度可控的气动式管道机器人内探测及图像获取装置的结构示意图；
图7为本发明一种速度可控的气动式管道机器人的工作原理示意图。
图中，1.测速装置，101.测速轮，102.支撑体连接接头，103.预紧弹簧，104.支撑轮，105.张紧滑柱，106.支撑架，107.测速传感器，2.电池箱及控制器联合装置，201.电池箱，202.单片机，203.电池板，204.电池箱端盖，3.驱动及调速装置，301.皮碗隔套，302.皮碗，303.轴承端盖，304.动盘，305.定盘，306.步进电机，307.步进电机驱动器，308.小圆螺母，309.定盘后盖，4.探测及图像获取装置，401.探测箱箱体，402.CCD相机，403.LED灯，404.探测箱盖，500.螺旋弹簧。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种速度可控的气动式管道机器人，如图1所示，包括通过螺旋弹簧500依次连接的测速装置1、电池箱及控制器联合装置2、驱动及调速装置3和探测及图像获取装置4。
测速装置1，如图2所示，包括支撑体连接接头102，支撑体连接接头102的下部中央通过螺旋弹簧500连接电池箱及控制器联合装置2，支撑体连接接头102的外侧壁固接有支撑架106，支撑架106上连接有二组变径支撑轮机构和一组测速轮机构，三者之间的夹角互为120°；测速轮机构包括通过轴承连接于支撑架106上的测速轮101，在支撑架106上靠近测速轮101处设置有测速传感器107；每组变径支撑轮机构均包括有通过轴承与支撑架106连接的支撑轮104，还包括有张紧滑柱105，张紧滑柱105上端面上设置有导向槽，导向槽通过限位销固定在支撑架106上，且支撑轮104位于张紧滑柱105的外侧，张紧滑柱105与支撑体连接接头102外侧壁之间开设有穿过支撑架106的弹簧滑道，张紧滑柱105通过预紧弹簧103与支撑体连接接头102的外侧壁固接，预紧弹簧103位于弹簧滑道内。
电池箱及控制器联合装置2，如图3所示，包括内部为中空结构的电池箱201以及连接于电池箱201上部的电池箱盖204，测速装置1通过螺旋弹簧500与电池箱盖204连接，电池箱201的下部中央通过螺旋弹簧500与驱动及调速装置3连接；电池箱201内分别设置有单片机202和电池板203，且单片机202和电池板203通过电线连接，电池板203内嵌于电池箱201内壁上开设的方槽中，电池箱201外侧壁上连接有三组变径支撑轮机构，且三者之间夹角互为120°。
驱动及调速装置3，如图4所示，包括内部为中空结构的定盘305，定盘305的下部中央连接有轴承端盖303，轴承端盖303通过螺旋弹簧500与探测及图像获取装置4连接；定盘305的内壁上连接有步进电机306，步进电机306的转轴与动盘304连接，动盘304通过轴承固定于轴承端盖303上，且保持动盘304上表面与定盘305下表面接触，如图5所示，在定盘305底部和动盘304上均设有形状与尺寸相同的开口，步进电机306通过带动动盘304转动来调整开口度大小(开口度为动盘和定盘上的开口重合程度)；定盘305与动盘304之间设有密封圈，定盘305的外壁通过皮碗隔套301套设有三组皮碗302，且皮碗隔套301通过小圆螺母308固定，定盘305的上部固接有定盘后盖309，定盘后盖309的内壁上开设有凹槽，该凹槽内设置有与步进电机306连接的步进电机驱动器307，定盘后盖309的外壁通过螺旋弹簧500与电池箱及控制器联合装置2连接。
探测及图像获取装置4，如图6所示，包括内部中空的探测箱箱体401和连接于探测箱箱体401顶部的探测箱盖404，驱动及调速装置3通过螺旋弹簧500与探测箱盖404连接；探测箱箱体401内分别设置有CCD相机402和LED灯403，且LED灯403设置于探测箱箱体401内的底部，在探测箱箱体401底部还设置有空槽，且在该空槽中设置有SD卡，探测箱箱体401的外壁上设置有三组变径支撑轮机构，且三者之间夹角互为120°。
测速装置1、电池箱及控制器联合装置2和探测及图像获取装置4内涉及的变径支撑轮机构的结构是相同的。
本发明一种速度可控的气动式管道机器人的工作原理具体如下：
在使用时，将驱动及调速装置3置于最前端，如图7所示，利用高压气源向管道内输入高压气体，三组串联设置在驱动及调速装置3外侧的皮碗302张紧于管道内壁，能将管道分隔成两部分，并在管道的两端形成一定的压力差，在压力的作用下，能实现本发明的气动式管道机器人的轴向运动；期间，测速装置1通过测速轮101与管道内壁的相对运动获取实时速度，然后将数据传回单片机202与预先设定速度进行对比，单片机202能将数据处理后传输给步进电机驱动器307，再由步进电机驱动器307控制步进电机306带动动盘304转动，调节开口度大小和驱动及调速装置3两端的压差，从而自主控制整个气动式管道机器人的运行速度，减小速度波动。
在上述运动过程中，设本发明的气动式管道机器人后段输入高压气体的压强为P1，前段的压强为P2，该气动式管道机器人的有效受力面积为A(即管道内径的横截面积)，其中皮碗302与管道内壁的摩擦力为Ff1，支撑轮104与管道内壁的摩擦力为Ff2，该气动式管道机器人的质量为m，则气动式管道机器人的加速度按照如下算法获得：
由于本发明的气动式管道机器人在管道内运行过程中，与管道内壁的摩擦力Ff1，Ff2变化不大，因此，在整个过程中，两个摩擦力可视为常数。
由式(1)可得：当本发明的气动式管道机器人前后两端的压差(P1-P2)发生改变时，将存在如下三种运行状态：
当a＞0时，气动式管道机器做加速运动；
当a＝0时，气动式管道机器做匀速运动；
当a＜0时，气动式管道机器做减速运动。
因此，采用节流的方式可以调节气动式管道机器的运动速度，即通过调节驱动及调速装置3开口度的大小来调节气动式管道机器前后两端的压力差，进而调节气动式管道机器的运动速度。
本发明一种速度可控的气动式管道机器人，其速度控制系统为闭环系统，测速装置1测得瞬时速度反馈给单片机202，经过A/D转换，将速度数值与预先设定速度做对比，然后将数据传输给步进电机驱动器307，再向步进电机306发送脉冲，使步进电机306每接收到一个脉冲信号便转动一个步距角，带动动盘304相对于定盘305转动，从而增加或减少开口度，以此来调整驱动及调速装置3两端的压力差，间接的调整速度，再由测速装置1对速度数据进行采集，循环控制将速度调节到设定速度大小。本发明的气动式管道机器人能自主控制，减小速度波动，提高检测精度。
本发明的气动式管道机器人，在管道内行走进行管道检测，其CCD相机402的周围安装有LED灯，用于照亮管道内部，获得清晰的管道壁图像；并且探测箱箱体401下部的空槽内可放置SD卡，将CCD相机402采集的图像存储在其中，待检测完毕，读取数据，实现工作人员对管道内壁情况的分析处理。
通过上述方式，本发明一种速度可控的气动式管道机器人通过测速装置、单片机、步进电机驱动器控制步进电机调整的动盘和定盘的重叠面积，调节开口度，从而自主控制机器人移动速度，减少速度波动，提高了检测的准确性，解决了现有技术中管道机器人能源供给不足、移动速度不可控、结构复杂以及检测精度低等问题；采用的气动式驱动原理，高压气体驱动，驱动力大，无需携带驱动能源，速度可控，采用螺旋弹簧连接各模块，避免了传动时压力角过大出现卡死，提高了通过弯道的能力，实现了其整体通过中小直径的90°极限弯道，而不仅局限于直管道的性能，机器人结构简单，可靠性好，有一定的越障能力，行动方便。

Claims (9)

1.一种速度可控的气动式管道机器人，其特征在于，包括通过螺旋弹簧(500)依次连接的测速装置(1)、电池箱及控制器联合装置(2)、驱动及调速装置(3)和探测及图像获取装置(4)。
2.根据权利要求1所述的一种速度可控的气动式管道机器人，其特征在于，所述测速装置(1)，包括支撑体连接接头(102)，所述支撑体连接接头(102)的下部中央通过螺旋弹簧(500)连接电池箱及控制器联合装置(2)，所述支撑体连接接头(102)的外侧壁固接有支撑架(106)，所述支撑架(106)上连接有二组变径支撑轮机构和一组测速轮机构，三者之间的夹角互为120°；
所述测速轮机构包括通过轴承连接于支撑架(106)上的测速轮(101)，在所述支撑架(106)上靠近测速轮(101)处设置有测速传感器(107)；
每组所述变径支撑轮机构均包括有通过轴承与支撑架(106)连接的支撑轮(104)，还包括有张紧滑柱(105)，所述张紧滑柱(105)上端面上设置有导向槽，所述导向槽通过限位销固定在支撑架(106)上，且所述支撑轮(104)位于张紧滑柱(105)的外侧，所述张紧滑柱(105)与支撑体连接接头(102)外侧壁之间开设有穿过支撑架(106)的弹簧滑道，所述张紧滑柱(105)通过预紧弹簧(103)与支撑体连接接头(102)的外侧壁固接，所述预紧弹簧(103)位于弹簧滑道内。
3.根据权利要求1所述的一种速度可控的气动式管道机器人，其特征在于，所述电池箱及控制器联合装置(2)，包括内部为中空结构的电池箱(201)以及连接于电池箱(201)上部的电池箱盖(204)，所述测速装置(1)通过螺旋弹簧(500)与电池箱盖(204)连接，所述电池箱(201)的下部中央通过螺旋弹簧(500)与驱动及调速装置(3)连接；所述电池箱(201)内分别设置有单片机(202)和电池板(203)，且所述单片机(202)和电池板(203)通过电线连接，所述电池箱(201)外侧壁上连接有三组变径支撑轮机构，且三者之间夹角互为120°。
4.根据权利要求3所述的一种速度可控的气动式管道机器人，其特征在于，所述电池板(203)内嵌于电池箱(201)内壁上开设的方槽中。
5.根据权利要求1所述的一种速度可控的气动式管道机器人，其特征在于，所述驱动及调速装置(3)，包括内部为中空结构的定盘(305)，所述定盘(305)的下部中央连接有轴承端盖(303)，所述轴承端盖(303)通过螺旋弹簧(500)与探测及图像获取装置(4)连接；所述定盘(305)的内壁上连接有步进电机(306)，所述步进电机(306)的转轴与动盘(304)连接，所述动盘(304)通过轴承固定于轴承端盖(303)上，且保持动盘(304)上表面与定盘(305)下表面接触，在定盘(305)底部和动盘(304)上均设有形状与尺寸相同的开口，所述步进电机(306)通过带动动盘(304)转动来调整开口度大小，所述步进电机(306)连接有步进电机驱动器(307)；所述定盘(305)的外壁通过皮碗隔套(301)套设有三组皮碗(302)，且所述皮碗隔套(301)通过小圆螺母(308)固定，所述定盘(305)的上部固接有定盘后盖(309)，所述定盘后盖(309)的外壁通过螺旋弹簧(500)与电池箱及控制器联合装置(2)连接。
6.根据权利要求5所述的一种速度可控的气动式管道机器人，其特征在于，所述定盘后盖(309)的内壁上开设有凹槽，所述步进电机(306)内嵌于该凹槽内。
7.根据权利要求5所述的一种速度可控的气动式管道机器人，其特征在于，所述定盘(305)与动盘(304)之间设有密封圈。
8.根据权利要求1所述的一种速度可控的气动式管道机器人，其特征在于，所述探测及图像获取装置(4)，包括内部中空的探测箱箱体(401)和连接于探测箱箱体(401)顶部的探测箱盖(404)，驱动及调速装置(3)通过螺旋弹簧(500)与探测箱盖(404)连接；探测箱箱体(401)内分别设置有CCD相机(402)和LED灯(403)，且LED灯(403)设置于探测箱箱体(401)内的底部；所述探测箱箱体(401)的外壁上设置有三组变径支撑轮机构，且三者之间夹角互为120°。
9.根据权利要求8所述的一种速度可控的气动式管道机器人，其特征在于，在所述探测箱箱体(401)底部还设置有空槽，且在所述空槽中设置有SD卡。
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